響應(yīng)面法優(yōu)化非對稱異形管液壓成形軸向補(bǔ)料工藝

成形工藝參數(shù)的研究管道的液壓結(jié)構(gòu)是近年來開發(fā)的一種先進(jìn)的現(xiàn)代塑料廠。該技術(shù)以金屬管材為毛坯，以液體作為傳力介質(zhì)，利用管內(nèi)液體產(chǎn)生高壓的同時兩端推頭進(jìn)行軸向進(jìn)給補(bǔ)料，使得金屬管坯最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，變形為具有三維形狀的零件國內(nèi)外關(guān)于異形管液壓成形工藝參數(shù)的研究已有很多報道。RAYP等響應(yīng)面法(ResponseSurfaceMethod,RSM)是一種通過對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，從而建立各響應(yīng)量與工藝參數(shù)之間經(jīng)驗函數(shù)的統(tǒng)計與數(shù)學(xué)方法1尺寸圖的尺寸本文采用厚度為1.2mm的304不銹鋼管坯，材料的化學(xué)成分如表1所示。目標(biāo)零件的具體幾何尺寸如圖1所示。其中，零件的外徑D=Φ40mm，總長L=112mm，壁厚t=1.2mm，支管寬度為16.2mm，支管高度為15mm，主管與支管左端外壁軸線夾角為158°，與右端外壁軸線夾角為112°，主管與支管結(jié)合處的過渡圓角為R參考GB/T228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)2有限模擬分析2.1軸向補(bǔ)料方式的影響304不銹鋼異形管的液壓成形主要包括初始填充、成形和整形3個過程。影響成形過程的主要工藝參數(shù)有內(nèi)部液體壓力、兩端推頭的軸向補(bǔ)料量。本文在恒定內(nèi)壓路徑的基礎(chǔ)上對軸向補(bǔ)料方式進(jìn)行研究，利用Dynaform有限元軟件模擬成形過程，分析軸向進(jìn)給補(bǔ)料方式對目標(biāo)零件液壓成形的影響。將左推頭進(jìn)給補(bǔ)料量和右推頭進(jìn)給補(bǔ)料量分別設(shè)為x2.2零件破裂率的變化為方便響應(yīng)面實驗設(shè)計和后期結(jié)果分析，采用Dynaform軟件對目標(biāo)零件的成形進(jìn)行初步模擬，工藝方案如表3所示，各工藝方案對應(yīng)的模擬結(jié)果見圖4。由成形極限圖可知，采用方案1和方案2成形的零件發(fā)生破裂，這是由于成形過程中軸向進(jìn)給量較小，支管頂部得不到充分補(bǔ)料，在較大內(nèi)部液體壓力的作用下零件產(chǎn)生劇烈減薄。采用非對稱補(bǔ)料方式的方案3成形的零件減薄率顯著降低，最大減薄率為22.31%。在后處理中測得支管的脹形高度為13.99mm，小于15mm，則軸向進(jìn)給量仍需要進(jìn)一步增大。采用方案4成形的零件雖無破裂缺陷，但成形后起皺嚴(yán)重，且集中在支管右側(cè)，說明右側(cè)推頭的進(jìn)給量過多。3基于響應(yīng)面的方法的工藝參數(shù)優(yōu)化3.1模型的擬合和顯著性分析根據(jù)目標(biāo)零件的幾何結(jié)構(gòu)特征以支管減薄率低于20%，支管脹形高度15mm為目標(biāo)，選擇左右推頭的軸向進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化。對于響應(yīng)面分析通常采用一階模型或者二階模型，其中一階模型的表達(dá)式為:二階模型表達(dá)式為:式中:y為響應(yīng)量;x檢驗?zāi)Ｐ蛿M合的準(zhǔn)確性和分析各工藝參數(shù)對響應(yīng)量的影響程度，需要對一階響應(yīng)模型進(jìn)行方差分析。當(dāng)模型中的變量較少時，檢驗?zāi)Ｐ蛿M合是否有效通常會參考多元相關(guān)系數(shù)R式中:SS通常校正多元相關(guān)系數(shù)R式中:n為實驗組數(shù);l為響應(yīng)量不顯著影響的因子項個數(shù)。當(dāng)模型中存在對響應(yīng)量不顯著的因子項時，R此外，F(xiàn)值也為衡量實驗設(shè)計以及各個因子項是否顯著的參數(shù)，計算公式為:式中:MS3.2估計模型驗證完成實驗與數(shù)據(jù)收集之后，通過DesignExpert10軟件使用最小二乘法對表5的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到最大減薄率δ的二階響應(yīng)模型如式(6)所示。表6為最大減薄率響應(yīng)模型方差分析結(jié)果，可知模型的P值為0.0002，小于0.05，說明模型的建立比較合理。模型的各個因子項的P值均小于0.05，則各因子項對響應(yīng)量的影響都較為顯著。其中x對減薄率的一階響應(yīng)方程進(jìn)行誤差統(tǒng)計分析，結(jié)果如表7所示。R殘差指實際測量值與模型擬合值之間的差。殘差的概率分布越接近同一條直線，證明實際值與模型擬合值之間的差值越小，模型的有效性越強(qiáng)。由圖5可知，關(guān)于減薄率響應(yīng)模型的殘差接近同一條直線，為正態(tài)分布，證明模型建立的比較合理。此時可將殘差作為誤差的觀測值，即模型的誤差越小，表明模型的擬合性較好，實驗設(shè)計具有可靠性。圖6為最大減薄率實際值與預(yù)測值關(guān)系圖。由圖6可知，該模型下的減薄率預(yù)測值與實際值分布在同一條直線附近，表明模型有較高的預(yù)測精度，所建立減薄率的二階響應(yīng)模型可以更好地預(yù)測液壓成形后零件減薄率的實際值。圖7為左右推頭軸向進(jìn)給量相互影響的減薄率三維響應(yīng)圖。成形后的零件支管部位壁厚最小，該位置為液壓成形后的最大變形區(qū)，從支管頂部向下壁厚減薄逐漸減小，離最大變形區(qū)越遠(yuǎn)的位置壁厚減薄越小。由圖7可以看出，當(dāng)左推頭進(jìn)給量固定不變時，隨右推頭進(jìn)給量的增大，減薄率明顯增大。這是由零件的幾何非對稱性決定的。右推頭進(jìn)給時，右側(cè)管壁與模具之間的摩擦力較大，材料向變形區(qū)的流動受到阻礙，在內(nèi)壓的作用下零件的壁厚減薄增大。當(dāng)右推頭的進(jìn)給量固定不變時，隨左推頭進(jìn)給量的增加，減薄率顯著降低。左推頭軸向進(jìn)給時，管壁與模具之間的摩擦較小，流入變形區(qū)的材料增多，使得成形過程中的壁厚減薄減小。因此，由減薄率三維響應(yīng)面圖可知針對目標(biāo)零件設(shè)置非對稱的左右推頭進(jìn)給量可降低零件的減薄率。3.3脹形高度的響應(yīng)模型分析根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)利用最小二乘法擬合，得到脹形高度h的一階響應(yīng)模型為:表8為脹形高度的方差分析結(jié)果，其響應(yīng)模型的P值小于0.0001，可見該模型是顯著有效的。在模型的各因子項中，顯著項包括x表9為脹形高度的回歸方程誤差分析，R圖8為脹形高度響應(yīng)模型的殘差正態(tài)分布圖，各數(shù)據(jù)點靠近同一條直線，并沿直線均勻分布，由此可知，所建的一階模型可靠度較高，顯著性較好。圖9為脹形高度的預(yù)測值與實際值的關(guān)系圖。當(dāng)數(shù)據(jù)點分布在同一直線上時表明脹形高度的預(yù)測值與實際值相等，當(dāng)數(shù)據(jù)點與該直線有所偏差時則表明脹形高度的實際值與預(yù)測值存在差異。圖9的數(shù)據(jù)點分布在直線上或在直線附近，表明脹形高度的預(yù)測值與實際值吻合度較高。圖10為左右推頭進(jìn)給量相互影響的脹形高度響應(yīng)面圖。由圖可知，支管的脹形高度隨左右推頭進(jìn)給量的增大而增大。根據(jù)響應(yīng)面模型方差分析以及三維響應(yīng)面圖分析可知，在保障支管右側(cè)不起皺的同時適當(dāng)增加左推頭進(jìn)給量可達(dá)到更佳的脹形高度。針對目標(biāo)零件采用非對稱補(bǔ)料方式可獲得更小的減薄和更大的脹形高度，實現(xiàn)目標(biāo)零件的良好成形。3.4驗證實驗及結(jié)果在異形管的液壓成形軸向補(bǔ)料方式響應(yīng)面法優(yōu)化中，左、右推頭的進(jìn)給量為變量，液壓成形后目標(biāo)零件的減薄率和脹形高度為優(yōu)化目標(biāo)。為了保證異形管的服役性能，以脹形高度15.00mm，最大減薄率低于20%為優(yōu)化目標(biāo)。利用DesignExpert10軟件優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)組合為:左推頭進(jìn)給29.37mm、右推頭進(jìn)給10.00mm?？紤]到液壓成形實驗的實際可操作性，修正最佳工藝參數(shù)組合為左推頭進(jìn)給29.40mm、右推頭進(jìn)給10.00mm。在此工藝參數(shù)組合下開展液壓成形實驗，得到的成形零件如圖11所示，減薄率與脹形高度的優(yōu)化值與實驗值對比如表10所示。由表10可知，根據(jù)響應(yīng)面法優(yōu)化后的工藝參數(shù)得到的目標(biāo)零件減薄率為14.52%，脹形高度為15mm，采用修正后工藝參數(shù)得到減薄率為16.22%，脹形高度為14.84mm的零件。減薄率與脹形高度的實驗值與預(yù)測值的相對誤差分別為1.7%和1.07%，均低于2%。由此可知，針對目標(biāo)零件采用非對稱軸向補(bǔ)料方式能顯著降低零件的壁厚減薄并獲得了良好的成形效果。4dynaf面臨的優(yōu)化模型(1)針對具有非對稱幾何特征的目標(biāo)零件采取非對稱軸向補(bǔ)料方式相比于對稱補(bǔ)料方式可以顯著降低目標(biāo)零件的減薄率，并且可獲得良好的成形效果。(2)根據(jù)Dynaform模擬結(jié)果擬合得到的關(guān)于減薄率和脹形高度的響應(yīng)模型顯著有效，響應(yīng)面法優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合為左推頭進(jìn)給