焦歡慶

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051)

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星點(diǎn)設(shè)計(jì)效應(yīng)面法優(yōu)化連桿襯套塑性成型工藝

焦歡慶

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051)

強(qiáng)力旋壓加工的連桿襯套具有承載力強(qiáng)、耐磨性好的特點(diǎn)，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)其工藝參數(shù)交互影響襯套性能。利用星點(diǎn)效應(yīng)面法研究某型號(hào)柴油機(jī)連桿襯套的強(qiáng)力旋壓工藝，其減薄率、進(jìn)給比和退火溫度對襯套力學(xué)性能有影響；利用Design-Expert 軟件對所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用效應(yīng)面法分析優(yōu)化，采用三元三次多項(xiàng)式回歸模型作為試驗(yàn)因素與效應(yīng)因素的數(shù)學(xué)模型，分別得出布氏硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率與工藝參數(shù)的關(guān)系式；對效應(yīng)因素進(jìn)行歸一化處理，將總評“歸一值”作為優(yōu)化目標(biāo)響應(yīng)值，確定出該型號(hào)襯套強(qiáng)力旋壓工藝最優(yōu)參數(shù)為：減薄率36.8%，進(jìn)給比0.46 mm/r，退火溫度296 ℃。

連桿襯套; 強(qiáng)力旋壓; 星點(diǎn)設(shè)計(jì)效應(yīng)面法

0 引言

強(qiáng)力旋壓工藝屬于無切屑加工，其材料利用率和力學(xué)性能等方面都優(yōu)于切削加工[1]。連桿襯套是連桿與活塞連接件中重要部件，其性能好壞影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。相比國內(nèi)現(xiàn)有的加工連桿襯套的真空吸鑄和粉末冶金方法，通過強(qiáng)力旋壓成形的連桿襯套具有高比壓、高效率的特點(diǎn)。在襯套生產(chǎn)中常用伸長率等來衡量其塑性性能，用布氏硬度等來衡量襯套的耐磨性[2]。在生產(chǎn)中，一些旋壓件的表面出現(xiàn)的鱗片和波紋棱現(xiàn)象、端口出現(xiàn)的喇叭狀現(xiàn)象，對襯套的進(jìn)一步加工有較大影響。為盡可能降低上述情況，使襯套具有較好的力學(xué)性能，以某型號(hào)大功率柴油機(jī)的連桿襯套的生產(chǎn)工藝過程為研究對象，確定最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 影響襯套性能的工藝參數(shù)

連桿襯套工作在高比壓、高熱負(fù)荷等受力不均勻環(huán)境下，要求襯套表面硬度高、承載能力較大。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對強(qiáng)力旋壓工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)旋壓參數(shù)減薄率、進(jìn)給比和旋壓后熱處理工藝中的退火溫度對于襯套性能有很大影響[3-4]。

(1)減薄率是指工件旋壓前后的薄厚差值與旋壓前壁厚的比值[4]。減薄率的大小與加工后試件的表面材料隆起大小有很大關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[5]所得：隨著減薄率的增大，旋壓過程中材料堆積越多，隆起高度就越大。當(dāng)材料軸向流動(dòng)不順暢時(shí)，旋壓后工件的表面就會(huì)有波紋棱，工件表面不光滑；材料切向流動(dòng)量變大使得工件脹徑量增大，加工精度降低[6]。但減薄率過低，不僅影響生產(chǎn)效率，而且對工件表面材料有很大影響，所以減薄率的控制很重要。

(2)進(jìn)給比f是旋輪的進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速的比值，過大的進(jìn)給比會(huì)導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)鱗片狀缺陷或工件被拉裂等情況；過小的進(jìn)給比會(huì)使得脹徑量變大，所以進(jìn)給比的大小控制很重要[7]。

(3)材料利用率高的強(qiáng)力旋壓工藝在旋壓后帶來了較大的殘余應(yīng)力，合適溫度的退火熱處理會(huì)減小殘余應(yīng)力。退火溫度高會(huì)使得殘余應(yīng)力消除得充分些，但溫度過高會(huì)對工件的強(qiáng)度有一定影響，因此，退火溫度的控制很重要[8]。

2 星點(diǎn)效應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

近年來由國外學(xué)者提出的星點(diǎn)效應(yīng)面法在多因素多目標(biāo)優(yōu)化方面應(yīng)用比較多[9-10]。星點(diǎn)設(shè)計(jì)(Central Composite Design, CCD)和效應(yīng)面優(yōu)化方法(Response Surface Methodology, RSM)通過選擇可靠的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及合適的數(shù)學(xué)模型，描繪試驗(yàn)因素與效應(yīng)因素的函數(shù)關(guān)系，以解決多個(gè)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題，具有試驗(yàn)次數(shù)少、試驗(yàn)精度高的特點(diǎn)。

CCD是多因素五水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，是在兩水平的析因設(shè)計(jì)上加上極值點(diǎn)和中心點(diǎn)構(gòu)成的。試驗(yàn)表先是以代碼編排，之后試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際值。此次連桿襯套CCD五水平取值為：0、±1、±1.68，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定減薄率水平極值為20%～50%，進(jìn)給比水平極值為0.01～0.6 mm/r，退火溫度水平極值為260～310 ℃，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。在所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)條件下進(jìn)行旋壓加工，將旋壓后的工件制成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試件，用布氏硬度測試儀、拉伸試驗(yàn)機(jī)及用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對各個(gè)拉伸試件力學(xué)性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。

表1 CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

注：由于(0,0,0)是中心點(diǎn)，需多次試驗(yàn)，8、9、10、20和序號(hào)2試驗(yàn)方案一樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.05軟件分別對各效應(yīng)因素進(jìn)行效應(yīng)面優(yōu)化，選擇Cubic模型擬合效應(yīng)面，采用三元三次多項(xiàng)式逐步回歸，根據(jù)所得布氏硬度響應(yīng)曲面的方差分析(見表2)可以看出：模型的F值為2 206.34，表明所選模型是有意義的；失擬項(xiàng)的平方和較小，說明布氏硬度與試驗(yàn)因素所得的回歸方程的關(guān)系比較好；顯著性概率小于0.05，表明該方差來源項(xiàng)對于布氏硬度的影響比較顯著；可以看出減薄率、退火溫度、進(jìn)給比對于布氏硬度的影響都比較顯著。同樣以相同的方式可以得到屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率的方差分析表，所選模型都是有意義的。

布氏硬度在一定程度上能夠反映工件的耐磨性，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在一定程度上能夠反映工件在靜拉伸條件下的最大承載能力，伸長率能夠反映工件的塑性性能，以上指標(biāo)對于襯套力學(xué)性能都是相對越大越好。

表2 布氏硬度三次響應(yīng)曲面模型的方差分析

為進(jìn)一步分析工藝參數(shù)與力學(xué)性能關(guān)系式，利用三元三次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型逐步回歸得出各效應(yīng)因素的回歸方程如下：

布氏硬度：

y1=208.69-1.55A-1.78B+4.01C-2.31AB-0.13AC-0.4BC+1.66A2+0.68B2-0.58C2-1.14ABC-0.89A2B-6.69A2C+12.02AB2

屈服強(qiáng)度：

y2=576.05+38.5A+18.43B+4.46C+8.41AB+6.73AC+10.5BC-45.85A2-10.38B2+3.24C2-29.85ABC-76.88A2B+22.03A2C+17.42AB2

抗拉強(qiáng)度：

y3=629+33A-4.76B+10.4C-13.0AB+1.26AC+1.5BC-3.47A2+1.6B2-2.47C2-5.89ABC+11.3A2B+15.1A2C+20.8AB2

伸長率：

y4=15.2-2.47A+0.678B-0.336C-0.008 41AB+0.265AC-0.025BC-0.799A2-0.145B2+0.065 6C2-0.341ABC+0.777A2B-1.93A2C+0.284AB2

當(dāng)進(jìn)給比不變，根據(jù)回歸模型擬合力學(xué)性能與減薄率、退火溫度的效應(yīng)面(圖1)。從所得效應(yīng)面的等高線圖中可以看出：在進(jìn)給比不變時(shí)，布氏硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉硬度為較大值時(shí)，對應(yīng)減薄率取較大值，而退火溫度取較小值，即圖像的右下部位；而伸長率為較大值時(shí)，對應(yīng)減薄率取較小值，而熱處理溫度取較大值，即圖像的左上角部位。

圖1 各因素效應(yīng)面的等高線圖，進(jìn)給比f=0.3

為進(jìn)一步得到整體最佳工藝條件，對效應(yīng)因素進(jìn)行歸一化處理，將每個(gè)效應(yīng)因素均標(biāo)準(zhǔn)化為0～1之間的“歸一值”，各個(gè)效應(yīng)因素的權(quán)重相等。固定進(jìn)給比不變，然后以總評“歸一值”aDesirability為因變量，以減薄率和退火溫度為自變量描繪效應(yīng)面，結(jié)果見圖2。

圖2 不同進(jìn)給比的“歸一值”效應(yīng)面等高線圖

通過逐步改變進(jìn)給比，對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)給比的增大，尋優(yōu)范圍里aDesirability=0.5向左偏移；當(dāng)進(jìn)給比為0.46時(shí)，得到最優(yōu)預(yù)測值(見圖2(c))，aDesirability取得最大值0.605，此時(shí)得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合(減薄率A=36.8%，退火溫度B=296 ℃，進(jìn)給比C=0.46 mm/r)，該組合下效應(yīng)預(yù)測值見表3。

表3 最優(yōu)工藝參數(shù)下效應(yīng)因素的預(yù)測值及實(shí)際值

以優(yōu)化所得到的工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，試件力學(xué)性能參數(shù)實(shí)際值見表3,對比發(fā)現(xiàn)實(shí)際值與預(yù)測值的誤差不大，且各項(xiàng)力學(xué)性能滿足生產(chǎn)圖紙要求。

進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，對抗拉強(qiáng)度的實(shí)際值與預(yù)測值進(jìn)行對比，見圖3。可以看出：抗拉強(qiáng)度的值大部分都落在預(yù)測值與實(shí)際值相等的線上，說明所得回歸模型與實(shí)際模型擬合效果較好。

圖3 抗拉強(qiáng)度實(shí)際值與預(yù)測值

4 結(jié)論

(1)減薄率、進(jìn)給比和退火溫度是影響連桿襯套力學(xué)性能的重要因素，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)它們對布氏硬度、抗拉強(qiáng)度、伸長率的影響都比較顯著。

(2)根據(jù)各效應(yīng)因素效應(yīng)面等高線圖得出，在進(jìn)給比一定時(shí)，減薄率較大、退火溫度較低時(shí)，布氏硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度值較高；而減薄率較小、退火溫度較高時(shí)，伸長率值較大；適當(dāng)增大進(jìn)給比，有助于提高襯套的力學(xué)性能。

(3)采用星點(diǎn)效應(yīng)面法設(shè)計(jì)三因素五水平方案進(jìn)行襯套力學(xué)性能測試試驗(yàn)，利用三元三次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型得出工藝參數(shù)與各力學(xué)性能的關(guān)系式，歸一化后尋優(yōu)得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：減薄率36.8%，進(jìn)給比0.46 mm/r，退火溫度296 ℃，該組合是針對布氏硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率值的整體達(dá)到最優(yōu)的組合。

(4)所得最優(yōu)組合只是針對生產(chǎn)該型號(hào)襯套所用材料；以最優(yōu)的工藝參數(shù)組合進(jìn)行生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)旋壓件的表面波紋棱狀現(xiàn)象有所改善。

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Optimization of the Connecting Rod Bushing Plastic Molding Process Based on Central Composite Design and Response Surface Methodology

JIAO Huanqing

(School of Mechanical and Power Engineering, North University of China，Taiyuan Shanxi 030051, China)

The connecting rod bushing machined by power spinning process has the characteristics of stronger bearing capacity, better wear resistance. The bushing performances are affected by various process parameters interaction in the production. Central composite design and response surface methodology was used to study a type of diesel engine connecting rod bushing power spinning process. Its reduction ratio, feed ratio and annealing temperature influenced the mechanical properties of the connecting rod bushing. The Design-Expert software was used for the analysis and optimization of experimental data by the response surface method. Taking the cubic stepwise polynomial regression model as mathematical model of the test factors and effect factors, the equations of Brinell hardness, yield strength, tensile strength and elongation with the process parameters were calculated. Normalizing the effect factors, making the normalized value as the optimization objective response value, the optimal parameters of power spinning process are reduction ratio 36.8%, feed ratio 0.46 mm/r and annealing temperature 296 ℃.

Connecting rod bushing; Power spinning; Central composite design and response surface methodology

2015-11-23

焦歡慶(1991—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橐r套工藝優(yōu)化、機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化。E-mail：1227619755@qq.com。

TG166

A

1674-1986(2016)02-015-05