星点设计效应面法优化连杆衬套塑性成型工艺

焦欢庆

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)



星点设计效应面法优化连杆衬套塑性成型工艺

焦欢庆

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)

强力旋压加工的连杆衬套具有承载力强、耐磨性好的特点，生产中发现其工艺参数交互影响衬套性能。利用星点效应面法研究某型号柴油机连杆衬套的强力旋压工艺，其减薄率、进给比和退火温度对衬套力学性能有影响；利用Design-Expert 软件对所得实验数据采用效应面法分析优化，采用三元三次多项式回归模型作为试验因素与效应因素的数学模型，分别得出布氏硬度、屈服强度、抗拉强度和伸长率与工艺参数的关系式；对效应因素进行归一化处理，将总评“归一值”作为优化目标响应值，确定出该型号衬套强力旋压工艺最优参数为：减薄率36.8%，进给比0.46 mm/r，退火温度296 ℃。

连杆衬套; 强力旋压; 星点设计效应面法

0 引言

强力旋压工艺属于无切屑加工，其材料利用率和力学性能等方面都优于切削加工[1]。连杆衬套是连杆与活塞连接件中重要部件，其性能好坏影响到发动机的寿命。相比国内现有的加工连杆衬套的真空吸铸和粉末冶金方法，通过强力旋压成形的连杆衬套具有高比压、高效率的特点。在衬套生产中常用伸长率等来衡量其塑性性能，用布氏硬度等来衡量衬套的耐磨性[2]。在生产中，一些旋压件的表面出现的鳞片和波纹棱现象、端口出现的喇叭状现象，对衬套的进一步加工有较大影响。为尽可能降低上述情况，使衬套具有较好的力学性能，以某型号大功率柴油机的连杆衬套的生产工艺过程为研究对象，确定最优工艺参数。

1 影响衬套性能的工艺参数

连杆衬套工作在高比压、高热负荷等受力不均匀环境下，要求衬套表面硬度高、承载能力较大。目前，国内外许多学者对强力旋压工艺参数进行了研究，发现旋压参数减薄率、进给比和旋压后热处理工艺中的退火温度对于衬套性能有很大影响[3-4]。

(1)减薄率是指工件旋压前后的薄厚差值与旋压前壁厚的比值[4]。减薄率的大小与加工后试件的表面材料隆起大小有很大关系。根据文献[5]所得：随着减薄率的增大，旋压过程中材料堆积越多，隆起高度就越大。当材料轴向流动不顺畅时，旋压后工件的表面就会有波纹棱，工件表面不光滑；材料切向流动量变大使得工件胀径量增大，加工精度降低[6]。但减薄率过低，不仅影响生产效率，而且对工件表面材料有很大影响，所以减薄率的控制很重要。

(2)进给比f是旋轮的进给速度与主轴转速的比值，过大的进给比会导致工件表面出现鳞片状缺陷或工件被拉裂等情况；过小的进给比会使得胀径量变大，所以进给比的大小控制很重要[7]。

(3)材料利用率高的强力旋压工艺在旋压后带来了较大的残余应力，合适温度的退火热处理会减小残余应力。退火温度高会使得残余应力消除得充分些，但温度过高会对工件的强度有一定影响，因此，退火温度的控制很重要[8]。

2 星点效应面试验设计

近年来由国外学者提出的星点效应面法在多因素多目标优化方面应用比较多[9-10]。星点设计(Central Composite Design, CCD)和效应面优化方法(Response Surface Methodology, RSM)通过选择可靠的试验设计及合适的数学模型，描绘试验因素与效应因素的函数关系，以解决多个目标函数优化问题，具有试验次数少、试验精度高的特点。

CCD是多因素五水平试验设计，是在两水平的析因设计上加上极值点和中心点构成的。试验表先是以代码编排，之后试验时转化为实际值。此次连杆衬套CCD五水平取值为：0、±1、±1.68，根据生产经验，确定减薄率水平极值为20%～50%，进给比水平极值为0.01～0.6 mm/r，退火温度水平极值为260～310 ℃，试验设计见表1。在所设计的试验条件下进行旋压加工，将旋压后的工件制成标准的拉伸试件，用布氏硬度测试仪、拉伸试验机及用静态电阻应变仪对各个拉伸试件力学性能进行测试，测试结果见表1。

表1 CCD试验设计表

注：由于(0,0,0)是中心点，需多次试验，8、9、10、20和序号2试验方案一样。

3 试验结果分析

利用Design-Expert 8.05软件分别对各效应因素进行效应面优化，选择Cubic模型拟合效应面，采用三元三次多项式逐步回归，根据所得布氏硬度响应曲面的方差分析(见表2)可以看出：模型的F值为2 206.34，表明所选模型是有意义的；失拟项的平方和较小，说明布氏硬度与试验因素所得的回归方程的关系比较好；显著性概率小于0.05，表明该方差来源项对于布氏硬度的影响比较显著；可以看出减薄率、退火温度、进给比对于布氏硬度的影响都比较显著。同样以相同的方式可以得到屈服强度、抗拉强度和伸长率的方差分析表，所选模型都是有意义的。

布氏硬度在一定程度上能够反映工件的耐磨性，抗拉强度和屈服强度在一定程度上能够反映工件在静拉伸条件下的最大承载能力，伸长率能够反映工件的塑性性能，以上指标对于衬套力学性能都是相对越大越好。

表2 布氏硬度三次响应曲面模型的方差分析

为进一步分析工艺参数与力学性能关系式，利用三元三次多项式数学模型逐步回归得出各效应因素的回归方程如下：

布氏硬度：

y1=208.69-1.55A-1.78B+4.01C-2.31AB-0.13AC-0.4BC+1.66A2+0.68B2-0.58C2-1.14ABC-0.89A2B-6.69A2C+12.02AB2

屈服强度：

y2=576.05+38.5A+18.43B+4.46C+8.41AB+6.73AC+10.5BC-45.85A2-10.38B2+3.24C2-29.85ABC-76.88A2B+22.03A2C+17.42AB2

抗拉强度：

y3=629+33A-4.76B+10.4C-13.0AB+1.26AC+1.5BC-3.47A2+1.6B2-2.47C2-5.89ABC+11.3A2B+15.1A2C+20.8AB2

伸长率：

y4=15.2-2.47A+0.678B-0.336C-0.008 41AB+0.265AC-0.025BC-0.799A2-0.145B2+0.065 6C2-0.341ABC+0.777A2B-1.93A2C+0.284AB2

当进给比不变，根据回归模型拟合力学性能与减薄率、退火温度的效应面(图1)。从所得效应面的等高线图中可以看出：在进给比不变时，布氏硬度、屈服强度、抗拉硬度为较大值时，对应减薄率取较大值，而退火温度取较小值，即图像的右下部位；而伸长率为较大值时，对应减薄率取较小值，而热处理温度取较大值，即图像的左上角部位。

图1 各因素效应面的等高线图，进给比f=0.3

为进一步得到整体最佳工艺条件，对效应因素进行归一化处理，将每个效应因素均标准化为0～1之间的“归一值”，各个效应因素的权重相等。固定进给比不变，然后以总评“归一值”aDesirability为因变量，以减薄率和退火温度为自变量描绘效应面，结果见图2。

图2 不同进给比的“归一值”效应面等高线图

通过逐步改变进给比，对比分析发现，随着进给比的增大，寻优范围里aDesirability=0.5向左偏移；当进给比为0.46时，得到最优预测值(见图2(c))，aDesirability取得最大值0.605，此时得到最优工艺参数组合(减薄率A=36.8%，退火温度B=296 ℃，进给比C=0.46 mm/r)，该组合下效应预测值见表3。

表3 最优工艺参数下效应因素的预测值及实际值

以优化所得到的工艺参数组合进行试验，试件力学性能参数实际值见表3,对比发现实际值与预测值的误差不大，且各项力学性能满足生产图纸要求。

进一步验证模型的可靠性，对抗拉强度的实际值与预测值进行对比，见图3。可以看出：抗拉强度的值大部分都落在预测值与实际值相等的线上，说明所得回归模型与实际模型拟合效果较好。

图3 抗拉强度实际值与预测值

4 结论

(1)减薄率、进给比和退火温度是影响连杆衬套力学性能的重要因素，通过试验数据分析发现它们对布氏硬度、抗拉强度、伸长率的影响都比较显著。

(2)根据各效应因素效应面等高线图得出，在进给比一定时，减薄率较大、退火温度较低时，布氏硬度、屈服强度、抗拉强度值较高；而减薄率较小、退火温度较高时，伸长率值较大；适当增大进给比，有助于提高衬套的力学性能。

(3)采用星点效应面法设计三因素五水平方案进行衬套力学性能测试试验，利用三元三次多项式数学模型得出工艺参数与各力学性能的关系式，归一化后寻优得出最优工艺参数组合为：减薄率36.8%，进给比0.46 mm/r，退火温度296 ℃，该组合是针对布氏硬度、屈服强度、抗拉强度和伸长率值的整体达到最优的组合。

(4)所得最优组合只是针对生产该型号衬套所用材料；以最优的工艺参数组合进行生产，发现旋压件的表面波纹棱状现象有所改善。

【1】王芳,张宁,范涛,等.GH4169薄壁管滚珠旋压过程的缺陷研究[J].锻压技术,2010(4):52-55.

【2】舒成龙,樊文欣,王志伟,等.铜合金连杆衬套塑性成形工艺优化研究[J].热加工工艺,2015(9):173-175,178.

【3】王志伟，樊文欣，原霞.强力旋压主要参数对连杆衬套性能影响的正交试验分析[J].热加工工艺，2014,43(5):114-116.

【4】赵云豪，李彦利.旋压技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2007:33-35.

【5】魏玉娜.铜合金连杆衬套强力旋压过程仿真研究[D].太原:中北大学,2013.

【6】李克智.筒形件强旋时胀径的试验研究[J].锻压机械,1992(4):50-53.

【7】葛丹丹.连杆衬套强力旋压有限元数值模拟及工艺参数研究[D].太原:中北大学,2012.

【8】姚春臣,王海云,尤兴军,等.结构钢薄壁筒形旋压件的热处理[J].金属加工(热加工),2015(11):57-60.

【9】WANG Y M，SATO H,ADACHI I,et al.Optimization of the Formulation Design of Chitosan Microspheres Containing Cisplatin[J].J Pharm Science,1996,85(11):1204.

【10】MOLPECERES J,GUZMAN M,ABERTURAS M R,et al.Application of Central Composite Design to the Preparation of Polycaprolactone Nanoparticles by Solvent Displacement[J].J Pharm Science,1996,85(2):206-208.

Optimization of the Connecting Rod Bushing Plastic Molding Process Based on Central Composite Design and Response Surface Methodology

JIAO Huanqing

(School of Mechanical and Power Engineering, North University of China，Taiyuan Shanxi 030051, China)

The connecting rod bushing machined by power spinning process has the characteristics of stronger bearing capacity, better wear resistance. The bushing performances are affected by various process parameters interaction in the production. Central composite design and response surface methodology was used to study a type of diesel engine connecting rod bushing power spinning process. Its reduction ratio, feed ratio and annealing temperature influenced the mechanical properties of the connecting rod bushing. The Design-Expert software was used for the analysis and optimization of experimental data by the response surface method. Taking the cubic stepwise polynomial regression model as mathematical model of the test factors and effect factors, the equations of Brinell hardness, yield strength, tensile strength and elongation with the process parameters were calculated. Normalizing the effect factors, making the normalized value as the optimization objective response value, the optimal parameters of power spinning process are reduction ratio 36.8%, feed ratio 0.46 mm/r and annealing temperature 296 ℃.

Connecting rod bushing; Power spinning; Central composite design and response surface methodology

2015-11-23

焦欢庆(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为衬套工艺优化、机械结构优化。E-mail：1227619755@qq.com。

TG166

A

1674-1986(2016)02-015-05