基于RSM与NSGA-Ⅱ的...件挤压成形工艺的多目标优化_赵江波.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:赵江波,龚红英,叶恒昌,等.基于 RSM 与 NSGA-II 的法兰件挤压成形工艺的多目标优化 J.塑性工程学报,2023,30(3):9-14.ZHAO Jiangbo,GONG Hongying,YE Hengchang,et al.Multi-objective optimization of extrusion forming for flange based on RSM and NSGA-IIJ.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):9-14.基金项目:上海工程技术大学产学合作项目(17)CL-003)通信作者:龚红英,女,1974 年生,博士,教授,主要从事材料塑性成形及先进加工技术研究,E-mail:ghyyw 第一作者:赵江波,男,1998 年生,硕士研究生,主要从事材料塑性成形及先进加工技术研究,E-mail:2093990391 收稿日期:2022-05-06;修订日期:2023-01-08基于 RSM 与 NSGA-II 的法兰件挤压成形工艺的多目标优化赵江波,龚红英,叶恒昌,张志强,尤 晋,刘尚保(上海工程技术大学 材料工程学院,上海 201620)摘 要:通过分析实心法兰的结构特点,运用有限元模拟与响应曲面算法和 NSGA-相结合的算法对实心法兰冷挤压成形进行了多目标优化分析。采用 DEFORM-3D 有限元模拟软件对实心法兰成形过程中的损伤与载荷进行了分析。选取摩擦因数、凹模圆角半径和挤压速度 3 个工艺参数为影响因素,损伤值与载荷力为优化目标,通过设计响应曲面试验进行仿真模拟。结合 NSGA-遗传算法进行多目标优化,对优化解进行仿真试验对比,目标值误差位于合理范围内。工艺参数优化的最终结果为:挤压速度 1.46 mms-1、摩擦因数 0.05、凹模圆角半径 8.00 mm,采用优化后的参数进行模拟试验,结果表明,法兰的最大成形载荷由 100 kN 降低为 50.9 kN,损伤值由 1.29 减小至 0.70,工件的成形质量得到改善。关键词:法兰;DEFORM-3D;响应面法;NSGA-中图分类号:TG386.1 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0009-06doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.002Multi-objective optimization of extrusion forming for flange based on RSM and NSGA-IIZHAO Jiang-bo,GONG Hong-ying,YE Heng-chang,ZHANG Zhi-qiang,YOU Jin,LIU Shang-bao(School of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract:By analyzing the structural characteristics of solid flange,the multi-objective optimization analysis of cold extrusion forming of solid flange was carried out using finite element simulation and the combination of response surface algorithm and NSGA-algorithm.DEFORM-3D finite element simulation software was used to analyze the damage and load of solid flange forming process.Three process parameters of friction factor,the radius of concave die fillet and extrusion speed were selected as the influencing factors,and damage value and load force were selected as the optimization objectives.Simulation was carried out by designing response surface test.Combined with genetic algorithm NSGA-,the multi-objective optimization was carried out,and the optimization solutions were simulated and compared.The error of target value is within a reasonable range.The final results of process parameter optimization are the extrusion speed of 1.46 mms-1,the friction factor of 0.05,and the radius of concave die fillet of 8.00 mm.The simulation test with the optimized param-eters was carried out.The results show that the maximum forming load of flange is reduced from 100 kN to 50.9 kN,the damage value is reduced from 1.29 to 0.70,and the forming quality of workpiece is improved.Key words:flange;DEFORM-3D;response surface method;NSGA-引言法兰也叫实心法兰或突缘,是一种锻造类的盘状零部件,一般用于轴与轴和管道断面的连接中,法兰上有孔眼,通常用螺栓连接使两法兰相互紧固。实心法兰有较多的台阶部与过度部,结构较为复杂,零件成形较为困难1。由于法兰盘的尺寸结构特点,使用精密模锻成形较为困难,国内大多数企业采用热模锻生产毛坯,再经过机加工来达到零件要求,材料利用率以及生产效率都比较低。国外使用效率较高的冷挤、温挤成形较多。在挤压成形过程中,由于实心法兰轴杆部分直径较小,法兰盘的直径相对较大,随着挤压过程的进行,形成凸缘翼面,从底座向模具方向填充模具型腔。同时,材料与底座接触,但法兰上缘直到挤压过程的最后阶段才与模具接触2。因此实心法兰边缘部分坯料填充比较困难,易形成缺陷。冷挤压技术是金属塑性成形的技术,是现代工业先进制造技术的重要发展分支,这种技术已经成为金属塑性成形工艺中最先进的工艺之一3,具有生产效率高、产品力学性能强和成形精度高的优点。有限元分析技术在设计的早期具有非常大的价值。近年来,CAE 在许多大规模企业得到普遍的应用,其主要价值在于可以通过模拟分析,完善设计的一些缺陷与不足,并且减少样件的制作时间提高设计生产效率。DEFORM-3D 是建立在有限元计算方法基础上的一种工艺模拟软件,通常应用于金属成形以及相关工业中的成形和其他处理工艺过程进行模拟分析4。本文采用 DEFORM 有限元软件对实心法兰冷挤压成形过程进行模拟分析,通过软件后处理对零件损伤分布与最大成形载荷的模拟结果进行分析,预测出实心法兰成形过程中可能出现的缺陷。运用响应面算法和 NSGA-相结合的算法对实心法兰冷挤压成形的相关影响参数进行优化,最终得到各工艺参数的最优解,使得实心法兰的成形质量提高,此研究过程对冷挤压实心法兰成形工艺参数优化具有一定的指导意义。1 法兰的成形工艺分析1.1 零件结构分析本文研究的法兰为实心法兰零件如图 1 所示,法兰盘的直径较大,厚度较薄,该零件轴杆部分为阶梯形。法兰最大直径为 104 mm,法兰盘厚度为4.3 mm,轴杆部分大直径为 35.6mm,小直径为29.8mm,总高为 72.0mm。在零件成形过程中,法兰盘与轴杆连接部位和法兰盘外边缘处容易出现开裂,零件成形材料为 6061-T4 铝合金,具有轻量化以及良好的塑性,材料化学成分如表 1 所示。1.2 法兰挤压成形工艺方案分析1.2.1 毛坯的选择轴类的零件可通过长径比的值分为普通轴、短轴和细长轴,根据法兰的高径比计算得该法兰零件的轴为普通轴,法兰主体为旋转体。该零件法兰盘图 1 零件尺寸图Fig.1 Dimension diagram of part表 1 6061 铝合金化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy(%,mass fraction)元素CuMgCrSiZnMnTiFeAl含量0.150.40.81.20.040.350.40.80.250.150.150.7余量直径较大,属于高径比较大的成形零件。因此在选择毛坯时应避免毛坯的直径过小,使得零件成形时的高径比增大从而增加成形难度。选用直径 D 为35.4 mm 的圆柱形铝合金棒料,使用 Solidworks 三维制图软件对零件进行建模,测量出零件体积 VP=93432.16 mm3,设置一定的加工余量,因此坯料的体积应加上一定的修边余量 VX=0.05VP,由塑性成形中的体积不变原理可以计算出坯料的体积 V0,即5:V0=VP+VX=1.05VP=1.05 93432.16 mm3=98103.768 mm3(1)坯料的体积与直径已知,通过计算坯料高度为V0/(D/2)2,确定坯料的尺寸为 35.4 mm 99.7 mm。1.2.2 零件工艺分析法兰零件成形过程中的主要难点在于法兰盘的成形困难,容易出现破裂。根据该零件的结构特点,冷镦粗为法兰盘的主要成形工艺,轴杆部分可通过挤压成形。在工件成形过程中,其变形抗力随着工件的变形程度增加而增大。所选材料的许用变形程度要大于工件的变形量,否则零件会出现开裂现象6。工件采用 1 次镦挤成形时,工件镦粗部分高径比的范围为小于 2.5;采用 2 次镦挤成形时,零件的镦粗部分高径比范围为 2.54.5;当零件的镦粗部分高径比范围为 4.56.5 时,可采用 3 次镦挤成01塑性工程学报第 30 卷形7。计算出零件法兰盘处的体积 V盘=36527.93 mm3,需要变形的毛坯高度 H变形=V盘/(D/2)2=37.2 mm,变形区的高径比 H变形/D=1.05,可采用一次镦挤成形。1.3 有限元模型建立和零件工艺方案确定 通过 Solidworks 软件对坯料与上、下模进行建模,由于该零件为旋转体结构,为了节约计算时间因此对模型的 1/16 进行模拟。将所建立模型转化为STL 格式导入 DEFORM 软件中。在材料库中定义加工材料为 Al6061,将坯料设置为塑性体,网格划分数量为 40000 个。凸、凹模设置为刚性体,凸模运动速度为 1 mms-1,摩擦因数为 0.4,零件生产环境温度为 20。通过 DEFORM 有限元软件进行 1 次镦挤成形模拟,零件的最大损伤值为 1.29,损伤值大于 1.15的极限值,零件容易出现破裂,如图 2 所示。模拟结果显示最大成形载荷为 100 kN。因此,采用 2 次镦挤成形使得零件成形更好。设计的镦挤工艺方案如图 3 所示,先对坯料进行镦粗预成形,再镦挤成形法兰盘部分。使用 DEFORM-3D 软件进行仿真模拟,通过后处