[发明专利]一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法

摘要

本发明公开了一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法，属于模锻工艺领域，具体涉及模锻加工的有限元仿真与正交试验设计相结合的工艺参数优化方法。本方法以模锻工艺为例，在Archard磨损模型的基础上，推导出适用于模锻模具磨损的修正模型，并且对模锻模具磨损过程进行基于Deform软件的有限元仿真分析。研究模锻加工过程中模具工作表面的磨损深度与模锻工艺参数之间的关系，利用正交试验设计将不同的工艺参数进行组合分析，通过较少的仿真实验次数得到适用于模锻的工艺参数最优解。利用极差分析法进行实验数据处理，推导出对模具磨损影响程度最大的工艺参数，为模锻工艺中的模具磨损问题提供基于工艺参数方向的优化方法。

主权项

1.一种基于模锻模具磨损的工艺参数优化方法，其特征在于：通过建立模锻工艺的模具磨损修正模型，分析各项工艺参数对模具磨损的影响程度，对模锻成型过程中关键工艺参数进行正交试验设计；通过有限元模拟软件对整个模锻成型过程进行仿真实验，提出基于正交试验法的工艺参数优化方法，从工艺参数的优化设置上来减少模锻成型过程中的模具磨损；具体包括如下步骤：步骤1：基于Archard磨损理论，建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型；步骤1.1建立Archard磨损模型；在Archard磨损模型中，磨损率能表示成如下函数模型：式中，V是磨损体积，K是磨损系数，P是模具受压，l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离，H是模具硬度，v是变形速度，Δt是磨损过程中的接触时间；d是微分符号，表示各个变量的变化率；则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率；步骤1.2建立基于模锻工艺的模具磨损修正模型；模具磨损的修正模型：式中，W是模具磨损量，dW表示模具磨损量的变化率，K是磨损系数，s和t分别表示为模锻工艺中模具的位移和时间参数，σn是坯料的应力值，v是变形速度，Hm是模具硬度；所以σn(s，t)、v(s，t)、Hm(s，t)分别表示为模具在某一时间处于某一位置下的应力值、变形速度和模具硬度；建立模锻工艺参数与模具的最大磨损量之间的函数模型：Wmaz＝f(v，T，εF，m)   (5)式中，Wmax为最大磨损量，v为变形速度，T为变形温度，εF为变形程度，m为摩擦因子；如果忽略不同坯料材料、模具材料本身的性质区别，只考虑工艺参数对模具磨损的影响，那么变形速度v、变形温度T、变形程度εF相对应的工艺参数就是坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度；即这三个工艺参数就是对热模锻成型过程中的模具磨损量有较大影响的关键性工艺参数；步骤2：对关键性工艺参数进行基于模锻模具磨损的正交试验设计；步骤2.1基于模锻工艺的正交试验设计；根据新建立的热模锻模具磨损修正模型中所推导出的三个关键的工艺参数，进行三因素四水平的正交试验设计，有效的减少仿真实验的工作量，进一步提高实验效率；采用L16(43)的正交表，即将坯料的初始温度、模具的初始温度和上模的打击速度作为三个实验因素，在每个因素下面找到4个水平的数值，一共进行16组实验，用Deform软件仿真分析每一组实验结果所得出的模具磨损量，最后推导出使模具磨损深度最小的最佳工艺参数；根据本实验实际生产的工艺要求：初始坯料温度范围是T₁～T₂℃，初始模具温度范围是t₁～t₂℃，上模打击速度范围是V₁～V₂mm/s，把初始坯料温度、初始模具温度和上模打击速度作为3个因素来划分成4个水平；即坯料的初始温度分别为：T₁、T₂℃，模具的初始温度分别为t₁、t₂℃，上模打击速度分别为：V₁、V₂mm/s；步骤2.2基于极差分析法的试验数据处理；极差分析法的定义：式中，p为水平个数，n为实验次数，k为试验序号，为第j因素的第i水平的实验结果，T_ij为第j因素中所有第i水平的试验结果之和，M_ij为第j因素中所有第i水平的试验结果的平均值；极差R_j的公式为：Rj＝max(Mij)‑min(Mij)   (7)极差分析法能分析出第j因素对试验结果的影响程度；在一次正交试验中，某一个因素极差值的大小和该因素对实验结果的影响程度呈现正比关系；利用极差分析法能够推导出各个关键性工艺参数对模具磨损的影响程度排序；步骤3：利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验；步骤3.1基于模锻成型过程的有限元试验理论基础；在模锻成型过程中，对材料与模具之间的接触面采用离散化分析，模具磨损公式：式中：W为模具磨损量，K为磨损系数，M为总时间步数，N为接触面的总结点数，σn为坯料的应力值，v为变形速度，H为模具硬度，Δt为时间步；σn(s，t)、v(s，t)分别表示为模具在某一时间处于某一位置下的应力值和变形速度；而σn与v的值都能根据有限元计算来得到；在k和H固定不变的情况下，就能通过数值模拟的方法计算出一次热模锻成型过程中模具和材料接触面的磨损量，即通过有限元模拟计算出整个热模锻工艺过程中的模具磨损深度；步骤3.2建立有限元仿真模型；采用SolidWorks软件构建本次模锻工艺中所需要的上模、下模和坯料模型，然后导入到有限元仿真软件Deform里面，得到所需要的有限元仿真模型；在Deform中进行相关的工艺参数设置；单位制选择SI，坯料设置为塑性体，模具设置为刚性体；坯料材料采用40CrNiMoA，其对应的国际钢号为AISI‑4340，模具材料采用5CrNiMo，其对应的国际钢号为AISI L6，初始坯料温度范围是T1～T2℃，初始模具温度范围是t1～t2℃，上模运动速度范围是V1～V2mm/s，下模处于静止状态；热摩擦系数设置为0.7，热传导系数设置为11；成型过程中采用Archard磨损模型来预测模具的磨损量；步骤3.3有限元仿真实验结果；用Deform软件依照正交试验方案对模锻成型过程进行16次仿真实验分析，得出不同工艺参数组合条件下的模具磨损深度，并记录。