本發(fā)明涉及一種基于數(shù)值模擬的可變速度控制溫擠壓方法，用于對金屬產(chǎn)品溫擠壓成形工藝的設(shè)計、開發(fā)，屬于塑性成形技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
溫擠壓技術(shù)是一種介于冷擠壓和熱擠壓之間的工藝，具有組織性能好、成形精度高、模具壽命長等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。在復(fù)雜構(gòu)件恒速溫擠壓工藝應(yīng)用中，由于復(fù)雜過渡處局部應(yīng)力損傷大，造成充不滿、裂紋等缺陷，若提高變形溫度，則將造成內(nèi)部組織性能的損失，傳統(tǒng)的恒速溫擠壓工藝難以實現(xiàn)復(fù)雜優(yōu)質(zhì)構(gòu)件的精確控形和控性。針對上述問題，研究人員開展了多道次的恒速溫擠壓和后續(xù)熱處理改性等復(fù)合處理工藝研究，強化溫擠壓工藝技術(shù)性分析和質(zhì)量控制，一定程度上規(guī)范了工藝參數(shù)，減少了人機料法環(huán)等因素對溫擠壓產(chǎn)品質(zhì)量的影響，但依然存在工藝路線長、效率低等突出問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于數(shù)值模擬的可變速度控制溫擠壓方法。為了實現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案，一種基于數(shù)值模擬的可變速度控制溫擠壓方法，其特征在于：所述基于數(shù)值模擬的可變速度控制溫擠壓過程分為三個可控階段，包括溫擠壓初始劇烈變形階段、溫擠壓穩(wěn)定變形階段、溫擠壓變形結(jié)束階段；其具體擠壓步驟如下：(1)以變形位移量、可變速度曲線、溫度為影響因素，設(shè)計多組溫擠壓數(shù)值模擬正交試驗方案；(2)完成數(shù)值模擬前處理建模，輸入變形材料的熱塑性本構(gòu)模型、晶粒尺寸演化模型的參數(shù)，設(shè)置前處理參數(shù)；(3)針對溫擠壓產(chǎn)品對象，依次對每組溫擠壓試驗進行數(shù)值模擬，每組溫擠壓試驗?zāi)M結(jié)束后，分析充型效果、損傷、晶粒尺寸、載荷等考核指標，并記錄其考核數(shù)據(jù)；(4)以溫擠壓數(shù)值模擬前處理中的變形位移量、可變速度曲線、溫度為影響因素，以溫擠壓數(shù)值模擬后處理中的充型效果、損傷、晶粒尺寸、載荷為考核指標，建立考核指標與影響因素之間的響應(yīng)面模型，并優(yōu)化出最佳的因素水平組合值；(5)設(shè)定溫擠壓初始劇烈變形階段的位移量、溫擠壓穩(wěn)定變形階段的位移量、溫擠壓變形結(jié)束階段的位移量，將優(yōu)化出來的可變速度曲線輸入到伺服壓力機控制系統(tǒng)，將坯料加熱到預(yù)期的最優(yōu)溫度范圍，進行溫擠壓成形試驗驗證。所述溫擠壓變形位移量，是指凸模與坯料接觸開始，到溫擠壓變形結(jié)束，凸模的運動行程；可變速度曲線，指在溫擠壓過程中，分別設(shè)定溫擠壓初始劇烈變形階段的速度曲線、溫擠壓穩(wěn)定變形階段的速度曲線、溫擠壓變形結(jié)束階段的的速度曲線；溫擠壓溫度，是以變形材料的再結(jié)晶溫度為上限，避開材料的熱脆等影響溫區(qū)，從室溫到再結(jié)晶溫度之間的少無缺陷的溫度范圍。所述溫擠壓數(shù)值模擬正交試驗的因素主要包括溫擠壓初始劇烈變形階段的速度函數(shù)曲線v1、變形溫度T，溫擠壓穩(wěn)定變形階段的位移比率r2、速度函數(shù)曲線v2，溫擠壓變形結(jié)束階段的位移比率r3、速度函數(shù)曲線v3；考核指標主要包括：充型效果yE、損傷yD、晶粒尺寸yG、載荷yF。所述建立考核指標與影響因素之間的響應(yīng)面模型，具體過程為：(1)考核指標的質(zhì)量特征數(shù)據(jù)的信噪比轉(zhuǎn)化：將信噪比作為衡量質(zhì)量的重要尺度，信噪比越大，表明質(zhì)量對噪聲因子的敏感性越小，造成的質(zhì)量損失越小；本發(fā)明方法中的考核指標主要包括充型效果指標yE為望大特性、損傷指標yD為望小特性、晶粒尺寸指標yG為望小特性、載荷指標yF為望小特性；假設(shè)溫擠壓正交試驗有N組方案、k個考核指標，將第i個考核指標在第j組試驗中形成的第n組質(zhì)量特征數(shù)據(jù)記為yij(n)，將n組質(zhì)量特征數(shù)據(jù)的信噪比記為ηij，其中1≤i≤k，1≤j≤N，1≤w≤n，則：若yij為望小特性，其信噪比ηij為：若yij為望大特性，其信噪比ηij為：若yij為望目特性，假設(shè)其望目特性為m，則其改進的信噪比ηij為：(2)計算綜合質(zhì)量損失：分別計算充型效果指標yE、損傷指標yD、晶粒尺寸指標yG、載荷指標yF的基于信噪比的標準化質(zhì)量損失，然后采用目標加權(quán)求和法將多指標響應(yīng)的標準質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化為單響應(yīng)指標的綜合質(zhì)量損失；式中：yij——第i個考核指標在第j組試驗中的標準化質(zhì)量損失，0≤yij≤1；——第i個考核指標在其所有試驗中的最大質(zhì)量損失；Q——質(zhì)量損失系數(shù)；ηij——信噪比；yj——第j組試驗中的綜合質(zhì)量損失；αi——權(quán)重系數(shù)，反映第i個考核指標對穩(wěn)健性的要求程度，αi∈[0，1]，且∑αi＝1；(3)建立二階響應(yīng)面模型：分別將N組溫擠壓數(shù)值模擬試驗中的綜合質(zhì)量損失作為響應(yīng)值y，顯著影響因素作為自變量x，建立綜合質(zhì)量損失y與顯著影響因素x之間的二階響應(yīng)面模型，采用數(shù)學規(guī)劃技術(shù)求解最優(yōu)的參數(shù)組合值；其模型如下：本發(fā)明針對傳統(tǒng)恒速溫擠壓技術(shù)的質(zhì)量損傷和工藝效率難以調(diào)控的問題，根據(jù)溫擠壓過程中初始變形階段速度大、后續(xù)變形階段速度低的速度特性，溫擠壓初始變形階段力能顯著增大、穩(wěn)定變形階段力能趨于平緩、結(jié)束階段力能開始增大的力能特性，提出了一種基于數(shù)值模擬的可變速度控制溫擠壓方法，此方法可以明顯提高溫擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量，提升工藝效率，縮短工藝路線，可用于溫擠壓成形新工藝開發(fā)，可用于汽車、摩托車、特種裝備等溫擠壓產(chǎn)品制造領(lǐng)域，具有很強的實用價值。附圖說明圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為本發(fā)明實施例中的筒體擠壓件的結(jié)構(gòu)圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明。如圖1至圖2所示，一種基于數(shù)值模擬的可變速度控制溫擠壓方法，所述溫擠壓過程分為三個可控階段，包括溫擠壓初始劇烈變形階段、溫擠壓穩(wěn)定變形階段、溫擠壓變形結(jié)束階段；其具體擠壓步驟如下：(1)以變形位移量、可變速度曲線、溫度為影響因素，設(shè)計多組溫擠壓數(shù)值模擬正交試驗方案；(2)完成數(shù)值模擬前處理建模，輸入變形材料的熱塑性本構(gòu)模型、晶粒尺寸演化模型的參數(shù)，設(shè)置前處理參數(shù)；(3)針對溫擠壓產(chǎn)品對象，依次對每組溫擠壓試驗進行數(shù)值模擬，每組溫擠壓試驗?zāi)M結(jié)束后，分析充型效果、損傷、晶粒尺寸、載荷等考核指標，并記錄其考核數(shù)據(jù)；(4)以溫擠壓數(shù)值模擬前處理中的變形位移量、可變速度曲線、溫度為影響因素，以溫擠壓數(shù)值模擬后處理中的充型效果、損傷、晶粒尺寸、載荷為考核指標，建立考核指標與影響因素之間的響應(yīng)面模型，并優(yōu)化出最佳的因素水平組合值；(5)設(shè)定溫擠壓初始劇烈變形階段的位移量、溫擠壓穩(wěn)定變形階段的位移量、溫擠壓變形結(jié)束階段的位移量，將優(yōu)化出來的可變速度曲線輸入到伺服壓力機控制系統(tǒng)，將坯料加熱到預(yù)期的最優(yōu)溫度范圍，進行溫擠壓成形試驗驗證。所述溫擠壓變形位移量，是指凸模與坯料接觸開始，到溫擠壓變形結(jié)束，凸模的運動行程；可變速度曲線，指在溫擠壓過程中，分別設(shè)定溫擠壓初始劇烈變形階段的速度曲線、溫擠壓穩(wěn)定變形階段的速度曲線、溫擠壓變形結(jié)束階段的的速度曲線；溫擠壓溫度，是以變形材料的再結(jié)晶溫度為上限，避開材料的熱脆等影響溫區(qū)，從室溫到再結(jié)晶溫度之間的少無缺陷的溫度范圍。所述溫擠壓數(shù)值模擬正交試驗的因素主要包括溫擠壓初始劇烈變形階段的速度函數(shù)曲線v1、變形溫度T，溫擠壓穩(wěn)定變形階段的位移比率r2、速度函數(shù)曲線v2，溫擠壓變形結(jié)束階段的位移比率r3、速度函數(shù)曲線v3；考核指標主要包括：充型效果yE、損傷yD、晶粒尺寸yG、載荷yF。所述建立考核指標與影響因素之間的響應(yīng)面模型，具體過程為：(1)考核指標的質(zhì)量特征數(shù)據(jù)的信噪比轉(zhuǎn)化：將信噪比作為衡量質(zhì)量的重要尺度，信噪比越大，表明質(zhì)量對噪聲因子的敏感性越小，造成的質(zhì)量損失越??；本發(fā)明方法中的考核指標主要包括充型效果指標yE為望大特性、損傷指標yD為望小特性、晶粒尺寸指標yG為望小特性、載荷指標yF為望小特性；假設(shè)溫擠壓正交試驗有N組方案、k個考核指標，將第i個考核指標在第j組試驗中形成的第n組質(zhì)量特征數(shù)據(jù)記為yij(n)，將n組質(zhì)量特征數(shù)據(jù)的信噪比記為ηij，其中1≤i≤k，1≤j≤N，1≤w≤n，則：若yij為望小特性，其信噪比ηij為：若yij為望大特性，其信噪比ηij為：若yij為望目特性，假設(shè)其望目特性為m，則其改進的信噪比ηij為：(2)計算綜合質(zhì)量損失：分別計算充型效果指標yE、損傷指標yD、晶粒尺寸指標yG、載荷指標yF的基于信噪比的標準化質(zhì)量損失，然后采用目標加權(quán)求和法將多指標響應(yīng)的標準質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化為單響應(yīng)指標的綜合質(zhì)量損失；式中：yij——第i個考核指標在第j組試驗中的標準化質(zhì)量損失，0≤yij≤1；——第i個考核指標在其所有試驗中的最大質(zhì)量損失；Q——質(zhì)量損失系數(shù)；ηij——信噪比；yj——第j組試驗中的綜合質(zhì)量損失；αi——權(quán)重系數(shù)，反映第i個考核指標對穩(wěn)健性的要求程度，αi∈[0，1]，且∑αi＝1；(3)建立二階響應(yīng)面模型：分別將N組溫擠壓數(shù)值模擬試驗中的綜合質(zhì)量損失作為響應(yīng)值y，顯著影響因素作為自變量x，建立綜合質(zhì)量損失y與顯著影響因素x之間的二階響應(yīng)面模型，采用數(shù)學規(guī)劃技術(shù)求解最優(yōu)的參數(shù)組合值；其模型如下：實施例：本發(fā)明實施例選用筒體產(chǎn)品進行溫擠壓數(shù)值模擬試驗考核，筒體材料選用30CrMnMoTi。以溫擠壓初始劇烈變形階段的速度函數(shù)曲線v1、變形溫度T，溫擠壓穩(wěn)定變形階段的位移比率r2、速度函數(shù)曲線v2，溫擠壓變形結(jié)束階段的位移比率r3、速度函數(shù)曲線v3為影響因素；以充型效果yE、損傷yD、晶粒尺寸yG、載荷yF為考核指標，設(shè)計L8(27)正交試驗方案。如下表1所示：表1溫擠壓數(shù)值模擬L8(27)正交試驗方案數(shù)值模擬前處理時導(dǎo)入模具、坯料的三維幾何模型，輸入材料的熱塑性本構(gòu)模型、晶粒尺寸演化模型，設(shè)置模具預(yù)熱溫度，增加接觸傳熱面，完成前處理建模及參數(shù)設(shè)置。充型效果的評判方法如表2。數(shù)值模擬結(jié)束后，記錄每組試驗的充型效果yE、損傷yD、晶粒尺寸yG、載荷yF等考核指標數(shù)據(jù)如表3所示，對考核指標分別賦予權(quán)重0.3、0.3、0.2、0.2，進行信噪比、標準質(zhì)量損失、綜合質(zhì)量損失計算，其計算結(jié)果如表4所示。損傷yD、晶粒尺寸yG、載荷yF其信噪比充型效果yE其信噪比標準質(zhì)量損失綜合質(zhì)量損失表2充型效果質(zhì)量等級質(zhì)量等級5級4級3級2級1級充型效果無缺陷有輕微缺陷有較低缺陷有中等缺陷有嚴重缺陷表3考核指標的記錄數(shù)據(jù)試驗號x1x2x3x4x5x6空列y1y2y3y41608500.5400.220(1)50.7421.46.212608500.5200.110(2)50.5623.15.863608000.7400.210(2)51.1518.56.824608000.7200.120(1)51.0719.26.585408500.7400.120(2)50.6822.66.036408500.7200.210(1)40.5223.45.697408000.5400.110(1)51.0920.16.618408000.5200.220(2)40.9620.46.37表4考核指標數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化計算建立綜合質(zhì)量損失y與影響因素x1～x6的二階響應(yīng)面模型，優(yōu)化出二階響應(yīng)面模型的最佳參數(shù)。同時，定義影響因素x1～x6的參數(shù)求解區(qū)域，應(yīng)用優(yōu)化出來的二階響應(yīng)面模型求解出最佳的因素水平組合值如表5。表5響應(yīng)面模型及其參數(shù)水平最優(yōu)解將優(yōu)化出來的溫擠壓初始劇烈變形階段的速度v1＝53.2mm/s、變形溫度T＝825℃，溫擠壓穩(wěn)定變形階段的位移比率F2＝0.61、速度v2＝39.8mm/s，溫擠壓變形結(jié)束階段的位移比率F3＝0.15、速度v3＝8.8mm/s參數(shù)代入數(shù)值模擬軟件進行試驗驗證表明：筒體產(chǎn)品的綜合質(zhì)量好，因此可以將數(shù)值模擬優(yōu)化出來參數(shù)用于筒體實際溫擠壓成形試驗考核。本發(fā)明針對傳統(tǒng)恒速溫擠壓技術(shù)的質(zhì)量損傷和工藝效率難以調(diào)控的問題，根據(jù)溫擠壓過程中初始變形階段速度大、后續(xù)變形階段速度低的速度特性，溫擠壓初始變形階段力能顯著增大、穩(wěn)定變形階段力能趨于平緩、結(jié)束階段力能開始增大的力能特性，提出了一種基于數(shù)值模擬的可變速度控制溫擠壓方法，此方法可以明顯提高溫擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量，提升工藝效率，縮短工藝路線，可用于溫擠壓成形新工藝開發(fā)，可用于汽車、摩托車、特種裝備等溫擠壓產(chǎn)品制造領(lǐng)域，具有很強的實用價值。