多目标进化算法的模锻工艺模具设计

摘 要

　　精密模锻是一种少无切削的塑性加工工艺。鉴于模锻件优异的机械性能和较高的材料利用率，在汽车、航空航天等领域均获得了广泛应用。本课题以一种异形汽车传动件作为研究对象，其结构复杂、尺寸精度要求高，模锻成形过程中容易出现充不足、模具磨损严重及表面质量差等问题。在实际模锻工艺设计中，预成形几何形状参数对终锻零件的质量有较大程度的影响。因此本文采用将数值模拟、多目标优化、多属性决策等理论相结合的方法对异形传动件的预成形形状参数进行了优化并针对优化结果进行了生产验证。

　　首先，针对异形传动件的模锻成形工艺，设计了二道次成形方案与三道次成形方案。

　　利用有限元软件 Forge 模拟了两种不同方案的成形过程并分析了其优劣之处。根据分析结果，认为三道次方案充型完整、模具应力及模具磨损亦更小。在确定三道次方案后，为研究预成形形状对终锻件质量的影响，选择了预成形的三个关键几何尺寸作为因素，以填充性能、模具磨损为目标设计了 L16（43）的正交试验并进行了数值模拟。

　　其次，以数值模拟获得的数据作为样本集，采用支持向量机进行学习、泛化，进而建立了预测模型。在与 BP 神经网络的学习结果对比后，可以发现支持向量机在小样本、存在噪声的条件下依然具有较高的预测精度，预测模型相关系数均在 85%以上。随后根据预测模型建立显式方程作为多目标进化算法的目标函数，进而通过 Matlab 编制寻优程序，获得了 Pareto 最优解集。在非劣解集内寻找满足决策偏好的工程应用解的过程属于多属性决策范畴，本文选择采用优劣解距离法（TOPSIS）进行决策，最终获得符合工程实际需求的最优应用解。经有限元与实际生产验证发现，与优化前的方案相比，模具磨损量降低约52.8%，充型亦较为饱满。

　　最后，为进一步提高产品关键部位的尺寸精度及其表面质量，设计了一种背压式冷精整工艺并从理论上对其整形过程中的应力-应变状态进行了分析。分析结果认为，施加背压力能够使变形金属进入三向压应力状态并抑制金属的反向流动，从而避免了内腔边缘的坍塌、折叠等缺陷的产生。

　　本课题将异形传动件的精密模锻工艺、有限元分析理论、多目标演化寻优方法相结合，达到了改进成形工艺、提高模具服役寿命、缩短设计周期的目的。研究成果为异形传动件的量产提供了可靠的理论指导，并为将来此类相似锻件的模锻工艺开发提供了理论与实践依据。

　　关键词：精密模锻，多目标优化，Pareto 最优解，冷精整

Abstract

　　Precision die forging is a kind of less and non-cutting plastic processing technology. It has been widely used in the automotive, aerospace and relevant fields, because of its excellent mechanical properties and high material utilization. In this paper, special-shaped automobile transmission part was studied, which has complex structure, high accuracy requirements. In the process of precision die forging, underfilling, mold wear and poor surface quality were prone to problems. In the actual forging process design, the preform geometry parameters have a large effect on the quality of the final part. Therefore, in this paper, the preform shape parameters of the special-shaped automobile transmission forging part are optimized by combining the numerical simulation, multi-objectiveoptimizationandmulti-attributedecisionmaking, andtheoptimization results were validated for production results.

　　Firstly, aiming at the forging forming process of shaped transmission parts, two forming schemes and three forming schemes are designed. Then the finite element software Forge is used to simulate the forming process of two different schemes and analyze its advantages and disadvantages.According to the analysis results, it is found that filling preference of three forming schemes is completed, mold stress distribution is more uniform, mold wear is also smaller. On the basis of the three forming schemes, the effect of preform shape on the quality of final forging was studied. The three key geometries of preforming were selected as the factors, and the orthogonal test of L16(43) was designed with filling performance and mold wear as the target.

　　Secondly, the data obtained by numerical simulation is used as a sample set. The support vector machine is used to study and generalize, and then the forecasting model is established. Compared with the learning results of BPneural network, the support vector machine still has high prediction accuracy under the condition of small sample and noisy, and the correlation coefficient of the prediction model is above 85%. Then the explicit equation is established according to the prediction model as the objective function of the multi - objective evolutionary algorithm, then the optimal solution set of Pareto is obtained by Matlab. The process of solving the engineering application solution in the non-inferior solution is a multi-attribute decision-making category.This paper chooses the Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution (TOPSIS) to make the decision, and finally obtain the optimal application solution which meets the actual demand of project. The finite element and the actual production verification found that compared with the pre-optimization program, mold wear reduction of about 52.8%, filling is also more full.

　　At last, in order to further improve the dimensional accuracy and surface quality of the key parts of the product, a back-pressure cold finishing process was designed and the stress-strain state in the process of shaping was analyzed theoretically. The results show that the application of back- pressure can make the deformation metal into the three-way compressive stress state and inhibit the reverse flow of metal, thus avoiding the edge of the cavity collapse, folding and other defects.In this paper, the precision die forging process, the finite element analysis theory and the multi-objective evolutionary optimization method are combined to improve the forming process, enhance the service life of the die and shorten the design cycle. The research results provide a reliable theoretical guidance for the mass production of shaped transmission parts, and provide theoretical and practical basis for the development of forging process in such similar forgings.

　　Keywords: Precision die forging, Multi-objective optimization,Pareto optimal solution, Cold finish

　　近年来，车辆工业获得了迅猛地发展，全球近五年汽车产量每年平均增长 200 万辆。由此也带动了锻造行业的快速发展，汽车锻件占据了模锻件产量的半数以上，批量化的模锻件生产技术也随着汽车行业的发展而建立起来。因此伴随着车辆工业的进一步发展，模锻工艺在近净成形、模具设计与维护、创新检测方法、以及加热、下料、热处理工艺等方面也获得了长足的进步。汽车锻件主要有连杆、曲轴、传动轴、万向节等，其特点主要是批量大、品种多、形状复杂、质量要求高[1]。汽车锻件常属于关键零部件，承受复杂载荷，因此锻件质量的优劣对整车性能及安全性具有较大的影响。塑性成形过程不仅能够获得所需的复杂形状，而且能够将铸态组织致密化并焊合组织内部缺陷，从而提升金属材料的综合性能。因此伴随着塑性成形技术的进一步发展，其研究的重点逐渐从“成形”向“成性”升华。

　　模锻是基于自由锻、胎模锻等传统锻造工艺进一步发展改进而来的一种新型锻造方法，该工艺是将金属坯料置于具有特定形状的模膛内施加适当压力以产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸及内部质量要求的锻件[2-3]。与传统锻造相比，精密模锻工艺具有尺寸精度高、锻件表面质量好以及后续切削量小等特点。精锻工艺的广泛应用在提高工业生产效率的同时也改进了锻件整体质量，显着减少了锻件后续的精加工工时，从而实现节能降耗、降低生产成本[4]。

　　本文以某种异形传动件作为研究对象，针对其在精锻过程中出现的充不足、折叠、坍塌等缺陷及实际生产问题进行了研究，主要研究内容包括：

　　（1）针对异形传动件的精密锻造过程设计了两种不同的精锻工艺，并根据数值模拟结果分析了此两种工艺的优劣性。

　　（2）以冲头磨损与填充性能为目标，对精锻预成形形状进行了多目标优化。根据优化的结果进行相应的决策，并针对优化结果进行数值模拟验证与实际生产验证。

　　（3）针对热锻后表面精度不足等问题，本文设计了背压式的冷精整工艺方案并从理论上对其应力-应变状态进行分析。

　　在本论文的研究工作中主要采用了以下的研究方法：

　　（1）在精锻工艺设计、分析过程中，本文采用了理论计算与数值仿真相结合的方法。

　　（2）在多目标优化过程中，本文采用了正交试验与数值仿真相结合的方法采集了学习数据，综合利用支持向量机与多目标演化算法，对多目标问题的 Pareto 非劣解集进行了获取。

　　（3）在获得非劣解集后的决策过程中，本文采用了基于理想解相对距离（TOPSIS）的方法进行了决策，最终获得了工程试用解。随后采用有限元模拟与验证生产相结合的方法，对优化结果进行了验证。

　　（4）在对冷精整变形状态的分析中，本文采用了基于塑性力学全量理论的应力-应变状态分析方法，解释了背压状态下的金属流动趋势。

　　多目标进化算法的模锻工艺模具设计：

锻后热处理流程

磷皂化表层组织模型

背压式冷精整结构

精整承压面

未施加背压时的应力状态

施加背压时的应力状态

模具总装图

模具结构俯视图

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 精密模锻工艺概述及其研究现状
　　　　1.3 数值模拟技术在塑性成形中的应用
　　　　　　1.3.1 塑性成形有限元的研究现状
　　　　　　1.3.2 Forge 软件介绍
　　　　1.4 本课题的研究内容与方法
　　　　1.5 本课题研究的目的与意义
　　第二章 锻造工艺分析与数值模拟
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 异形传动件结构分析及三维建模
　　　　2.3 异形传动件成形工艺方案设计
　　　　　　2.3.1 锻件图绘制及下料方案的选择
　　　　　　2.3.2 预成形方案设计
　　　　2.4 成形方案数值模拟分析
　　　　　　2.4.1 有限元模型的建立
　　　　　　2.4.2 材料变形过程及填充性能分析
　　　　　　2.4.3 载荷分析及设备选择
　　　　　　2.4.4 模具应力及磨损分析
　　　　　　2.4.5 两种工艺方案的优劣性分析
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 预测回归模型的建立
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 正交试验设计
　　　　　　3.2.1 正交试验原理与特点
　　　　　　3.2.2 正交试验设计及数值模拟
　　　　3.3 基于支持向量机的回归模型
　　　　　　3.3.1 支持向量机的简要介绍
　　　　　　3.3.2 近似回归模型的建立
　　　　3.4 模型显式方程的建立
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 模锻预成形几何参数优化与决策
　　　　4.1 前言
　　　　4.2 基于 NSGA-2 的多目标寻优
　　　　　　4.2.1 多目标进化算法
　　　　　　4.2.2 NSGA2 的基本流程
　　　　　　4.2.3 Pareto 前端的获取与 Matlab 实现
　　　　4.3 基于 TOPSIS 法的多属性决策
　　　　　　4.3.1 基于理想解原理的 TOPSIS 方法
　　　　　　4.3.2 决策解的获取
　　　　4.4 有限元验证
　　　　4.5 优化方案的生产验证
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 冷精整方案及其模具设计
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 冷精整前处理工艺
　　　　　　5.2.1 锻后热处理
　　　　　　5.2.2 表面预处理
　　　　5.3 冷精整工艺方案设计
　　　　　　5.3.1 冷精整工艺方案的确定
　　　　　　5.3.2 冷精整的应力状态分析
　　　　5.4 模具总装图及其原理
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 结论与展望
　　　　6.1 完成的主要工作及结论
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致谢

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