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金属薄板低耗工艺优化方法分析

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摘要:在许多领域当中都需要运用到金属薄板,而以往金属薄板的成形工艺需要消耗较大的能量,并且容易出现质量缺陷,进一步增加了其生产的能耗,较大的能耗使得金属薄板生产成本也随之上涨,因此为了对此改善,文章主要探讨一种有利于金属薄板能耗降低,同时还能够保障金属薄板质量的低耗成形工艺,并通过半球形件拉深实验来证实工艺的优化意义。

关键词:金属薄板;低耗成形工艺;半球形件拉深实验

1金属薄板低耗成形工艺评估体系

1.1评估指标

首先介于以往金属薄板的生产与应用,其很容易出现拉裂、起皱等质量问题,如果出现此类问题就预示着金属薄板件直接报废,所以在金属薄板评估体系当中,应当包括起皱率(用Fw代替)。其次金属薄板在应用时的能效取决于其薄度,如果薄度不足,就可能导致金属薄板无法应用,所以在金属薄板评估体系当中,应当包括最大减薄率(用TMAX代替)。最终,因为在金属薄板的生产过程当中,对金属薄板的薄度要求越大消耗能源也就越大,所以出于本文研究目的,应当在金属薄板评估体系当中选取成形能耗指标(用E代替)[1]。结合上述,起皱率主要由金属薄板原材料的最大应变力与最小应变力绝对值相互比较得来,根据公式(1)的计算说明,起皱率越大金属薄板原材料的最大应变力绝对值与临界点越接近,当最大应变力超过临界点则发生起皱;最大减薄率代表了生产过程当中,金属薄板原材料的厚度变化最大值,即减薄率越低说明原材料厚度的变化就越小,否则相反,与此同时还说明原材料拉裂概率也会变小,由此可见减薄率越低,会给金属薄板造成两个方面的影响,即厚度可能无法达到生产要求,但有利于金属薄板的质量;成形能耗就是金属薄板生产中的消耗能源量,当成形能耗越大说明生产环境的友好性越低,对于成形能耗的计算,可以通过有限元仿真等方法获取[2]。大应变率以及最小应变力的绝对值。

1.2金属薄板低耗成形评价体系

金属薄板低耗成形评价体系主要是指金属薄板生产能耗与质量之间的综合评定体系,在综合考虑之下金属薄板低耗成形评价体系的目标函数Y如公式(2)所示。公式(2):Y=w1Tmax+w2Fw+w3E。式中w1、w2、w3代表Fw、TMAX、E的加权系数,同时根据前人研究了解到,w1、w2、w3相加等于1。为了对Fw、TMAX、E加权系数的权重进行评价,本文主要采用层次分析法来进行分析。在层次分析法之下,以Y作为目标层;以成形质量作为准则层;最大减薄率、起皱率、能耗量作为方案层,构建了层次分析法框架。在方案层当中,因为该层的内容会对金属薄板成形工艺低耗评价目标函数造成影响,所以两者存在管理,此时根据前人理论得出公式(3),之后再依照表1的强弱分配原则,得到准则层影响目标层的重要性矩阵与方案层对比准则层的对比矩阵公式(4)。表了强弱影响的5个等级,对应的wij取值见表1。在上述计算之下,本文结合一致性、随机性实验来满足层次分析法的需求,此时就得到了Fw、TMAX、E在低耗成形评价目标函数当中的权重值:w1=0.2449,w2=0.5226,w3=0.2325。最终就得到了金属薄板成形工艺低耗评价目标函数公式(6):Y=0.2449+0.5226+0.2325。

2金属薄板低耗成形工艺优化方法

2.1优化基础条件

因为金属薄板生产工艺较多所以不能一概而论,本文主要结合SUS201不锈钢半球形件拉深工艺作为本文研究的基础条件。研究当中首先构建了锈钢半球形件拉深工艺的几何模型,再通过Dynaform方法分析不同成形工艺参数对半球形件拉深的成形质量、能源消耗的影响,最终将上述金属薄板低耗成形评价体系的基础上,对各类影响进行评价,再根据评价结果对此工艺当中的各项参数进行优化。

2.2锈钢半球形件拉深工艺参数分析

首先通过正交实验对锈钢半球形件拉深工艺当中的各因素进行分析,再针对各类因素进行计算得出其水平值。其次,以以下5个工艺参数为自变量:半球形件拉深速度;凹模圆角半径;摩擦系数;压边力;金属薄板原材料厚度,以以下3个影响因素为拉深成形工艺低耗评价指标:起皱率;最大减薄率、拉深能耗,即可得出正交试验设计方案。正交试验设计方案为5因素4水平方案,结合L16(45)=16方程模拟球形件拉深过程,最后进行正交试验,此部分实验结果如表2所示。通过Dynaform方法进行处理,得出最大减薄率、最大应变力、最小应变、成形能耗的具体数值,此时就得到了金属薄板原材料的自变量对比成形工艺低耗评价指标结果,将此结果代入上述金属薄板成形工艺低耗评价目标函数公式进行计算,即可得到低耗评价的目标函数。

2.3工艺参数优化方法

依照半球形件工艺要求,本文选取了1mm厚度的SUS201不锈钢板作为实验样品,对其进行拉深实验,实验当中为了保障参数的最佳表现,本文设计了相应的实验方法,具体如下所述。首先出于综合考虑,在拉深工艺成形质量与能源消耗的相互影响关系之下,半球形件会因为不同的工艺参数而出现变化。通过实验了解到,半球形件的拉深速度并不会对能量消耗造成明显影响,但是拉深速度会对金属薄板的变形质量造成影响,即拉深速度过快导致金属薄板变形不充分,体现出应力分布过于分散的现象,如果拉深速度过慢,那么同样导致金属薄板变形不充分,体现出应力分布过于集中的现象。在此影响之下说明金属薄板的Y会整体上升,因此在金属薄板工艺优化中,拉伸速度的参数需要适当。其次为了得出具体参数,应当在此回到拉深工艺成形质量与能源消耗的相互影响关系之下,假设两者均为1,拉伸速度对金属板的变形影响会导致工艺成形质量下降,假设降至0.5,此时确定当前的拉伸速率,对其进行调整直至工艺成形质量再次为1,其中调整的数值即为工艺参数优化的参数,同时在能耗上也能得到保障。

3结束语

本文主要研究了金属薄板低耗成形工艺优化方法,构建了金属薄板低耗成形工艺评估体系,内容主要包括:评估指标、金属薄板低耗成形评价体系。介绍了金属薄板低耗成形工艺优化方法,内容包括:优化基础条件、锈钢半球形件拉深工艺参数分析、工艺参数优化方法。

参考文献:

[1]秦利民,刘志峰.基于成形质量和能耗的金属薄板成形工艺参数优化[J].制造技术与机床,2017(12):35-40.

[2]庞龙凤.基于正交试验汽车前灯注塑工艺参数优化[J].塑料工业,2018(2):27-30.

作者:郜少波 单位:河北劳动关系职业学院

金属薄板低耗工艺优化方法分析责任编辑:张雨    阅读:人次
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