基于MOABC算法的超声滚挤压轴承套圈工艺参数优化_付浩然.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:付浩然,徐红玉,王晓强,等.基于 MOABC 算法的超声滚挤压轴承套圈工艺参数优化 J.塑性工程学报,2023,30(3):15-23.FU Haoran,XU Hongyu,WANG Xiaoqiang,et al.Optimization of process parameters of ultrasonic rolling extrusion for bearing ring based on MOABC algorithm J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):15-23.基金项目:国家自然科学基金资助项目(U1804145);国家重点研发计划(2018YEB2000405)通信作者:徐红玉,男,1972 年生,博士,教授,主要从事机械精密加工研究,E-mail:xuhongyu 第一作者:付浩然,男,1995 年生,硕士研究生,主要从事机械精密加工研究,E-mail:1375525941 收稿日期:2022-04-10;修订日期:2023-01-15基于 MOABC 算法的超声滚挤压轴承套圈工艺参数优化付浩然,徐红玉,王晓强,张 旭(河南科技大学 机电工程学院,河南 洛阳 471003)摘 要:为找到超声滚挤压轴承套圈时加工参数的优化控制范围,通过设计正交试验,分析了加工参数对轴承套圈各表层性能的影响规律。建立了指数回归和二阶响应回归方程的预测模型,并验证了其准确性。通过 MOABC 算法对预测模型进行优化,得到最优的加工参数域及表层性能参数域。结果表明,加工参数对表面粗糙度的影响为转速静压力进给速度振幅;对残余压应力影响的显著性为振幅转速静压力进给速度;对硬度影响的显著性为振幅静压力进给速度转速。通过试验值与预测值的对比,指数回归预测模型的误差均小于二阶响应回归。最后得到最优加工参数域:转速 280,350 rmin-1、进给速度 14,20 mmmin-1、振幅 20,25 m、静压力 470,600 N;最优表层性能参数域:表面粗糙度 0.486,0.548 m、残余压应力 910,1025 MPa、硬度 711,717 HV。关键词:优化控制;超声滚挤压;预测模型;MOABC 算法;表层性能中图分类号:TG376.1 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0015-09doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.003Optimization of process parameters of ultrasonic rolling extrusion for bearing ring based on MOABC algorithmFU Hao-ran,XU Hong-yu,WANG Xiao-qiang,ZHANG Xu(College of Mechanical and Electrical Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China)Abstract:To find the optimal control range of processing parameters during ultrasonic rolling extrusion of bearing rings,orthogonal tests were carried out to analyze the effect laws of machining parameters on the surface properties of bearing rings.The prediction models based on the exponential regression and second-order response regression equation were established and its accuracy was verified.MOABC algo-rithm was used to optimize the prediction model,and the optimal machining parameters domains and surface performance parameters do-mains were obtained.The results show that the significance of processing parameters on surface roughness is rotation speed static pres-surefeed speed amplitude,the significance on residual compressive stress is amplitude rotation speed static pressure feed speed,the significance on hardness is amplitude static pressure feed speed rotation speed.By comparing the test values with the predicted values,the error of exponential regression prediction model is less than that of second-order response regression.Finally,the optimal pro-cessing parameters domains were obtained:rotational speed of 280,350 rmin-1,feed speed of 14,20 mmmin-1,amplitude of 20,25 m,static pressure of 470,600 N.The optimal surface performance parameter domain are surface roughness of 0.486,0.548 m,residual compressive stress of 910,1025 MPa and hardness of 711,717 HV.Key words:optimal control;ultrasonic rolling extrusion;prediction model;MOABC algorithm;surface property 引言轴承作为机械领域的零部件应用较为普遍,而风电轴承主要工作在高速、高温及高载荷的环境中,疲劳强度破坏是其主要失效形式之一,为保证轴承在不同工况下具有较好的耐磨性能、接触疲劳强度或硬度,需要对轴承套圈进行强化1。表面强化技术能够改变轴承套圈的表面微观形貌和物理力学性能,从而达到较高的表层性能。超声滚挤压是材料表面强化领域的一种新兴近净成形工艺,国内外学者对其进行了大量研究。苏涌翔2通过超声滚挤压轴承套圈对其表面完整性进行了研究,建立了优化模型并结合 DIRECT 算法进行计算寻优,为实现加工参数的优化提供了合理的依据。任雁等3为确定超声滚挤压风电轴承表面粗糙度的最优参数范围,建立了指数函数回归模型,分析了参数对性能的敏感性,求出了参数的稳定与非稳定范围。ZHENG J X 等4研究了超声挤压 45 钢轴类零件工艺参数与表面粗糙度、硬度之间的关系,结果表明:超声挤压能够通过表面强化减小工件表面的表面粗糙度,提高表面硬度。RASOOLI M 等5研究了超声振动对材料成形力以及表面效应的影响,结果表明,通过显微组织与显微硬度测量的材料次表面析出物分布发生了变化,且硬化层的深度与硬度都明显增加。崔凤奎等6通过超声滚挤压轴承套圈试验,研究了工艺参数对表面粗糙度的影响,分析试验数据建立了响应曲面模型和 BP 神经网络模型并进行误差对比,结果表明预测结果可信度较高。徐红玉等7通过研究不同加工参数下的轴承套圈表层残余应力的变化规律,建立了残余应力的回归模型并验证了其准确性,从而实现对不同加工参数的残余应力进行预测和优化。朱磊等8进行了超声滚挤压 TC4 钛合金表面,研究了超声滚挤压工艺参数对表面质量的影响规律,结果表明适当的工艺参数可以很大程度地降低表面粗糙度,提高材料表面硬度。胡家进9通过利用 ABAQUS 软件进行了有限元模拟,分析了超声滚压材料过程中表层应变情况及能量变化,通过设定不同工艺参数得到了不同工艺参数对表面粗糙度和硬度的影响规律。王晓强等10对轴承套圈进行了超声滚挤压加工和硬度测试,研究了加工参数对表面硬度和硬化层深度的影响规律,建立了表面加工硬化回归模型并验证了其准确性。姚国林等11为合理控制风电轴承的表层物理力学性能,采用超声滚挤压正交试验设计,建立了风电轴承表层物理力学性能的预测模型,通过遗传算法改进 BP 神经网络,分析了加工参数对物理力学性能的影响规律。李亚鹏等12分析了超声滚压加工参数对 12Cr2Ni4A 钢表面形貌和粗糙度的影响,结果表明经过超声滚压加工后粗糙度明显降低,表面形貌得到改善。叶寒等13对铝合金表面进行了超声滚压强化处理,研究了强化前后工艺参数对表面粗糙度、显微硬度和残余应力的影响,结果表面粗糙度明显降低,表面显微硬度提高 15%,晶粒组织明显细化。魏鹏14为实现数控车削工艺参数的优化控制,建立与能耗之间的双响应曲面模型,通过改进人工蜂群算法(Multi-objective Artificial Bee Colony,MO-ABC)并进行多目标优化,为绿色加工制造提供依据。刘泽等15针对传统人工蜂群算法收敛速度慢、易陷入局部最优的问题,改进了人工蜂群算法并应用到轧机上进行轧制规划设计。综上所述,国内外学者对超声滚挤压工艺进行了一定的研究,但在轴承套圈表层性能的加工参数优化的研究方面还不够完善。MOABC 具有较强的搜索能力,被广泛应用于机械加工、制造等进行目标优化,该算法可以实现加工参数与表层性能的最优匹配,在轴承加工强化领域提高表面质量和加工效率,延长服役寿命。本文通过分析加工参数对各表层性能的影响规律,建立预测模型,并验证其精确性,采用 MOABC 算法对加工参数进行优化,得出最优加工参数域和表层性能参数域。1 超声滚挤压加工试验1.1 试验材料及设备选用高频感应淬火及低温回火处理的 42CrMo棒料作为等效加工试验试样,棒料直径为 50 mm,长度为 300 mm,本次试验之前进行车削预处理,然后进行超声滚挤压强化处理,该材料主要力学性能如表 1 所示。表 1 主要力学性能Tab.1 Main mechanical properties参数抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPa伸长率A/%断面收缩率Z/%硬度/HV值10809301245630超声滚挤压试验在 CKJ6142 数控车床上进行,61塑性工程学报第 30 卷超声滚挤压强化设置由超声波发生器和超声加工执行装置组成。其中针对表面粗糙度采用 TIME3230粗糙度测量仪进行接触式测量,残余应力采用PROTO-LXRD 型 X 射线衍射仪测量,材料表面硬度采用 HVS-1000A 数显显微硬度计测量,超声滚挤压加工过程如图 1 所示。图 1 超声滚挤压加工过程Fig.1 Ultrasonic rolling extrusion processing process1.2 试验原理超声滚挤压是一种新兴的高效精密的表面强化技术,通过对传统滚挤压装置的滚挤压工具头配备超声振动装置,实现工具头在进给的同时能够实现超声纵向振动。超声装置的交流电由超声波发生器转换为超声