基于微观组织优化的锻造工艺预成形及毛坯形状优化设计.pdf
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1、第 1 4 卷 第 2 期 2 0 0 7 年 4月 塑性工程学报 OURNAL OF PL AS TI CI TY ENGI NEE RI NG Vo 1 1 4 NO 2 Ap r 2 0 0 7 基于微观组织优化的锻造工艺预成形及毛坯形状优化设计 ( 山 东大 学 材 料学院 模 具工 程技 术研究中 心, 济南 2 5 0 0 6 1 ) 王广春 摘要:以锻件晶粒尺寸细小均匀为 目标 ,以预成形形状设计为对象,提出了锻造成形过程微观组织优化设计方 法 , 构建了晶粒尺寸、锻件形状子 目 标函数以及无量纲化的总 目 标函数,确定了预成形形状作为优化过程的设计变 量 ;给出了优化设计的具体
2、步骤,采用微观遗传算法和有限元模拟方法开发了基于预成形设计的锻造过程微观组 织优化程序;并对典型的圆柱体镦粗进行了面向微观组织优化的预成形设计,给出了能够获得具有良好微观组织 的镦粗成形预成形模具型腔形状。通过分析不同高径 比的初始毛坯形状对微观组织优化 目标函数值的影响,给出 了较为合理的初始毛坯形状高径比取值范围。 关键词 : 锻造;微观组织;优化;预成形设计;毛坯形状 中图分类号:T G3 1 2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 7 2 0 1 2( 2 0 0 7 )0 2 0 0 6 9 0 4 引 言 锻造工艺将规则形状的毛坯成形为特定形状和 有一定性能要求的锻件,同时具有
3、“ 变形 ”和 “ 改 性”两大优点。在确保成形基础上,尽可能提高锻 件性能,是锻件生产长期以来遵循的基本原则。制 造业整体装备水平的提高对机械产品零部件性能的 要求也随之提高 ,由此 ,在 锻造生产 中越来越关注 锻件的性能控制 。因此 ,加 强锻造成形过程微观组 织与性能优化控制研究具有重要的应用价值。 为了在锻造过程中合理地分配金属,使金属在 终锻时完全达到形状要求且不出现缺陷,往往在终 锻前进行一次或多次预锻,即预成形 ;而预锻模及 预成形形状与终锻件形状直接对应 ,它直接限制金 属的流动情况,从而直接影响成形件的最终形状和 微观组织性能 。 在锻造工艺过程 中,毛坯 的形状和规格直接
4、影 响着材料利用率的高低、预成形工序数 目的多少、 锻件充形完好与否、锻件性能的优劣以及锻造载荷 的高低等 。反过来说 ,不 同的锻造工艺要求 ,也决 定着毛坯具体规格的选定 。因此,在锻造工艺设计 中,毛坯形状和规格 的设计是十分重要 的。 *国家自然科学基金资助项 目 ( 5 0 4 7 5 1 3 0 )及教育部新世 纪优秀人才支持计划资助项 目。 王广春E - ma i l :wg c s d u e d u c n 作者简介:王广春 ,男 ,1 9 6 6年生,教授,博士后, 要研究方向为金属塑性成形过程数值模拟等 收稿日期:2 0 0 6 0 3 2 7 ;修订日期:2 0 0 6
5、 0 5 0 9 1 锻造过程微观组织优化模型建立 本文研究的目的是在锻件形状满足要求的前提 下,对微观组织进行优化。从本质上讲,在微观组 织优化中, 形状满足要求实质为约束条件;但是为 便于处理, 从数学上可将此约束条件转变为优化中 的另一子目 标函数,而将最终的微观组织优化变成 多 目标优化问题 。 1 1 晶粒尺寸子目标函数 锻件晶粒尺寸细小均匀是决定锻件组织性能的 重要 因素,因此将 晶粒尺寸作为本文 的一个重要 的 子 目标函数。优化设计的 目标是通过设计预成形模 具型腔形状使终锻后锻件所有单元体的名义晶粒尺 寸与终锻件名义晶粒尺寸的平均值之差最小。其数 学表达式为 。 NE r f
6、 I ( D 一D a 。 ) d f l上 而 一 + I8j-( D ave Dm ln L des) 。 I ( 1 ) l 一十 肛 一 , 。 l L l l 1 J L = J 式中NE 模拟坯料的单元体总数 模拟中每个单元体的实际晶粒尺寸 权因子 Da 所要求获得 的名义晶粒尺寸 D 终锻件名义晶粒尺寸的平均值 D av e 一l D d V i l 主 1 2 形状子 目标函数 锻造过程中对形状的控制就是使实际锻件形状 达到理想形状的要求,即尽量使锻件完全充满模具 维普资讯 http:/ 7 0 塑性工程学报 第 1 4 卷 型腔。在二维成形 中,如 图 1 ,假设 G 表示模
7、具 的 形状 ,G表示对应 于任意一个预成形模具形状 的最 终成形件的形状 ,L表示锻件形状的理想边界直线 。 在实际生产中,由于实际锻件并未充满整个模具型 腔 ,所以在理想边界直线 L外就形成了飞边 A。优 化设计 的目标就是通过预成形模具型腔形状的设计 , 使实际锻件超 出理想边界直线部分 的体积 ( 面积) 最小 ,从而根据体积不变原理,可知模具型腔的填 充情况最好 。 图 1 目标函数示意图 F i g 1 I l l u s t r a t i o n o f t h e o b j e c t i v e f u n c t io n 以超出部分 的体积作为优化的 目标 函数 。
8、标函数可表示为 M m i n V n 一1 无量纲处理后锻件形状子 目标函数为 M N 一 ( 4 ) = 1 J E 1 + 式中 整个锻件上第 个单元的体积 、 _ 一整个锻件单元总数 在定义了新的晶粒尺寸子 目标 函数和形状子 目 标函数之后,将其线性加权之后得到新 的目标函数 一 O J 1 +c U 2 ( 5 ) 式中O J 1 ,O J 2 加权因子 ,O J 1 +O J 2 1 总 目标函数越小 ,设计获得的最终成形件 的形 状和晶粒尺寸的综合性能就越好。 由于预锻可以为最终 的锻造成形合理分配材料 并控制着最终的均匀变形,也因此直接影响最终锻 件 的微观组织。锻造初始毛坯
9、形状对整个锻造过程 也具有十分重要的影 响,因此 ,选择预成形模具形 状和锻造初始毛坯形状作为微观组织 优化的对象。 优化设计变量为描述预成形模具形状 的三次 B样条 曲线的控制点坐标 ,而根据体积不变条件 ,通过改 变坯料的高径 比分析对最终微观组织 的影响 ,进而 共 日 得到较为理想 的初始毛坯形状。 ( 2 ) 2 锻造预成形模具形状优化 式中 第 个需要计算体积的单元 的体积 M-_一需计算体积的单元总数 对于该子目标函数的详细证明可参见文献 3 。 1 3总目标函数 如何在多 目标函数中体现各个 目标 、 使各个 目标 均达到令人满意的结果 , 是多 目标优化设计应该解决 的一个重
10、要问题 。本文采用线性加权法 , 按照两个 目 标的重要程度 , 分别乘以权系数 , 将 晶粒尺寸子 目标 函数和形状子 目标函数相加得 到一个总 目标函数 , 然 后再对总 目标函数进行单 目标优化设计 。 在多目标函数中,由于各个子目标的单位都不 一 样 ,为了消除其在量级上的差别 ,应先进行 目标 函数的规整化,将它们转化成 0 1 之间的规整化 目 标函数 ,再将其线性加权 ,进行优化设计 。各个新 的无量纲子 目标函数如下 : 无量纲处理后晶粒尺寸子 目标函数为 竖r I I ( D i m D a ) d f I 一 l _ 一 + (D 一 D o ) l l H d V L =
11、l NE( D 一 D。 ) ( 3 ) 式中D一模拟 中单元体的最大晶粒尺寸 目前对于预成形模具形状 的优化 ,一般多采用 灵敏度分 析方法 ,而且优 化 的 目标 为终 锻件 的形 状E 。 。本文采用遗传优化算法,结合有限元数值 模拟技术,开发了面向微观组织优化的锻造成形过 程预成形模具形状优化程序。利用自行开发的优化 程序对初始坯料为 4 O m m4 O mm的圆柱体进行 了锻造过程的微观组织与预成形模具型腔的优化设 计 。假设整个过程是等温 的,锻造过程微观组织 的 模拟优化主要是以锻件最终微 观组织 的均匀性 为 目 标兼顾晶粒的细小化,因此,屉取值为 0 3 。材料 为理想粘塑
12、性 ,即 a =3 3 9 9 M ,模具与工件之间 的摩擦状态为常摩擦状态,摩擦因子为 m=O 2 。上 模速度为 一一1 0 m s ,下模静止不动。由于为轴 对称变形 ,且上下左右对称 ,取 1 4进行模 拟,在 优化过程 中,认为锻件的形状和锻件的微观组织同 样重要,故加权因子相等,即取 c U 一c U z 一0 5 ,加 权 因子在优化过程中保 持不变 。在优化 中,采用 5 个 B样条控制点来描述预成形模具的形状 。 图 2 所示为目标函数随优化迭代次数的变化趋 势 。由图 2可以看出, 经过 5次优化迭代, 总 目标 函 数值 由最初的 0 0 1 9 0 左右下降到 0 0
13、0 0 6 左右 , 并最 维普资讯 http:/ 第 2 期 王广春:基于微观组织优化的锻造工艺预成形及毛坯形状优化设计 7 1 终收敛 在 0 0 0 0 6附近。目标 函数值 下 降 了约 0 0 1 8 4 , 降幅达到了近 9 7 , 优化效果比较明显。 图 2 目标函数随优化迭代次数的变化 F i g 2 Va r i a t i o n o f t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n v s o p t i mi z a t i o n i t e r a t i o n 图 3所示为优化迭代 中预成形模具、预成形件 形状 、终锻件形状以及
14、晶粒度的变化情况 。优化前 , 晶粒度的大小在 2 4 8 2 8 m2 4 5 5 2 1 m 之问变化 , 平均晶粒度为 9 1 4 3 m;经过 5次优化迭代 ,晶粒 度变化的范围在 2 2 9 1 3 m2 8 8 3 4 m之 间,而平 均晶粒度为 2 5 1 9 t m,平均晶粒度下降了约 6 6 t m, 一 预成形形状 终成形形状 终成形晶粒分布 a 单位: m A-2 482 8 B-4 9 34 9 C一7 3 87 1 D一9 8 39 2 E-1 2 2 9 1 4 F-1 4 7 4 3 S G-I 71 9 5 6 H-1 9 6 4 7 8 , 22 O 9 99
15、 J - 2 45 52 1 圈一 预成形形状 终成形形状 终成形晶粒分布 b 图 3 优化迭代中预成形模具型腔形状、 预成形件形状、终锻件形状、晶粒度 a )优化前;b )优化后 F i g 3 P r e f o m d i e s h a p e 。p e r f o m f r o g i n g s s h a p e f i n a l f o r g i n g s s h a p e a n d f i n a l g r a i n s i z e d u r i n g t h e i t e r a t i o n 而且分布均匀性得到了明显的提高。这说明优化后 , 微观组
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