基于响应曲面法的超声挤压工艺参数优化.pdf

新技术新工艺 2 0 2 3年 第8期 6 0 新技术新工艺 试验与研究基于响应曲面法的超声挤压工艺参数优化*常金鑫1,2,贾海利1,2(1.天津职业技术师范大学 机械工程学院,天津 3 0 0 2 2 2;2.天津市高端智能数控机床工程研究中心,天津 3 0 0 2 2 2)摘 要:以提高轴类零件超声挤压表面质量为目标,采用单因素试验和响应曲面法对工艺参数进行优化设计。分析了工艺参数对4 5钢轴零件表面粗糙度的作用规律和影响程度,结果表明,表面粗糙度随着主轴转速、进给速度、静挤压量、振幅的增加呈现先降低后增加的趋势。同时对所建立的响应曲面模型进行了显著性检验和工艺参数优化,分析可知,振幅对表面粗糙度的影响最大,优化后得到最优工艺参数组合如下:主轴转速n为2 1 7.4 8 r/m i n,进给速度f为0.0 3 1 mm/r,静挤压量P为1 0 1.0 1 3 m,振幅A为8.1 9 2 m。试验验证预测值误差小于5%,因此建立的响应面优化模型精度较高,可实现工艺参数优化,并为实际加工及超声设备研制改进提供理论依据。关键词:4 5钢;响应曲面法;表面粗糙度;影响规律;参数优化;预测模型中图分类号:T B 5 5 2 文献标志码:AO p t i m i z a t i o n o f U l t r a s o n i c E x t r u s i o n P r o c e s s P a r a m e t e r s b a s e d o n R e s p o n s e S u r f a c e M e t h o dCHAN G J i n x i n1,2,J I A H a i l i1,2(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n,T i a n j i n 3 0 0 2 2 2,C h i n a;2.T i a n j i n H i g h-e n d I n t e l l i g e n t C N C M a c h i n e T o o l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r,T i a n j i n 3 0 0 2 2 2,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f u l t r a s o n i c e x t r u s i o n s u r f a c e o f s h a f t p a r t s,t h e s i n g l e f a c t o r t e s t a n d r e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d w e r e u s e d t o o p t i m i z e t h e p r o c e s s p a r a m e t e r s.I t w a s a n a l y z e d t h a t t h e l a w o f f u n c t i o n a n d e f f e c t d e g r e e o f p r o c e s s a n d p a r a m e t e r s o n t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e 4 5 s t e e l s h a f t.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s d e-c r e a s e d f i r s t a n d t h e n i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e s p i n d l e s p e e d,t h e f e e d s p e e d,t h e s t a t i c e x t r u s i o n c a p a c i t y a n d t h e a m p l i t u d e.A t t h e s a m e t i m e,t h e s i g n i f i c a n c e o f t h e e s t a b l i s h e d r e s p o n s e s u r f a c e m o d e l w a s t e s t e d a n d t h e p r o c e s s p a r a m e-t e r s w e r e o p t i m i z e d.I t w a s f o u n d t h a t t h e a m p l i t u d e h a d t h e g r e a t e s t e f f e c t o n t h e s u r f a c e r o u g h n e s s,a f t e r o p t i m i z a t i o n,t h e o p t i m u m p r o c e s s p a r a m e t e r s w e r e o b t a i n e d a s f o l l o w s:t h e s p i n d l e s p e e d n=2 1 7.4 8 r/m i n,t h e f e e d s p e e d f=0.0 3 1 mm/r,t h e s t a t i c e x t r u s i o n v o l u m e P=1 0 1.0 1 3 m,t h e a m p l i t u d e A=8.1 9 2 m.T h e p r e d i c t i o n e r r o r w a s l e s s t h a n 5%,s o t h e r e s p o n s e s u r f a c e o p t i m i z a t i o n m o d e l h a d h i g h p r e c i s i o n a n d c o u l d r e a l i z e t h e o p t i m i z a t i o n o f p r o c e s s p a r a m e t e r s,w h i c h p r o v i d e d t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r a c t u a l p r o c e s s i n g a n d u l t r a s o n i c e q u i p m e n t d e v e l o p m e n t a n d i m p r o v e m e n t.K e y w o r d s:4 5 s t e e l,r e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d,s u r f a c e r o u g h n e s s,i n f l u e n c e l a w,p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n,p r e d i c t i o n m o d e l1 引言航空航天领域大量轴类零部件通常在高温、重载和腐蚀性介质等复杂工作条件下使用,且长时间承受高载荷导致工作表面产生疲劳裂纹,极易引发零件疲劳失效1-2。其中,轴类零件的旋转疲劳强度是最主要的失效形式之一3。因此,迫切需要通过表面改性技术提高材料的抗疲劳性能,使其表面具有较低的粗糙度。超声挤压技术是一种结合静挤压力和高频动态冲击力的表面光整技术。它在施加一定静压的基础上,通过施加超声波频率冲击,对材料表面产生塑性变形,可以显著改善表面形态和表面力学特性。与传统的挤压工艺相比,超声波挤压可以在表面材料上引入更深的硬化层,进而增强零件抗疲劳性能4。在超声挤压过程中,表面粗糙度是评判轴类零件疲劳性能的重要指标,所以研究工艺参数对表面粗糙度的影响以及对工艺参数的优化,对于提高零件的疲劳特性具有重大作用。近年来,一些国内外学者对超声挤压进行了大量研究。L i u Y等5通过建立超声波挤压有限元仿真模型来预测工艺参数与表面性能的关系,研究发现静压的影响远大于振幅的影响。主轴转速越高,应力和应变越小。W a n g X等6通过对比轧制和超声轧制E A 4 T车轴钢表面发现,高频振动的作用可以增强疲劳性能。Y a o C等7对7 1 8镍合金车削超声挤压进行研究发现,表面粗糙度R a的平均值约为0.2 m,轴向残余应力约为-1 8 0 0 MP a,其影响深度增加了近1 0倍。胡世军等8研制新型加工系统进行超声挤压加工,结果发现振动挤压加工后的 试验研究 新技术新工艺 试验与研究6 1 工件表面光整,对工件表面质量有明显提高。王排岗9等采用仿真和实验结合验证的方式,获得最优的超声滚挤压工艺参数,并发现表面硬度随转速和进给速度的提高先增加后下降,随着振幅和静压力的增大而增大。姚国林等1 0以实验数据为基础建立预测模型探究加工参数对力学性能的影响规律。刘鑫1 1通过数值模拟及试验验证相结合的方法研究发现,在较大的振幅和静压力下,表面粗糙度随工件速度和进给速度的增加而增加,随振幅和静压力的增加而减小。曹丽茹等1 2为提高金属材料表层性能进行了正交试验,通过建立表层性能的预测模型,采用遗传算法进行多目标优化,得出最优加工参数域。张明等1 3采用单因素试验法对试件进行超声抛光,研究发现超声抛光后试件的表面粗糙度能达到0.0 7 m。此外,众多学者运用响应曲面法对零件表面质量进行了优化。响应曲面法是利用已知的多项式函数来拟合影响因素与响应值之间的隐式函数1 4。纪道航等1 5利用响应曲面法建立二阶回归模型,并采用遗传算法进行多目标优化,验证了模型的准确性。石文天等1 6通过对硬铝合金铣削试验,分析了工艺参数对表面粗糙度的影响,建立了预测模型并进行了显著性检验。周文昌等1 7通过响应曲面法以最小表面粗糙度为响应优化目标,得到底齿加工的最优参数组合。徐红玉等1 8通过构建改进的响应曲面-满意度函数模型对模型进行优化得到了最优工艺参数组合。综上所述,众多国内外研究学者对超声挤压加工进行了大量研究,然而利用响应曲面法对超声挤压进行进一步研究预测的较少。因此本文以4 5钢为研究对象进行超声挤压试验,以主轴转速、进给速度、振幅、静挤压量为主要工艺参数,以表面粗糙度为响应优化目标,探讨工艺参数对表面性能的影响以及最佳工艺参数组合,实现对表面性能的优化控制,为零件投入实际加工应用提供依据。2 轴类零件超声挤压加工试验2.1 超声挤压加工试验样件试验材料选用强度高的4 5钢棒料,并将其车削加工成长2 0 0 mm、直径7 0 mm的圆柱体样件。其化学成分见表1。表1 4 5钢化学成分(质量分数)(%)CS iM nN iC rC u0.4 20.5 0 0.1 70.3 7 0.5 00.8 00.30.2 5 0.2 52.2 超声挤压加工试验原理超声挤压技术是一种无切屑的表面光整技术,其原理是2 2 0 V的交流电经过超声电源得到高频电压,换能器将高频电压转换成超声振动,超声振动经过变幅杆放大传递给工具头,工具头以正弦形式不断的冲击工件表面,使工件表面微观形貌上的“高峰”受压流向“低谷”,在微观上其“凹凸”互补使得工件表面的粗糙度得到改善,提高表面光洁度。超声挤压加工如图1所示。图1 超声振动挤压加工示意图2.3 超声挤压加工试验方案本试验采用单因素工艺参数变量控制研究机床主轴不同的转速、工具头不同的进给速度、静挤压量以及振幅对零件表面粗糙度的影响规律。具体的试验因素水平见表2。表2 试验因素水平表水平因素主轴转速n/rm i n-1进给速度f/mmr-1静挤压量P/m振幅A/m11 0 00.0 12 0521 6 00.0 34 0632 2 00.0 56 0742 8 00.0 78 0853 4 00.1 01 0 0964 0 00.1 31 2 01 074 6 00.1 61 4 01 13 单因素结果分析不同工艺参数对工件表面粗糙度的影响如图2所示。图2 a中,当主轴转速从1 0 0 r/m i n提高至2 2 0 r/m i n时,表面粗糙度从0.2 1 5 m降到0.1 4 3 m;当主轴转速继续提高至4 6 0 r/m i n时,样件表面的粗糙度增加到0.2 6 4 m。图2 b中,当进给速度从0.0 1 mm/r提高至0.0 3 mm/r时,表面粗糙度从0.1 5 4 m降到0.1 0 9 m;当进给速度继续提高至0.1 6 mm/r时,样 件 的 表 面 粗 糙 度 增 加 到0.3 5 4 m。图2 c中,当静挤压量从2 0 m提高至 新技术新工艺 2 0 2 3年 第8期 6 2 新技术新工艺 试验与研究1 0 0 m时,表面粗 糙度从0.4 6 1 m降 到0.1 0 6 m;当静挤压量继续提高至1 4 0 m时,样件的表面粗糙度增加到0.1 4 7 m。图2 d中,当振幅从5 m提高至8 m时,表面粗糙度从0.2 4 6 m降到0.1 0 7 m;当振幅继续提高至1 1 m时,样件的表面粗糙度增加到0.1 2 7 m。表面粗糙度随着主轴转速、进给速度、静挤压量、振幅的增加呈现先降低后增加的趋势。a)主轴转速对表面粗糙度的影响b)进给速度对表面粗糙度的影响c)静挤压量对表面粗糙度的影响d)振幅对表面粗糙度的影响图2 不同工艺参数对工件表面粗糙度的影响4 响应面试验结果与分析4.1 响应面试验设计在单因素试验的基础上,进一步研究各因素耦合作用对表面粗糙度R a的影响,采用响应面分析法优化最佳组合工艺。基于B o x-B e h n k e n试验设计,选择4个主要因素:主轴转速n、进给速度f、静挤压量P、振幅A进行4因素3水平响应面分析试验。响应面试验因素水平和结果分别见表3和表4。表3 响应面试验因素水平和编码编码主轴转速n/rm i n-1进给速度f/mmr-1静挤压量P/m振幅A/m-11 6 00.0 18 0702 2 00.0 31 0 0812 8 00.0 51 2 09表4 试验设计与结果序号主轴转速n/rm i n-1进给速度f/mmr-1静挤压量P/m振幅A/m表面粗糙度R a/m101100.1 2 9200000.0 8 83-10-100.1 3 3400-110.1 2 8500000.0 8 4610-100.1 3 57-11000.1 1 98100-10.1 4 490-1100.1 31 0-1-1000.1 3 21 100-1-10.1 2 71 2001-10.1 3 11 310010.1 11 400110.1 1 71 5-100-10.1 1 4 试验研究 新技术新工艺 试验与研究6 3 (续表)序号主轴转速n/rm i n-1进给速度f/mmr-1静挤压量P/m振幅A/m表面粗糙度R a/m1 6-10100.1 2 81 70-10-10.1 2 31 800000.0 8 91 901-100.1 3 62 0010-10.1 2 62 101010.1 1 32 20-1010.1 1 52 30-1-100.1 3 62 400000.0 9 12 5-10010.1 2 32 611000.1 3 22 700000.0 8 72 810100.1 42 91-1000.1 3 14.2 响应面试验结果及方差分析利用D e s i g n-E x p e r t软件分析试验数据,得到二次多项回归方程:R a=1.4 3 7 6 7-0.0 0 1 3 7 6 5 7n-2.9 3 1 6 7f-0.0 1 1 3 6 4 6P-0.1 4 1 8 0 8A+0.0 0 2 9 1 6 6 7n f+2.0 8 3 3 3e-6n P-0.0 0 0 1 7 9 1 6 7n A-0.0 0 0 6 2 5f P-0.0 6 2 5f A-0.0 0 0 1 8 7 5P A+5.8 4 9 5 4e-6n2+4 6.7 0 8 3f2+6.1 7 0 8 3e-5P2+0.0 1 2 3 0 8 3A2(1)对回归方程进行方差分析(见表5)。其中,F值可以用来检验变量对响应值影响的显著性。F值越大,对应变量的显著性就越高 1 9。由表5可知,工艺参数对表面粗糙度R a影响大小顺序为:振幅A主轴转速n静挤压量P进给速度f。利用D e s i g n-E x p e r t软件得到R2为0.9 8 9 7,说明此试验模型与实际数据非常一致,模型具有较高的显著性,这使得该模型能够用于分析和预测表面粗糙度R a的最优工艺。表5 表面粗糙度R a拟合回归方程的方差分析结果方差来源平方和自由度方差F值p值显著性回归模型7.8 3 0 E-31 45.5 9 3 E-49 6.2 10.0 0 0 1*n1.5 4 1 E-411.5 4 1 E-42 6.5 10.0 0 0 1*f1.2 0 0 E-511.2 0 0 E-52.0 60.1 7 2 8P3.3 3 3 E-513.3 3 3 E-55.7 30.0 3 1 2*A2.9 0 1 E-412.9 0 1 E-44 9.9 00.0 0 0 1*n f4.9 0 0 E-514.9 0 0 E-58.4 30.0 1 1 6*n P2.5 0 0 E-512.5 0 0 E-54.3 00.0 5 7 0n A4.6 2 2 E-414.6 2 2 E-47 9.5 20.0 0 0 1*f P2.5 0 0 E-712.5 0 0 E-70.0 4 30.8 3 8 7f A6.2 5 0 E-616.2 5 0 E-61.0 80.3 1 7 4P A5.6 2 5 E-515.6 2 5 E-59.6 80.0 0 7 7*n22.8 7 6 E-312.8 7 6 E-34 9 4.8 20.0 0 0 1*f22.2 6 4 E-312.2 6 4 E-33 8 9.5 00.0 0 0 1*P23.9 5 2 E-313.9 5 2 E-36 7 9.8 40.0 0 0 1*A29.8 2 7 E-419.8 2 7 E-41 6 9.0 40.0 0 0 1*残差8.1 3 8 E-51 45.8 1 3 E-6失拟项7.2 5 8 E-51 07.2 5 8 E-63.3 00.1 3 0 6纯误差8.8 0 0 E-642.2 0 0 E-6合计7.9 1 1 E-32 8 新技术新工艺 2 0 2 3年 第8期 6 4 新技术新工艺 试验与研究注:*代表差异显著,p0.0 5;*代表差异极显著,p主轴转速n静挤压量P进给速度f。3)在超声挤压加工过程中,振幅对表面粗糙度的影响最为显著。响应曲面法优化得到的最优工艺参数组合如下:主轴转速n为2 1 7.4 8 r/m i n,进给速度f为0.0 3 1 mm/r,静 挤 压 量P为1 0 1.0 1 3 m,振幅A为8.1 9 2 m。4)对最优工艺参数组合进行试验验证,将表面粗糙度的预测结果和试验结果进行对比,相对误差为3.5 2%,从而证明了优化模型的准确性,可以优化工艺参数,并为实际加工提供理论依据。5)目前仅对超声挤压后的表面粗糙度进行了影响规律探究,没有对表面特征完整性的变化进行全面的研究。后续可以综合硬度及残余应力等指标探究工艺参数对3个方面的影响规律,并对工艺参数进行全面优化。参考文献1 郑建新,罗傲梅,刘传绍.超声表面强化技术的研究进展J.制造技术与机床,2 0 1 2,6 0 3(1 0):3 2-3 6.2 冯真鹏,肖强.超声加工技术研究进展J.表面技术,2 0 2 0,4 9(4):1 6 1-1 7 2.3 朱昌规.基于超声振动挤压的表面光整加工强化技术研究D.南京:南京理工大学,2 0 2 1.4 赵慧玲.齿轮齿面超声挤压强化技术研究D.北京:北京交通大学,2 0 1 8.5 L i u Y,W a n g L,W a n g D.F i n i t e e l e m e n t m o d e l i n g o f u l t r a s o n i c s u r f a c e r o l l i n g p r o c e s sJ.J o u r n a l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,2 0 1 1,2 1 1(1 2):2 1 0 6-2 1 1 3.6 W a n g X,C h e n L,L i u P,e t a l.E n h a n c e m e n t o f f a t i g u e e n d u r a n c e l i m i t t h r o u g h u l t r a s o n i c s u r f a c e r o l l i n g p r o c e s s i n g i n E A 4 T a x l e s t e e lJ.M e t a l s,2 0 2 0,1 0(6):8 3 0,1 3.7 Y a o C,Z h o u Z,Z h a o Y,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n s u r f a c e i n t e g r i t y c h a n g e s d u r i n g t u r n i n g-u l t r a s o n i c i m p a c t o f n i c k e l a l l o y 7 1 8J.T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,2 0 2 1,1 1 2(5):1 3 5 9-1 3 7 1.8 胡世军,陈玉荣.预压力可调式超声振动挤压系统的表面试验研究J.机械设计与制造,2 0 1 4(2):2 5 0-2 5 2.9 王排岗,王晓强,王浩杰,等.4 2 C r M o钢超声滚挤压表面硬度有限元分析及参数优 化J.锻 压 技术,2 0 2 3,4 8(3):1 5 2-1 5 8.1 0 姚国林,徐红玉,王晓强,等.风电轴承套圈超声滚挤压表层物理力学性能预测模型J.塑性工程学报,2 0 2 0,2 7(7):1 0 9-1 1 6.1 1 刘鑫.风电轴承材料超声滚挤压表面微观形貌形成机理研究D.洛阳:河南科技大学,2 0 2 0.1 2 曹丽茹,王晓强,王排岗,等.基于N S G A算法的超声滚挤压工艺参数优化J.塑性工程学报,2 0 2 2,2 9(7):1 9-2 5.1 3 张明,赵波,焦锋,等.纳米复相陶瓷超声抛光参数的研究J.新技术新工艺,2 0 0 8,2 4 6(6):8 3-8 5,3.1 4 王永菲,王成国.响应面法的理论与应用J.中央民族大学学报,2 0 0 5,1 4(3):2 3 6-2 4 0.1 5 纪道航,陈燕,郭南,等.基于响应曲面法的C F R P超声振动辅助磨削工艺参数优化J.金刚石与磨料磨具工程,2 0 2 2,4 2(5):5 8 5-5 9 4.1 6 石文天,王西彬,刘玉德,等.基于响应曲面法的微细铣削表面粗糙度预报模型与试验研究J.中国机械工程,2 0 0 9,2 0(2 0):2 3 9 9-2 4 0 2.1 7 周 文 昌,曹 泽 平,李 小 兵,等.基 于 响 应 曲 面 法 的T C 3 2钛合金高速铣削加工表面粗糙度研究及参数优化J.工具技术,2 0 2 2,5 6(1 2):4 3-4 7.1 8 徐红玉,付浩然,王晓强,等.基于综合满意度函数的超声滚挤压加工参数优化J.塑 性工 程 学报,2 0 2 3,3 0(3):1-8.1 9 程 永 春,徐 志 枢,马 桂 荣,等.基 于 响 应 曲 面 法 的S MA沥青混合料实验研究J.应用基础与工程科学学报,2 0 2 1,2 9(2):4 9 3-5 0 2.*2 0 2 1年天津市新一代人工智能科技重大专项资助项目(2 1 Z X J B G X 0 0 0 2 0)作者简介:常金鑫(1 9 9 7-),男,硕士研究生,主要从事先进制造技术等方面的研究。通信作者:贾海利收稿日期:2 0 2 3-0 5-1 9责任编辑 郑练