某汽車同步器齒環(huán)熱精鍛工藝優(yōu)化

賀煥利，王科銀,b，王宇峰

某汽車同步器齒環(huán)熱精鍛工藝優(yōu)化

賀煥利a，王科銀a,b，王宇峰a

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 a.汽車工程學(xué)院；b.汽車動力傳動與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 十堰 442002）

提高某汽車同步器齒環(huán)精鍛成形的材料利用率、成形精度及降低成形載荷。構(gòu)建以飛邊體積為優(yōu)化目標(biāo)、以坯料尺寸和初始溫度為優(yōu)化變量、以未出現(xiàn)欠填充和折疊缺陷為約束條件的優(yōu)化模型，并將克里金模型和遺傳算法相結(jié)合，提出全局優(yōu)化算法。使用構(gòu)建的優(yōu)化模型和優(yōu)化算法，經(jīng)過100代優(yōu)化得到了飛邊較小且無欠填充、無折疊缺陷的同步器齒環(huán)熱精鍛工藝參數(shù)，并使用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該優(yōu)化工藝參數(shù)的合理性。優(yōu)化和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，坯料內(nèi)徑為62 mm、坯料高度為17 mm、成形溫度為700 ℃時，熱精鍛成形的齒環(huán)沒有折疊和欠填充缺陷，且飛邊體積減少了大約10%、成形載荷下降了23%。對鎳黃銅同步器齒環(huán)的優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，使用克里金模型和遺傳算法相結(jié)合的策略是解決此類小樣本黑盒問題的有效手段。

熱精鍛；克里金；同步器齒環(huán)；遺傳算法

近年來，我國的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢迅猛，已成為我國第二產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[1-5]，鎳黃銅因具有較高的耐磨性而被廣泛應(yīng)用于汽車同步器齒環(huán)的制造[6]。目前同步器齒環(huán)已經(jīng)逐漸從機(jī)械加工向精鍛成形方向發(fā)展并取得了一定的突破[7]。精鍛工藝能夠提高材料利用率、減少制造周期、降低成本以及提高鍛件的力學(xué)性能，因而熱精鍛工藝已成為同步器齒環(huán)成形的研究重點(diǎn)。同步器齒環(huán)熱精鍛成形有許多技術(shù)難點(diǎn)，其中齒形欠填充和折疊缺陷是迫切需要解決的難點(diǎn)之一。目前，有許多學(xué)者對齒環(huán)熱精鍛工藝進(jìn)行研究，鞠麗等[8]利用Deform?3D分析了齒環(huán)的精鍛工藝并將該工藝進(jìn)行了精鍛生產(chǎn)。肖章林等[9]為了提高材料利用率，采用粒子群算法對成形工藝進(jìn)行了優(yōu)化，材料利用率提高到60.52%。徐榮貴等[10]用響應(yīng)面和粒子群算法對齒環(huán)精鍛工藝進(jìn)行了優(yōu)化，材料利用率提高了9.4%。王夢寒等[11]通過有限元模擬獲得了同步器齒環(huán)精鍛成形的最優(yōu)工藝參數(shù)。陳飛等[12]用數(shù)值模擬技術(shù)分析了鋼質(zhì)汽車同步器齒環(huán)塑性成形的工藝，確定了包括坯料尺寸在內(nèi)的工藝參數(shù)，可以有效地提高材料利用率，從而降低產(chǎn)品成本。在這些汽車同步器齒環(huán)的眾多研究中，一直以提高材料利用率為核心目的，關(guān)于控制成形缺陷的研究相對較少。

為了進(jìn)一步提高某汽車同步器齒環(huán)熱精鍛成形工藝的材料利用率、提高成形精度、降低成形載荷。首先，以飛邊體積為優(yōu)化目標(biāo)、以坯料尺寸和初始溫度為優(yōu)化變量、以未出現(xiàn)欠填充和折疊缺陷為約束條件，構(gòu)建最小化飛邊體積的優(yōu)化模型。其次，使用克里金模型作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測模型，使用遺傳算法作為全局尋優(yōu)算法，優(yōu)化后得到了飛邊最小且無欠填充、折疊缺陷的同步器齒環(huán)精鍛工藝參數(shù)。最后，通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了最優(yōu)化工藝參數(shù)的合理性。

1 同步器齒環(huán)數(shù)值仿真

1.1 實(shí)驗(yàn)材料性能

通常汽車同步器齒環(huán)采用耐磨性較好的銅合金，其中鎳銅合金的耐磨性和強(qiáng)度在銅合金材料中比較突出。實(shí)驗(yàn)使用直徑為80 mm的鎳黃銅管材，其材料的化學(xué)成分如表1所示。為了測試該材料的高溫流變性能，將鎳黃銅棒材切割成直徑為8 mm、長度為10 mm的圓柱試樣，并用Geeble?3500對試樣在不同應(yīng)變速率、不同溫度下進(jìn)行等溫壓縮。

表1 鎳黃銅合金化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of a nickel brass alloy wt.%

等溫壓縮實(shí)驗(yàn)中溫度為600、700、800 ℃，應(yīng)變速率為0.01、0.1、1、10 s?1，共計(jì)12個試樣，等溫壓縮的具體過程如下：首先將試樣加熱到對應(yīng)的溫度并保溫180 s，隨后采用對應(yīng)的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮，壓縮至真實(shí)應(yīng)變?yōu)?.9時結(jié)束壓縮并將試樣水冷。圖1為不同溫度和應(yīng)變速率下的壓縮真實(shí)應(yīng)力? 應(yīng)變曲線。

圖1 不同溫度下的真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖1可知，材料的變形抗力隨著應(yīng)變速率的增加而顯著提升，隨著溫度的增加而顯著減小，因此，該材料的變形抗力對應(yīng)變速率和溫度都十分敏感。此外，該材料在600 ℃溫度下壓縮時的軟化現(xiàn)象十分顯著，鎳銅合金在該溫度就已發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，因此在熱精鍛工藝中材料會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

1.2 材料本構(gòu)方程

壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該鎳黃銅合金材料的本構(gòu)方程需考慮到溫度、應(yīng)變速率的影響，可以用唯象Hansel-Spittel本構(gòu)方程來描述材料的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系[13-15]，如式（1）所示。

1.3 數(shù)值仿真模型

通常情況下，不同類型零件的成形工藝不同，在設(shè)計(jì)成形工藝時需要根據(jù)零件的成形設(shè)備、成形精度和生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝。圖2為某廠的同步器齒環(huán)的鍛件圖，由于某廠對同步器齒環(huán)零件的成形精度要求較高，因此文中使用精鍛成形工藝。

某汽車同步器齒環(huán)的熱精鍛成形工藝步驟為管材→下料→預(yù)熱→熱精鍛。生產(chǎn)試制前先在Forge軟件中進(jìn)行數(shù)值仿真優(yōu)化，數(shù)值仿真時模具下壓速度為100 mm/s，摩擦條件為油潤滑，傳熱條件為金屬模強(qiáng)傳熱。在Forge軟件中，只需要選擇摩擦條件，軟件自動根據(jù)選擇的摩擦、傳熱條件推薦相對應(yīng)的參數(shù)值。根據(jù)精鍛工藝設(shè)計(jì)了相應(yīng)的鍛造模具如圖3所示。

考慮到是熱精鍛成形，鎳銅合金在鍛造前后體積會發(fā)生變化，因此在設(shè)計(jì)模具時，鎳銅合金熱成形的縮放系數(shù)選擇0.008。此外，為了使金屬被約束在模具型腔內(nèi)部，也為了能夠?qū)⒍嘤嘟饘偃菁{于模具內(nèi)部而不流出模具外造成載荷急劇增加，對模具設(shè)計(jì)了相應(yīng)的飛邊槽，如圖3所示。

圖2 某汽車同步器齒環(huán)鍛件圖

圖3 熱精鍛工藝凸凹模具

數(shù)值仿真的成形溫度場和等效應(yīng)變場如圖4所示。由圖4可知，最高成形溫度接近800 ℃，等效應(yīng)變都較大，這說明鍛件變形量較大，其性能可以被改善。在齒環(huán)頂部紅色區(qū)域內(nèi)容易出現(xiàn)欠填充，黑色圈內(nèi)容易出現(xiàn)折疊缺陷，下面將繼續(xù)介紹該齒環(huán)的工藝參數(shù)優(yōu)化。

圖4 溫度場和等效應(yīng)變場數(shù)值仿真結(jié)果

2 優(yōu)化策略

2.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

1）目標(biāo)函數(shù)。由于齒環(huán)的成形工藝為熱精鍛，因此其坯料體積尤為重要，若坯料體積過大，不僅達(dá)不到精密成形的目的，還會極大地增大成形載荷，因此將成形結(jié)束后坯料的飛邊體積作為優(yōu)化目標(biāo)，使其最小化，進(jìn)而達(dá)到精鍛的目的。

2）優(yōu)化變量。由于直接影響坯料體積的變量為環(huán)坯內(nèi)徑和高度，因此選取這2個參數(shù)作為優(yōu)化變量。經(jīng)過材料的壓縮實(shí)驗(yàn)可知，材料的強(qiáng)度對溫度比較敏感，故坯料初始溫度也作為優(yōu)化變量，因此總共3個優(yōu)化變量。

對于齒環(huán)的熱精鍛工藝，必須保證充填完整、無折疊缺陷，此外還需盡可能降低成形載荷。大部分鍛造成形工藝的成形載荷急劇增加都是在成形末期。在成形末期，由于材料流入飛邊槽，上下模接觸區(qū)域形成較薄的金屬層阻礙模具移動，進(jìn)而成形載荷急劇增大。因此將飛邊體積最小化，從很大程度上可以減小成形載荷。

2.2 模擬方案設(shè)計(jì)

模擬和實(shí)際鍛壓時的工藝參數(shù)相同，其參數(shù)如表2所示。

如表2所示，鍛壓設(shè)備為電動螺旋壓力機(jī)，其壓制速度為100 mm/s、欠壓距離為1.2 mm。模具材料為H13、模具預(yù)熱溫度為250 ℃，轉(zhuǎn)運(yùn)時間為5 s。摩擦模型選用混合摩擦模型，即材料發(fā)生屈服前為庫倫摩擦，其庫倫摩擦因數(shù)為0.3；材料發(fā)生屈服后為剪切摩擦，其剪切摩擦因數(shù)為0.15。熱傳交換系數(shù)為10 000 W/(m2·K)。

表2 鍛造工藝參數(shù)

Tab.2 Forging process parameters

優(yōu)化變量中坯料內(nèi)徑設(shè)計(jì)為55、57、59、61、63 mm，坯料高度設(shè)計(jì)為15、16、17、18、19 mm，坯料溫度設(shè)計(jì)為600、650、700、750、800 ℃。根據(jù)拉丁超立方抽樣的相關(guān)理論設(shè)計(jì)了如表3所示的實(shí)驗(yàn)方案，計(jì)算每組數(shù)值模擬方案的飛邊體積，得到的數(shù)值模擬結(jié)果見表3。

2.3 優(yōu)化方法

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本僅有15組，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型不適合用于構(gòu)建優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，此外，多項(xiàng)式響應(yīng)面也難以逼近小樣本高度非線性變量之間的關(guān)系。通常對小樣本數(shù)據(jù)的非線性映射來說，克里金模型比較適合用于構(gòu)建優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，因而文中采用克里金模型來構(gòu)建設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的非線性關(guān)系。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

Tab.3 Experimental design and results

克里金模型預(yù)測的相對誤差如圖5所示，采用克里金模型能保證實(shí)驗(yàn)樣本點(diǎn)上的誤差極小，此外根據(jù)克里金模型的特性在樣本范圍內(nèi)預(yù)測具有保形性，因此在樣本點(diǎn)區(qū)間內(nèi)預(yù)測精度無需擔(dān)憂。然而，克里金模型只能得到優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)之間的近似關(guān)系，為了優(yōu)化變量，還需要使用優(yōu)化算法對預(yù)測模型進(jìn)行迭代優(yōu)化，并需要用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而得到優(yōu)化后的成形工藝參數(shù)。由于克里金模型沒有梯度信息，3大智能算法之一的遺傳算法可用于優(yōu)化克里金預(yù)測模型，其優(yōu)化流程如圖6所示。

圖5 克里金模型預(yù)測的相對誤差

圖6 遺傳算法對克里金模型優(yōu)化流程

圖6所示的優(yōu)化策略是將遺傳算法和克里金模型進(jìn)行耦合，使用克里金模型計(jì)算每個個體代表的成形工藝參數(shù)所對應(yīng)的飛邊體積，使用遺傳算法對飛邊體積進(jìn)行評估，進(jìn)而控制個體參數(shù)向著飛邊體積最小化的方向進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化驗(yàn)證

利用MATLAB自帶的遺傳算法優(yōu)化工具箱對克里金預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)定優(yōu)化變量的取值范圍如下：∈[55,63]，∈[15,19]，∈[600,800]。遺傳算法的種群數(shù)目設(shè)置為100，進(jìn)化代數(shù)設(shè)置為100，交叉概率設(shè)置為0.8，變異概率設(shè)置為0.2。優(yōu)化目標(biāo)收斂曲線如圖7所示，上面的點(diǎn)集為種群每一代的平均適應(yīng)度，下面的點(diǎn)集為每一代的最優(yōu)適應(yīng)度。經(jīng)過100代的優(yōu)化，種群最優(yōu)適應(yīng)度已經(jīng)趨于平穩(wěn)，此外，最優(yōu)適應(yīng)度與平均適應(yīng)度重合，這說明算法收斂。

圖7 優(yōu)化目標(biāo)收斂曲線

由圖7可知，遺傳算法的優(yōu)化效率隨著進(jìn)化代數(shù)的增加逐漸降低，在開始的10代以內(nèi)其優(yōu)化效率較高，收斂曲線呈急劇下降的趨勢，隨后收斂曲線逐漸平緩下降。

經(jīng)過100代的優(yōu)化后，其優(yōu)化后的結(jié)果如下：坯料內(nèi)徑=62 mm，坯料高度=17 mm，成形溫度為700 ℃。最終得到的飛邊體積為538.65 mm3，鍛件體積為718.2 mm3，優(yōu)化之前的最小飛邊體積為598.49 mm3，鍛件體積為920.75 mm3。圖8a和b分別為優(yōu)化前和優(yōu)化后的鍛件，優(yōu)化前齒頂部位存在欠填充和折疊缺陷，飛邊也比較大，優(yōu)化后的鍛件沒有折疊和欠填充缺陷且優(yōu)化后的鍛件飛邊也較少、較薄。由圖8可知，優(yōu)化的熱精鍛參數(shù)能夠有效地提高材料利用率、降低成形載荷、避免鍛造缺陷。

圖9a和b分別為最優(yōu)化參數(shù)下的仿真鍛件和實(shí)驗(yàn)鍛件，其形狀相似度極高，這說明數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。對優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明，該參數(shù)下鍛件沒有折疊和欠填充缺陷，飛邊體積減少了大約10%。

圖8 優(yōu)化前和優(yōu)化后實(shí)際鍛件的成形對比

圖9 仿真優(yōu)化結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

優(yōu)化前后成形載荷對比如圖10所示，由圖10可知，優(yōu)化后的最大成形載荷大約為210×104N，相較于原方案，成形載荷降低了大約23%。

圖10 優(yōu)化前后成形載荷對比

4 結(jié)論

使用克里金模型和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化策略能夠有效地對鎳銅合金齒環(huán)熱精鍛成形工藝進(jìn)行優(yōu)化。使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真鍛件和實(shí)驗(yàn)鍛件的幾何形狀高度相似，這表明數(shù)值仿真能夠有效模擬實(shí)際鍛造的過程，因此用數(shù)值仿真代替實(shí)驗(yàn)獲得優(yōu)化變量和優(yōu)化目標(biāo)之間的數(shù)據(jù)是一種降本的有效方式。此外，克里金模型對小樣本數(shù)據(jù)的逼近能力較強(qiáng)，遺傳算法的全局尋優(yōu)能力也比較突出，兩者結(jié)合是優(yōu)化該類問題的最佳組合。最優(yōu)化參數(shù)的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都表明優(yōu)化得到的參數(shù)能夠有效提高材料利用率、降低成形載荷、避免鍛造缺陷。最優(yōu)工藝參數(shù)沒有出現(xiàn)折疊和欠填充缺陷、飛邊體積減少了大約10%、成形載荷下降了23%。

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Optimization of Hot Precision Forging Process for Synchronizer Gear Ring of an Automobile

HE Huan-lia, WANG Ke-yina,b, WANG Yu-fenga

(a. School of Automotive Engineering; b. Hubei Key Laboratory of Automotive Power Transmission and Electronic Control, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002, China)

In order to improve the material utilization, improve the forming accuracy and reduce the forming load of the hot precision forging of an automobile synchronizer gear ring, an optimization model is established with the flash volume as the optimization objective, the billet size and initial temperature as the optimization variables, and no underfill and folding defects as the constraints. In addition, a global optimization method based on Kriging agent model and genetic algorithm is proposed. Using the constructed optimization model and algorithm, through 100 generations of evolutionary optimization, the hot precision forging process parameters of synchronizer gear ring with small flash and no underfill and folding defects are obtained, and the rationality of the optimized process parameters is verified by experiments. The optimization and verification experimental results show that when the blank inner diameter is 62 mm, the blank height is 17 mm and the forming temperature is 700 ℃, the gear ring formed by hot precision forging has no folding, underfilling defects, the flash volume is reduced by about 10% and the forming load is reduced by 23%. The optimization and experimental verification of nickel brass synchronizer ring show that the strategy based on Kriging model prediction and genetic algorithm optimization is an effective means to solve this kind of small sample black box problem.

hot precision forging; Kriging; synchronizer ring; genetic algorithm

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.008

TG316

A

1674-6457(2022)05-0048-07

2021?08?19

湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（ZDK1202003）

賀煥利（1984—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槠嚵悴考O(shè)計(jì)及測試、汽車試驗(yàn)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨