徐戊矯，劉承尚，馬欣，郭子乾，陳菲

基于混合磨損模型的模具輪廓優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐戊矯，劉承尚，馬欣，郭子乾，陳菲

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400044)

針對成形過程模具的磨損劇烈，模具壽命低的問題，采用混合磨損模型對模具輪廓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以輪轂鍛造成形過程中上模芯磨損為例，對上模芯輪廓進(jìn)行分析，確定待優(yōu)化的3個設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)黏著磨損、磨粒磨損及氧化磨損這3個磨損模型建立新磨損計(jì)算模型，并通過有限元軟件數(shù)值模擬獲取模具輪廓各處的磨損，以等磨損量作為模具輪廓磨損均勻的評判標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，以有限元軟件數(shù)值模擬數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立上模芯輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)與模具等磨損量的非線性映射關(guān)系。最后，結(jié)合訓(xùn)練好的函數(shù)映射關(guān)系和遺傳優(yōu)化算法，對輪轂鍛模的上模芯進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，反求出磨損最均勻狀態(tài)下的上模芯設(shè)計(jì)參數(shù)。研究結(jié)果表明：優(yōu)化后上模芯等磨損量比優(yōu)化前減少了29.65%，且最大磨損下降了12.59%，上模芯磨損更均勻且最大磨損量更小。

混合磨損模型；模具輪廓；模具磨損；優(yōu)化設(shè)計(jì)

接觸壓力、滑動速度和模具溫度是影響模具磨損的重要因素，研究磨損模型，建立模具接觸條件與磨損量之間準(zhǔn)確數(shù)值關(guān)系是減少模具磨損、提高模具壽命的前提。在磨損模型、磨損方程的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，計(jì)算摩擦磨損問題的方程超過300個，描述磨損類型的磨損方程超過180個。以研究者命名的摩擦磨損變量超過600個，而對于基本的滑動磨損形式有近100個變量和參數(shù)[1]。這些磨損模型往往針對特定產(chǎn)品、問題適用，目前并不存在適用于所有磨損問題的磨損計(jì)算模型。1957年BURWELL[2]根據(jù)磨損機(jī)制將磨損分為4大基本磨損類型，即黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損，這些磨損類型是造成機(jī)械零件失效的主要原因。大多數(shù)鋼材隨著接觸壓力、滑動速度以及環(huán)境溫度等工況條件的變化，其磨損率和摩擦因數(shù)會產(chǎn)生變化，并且磨損機(jī)理也會不同。SO[3]研究表明，在低接觸壓力和低滑動速度下，對磨表面的溫度較低，此時鋼的磨損機(jī)理主要為黏著磨損及磨粒磨損，并且摩擦因數(shù)較高，磨損率較低。隨著壓力和速度升高，表面出現(xiàn)了嚴(yán)重氧化，此時的磨損機(jī)理主要為氧化磨損，并且摩擦因數(shù)大大降低，而磨損量顯著增加。BARRAU等[4]研究發(fā)現(xiàn)在循環(huán)載荷下各種磨損機(jī)制的交互作用決定了熱鍛模具的壽命，如黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。研究磨損問題，建立準(zhǔn)確磨損預(yù)測模型是進(jìn)行磨損分析的關(guān)鍵，然而，考慮到模具磨損模型有各種形式，往往不單獨(dú)存在，所以，應(yīng)該根據(jù)模具工作實(shí)際工況建立磨損模型，得到的模型更符合實(shí)際情況。而模具輪廓形狀直接影響模具與坯料間的接觸壓力和滑動速度[5]，是影響模具磨損的一個重要因素。模具輪廓優(yōu)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于模具輪廓數(shù)學(xué)描述以及優(yōu)化方法的選擇。現(xiàn)有的模具輪廓優(yōu)化方法大多是采用三次樣條曲線描述模具輪廓[6?7]，通過有限元模擬建立輪廓與磨損量的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后采用基于初值優(yōu)化算法(如二次序列算法)對等磨損量進(jìn)行尋優(yōu)[8]。由于機(jī)床加工三次樣條曲線時，采用編制微小直線段和圓弧逼近，導(dǎo)致編程復(fù)雜、效率低、加工精度低[9]。同時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在自身高度非線性，運(yùn)用基于初值迭代尋優(yōu)的傳統(tǒng)優(yōu)化方法極易陷入局部最優(yōu)，選取不同的初值往往會得到不同結(jié)果，影響模具優(yōu)化效果。而遺傳算法在全局范圍隨機(jī)選取多組初值，對所有個體進(jìn)行并行搜索，保證了優(yōu)化不會輕易陷入局部最優(yōu)解，從而搜索到全局最優(yōu)解。以全局并行搜索方式對群體中的最優(yōu)個體進(jìn)行搜索，具有簡單方便、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)[10]。本文作者選取輪轂鍛模上模芯為研究對象，首先，從模具可加工性出發(fā)，以簡單曲線組合的方式來描述模具輪廓，其可加工性和加工精度可大大提高。然后，從磨損量計(jì)算模型出發(fā)，建立基于3種基本磨損類型的磨損計(jì)算模型，建立模具接觸條件與磨損量之間更準(zhǔn)確的數(shù)值關(guān)系。最后，從模具壽命出發(fā)，采用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替有限元模擬，建立模具形狀與磨損量的非線性映射關(guān)系；結(jié)合映射關(guān)系和遺傳優(yōu)化算法，對輪轂鍛模的上模芯進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模具優(yōu)化問題描述

輪轂鍛件是典型短軸類鍛件，且屬于輪轂高突緣大的鍛件。對于該類鍛件一般使用鐓粗制坯。輪轂鍛件軸向尺寸較大，既要防止產(chǎn)生折疊，又要保證輪轂成形。徑向最大尺寸在輪輻處，很大一部分金屬流入飛邊槽，很容易造成內(nèi)端角處金屬量不足而充不滿。因此，此輪轂件的主要成形難點(diǎn)在于軸向和徑向輪輻的充填，為保證盡可能充填飽滿，需要采用制坯和終鍛成形相結(jié)合的工藝流程，并使制坯后的毛坯在終鍛時能以鐓粗方式成形，本文重點(diǎn)研究輪轂終鍛成形工藝部分。

對輪轂鍛造工廠失效模具進(jìn)行觀察和分析發(fā)現(xiàn)輪轂鍛模組件中上模芯的圓角處磨損最為嚴(yán)重，大大地超過了其他部位的磨損，因此，優(yōu)化的目的是通過優(yōu)化上模芯的形狀來使上模芯處的磨損量變得更均勻，從而提高整個輪轂鍛模的使用壽命。

由于輪轂鍛件為回轉(zhuǎn)體零件，因此，有限元模型可以簡化成如圖1所示的二維模型。

首先，分析上模芯輪廓以確定待優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)，并將設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)為CAD模具模型。其次，導(dǎo)入模具CAD模型，通過有限元軟件進(jìn)行鍛造模擬分析，得到應(yīng)力場、速度場、溫度場等工況條件。之后，根據(jù)黏著磨損、磨粒磨損及氧化磨損三大磨損模型建立新磨損計(jì)算模型，并通過已獲得的工況條件作為輸入，獲取模具輪廓各處的磨損量，以等磨損量作為模具輪廓磨損均勻的評判標(biāo)準(zhǔn)。然后，以有限元軟件數(shù)值模擬數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立上模芯輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)與模具等磨損量的非線性映射關(guān)系。最后，結(jié)合映射關(guān)系和遺傳優(yōu)化算法對輪轂鍛模的上模芯進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到磨損最均勻狀態(tài)下的上模芯設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 輪轂鍛造成形有限元模擬

1.1 上模芯輪廓描述

模具輪廓優(yōu)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一在于模具輪廓數(shù)學(xué)描述，描述模具型腔輪廓有多項(xiàng)式函數(shù)、分段直線、曲線擬合和曲線插值等。三次樣條曲線二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，所產(chǎn)生的曲線光滑性高，常用于機(jī)翼外形等曲線光滑程度較高部位，大多數(shù)文獻(xiàn)也運(yùn)用三次樣條曲線進(jìn)行模具型腔優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]到三次樣條曲線在機(jī)床加工過程中運(yùn)用微小直線段和圓弧逼近，導(dǎo)致編程復(fù)雜、效率低、加工精度低。在加工上模芯的過程中往往用直線和圓弧逼近最為簡單方便，無需插補(bǔ)。直線和圓弧表示輪廓形狀更加符合實(shí)際加工情況，因此用2條線段的斜率1，2和半徑描述輪轂上模芯圓角附近輪廓形狀。

上模芯輪廓描述以確定待優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)，將設(shè)計(jì)參數(shù)賦予特定值后進(jìn)行CAD建模，作為有限元模擬的輸入。

1.2 有限元分析

完成CAD建模準(zhǔn)備工作后，進(jìn)入Deform?2D主程序進(jìn)行CAE模擬，對輪轂鍛造成形進(jìn)行有限元分析之后，在后處理中運(yùn)用點(diǎn)跟蹤的方法獲得上模芯9個跟蹤點(diǎn)處的接觸信息，跟蹤點(diǎn)1~9位置如圖2所示。

圖2 上模芯輪廓形狀及其測試點(diǎn)位置

以靠近圓角附近的第4號跟蹤點(diǎn)為例，其速度、溫度和應(yīng)力等接觸條件如圖3所示。

圖3 輪轂鍛造成形上模芯4號跟蹤點(diǎn)接觸條件

1.3 磨損模型建立

通過鍛造成形模擬已獲得模具輪廓各處的速度、溫度和應(yīng)力等接觸條件，建立模具接觸條件與磨損量之間準(zhǔn)確數(shù)值關(guān)系是為后期改善模具磨損，提高模具壽命的前提。

輪轂鍛模上模芯的材料為H13鋼，模具在工作過程中發(fā)生的磨損類型往往不單一存在。陳康敏等[11]研究發(fā)現(xiàn)H13鋼在磨損過程中主要的磨損機(jī)理為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

黏著磨損也叫做摩擦磨損或膠合磨損，由于模具表面與工件均凹凸不平，發(fā)生相對運(yùn)動時，其中一些接觸點(diǎn)所受到的應(yīng)力將超出材料的屈服點(diǎn)而發(fā)生塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生黏著，由于剪切斷裂易發(fā)生在這種黏著效應(yīng)所形成的結(jié)點(diǎn)上，從而導(dǎo)致模具接觸表面的材料產(chǎn)生轉(zhuǎn)移或者發(fā)生脫落，這種現(xiàn)象叫黏著磨損。

圖4 黏著磨損模型示意圖

材料發(fā)生黏著磨損的磨損深度可以表示為

式中：為磨損系數(shù)；為接觸面上的正壓力(法向應(yīng)力)；為2個接觸表面相對滑動速度；為材料的硬度；為2個接觸表面滑動時間。

由于模具和工件間存在外來的硬質(zhì)顆粒，或者工件表面本身存在硬質(zhì)凸起物、顆粒，它們的存在造成模具表面被刮傷、有犁溝和劃痕出現(xiàn)，從而導(dǎo)致磨粒磨損。

圖5 磨粒磨損模型示意圖

材料發(fā)生磨粒磨損的磨損深度可以表示為

QUINN[12]研究證實(shí)，對于2個相互滑動的表面，由于外部加熱以及摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量，磨損表面會發(fā)生氧化并在接觸表面會出現(xiàn)較厚的片狀氧化層，該氧化層將參與摩擦磨損過程，對磨損表面形成物理隔離，氧化層的形成和剝落引起氧化磨損。

圖6 氧化磨損模型示意圖

材料發(fā)生氧化磨損的磨損深度可以表示為

式中：p為拋物線型氧化Arrhenius常數(shù)；p為拋物線型氧化激活能；為與磨損表面上氧化物Fe3O4和Fe2O3所占比例有關(guān)的參數(shù)；變量p，p和可以根據(jù)文獻(xiàn)[12]獲得。該表達(dá)式說明材料的磨損率與自身的氧化性能直接相關(guān)。

為了表示一次鍛造過程中模具的總磨損量，并顯示不同類型磨損在總量中所具有的重要程度，分別給予不同磨損類型不同的權(quán)重系數(shù)，該磨損類型對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)表示該磨損類型所占的比例。依據(jù)這3種單磨損模型建立新磨損計(jì)算模型如下：

表1 各種磨損類型磨屑特征

可通過MATLAB圖像處理功能，使用特定的磨粒圖像的預(yù)處理方法和磨粒形態(tài)特征的提取方法，按照表1，對3種磨屑進(jìn)行分類并計(jì)算各類磨屑所占比例。首先，對磨屑掃描圖片進(jìn)行濾波、去噪等預(yù)處理，并設(shè)置灰度閾值將所有磨屑與黑色背景分割開，如圖7(b)所示；然后提取出所有磨屑的形態(tài)特征量(圓形度、細(xì)長度和凹度)，并將形態(tài)特征量作為分類器的輸入，對分割好的所有磨屑進(jìn)行分類，磨屑分類結(jié)果如圖7(c)所示。

圖7 掃描電鏡圖片處理結(jié)果

選取整體磨屑的4個視野區(qū)域，采用掃描電鏡對各區(qū)域進(jìn)行觀察，分別統(tǒng)計(jì)各區(qū)域3種磨屑類型所占比例，即黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損類型所占權(quán)重，最后取其平均值作為磨損模型的權(quán)重系數(shù)。

1.4 優(yōu)化目標(biāo)建立

由磨屑的掃描電鏡圖片確定新磨損模型，然后將新磨損模型導(dǎo)入DEFORM計(jì)算上模芯所有測試點(diǎn)處的磨損。

表2所示為在一次鍛造后第4號跟蹤點(diǎn)所有模擬步有關(guān)參數(shù)值以及鍛造成形后總磨損量。從表2可以看出：利用權(quán)重系數(shù)的磨損模型計(jì)算到的磨損量比黏著模型計(jì)算到的磨損量大近1個數(shù)量級。

磨粒磨損可以表示為類似黏著磨損的計(jì)算式。其中，abr包括微凸體幾何形狀和給定微凸體的剪切概率，是量綱為一的磨損系數(shù)，abr的取值范圍在10?6~10?1之間，磨粒磨損率一般非常大，比黏著磨損率大2~3個數(shù)量級。因此，綜合考慮3種磨損情況的新模型獲得的磨損量一般比單一考慮黏著磨損模型的大1~2個數(shù)量級。

等磨損量作為衡量模具磨損的均勻程度的指 標(biāo)[8]，其計(jì)算模型如下：

為了避免上模芯局部累計(jì)磨損量過大，使上模芯圓角處的磨損更均勻，等磨損量應(yīng)當(dāng)越小越好。

試驗(yàn)時，采用L9(34)三水平四因素正交設(shè)計(jì)，考察設(shè)計(jì)變量斜率1，斜率2，圓角半徑，留出一列作為誤差列。為了避免人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，因素的各水平按著“隨機(jī)化”的方法處理。最終的正交試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示。

表2 第4號跟蹤點(diǎn)鍛造模擬時對應(yīng)的磨損量

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡單極差分析，得到優(yōu)方案B1A2C3，表示設(shè)計(jì)條件為：斜率1=0，斜率2=11.430，圓角半徑=3 mm。

2 模具形狀優(yōu)化

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在上模芯形狀優(yōu)化中，根據(jù)設(shè)計(jì)變量建立起上模芯的2D模型，目標(biāo)函數(shù)(等磨損)的獲得通常是進(jìn)行有限元數(shù)值方法計(jì)算得到的。然而，在進(jìn)行優(yōu)化過程中，如果每一組設(shè)計(jì)量都進(jìn)行一次有限元計(jì)算分析，這樣優(yōu)化所需時間將難以接受，甚至根本無法進(jìn)行優(yōu)化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型代替有限元計(jì)算可以很好地解決這個問題，將優(yōu)化過程中大量的有限元計(jì)算轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練試驗(yàn)樣本的計(jì)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立，將大大減少了優(yōu)化的時間[15]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層3個部分組成，層與層之間采用不同的連接函數(shù)來進(jìn)行連接。研究表明，由1個輸入層、1個隱含層和1個輸出層組成的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近任意非線性問題[16]。因此，使用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來表示1，2和之間的內(nèi)在規(guī)律。網(wǎng)絡(luò)輸入層為3個決定模具形狀的設(shè)計(jì)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)輸出層為等磨損模型計(jì)算值，隱層神經(jīng)元數(shù)目可由下式得到：

其中：為隱層神經(jīng)元數(shù)目；為輸入層神經(jīng)元數(shù)目；為輸出層神經(jīng)元數(shù)目；為1~10之間的常數(shù)。

經(jīng)過調(diào)試隱層數(shù)目最終確定為8個神經(jīng)元，輸入層和隱含層采用雙曲正切S型tansig函數(shù)連接，隱含層和輸出層采用線性purelin函數(shù)連接，建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和測試

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法具有均衡分散性和整齊可比性，這保證了樣本的代表性，大大減少了學(xué)習(xí)樣本結(jié)構(gòu)分析的時間。

表3中9個正交實(shí)驗(yàn)樣本集被用于訓(xùn)練所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時的參數(shù)設(shè)置如下：網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率為10?6，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的均方誤差為10?8，最大訓(xùn)練次數(shù)為100次。隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加和連接權(quán)重的不斷更新，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測出的數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)之間的均方誤差逐漸降低并且在訓(xùn)練次數(shù)為34次時達(dá)到10?12，此時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂。

本文選取5個區(qū)別于訓(xùn)練樣本的測試樣本來測試訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度和可靠性，測試結(jié)果如圖9所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的測試結(jié)果與測試樣本數(shù)據(jù)具有良好的一致性，各點(diǎn)相對誤差均小于5.0%。因此，訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠較好地反映設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間的映射關(guān)系，可以作為后續(xù)優(yōu)化的知識源。

圖9 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與期望值對比

2.3 遺傳算法模具形狀優(yōu)化

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得了設(shè)計(jì)參數(shù)1，2，與其對應(yīng)的等磨損量之間的映射關(guān)系。然后，運(yùn)用遺傳算法來獲得等磨損量最小時(磨損最均勻)對應(yīng)的輪轂鍛模上模芯的形狀。遺傳算法是一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。由于其簡單、通用、不依賴問題模型的特性，適合并行分布處理，已廣泛地應(yīng)用到諸多領(lǐng)域[17]。

優(yōu)化過程中尋找適應(yīng)度最小的個體，即得到模具等磨損量最小時所對應(yīng)的模具型腔。尋優(yōu)結(jié)束后，得到最優(yōu)的模具型腔形狀的設(shè)計(jì)參數(shù)為斜率1=0，斜率2=6.612，圓角半徑=2.7 mm。對比極差分析的最優(yōu)結(jié)果1=0，斜率2=11.430，圓角半徑3 mm，可以看出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法尋優(yōu)與極差分析尋找的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)具有較好一致性。但是，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法尋優(yōu)的能力更強(qiáng)，它不僅可以對離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行尋優(yōu)，而且可以對設(shè)計(jì)參數(shù)3水平以外的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，只要求待優(yōu)化的參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)值之間建立一種映射關(guān)系即可。

設(shè)計(jì)參數(shù)用2條線段的斜率1，2和半徑描述輪轂上模芯圓角附近輪廓形狀，將尋優(yōu)后參數(shù)輸入即可得到最終優(yōu)化后模芯輪廓形狀尺寸，如圖10所示。將優(yōu)化前后的輪轂鍛模上模芯輪廓導(dǎo)入DEFORM進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其結(jié)果如圖11所示。

圖10 初始輪轂鍛模上模芯形狀和優(yōu)化之后形狀對比

上模芯9個測試點(diǎn)優(yōu)化前后磨損量對比情況如圖12所示。從圖12可見：優(yōu)化后的上模芯等磨損量和最大磨損量比優(yōu)化前有很大的降低，優(yōu)化前后的等磨損量分別為2.172×10?4 mm和1.528×10?4 mm，最大磨損量分別為1.975×10?4 mm和2.259×10?4 mm。通過使用遺傳算法來對輪轂鍛模上模芯的形狀進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后上模芯的等磨損量比優(yōu)化前的減少了29.65%，且最大磨損量下降了12.59%。

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

針對輪轂鍛模上模芯的優(yōu)化結(jié)果，在MGW?02高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀上進(jìn)行磨損試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)機(jī)的外觀及磨損試驗(yàn)原理示意圖如圖13所示。H13鋼磨損試樣的制備工藝為：將H13鋼板材用線切割的方法切割成直徑×長度為20 mm×3 mm的底板試樣。45鋼對磨試樣的制備工藝為鋸切下料，采用精車的方法將45鋼棒料加工成對磨壓頭。

使用MGW?02高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀自帶磨損深度測量設(shè)備測量磨損試樣在磨損后的磨損深度，測量3次取其平均值作為該磨損試樣的磨損量。

圖11 優(yōu)化前后輪轂鍛模上模芯磨損情況對比

圖12 有限元模擬優(yōu)化前后磨損量對比

第4號跟蹤點(diǎn)的速度、溫度和應(yīng)力接觸條件如圖3所示。從圖3可以看出接觸條件在整個鍛造成形過程中是不斷變化的。然而，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在運(yùn)行時不可以實(shí)時地改變其接觸條件，因此，在運(yùn)用MGW?02高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行磨損試驗(yàn)之前，根據(jù)整個鍛造成形過程中輪轂鍛模上模芯4號跟蹤點(diǎn)處應(yīng)力的變化規(guī)律，近似地將其劃分3階段，滑動速度以及溫度也使用同樣的方法進(jìn)行劃分。

此輪轂鍛模的壽命為4 000件左右，而單次鍛造成形過程中階段1、階段2、階段3用時分別為 0.303，0.027和0.048 s，所以，在模具整個的服役期間階段1、階段2、階段3用時分別為20.2，1.8和3.2 min。最終確定的磨損試驗(yàn)條件如表4所示。

圖13 摩擦磨損試驗(yàn)儀及磨損試驗(yàn)原理示意圖

表4 磨損試驗(yàn)條件

磨損試驗(yàn)后的磨損試樣如圖14所示，用電子掃描顯微鏡(TESCAN VEGA3 LMH型)對磨屑的形貌進(jìn)行觀察和分析。通過MATLAB圖像處理功能，使用專業(yè)的磨粒圖像的預(yù)處理方法和磨粒形態(tài)特征的提取方法，提取出各形態(tài)特征量作為分類器的輸入。根據(jù)表1中3種主要磨屑的磨損特征，將整體的磨屑與背景區(qū)分開，并對區(qū)分開的磨屑進(jìn)行分類。

圖14 優(yōu)化后磨損試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)磨屑特征計(jì)算得到新磨損模型式(4)機(jī)理權(quán)重系數(shù)，并基于新磨損計(jì)算模型，可以計(jì)算出優(yōu)化后的上模芯各測試點(diǎn)處的磨損深度。最后，運(yùn)用式(5)可以得到上模芯優(yōu)化后的等磨損量。

上模芯優(yōu)化前后磨損情況對比如圖15所示。從圖15可知：試驗(yàn)時測得的磨損量與磨損深度的計(jì)算值具有良好的一致性。因此，建立的基于權(quán)重體系的新磨損模型具有較高的精度。比較優(yōu)化前后上模芯的等磨損量和最大磨損量，不僅磨損更加均勻，而且最大磨損量有明顯降低。

圖15 上模芯優(yōu)化前后磨損情況對比

3 結(jié)論

1) 采用三因素設(shè)計(jì)變量(斜率1，斜率2，圓角半徑)可以較充分描述輪轂鍛模上模芯輪廓形狀，既精簡描述參數(shù)，又不損失重要信息。

2) 比較原始黏著磨損模型、新磨損模型計(jì)算得到的磨損量與摩擦磨損試驗(yàn)得到的磨損量，新模型計(jì)算得到的磨損量與試驗(yàn)獲得的磨損量更接近。

3) 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)保證樣本的代表性，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)(等磨損量)之間的映射關(guān)系。使用遺傳算法獲得了等磨損量最小(磨損最均勻)時，所對應(yīng)的輪轂鍛模上模芯的形狀。優(yōu)化后的上模芯比優(yōu)化前磨損更均勻，且最大磨損量更小。

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(編輯 趙俊)

Optimum design of die profile based on mixed wear model

XU Wujiao, LIU Chengshang, MA Xin, GUO Ziqian, CHEN Fei

(College of Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Aiming at solving problems of great wearing and low life of mold, the optimum design of die profile based on mixed wear models was used. As an example, the mandrel of wheel hub in forging process was studied, and the contour of mandrel was analyzed in order to select three parameters to optimize. Combined with three basic wear models, i.e., adhesive wear, abrasive wear and oxidative wear, a new calculate model was established, and then wear value of the mold surface was obtained by forging numerical simulation and using uniformity wear which can reflect homogeneous degree of wear as judgment standard. On the basis of this analysis, the numerical simulation results were used as training sample to establish three layers BP neural network, and instead of the finite element model with trained BP neural network, the nonlinear mapping relationship between the design variable and the target function was acquired. Finally, combining the trained mapping function and genetic optimization algorithm, the mandrel shape of wheel hub and reverse parameters were optimized under the condition of the most uniform. The results show that after optimization of mandrel, uniformity wear value decreases by 29.65% and maximum wear value reduces by 12.59% than that before optimization, the amount of wear on upper punch becomes more uniform and the maximum wear is smaller.

mixed wear model; mold contour; die wear; optimum design

TG315.2；TH117.1

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.005

1672?7207(2018)03?0544?09

2017?03?30；

2017?05?27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CDJZR14130005, CDJZR13130087) (Projects(CDJZR14130005, CDJZR13130087) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

徐戊矯，博士，教授，從事材料成形過程數(shù)值模擬仿真與優(yōu)化的研究；E-mail: xuwujiao_cq@163.com