基于響應(yīng)曲面法的超聲擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化*

常金鑫,賈海利

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機械工程學(xué)院,天津 300222;2.天津市高端智能數(shù)控機床工程研究中心,天津 300222)

1 引言

航空航天領(lǐng)域大量軸類零部件通常在高溫、重載和腐蝕性介質(zhì)等復(fù)雜工作條件下使用,且長時間承受高載荷導(dǎo)致工作表面產(chǎn)生疲勞裂紋,極易引發(fā)零件疲勞失效[1-2]。其中,軸類零件的旋轉(zhuǎn)疲勞強度是最主要的失效形式之一[3]。因此,迫切需要通過表面改性技術(shù)提高材料的抗疲勞性能,使其表面具有較低的粗糙度。

超聲擠壓技術(shù)是一種結(jié)合靜擠壓力和高頻動態(tài)沖擊力的表面光整技術(shù)。它在施加一定靜壓的基礎(chǔ)上,通過施加超聲波頻率沖擊,對材料表面產(chǎn)生塑性變形,可以顯著改善表面形態(tài)和表面力學(xué)特性。與傳統(tǒng)的擠壓工藝相比,超聲波擠壓可以在表面材料上引入更深的硬化層,進(jìn)而增強零件抗疲勞性能[4]。在超聲擠壓過程中,表面粗糙度是評判軸類零件疲勞性能的重要指標(biāo),所以研究工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響以及對工藝參數(shù)的優(yōu)化,對于提高零件的疲勞特性具有重大作用。

近年來,一些國內(nèi)外學(xué)者對超聲擠壓進(jìn)行了大量研究。Liu Y等[5]通過建立超聲波擠壓有限元仿真模型來預(yù)測工藝參數(shù)與表面性能的關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)靜壓的影響遠(yuǎn)大于振幅的影響。主軸轉(zhuǎn)速越高,應(yīng)力和應(yīng)變越小。Wang X等[6]通過對比軋制和超聲軋制EA4T車軸鋼表面發(fā)現(xiàn),高頻振動的作用可以增強疲勞性能。Yao C等[7]對718鎳合金車削超聲擠壓進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),表面粗糙度Ra的平均值約為0.2 μm,軸向殘余應(yīng)力約為-1 800 MPa,其影響深度增加了近10倍。胡世軍等[8]研制新型加工系統(tǒng)進(jìn)行超聲擠壓加工,結(jié)果發(fā)現(xiàn)振動擠壓加工后的工件表面光整,對工件表面質(zhì)量有明顯提高。王排崗[9]等采用仿真和實驗結(jié)合驗證的方式,獲得最優(yōu)的超聲滾擠壓工藝參數(shù),并發(fā)現(xiàn)表面硬度隨轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的提高先增加后下降,隨著振幅和靜壓力的增大而增大。姚國林等[10]以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立預(yù)測模型探究加工參數(shù)對力學(xué)性能的影響規(guī)律。劉鑫[11]通過數(shù)值模擬及試驗驗證相結(jié)合的方法研究發(fā)現(xiàn),在較大的振幅和靜壓力下,表面粗糙度隨工件速度和進(jìn)給速度的增加而增加,隨振幅和靜壓力的增加而減小。曹麗茹等[12]為提高金屬材料表層性能進(jìn)行了正交試驗,通過建立表層性能的預(yù)測模型,采用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,得出最優(yōu)加工參數(shù)域。張明等[13]采用單因素試驗法對試件進(jìn)行超聲拋光,研究發(fā)現(xiàn)超聲拋光后試件的表面粗糙度能達(dá)到0.07 μm。

此外,眾多學(xué)者運用響應(yīng)曲面法對零件表面質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化。響應(yīng)曲面法是利用已知的多項式函數(shù)來擬合影響因素與響應(yīng)值之間的隱式函數(shù)[14]。紀(jì)道航等[15]利用響應(yīng)曲面法建立二階回歸模型,并采用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,驗證了模型的準(zhǔn)確性。石文天等[16]通過對硬鋁合金銑削試驗,分析了工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響,建立了預(yù)測模型并進(jìn)行了顯著性檢驗。周文昌等[17]通過響應(yīng)曲面法以最小表面粗糙度為響應(yīng)優(yōu)化目標(biāo),得到底齒加工的最優(yōu)參數(shù)組合。徐紅玉等[18]通過構(gòu)建改進(jìn)的響應(yīng)曲面-滿意度函數(shù)模型對模型進(jìn)行優(yōu)化得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

綜上所述,眾多國內(nèi)外研究學(xué)者對超聲擠壓加工進(jìn)行了大量研究,然而利用響應(yīng)曲面法對超聲擠壓進(jìn)行進(jìn)一步研究預(yù)測的較少。因此本文以45鋼為研究對象進(jìn)行超聲擠壓試驗,以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、振幅、靜擠壓量為主要工藝參數(shù),以表面粗糙度為響應(yīng)優(yōu)化目標(biāo),探討工藝參數(shù)對表面性能的影響以及最佳工藝參數(shù)組合,實現(xiàn)對表面性能的優(yōu)化控制,為零件投入實際加工應(yīng)用提供依據(jù)。

2 軸類零件超聲擠壓加工試驗

2.1 超聲擠壓加工試驗樣件

試驗材料選用強度高的45鋼棒料,并將其車削加工成長200 mm、直徑70 mm的圓柱體樣件。其化學(xué)成分見表1。

表1 45鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

2.2 超聲擠壓加工試驗原理

超聲擠壓技術(shù)是一種無切屑的表面光整技術(shù),其原理是220 V的交流電經(jīng)過超聲電源得到高頻電壓,換能器將高頻電壓轉(zhuǎn)換成超聲振動,超聲振動經(jīng)過變幅桿放大傳遞給工具頭,工具頭以正弦形式不斷的沖擊工件表面,使工件表面微觀形貌上的“高峰”受壓流向“低谷”,在微觀上其“凹凸”互補使得工件表面的粗糙度得到改善,提高表面光潔度。超聲擠壓加工如圖1所示。

圖1 超聲振動擠壓加工示意圖

2.3 超聲擠壓加工試驗方案

本試驗采用單因素工藝參數(shù)變量控制研究機床主軸不同的轉(zhuǎn)速、工具頭不同的進(jìn)給速度、靜擠壓量以及振幅對零件表面粗糙度的影響規(guī)律。具體的試驗因素水平見表2。

表2 試驗因素水平表

3 單因素結(jié)果分析

a)主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

4 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

4.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究各因素耦合作用對表面粗糙度Ra的影響,采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化最佳組合工藝。基于Box-Behnken試驗設(shè)計,選擇4個主要因素:主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f、靜擠壓量P、振幅A進(jìn)行4因素3水平響應(yīng)面分析試驗。響應(yīng)面試驗因素水平和結(jié)果分別見表3和表4。

表3 響應(yīng)面試驗因素水平和編碼

表4 試驗設(shè)計與結(jié)果

4.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果及方差分析

利用Design-Expert軟件分析試驗數(shù)據(jù),得到二次多項回歸方程:

Ra=1.437 67-0.001 376 57n-2.931 67f-0.011 364 6P-0.141 808A+0.002 916 67nf+2.083 33e-6nP-0.000 179 167nA-0.000 625fP-0.062 5fA-0.000 187 5PA+5.849 54e-6n2+46.708 3f2+6.170 83e-5P2+0.012 308 3A2

(1)

對回歸方程進(jìn)行方差分析(見表5)。其中,F值可以用來檢驗變量對響應(yīng)值影響的顯著性。F值越大,對應(yīng)變量的顯著性就越高[19]。由表5可知,工藝參數(shù)對表面粗糙度Ra影響大小順序為:振幅A>主軸轉(zhuǎn)速n>靜擠壓量P>進(jìn)給速度f。利用Design-Expert軟件得到R2為0.989 7,說明此試驗?zāi)Ｐ团c實際數(shù)據(jù)非常一致,模型具有較高的顯著性,這使得該模型能夠用于分析和預(yù)測表面粗糙度Ra的最優(yōu)工藝。

殘差表示實際值和預(yù)測值之間的差值。表面粗糙度Ra殘差正態(tài)分布如圖3所示。其分布近似一條直線,表明模型擬合效果較好。因此,驗證了建立的表面粗糙度模型的有效性和準(zhǔn)確性。

圖3 加工模型殘差正態(tài)分布

4.3 響應(yīng)面分析

各因素之間的交互作用對表面粗糙度影響的響應(yīng)面圖如圖4～圖9所示。因素之間相互作用的顯著性可以從等高線圖上的橢圓形狀看出,橢圓形狀越明顯表示交互作用越顯著,如果出現(xiàn)圓形則交互作用不顯著;響應(yīng)面圖的坡度越陡峭,說明因素對響應(yīng)值的影響越大。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度f的交互作用對表面粗糙度Ra的影響

由圖4可知,主軸轉(zhuǎn)速n與進(jìn)給速度f交互作用對表面粗糙度Ra的影響趨勢呈開口向上的拋物曲面分布。表面粗糙度Ra隨主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度f的增加呈先減后增變化趨勢。相較而言,曲面在主軸轉(zhuǎn)速n方向變化幅度較大,表明主軸轉(zhuǎn)速n對表面粗糙度Ra的影響比進(jìn)給速度f影響大。取主軸轉(zhuǎn)速n為190～250 r/min、進(jìn)給速度f為0.02～0.04 mm/r水平時,可顯著改善產(chǎn)物表面粗糙度Ra。

由圖5可知,主軸轉(zhuǎn)速n和靜擠壓量P交互作用對表面粗糙度Ra影響不顯著。表面粗糙度Ra隨主軸轉(zhuǎn)速n和靜擠壓量P的增加呈現(xiàn)先減后增變化規(guī)律。相較而言,主軸轉(zhuǎn)速n的敏感性更強,對曲面造成大幅度波動。僅考慮二者影響下的表面粗糙度Ra優(yōu)化工藝條件集中于主軸轉(zhuǎn)速n為190～250 r/min,靜擠壓量P為90～110 μm水平區(qū)間組合。

根據(jù)分泌物的種類，在器官中常見的有粘液腺和漿液腺。粘液腺的分泌物為粘液，它的腺細(xì)胞的核扁而小，位于細(xì)胞的底部。杯狀細(xì)胞是單個的粘液腺細(xì)胞。漿液腺分泌的是漿液，如同血清樣的液體，其腺細(xì)胞的核成球形，較大，位于細(xì)胞中央(如圖2)。除此之外，外分泌腺還有分泌乳汁的乳腺和分泌汗液的汗腺。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速n和靜擠壓量P的交互作用對表面粗糙度Ra的影響

如圖6所示,表面粗糙度Ra隨主軸轉(zhuǎn)速n和振幅A增加呈先減后增趨勢。主軸轉(zhuǎn)速n和振幅A的交互作用對表面粗糙度Ra影響顯著。當(dāng)設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速n為190～250 r/min、振幅A為7.5～8.5 μm水平范圍取值時,為二者交互影響下表面粗糙度Ra的優(yōu)化處理工藝。

從圖7可知,進(jìn)給速度f和靜擠壓量P交互作用呈拋物曲面分布,當(dāng)進(jìn)給速度f小于0.03 mm/r時,表面粗糙度Ra與進(jìn)給速度f呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;而當(dāng)進(jìn)給速度f大于0.03 mm/r時,進(jìn)給速度f在0.03 mm/r周圍取值時為表面粗糙度Ra的最佳工藝參數(shù),同理表面粗糙度Ra隨靜擠壓量P變化的最佳參數(shù)為100 μm左右。

圖7 進(jìn)給速度f和靜擠壓量P的交互作用對表面粗糙度Ra的影響

如圖8所示,表面粗糙度Ra隨進(jìn)給速度f和振幅A的增加而先減后增變化。相較而言,振幅A對表面粗糙度Ra的影響較進(jìn)給速度f影響顯著。取進(jìn)給速度f為0.02～0.04 mm/r、振幅A為8.0～8.5 μm,有利于減小表面粗糙度Ra水平。

圖8 進(jìn)給速度f和振幅A的交互作用對表面粗糙度Ra的影響

如圖9所示,二者交互作用曲面具有較大的縱向跨度且等高線出現(xiàn)橢圓形,表明靜擠壓量P和振幅A交互作用對表面粗糙度Ra有顯著作用。表面粗糙度Ra隨靜擠壓量P和振幅A的增加呈現(xiàn)先減后增趨勢,且振幅A對表面粗糙度Ra影響更加顯著。取靜擠壓量P為90～110 μm、振幅A為8.0～8.5 μm水平區(qū)間值時,可顯著降低表面粗糙度Ra水平。

圖9 靜擠壓量P和振幅A的交互作用對表面粗糙度Ra的影響

為了考慮各因素之間的交互作用對表面粗糙度Ra的影響,基于Design-Expert軟件的結(jié)果,進(jìn)一步確定了優(yōu)化Ra表面最小粗糙度的全局最佳解決方案,表面粗糙度Ra在主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f、靜擠壓量P、振幅A等因素共同影響下的最優(yōu)組合工藝如下:主軸轉(zhuǎn)速n為217.48 r/min,進(jìn)給速度f為0.031 mm/r,靜擠壓量P為101.013 μm,振幅A為8.192 μm。在此條件下模型預(yù)測的表面粗糙度Ra為0.088 μm。

4.4 最優(yōu)工藝條件試驗驗證

基于軟件預(yù)測結(jié)果和實際工藝的可行性相結(jié)合,取主軸轉(zhuǎn)速n為217 r/min、進(jìn)給速度f為0.03 mm/r、靜擠壓量P為101 μm、振幅A為8.2 μm為條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗,平均表面粗糙度Ra為0.085 μm,與模型預(yù)測結(jié)果接近。證明了基于該響應(yīng)面模型的表面粗糙度Ra優(yōu)化方法的有效性和可行性。

5 結(jié)語

本文通過單因素試驗和響應(yīng)曲面法對超聲擠壓后的軸類零件表面粗糙度進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論。

1)表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、靜擠壓量、振幅的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。

2)通過方差分析研究了超聲擠壓工藝參數(shù)對零件表面性能的影響規(guī)律,通過軟件計算得出各工藝參數(shù)對零件表面粗糙度的影響:振幅A>主軸轉(zhuǎn)速n>靜擠壓量P>進(jìn)給速度f。

3)在超聲擠壓加工過程中,振幅對表面粗糙度的影響最為顯著。響應(yīng)曲面法優(yōu)化得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合如下:主軸轉(zhuǎn)速n為217.48 r/min,進(jìn)給速度f為0.031 mm/r,靜擠壓量P為101.013 μm,振幅A為8.192 μm。

4)對最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗驗證,將表面粗糙度的預(yù)測結(jié)果和試驗結(jié)果進(jìn)行對比,相對誤差為3.52%,從而證明了優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性,可以優(yōu)化工藝參數(shù),并為實際加工提供理論依據(jù)。

5)目前僅對超聲擠壓后的表面粗糙度進(jìn)行了影響規(guī)律探究,沒有對表面特征完整性的變化進(jìn)行全面的研究。后續(xù)可以綜合硬度及殘余應(yīng)力等指標(biāo)探究工藝參數(shù)對3個方面的影響規(guī)律,并對工藝參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化。