文/黃廣，閔忻龍，馬成昊，王海寧，毛加勉，甘國強·合肥工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(S202010359038)

汽車空調壓縮機是汽車制冷系統(tǒng)的心臟，其中斜盤式壓縮機具有結構緊湊、壓縮性能良好、體積小巧、運行平穩(wěn)、易于加工制造等優(yōu)勢。斜盤是斜盤式壓縮機的核心部件，鑒于其長期高速運轉以及受摩擦產生的高溫，對其耐磨性、強度及硬度等力學性能具有很高的要求。傳統(tǒng)變形工藝制造的零件存在著整體強度不高、易變形等缺點。由于熱模鍛成形有模膛引導金屬的流動，鍛件內部的鍛造流線按鍛件輪廓分布，從而提高了零件的力學性能和使用壽命，操作簡單實用，易于實現(xiàn)機械化，生產效率高。

本文采用響應面分析和數(shù)值模擬相結合的方法，以降低成形載荷、提高材料利用率為目標，對斜盤成形工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計，通過響應面模型和非線性擬合對模型結果進行分析，得到了最佳的工藝參數(shù)，以期提高斜盤的成形質量。

為解決斜盤在成形過程中存在的成形載荷高、材料利用率低等缺點，本文提出采用熱模鍛成形工藝方案，開展了多目標下不同工藝參數(shù)的模擬研究。通過響應面優(yōu)化法對熱模鍛成形過程進行試驗分析，找到最佳的工藝參數(shù)。利用Deform-3D 軟件對最優(yōu)化結果進行驗證，得到了噸位低、材料利用率高的成形工藝方案，對相同類型零件的實際生產過程具有一定的參考價值。

斜盤及其模具結構設計

斜盤鍛件設計

圖1 斜盤零件圖

由于鋁合金密度低，與目前的轎車輕量化發(fā)展趨勢相符合，是制造斜盤類零件的熱門材料，本文選用的A390 過共晶鋁合金，其有優(yōu)異的力學性能、耐磨性和良好的尺寸穩(wěn)定性。圖1 為斜盤零件尺寸圖，由于零件形狀較為規(guī)則，因此僅需一次加工成形。采用UG 三維軟件進行建模，針對研究目標件尺寸，通過鍛件結構設計，單邊加工余量為1mm，獲得斜盤鍛件的三維模型如圖2 所示，其中圖2(b)A 區(qū)域的充填過程對鍛件成形質量具有重要影響。

圖2 斜盤鍛件幾何模型圖

鍛造模具設計

基于圖2 斜盤鍛件模型，通過布爾運算得到了模具型腔的形狀和尺寸。考慮實際成形過程中坯料穩(wěn)定放置，設計方案一成形簡易模具及相應坯料如圖3(a)所示。該方案中，坯料為φ74mm×13mm 的斜切圓柱，角度為20.5°。

圖3 模具裝配圖

通過初步模擬分析，發(fā)現(xiàn)在成形后期，由于上沖頭向下行進距離較長，凹模右下部分所需金屬過多，導致金屬在鍛件右下角充填時壁厚減薄。因此，當上沖頭繼續(xù)向下運動時，坯料右側金屬被向下鐓粗，最終形成折疊，如圖4(a)所示。為防止折疊缺陷的產生，將沖孔連皮置于鍛件圓孔中心位置，得到方案二如圖3(b)所示。通過模擬該方案成形過程，獲得成形過程中坯料變形情況如圖4(b)所示，該種情況下未出現(xiàn)方案一中折疊缺陷。

圖4 成形后期鍛件缺陷分析圖

成形過程分析

方案二中上沖頭在成形過程中的載荷-位移曲線圖如圖5 所示?；诔尚螄嵨患芭髁献冃吻闆r，斜盤鍛件成形過程可分為四個階段，分別用不同顏色表示，且四個階段下坯料與模具的接觸情況如圖6 所示。

圖5 載荷-位移曲線圖

圖6 成形過程接觸圖

第一階段中，坯料中心圓孔位置與模具接觸圖如6(a)所示，該過程中成形所受載荷最大僅在10t 左右；第二階段坯料斜盤部分上表面與模具之間接觸面積迅速增大，導致上沖頭所受載荷快速上升，該階段末期由于斜盤部分上表面與沖頭完全接觸，導致成形載荷較為平穩(wěn)；第三階段坯料側表面與模具接觸面積增大，所受載荷迅速增大至100t 左右；第四階段為圖2(b)中A 區(qū)域的填充過程，成形末期由于成形完成，導致成形噸位迅速上升，最終成形載荷為355t。

響應面模型建立

通過前期的分析研究，主要影響斜盤鍛件成形質量(成形載荷、材料利用率)的因素有：坯料溫度、上模下行速度、圓角半徑以及盲孔深度。為此，本研究選取相應的參數(shù)因子及優(yōu)化目標，設計變量因素水平數(shù)見表1。

在Design Expert 軟件中輸入試驗數(shù)據范圍，生成CCD 響應面試驗表。將中心復合設計制定的四種試驗條件依次進行鍛造模擬，記錄其成形載荷和材料利用率見表2。

響應面模型的擬合與分析

響應面模型的擬合

根據表3 及表4 可以看出，F(xiàn) 值表示整個擬合方程的顯著程度，此模型中的F 值為27.59 同時其P 值小于0.0001，表明此模型的結果是顯著的。在擬合統(tǒng)計中，決定系數(shù)為0.7390，校正決定系數(shù)為0.8919，其差值小于0.2 說明此數(shù)據是可信的，表明回歸模型解釋數(shù)據的能力較強。充分精度=17.0559 ＞4，表明該模型的分辨能力足夠。

根據表2 的模擬響應結果，采用線性回歸的方法建立成形載荷與工藝參數(shù)坯料溫度、下行速度、圓角半徑及盲孔深度之間的回歸模型：

表1 試驗數(shù)據范圍表

表2 數(shù)據記錄表格

表3 成形載荷方差分析

表4 成形載荷擬合統(tǒng)計

Y=3 3 4.3 2-1 5.2 1×A+0.3 7 5 0×B-23.63×C+18.04×D-7.94×A×D-7.19×C×D-9.13×B2+7.87×C2+6.37×D2

圖7 為成形載荷目標預測值和模擬值的擬合曲線。試驗中記錄的數(shù)據與響應模型預測的數(shù)據較為接近，預測值與實際值大致相同，由此表明，該回歸模型的可信度較高。

響應面分析

圖7 成形載荷目標預測值和模擬值的擬合曲線

為直觀地表示各因子與成形載荷響應之間的關系，利用三維曲面圖進一步分析各因素對成形載荷的影響。由擬合模型給出的函數(shù)方程可知，下行速度不會改變其他因子對響應的影響，并且盲孔深度和圓角半徑對成形載荷的影響較大。通過對盲孔深度和圓角半徑對成形載荷的影響進行響應面法分析，得到響應面如圖8 所示?？梢钥闯?，當坯料溫度和下行速度為設計中心水平時，成形載荷隨盲孔深度的增大而增大，隨圓角半徑的增大而減小。當盲孔深度為最大值13.5mm、圓角半徑為最小值2mm 時，成形載荷取得最大值397t；當盲孔深度為最小值4.5mm、圓角半徑為最大值4mm 時，成形載荷取得最小值為315t。

圖8 盲孔深度與圓角半徑對成形載荷的影響

基于響應面的結果對得出的設計參數(shù)進行優(yōu)化，對最優(yōu)方案進行模擬，其因子數(shù)值設置與試驗結果見表5，由于模擬結果與模型預測吻合度高，表明該模型可信度高，優(yōu)化成形方案合理可行。

優(yōu)化后的數(shù)值模擬結果分析

圖9 為成形完成時的等效應力分布圖，可以看出在成形過程中應力集中主要出現(xiàn)在坯料與模具接觸的左上和右下部分(即圖2(b)中A 區(qū)域)。高應力區(qū)的出現(xiàn)是由于鍛件在成形末期該處最后充填引起。從此圖可以看出無異常的應力集中現(xiàn)象，各處的材料受力較為均勻，無充填不滿現(xiàn)象發(fā)生。

圖9 最優(yōu)方案等效應力分布圖

圖10 最優(yōu)方案等效應變分布圖

圖11 為優(yōu)化前(設計中心方案)與最優(yōu)方案的載荷-位移曲線對比圖，由圖可以看出，在成形過程中，最優(yōu)方案上沖頭所受載荷上升較為平緩且最大載荷比中心方案小60t 左右。

結束語

圖11 載荷-位移曲線圖

本文基于響應面法對斜盤類零件成形過程開展了多目標下優(yōu)化工藝參數(shù)的模擬研究。結合實際的工藝條件，選取了坯料溫度、下行速度、圓角半徑及盲孔深度作為優(yōu)化變量，最終成形載荷作為主要響應目標，材料利用率作為次要響應目標，通過Deform-3D軟件進行數(shù)值模擬，得到了各個變量因素共同作用的響應模型。通過對該響應面分析，獲得最優(yōu)的參數(shù)組合，即坯料溫度360℃、下行速度9mm/s、圓角半徑5mm、盲孔深度11.5mm。通過對最佳參數(shù)組合進行模擬驗證，發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)據與回歸模型預測數(shù)據吻合良好，并且通過分析其等效應力、等效應變、載荷-位移曲線表明此方案成形結果良好，達到所期望的目標，對相同類型零件的實際生產過程具有一定的參考價值。