铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法技术

一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法，首先以模具应力为优化目标，建立正交表，根据正交表数据，进行软件仿真，获取各组试验模具应力峰值，同时获取各因素最优水平及飞边槽最优参数组合；在此基础上，建立以锻压速度、坯料初始温度、模具预热温度为设计变量，以成型载荷和锻件终锻温度为优化目标的响应面回归模型。在拟合模型有效的前提下，通过响应面二维和三维图及软件内部方差分析，获取各设计变量及变量组合对目标响应的影响程度，并针对成型载荷和锻件终锻温度期望值推荐最优参数组合并对其进行验证。经过对模具飞边槽以及锻造工艺部分的递进式的综合优化方法，可获得一组延长模具寿命、降低成型载荷、增强锻件流动性的综合优化方案。荷、增强锻件流动性的综合优化方案。荷、增强锻件流动性的综合优化方案。

【技术实现步骤摘要】
铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法


[0001]本专利技术涉及铰链梁锻造模具及工艺优化领域，特别是一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法。

技术介绍

[0002]高温高压法合成金刚石的主要装备为铰链式六面顶压机，铰链梁是整机的关键部件，其三维结构如图5所示。铰链梁带4组耳部，通过耳部耳孔销轴的连接，使六个铰链梁互相连接成为一个整体。六面顶压机6个铰链梁从前、后、左、右、上、下呈相互铰接的对称布置。
[0003]铰链梁从20世纪60年代至今多采用铸造的方式生产，但是铸件相比于锻件存在疏松、夹杂、偏析等缺陷。铸造的铰链梁在长时间受压机交变载荷作用时容易发生缸体掉底和耳孔断裂，导致压机使用寿命较短。随着六面顶压机越来越大型化，一些企业便开始使用锻造方式成型铰链梁，但是在实际过程中由于锻压机吨位受限，模具设计不合理的问题，导致锻件在模腔中流动性差，填充不足的情况出现，影响锻件质量和模具寿命。通过模具参数优化，降低模具应力，提高模具寿命，完成模具优化后对工艺参数进行优化，在完成模具飞边槽的尺寸参数优化的基础上，再通过工艺参数优化，降低成型载荷以此适应压机吨位，提高终锻温度区间来增强锻件在模具内的流动性，以此完成对模具寿命、成型载荷和锻件流动性的综合优化。因此对铰链梁锻造模具参数及工艺参数开展研究，具有重要意义。
[0004]本专利技术铰链梁锻件整体锻造成型工艺过程如图6所示，整个流程包括选毛坯、自由锻、制胚、预锻和终锻。首先对加热后的毛坯进行自由锻，一般为镦粗和拔长操作，接着进行制胚，最后两步分别是预锻和终锻操作，预锻一般在终锻之前，该专利主要对终锻过程进行数值模拟和优化。为了实现铰链梁终锻过程的模拟和优化，在预锻后将中间坯放在终锻模具中进行终锻，终锻模具上模如图7所示，压凹模具如图8所示，下模具如图9所示，飞边槽示意图如图10所示，中间坯如图11所示，整个终锻过程分为三步：第一步，通过上模具将中间坯压入到下模具中；第二步，通过压凹模具压凹中间坯，形成中间油腔；第三步，由于在压凹过程中四个耳部的金属向上流动翘起，因此需要再次通过上模具来进行压实，在此过程中多余金属被挤入飞边槽形成飞边，完成终锻过程。
[0005]本专利技术锻造模拟过程采用开式模锻，在开式模锻模具设计中非常重要的一部分是飞边槽设计，通过设计合理的飞边槽可以优化锻件在模腔中的填充性，同时飞边槽由仓部可以容纳多余金属，在一定程度上降低应力集中的现象，如果锻造时模具应力过大，可能会导致模具断裂、变形等情况，所以通过优化模具飞边槽参数，可以改善锻件填充性，降低模具应力，提高锻件质量和延长模具寿命。另外由于锻压速度、坯料初始温度、模具预热温度等工艺参数都会影响到材料的流动应力，进而会影响到锻压所需成型载荷，而成型载荷和锻压机吨位息息相关，通过降低成型载荷可以解决锻压机吨位不足的问题，而锻造过程中如果温度过低会造成流动性差，应力集中等现象，而终锻温度谷值是其最恶劣的情况体现，通过优化终锻温度谷值，相当于提高了终锻过程中整体锻造温度，优化了锻件在模具中的
流动性。
[0006]基于前面所述，本专利技术针对铰链梁锻造开式模锻模具设计中的飞边槽设计及锻造工艺参数优化提出新的思路。
[0007]本专利技术基于铰链梁锻造过程中的成型载荷、模具寿命、锻件流动性为优化目标，通过在SPSS中建立正交表，运用极差和方差分析方法得出飞边槽桥部各设计因素对模具应力峰值影响程度，同时获取各因素最优水平及飞边槽最优参数组合，并把优化的飞边槽参数应用到后续试验的模具中，在Design
‑
expert中进行响应面分析，并拟合出响应和设计变量之间的多元二次回归方程，在模型有效性满足要求的前提下，通过响应面二维和三维图及软件内部方差分析，获取各设计变量及变量组合对目标响应的影响程度，并针对成型载荷和锻件终锻温度期望值推荐最优参数组合，最后将回归模型导入到粒子群算法中，通过粒子群算法，得出最优响应及其参数组合，与响应面分析结果相互验证，最终确定最佳工艺参数。

技术实现思路

[0008]本专利技术提出了一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法，首先以飞边槽结构中桥部高度、宽度及桥部内外圆角为设计变量，以模具应力为优化目标，通过SPSS软件建立正交表，根据正交表数据，通过DEFORMR软件仿真，获取各组试验模具应力峰值，运用极差和方差分析方法得出飞边槽桥部各设计因素对模具应力大小影响程度，同时获取各因素最优水平及飞边槽最优参数组合；在模具飞边槽参数优化的基础上，利用Design
‑
expert软件建立以锻压速度、坯料初始温度、模具预热温度为设计变量，以成型载荷和锻件终锻温度为优化目标的响应面回归模型，并通过决定系数R2、失拟项p值及模型显著度p值等验证模型有效性。在拟合模型有效的前提下，通过响应面二维和三维图及软件内部方差分析，获取各设计变量及变量组合对目标响应的影响程度，并针对成型载荷和锻件终锻温度期望值推荐最优参数组合，但此处可能是响应曲面模型的驻点，而不是最小值或最大值点，即不是最优结果；为进一步验证优化结果，将Design
‑
expert软件拟合的两个三元二次回归方程分别导入到Matlab粒子群算法中作为适应度函数进行优化，验证并得到最终工艺参数的优化结果。
[0009]一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0010]S1：根据铰链梁终锻件的图纸尺寸并加入收缩余量，在Solidworks软件中设计出锻造模具，然后根据模腔和飞边槽容积计算出中间坯体积，进而绘制出铰链梁中间坯三维模型，接着，将绘制好的模具和铰链梁的三维模型在Solidworks装配好并转换为STL格式，二进制STL文件格式描述三维物体的几何信息，为DEFOEM仿真模型文件的常用格式。在数值仿真部分用到了DEFORM软件，该软件主要应用于金属塑性加工、热处理等工艺的数值模拟，包括前处理，数值模拟，后处理三个模块，其中后处理模块可以得到分析结果；
[0011]S2：为考察飞边槽参数对锻造模具应力峰值的影响，
[0012]取飞边槽结构中桥高、桥宽、桥部内圆角、桥部外圆角四个因素，根据压机吨位查锻造手册得到飞边槽参数推荐值，各因素根据推荐值在合理范围内选取四个水平，建立正交表，得到16组待试验数据，并在正交表上预留出一列误差列，其中因素水平表如图2所示，
正交试验表如图3所示；
[0013]S3：根据S2正交表的试验数据组合，
[0014]在Solidworks软件中按照各个数据组合要求修改飞边槽参数，并将模具和中间坯装配好转化为STL格式，导入到DEFORM软件中进行数值仿真，获取各个数据组合下的模具应力峰值；
[0015]S4：取飞边槽结构中桥高、桥宽、桥部内圆角、桥部外圆角为设计因素，以模具应力为优化目标，利用数据统计分析方法，获取四个因素对模具应力的影响主次，以及各因素的最优水平，最后得出飞边槽最优参数组合；
[0016]S5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据铰链梁终锻件的图纸尺寸并加入收缩余量，在Solidworks软件中设计出锻造模具，然后根据模腔和飞边槽容积计算出中间坯体积，进而绘制出铰链梁中间坯三维模型，接着，将绘制好的模具和铰链梁的三维模型在Solidworks软件中装配好并转换为STL格式；S2：为考察飞边槽参数对锻造模具应力峰值的影响，取飞边槽结构中桥高、桥宽、桥部内圆角、桥部外圆角四个因素，根据压机吨位查锻造手册得到飞边槽参数推荐值，各因素根据推荐值在合理范围内选取四个水平，建立正交表，得到16组待试验数据，并在正交表上预留出一列误差列；S3：根据S2正交表的试验数据组合，在Solidworks软件中按照各个数据组合要求修改飞边槽参数，并将模具和中间坯装配好后转化为STL格式，导入到DEFORM软件中进行数值仿真，获取各个数据组合下的模具应力峰值；S4：取飞边槽结构中桥高、桥宽、桥部内圆角、桥部外圆角为设计因素，以模具应力为优化目标，利用数据统计分析方法，获取四个因素对模具应力的影响主次，以及各因素的最优水平，最后得出飞边槽最优参数组合；S5：保留S4中优化得到飞边槽参数取值，接着对锻造成型过程中的工艺参数进行优化，以锻压速度、坯料初始温度、模具预热温度为设计变量，以成型载荷和锻件终锻温度为优化目标；其中，锻造成型过程中的工艺参数优化采用响应面分析中BBD试验方案，通过BBD设计试验表格，得到17组待试验数据，S6：在DEFORM软件中，按照S5试验表格中的方案组合进行模拟仿真，得到各组成型载荷峰值和坯料终锻温度谷值，将其填入到试验表格中的成型载荷峰值和坯料终锻温度谷值对应列，完善试验表格，为后续响应面分析做准备；S7：将S6中BBD方案试验表格数据导入到Design
‑
expert，通过多元二次回归方程来拟合设计变量与响应值之间的函数关系，并通过决定系数R2、失拟项p值及模型显著度p值验证模型有效性，在拟合模型有效的前提下，通过响应面模型分析，得到方差分析数据及二维、三维响应面图，并分别分析成型载荷响应峰值最小及锻件终锻温度响应谷值最大情况下，锻压速度、坯料初始温度、模具预热温度的最优取值组合；S8：将S7中响应面模型拟合出的两个多元二次回归方程分别作为粒子群算法中的适应度函数，通过matlab编写粒子群算法程序，分别对这两个适应度函数进行优化求解，在可行域内，分别寻找成型载荷响应峰值最小及锻件终锻温度响应谷值最大情况下，各设计变量的取值组合，验证和优化响应面分析结果，最终获取最优工艺参数组合。2.根据权利要求1所述的一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法，其特征在于，步骤S2所述飞边槽结构中桥高A,桥宽B，桥部外圆角C,桥部内圆角D为四个因素，为了考虑误差影响，选取一列作为误差E，因素水平数为四,响应列为模具应力峰值(Z1,Z2,
…
,Z16)，建立L
n
(m
k
)正交表，此处，n为试验次数取16，m为水平数取4，k为因素数，由于加入误差列，因此取5。3.根据权利要求1所述的一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法，其特征在于，步骤S3根据S2建立的正交表在Solidworks软件中对模具飞边槽参数进行
修改，并将模具和中间坯装配好转化为STL格式，导入到DEFORM中进行模拟分析，获取不同飞边槽参数下的模具应力峰值，补全正交表响应列数值，为后续分析做准备。4.根据权利要求1所述的一种铰链梁锻造模具飞边槽参数及锻造工艺参数的优化方法，其特征在于，步骤S4所述的数据统计分析方法包括如下，S4.1极差分析可按如下公式计算相关参数，具体实施如下：T
ji
＝∑X
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)R1＝max(T
j1
,T
j2
,T
j3
,T
j4
)
‑
min(T
j1
,T
j2
,T
j3
,T
j4
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)R2＝max(t
j1
,t
j2
,t
j3
,t
j4
)
‑
min(t
j1
,t
j2
,t
j3
,t
j4
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)U1＝W(max(T
j1
,T
j2
,T
j3
,T
j4
)ormax(t
j1
,t
j2
,t
j3
,t
j4
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)U2＝W(min(T
j1
,T
j2
,T
j3
,T
j4
)ormin(t
j1
,t
j2
,t
j3
,t
j4
))(7)其中，对于式(1)，n为试验次数，取16，T为所有试验响应的和，X
i
为第i次试验响应值，此处试验响应为模具应力峰值；对于式(2)中的X为因素取j，水平取i时的试验响应值，本试验指的是模具应力峰值，T
ji
中j＝A，B，C，D，E(其中A、B、C、D、E分别表示飞边槽结构中桥高、桥宽、桥部外圆角、桥部内圆角和误差等五个设计因素)，i＝1,2,3,4,表示该因素取的水平数，通过求和可以计算任意因素j(A,B,C,D,E)下，水平数为i(1,2,3,4)的试验响应的和，即为T
ji
。对于式(3)，T
ji
含义与上述相同，r为j(A,B,C,D,E)因素下，水平数i(1,2,3,4)在本列出现的次数，本方法中取r＝4，可以求得试验响应和的平均值t
ji
；对于式(4)和式(5)即为极差，两个式子作用相同，j的取值范围与上述相同，通过计算可以求得极差值，该式计算了在某一因素下试验响应和(试验响应和的平均值)的最大值和最小值的差值，此处用到式(2)和式(3)的运算结果；R值反映了各列因素变动时，试验响应的变动幅度，R值越大说明该因素对试验响应的影响越大，表明该因素越重要；对于式(6)和式(7)，要根据实际情况选取，其中j的取值范围与上述相同，通过式(6)或式(7)可以选出在某一因素j下，试验响应和及试验响应和平均值的最大值或者最小值；式(6)和式(7)中的W运算为选出最大值或者最小值之后，取其水平数将其赋给U，如果最终要求的试验响应越大越好，则选择式(6)，可获得因素的最优水平；如果最终要求的试验响应越小越好，模具应力优化应越小越好，则通过式(7)可获得因素的最优水平；根据极差分析可以得到各因素对试验响应的影响主次，结合各因素的最优水平，可得到最优参数组合；为了解决极差分析不能估计误差大小，也不能准确估计各因素对试验结果的影响程度的问题，进一步采用方差分析方法；S4.2方差分析可按照如下公式计算相关参数，具体实施如下：
f
T
＝n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)f
j
＝m
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王良文，刘飞飞，武玺旺，王若澜，谢贵重，李轲，李明涛，何文斌，鲁海霞，刘旭玲，曹河周，汪曙光，
申请(专利权)人：河南黄河旋风股份有限公司河南黄河田中科美压力设备有限公司，
类型：发明
国别省市：