（材料加工工程专业论文）挤压模具的摩擦学优化设计.pdf

挤压模具的摩擦学优化设计 摘要 挤压模具设计是一个复杂的、综合性、反复进行的过程，目前正以模型化、 最优化为特征，向集成化、智能化、自动化方向发展。模具寿命是一个综合性 的技术问题。磨损是影响模具寿命的决定性因素。尤其在高温成形过程中模具 寿命因磨损而失效的情况超过7 0 。因此，在热挤压过程中，如何减少磨损、 避免局部磨损过大是设计人员最关心的问题之一。 本文提出了一种集数值模拟、b p 神经网络和遗传算法于一体的挤压模具优 化设计模型。首先基于修正的a r c h a r d 磨损模型，用数值模拟计算模具的磨损， 然后将人工神经网络与有限元分析相结合，用有限元模拟数据作为学习样本， 训练b p 神经网络模型，在训练结束和仿真测试验证了神经网络模型反映实际问 题的可靠性后用来作为优化计算的知识源，以多层b p 神经网络的推广能力来预 测优化所需的目标函数值，实现了遗传算法优化迭代过程中个体适应度值的实 时求解，解决了有限元模拟时间长、磨损计算量大的缺陷，为挤压模具的优化 设计提供了一种方法。由于数值模拟、人工神经网络和遗传算法属于非耦合算 法，通用性较强，该模型适用于金属塑性成形领域的优化设计。 关键词：挤压模具摩擦学数值模拟神经网络遗传算法 t r i b o l o g yo p t i m u md e s i g n o fe x t r u s i o nd i e a b s t r a c t t h ed e s i g no fe x t r u s i o n d i ei sa v e r yc o m p l i c a t e dp r o c e s s w h i c hn e e d s c o m p o s i t i v ea n a l y s i s a n d r e p e a t e do p e r a t i o n s t h ed e s i g n w i t h m o d e l i n g ， o p t i m i z a t i o n a n d f l e x i b i l i t y i s d e v e l o p i n g t o w a r d i n t e g r a t i o n ，i n t e l l i g e n c e a u t o m a t i z a t i o n d i el i f e i sa na l l - a r o u n d t e c h n o l o g yp r o b l e m a n dw e a ri s t h e p r e d o m i n a n t f a c t o rw h i c ha f f e c t st h ed i el i f e ，e s p e c i a l l yd i el i f ea ta h i g l lt e m p e r a t u r e i sa f f e c t e db yw e a l - i no v e r7 0 s o ，i nh o te x t r u s i o np r o c e s s ，h o wt or e d u c ew e a r a n di m p r o v ed i el i f ei so n eo f t h em o s tc o n c e r n e d p r o b l e m s f o rm o l d d e s i g n e r t h i s p a p e rp u tf o r w a r dd e s i g no p t i m i z a t i o no fe x t r u s i o n - d i es y s t e m ，w h i c h i n t e g r a t e de x i s t i n ge n g i n e e r i n gn u m e r i c a la n a l y s i s ，b pn e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i c a l g o r i t h m s f i r s t b a s e do nu p d a t e da r c h a r d st h e o r y , t h ep a p e rc a l c u l a t e dw e a rd e p t h b yf e ms o f t w a r e t h e n ，c o m b i n i n gn e u r a ln e t w o r k sw i t hf e m ，t h ep a p e rm a d e d a t ao ff e ms i m u l a t i o ni nl i g h to f l e a r n i n gs a m p l ea n dt r a i n e dm o d e lo f b pn e u r a l n e t w o r k s ，w h i c hc a nf o r e c a s tm o l dw e a ra n dr a p i d l yf o r e c a s tl i f eo fm o l d r e s o u r c e o fk n o w l e d g eo fo p t i m u md e s i g ni s g a i n e da f t e rt r a i n i n ge n da n ds i m u l a t i o nt e s t v a l i d a t e r e l i a b i l i t y t h a tt h em o d e lr e f l e c t e d p r a c t i c a lp r o b l e m s d u r i n gg e n e t i c a l g o r i t h mi t e r a t i v ep r o c e s s ，t h ef i t n e s sv a l u e sa r eo b t a i n e do nt h eb a s i so fm u l t i l a y e r b pn e u r a ln e t w o r ka n di t sp o p u l a r i z e d c a p a b i l i t y i tr e s o l v e sl i m i t a t i o nt h a tt h et i m e o fs i m u l a t i o ni st o o l o n g a n dt h e c a l c u l a t i o n q u a n t i t y o fw e a ri st o om a s s m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o da f f o r d sak i n do fo p t i m u m d e s i g no f e x t r u s i o n d i e b e c a u s e t h en u m e r i c a l c o m p u t a t i o nt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i c a l g o r i t h ma r en o tc o u p l i n ge a c ho t h e r , i ti sak i n do ff e a s i b l em e t h o da n dh a sm u c h e n g i n e e r i n gv a l u e t ob e a p p l i e d k e y w o r d s ：e x t r u s i o n - d i e ，t r i b o l o g y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n e u r a ln e t w o r k s ， g e n e t i c a l g o r i t h m 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员签名( 工作单位、职称) 删铆次知缒 导师：严野曷 旦劣j q j 毛认苏覆 氐t 酬缸佼 位乙到敞 嘶五嘭楞司孝卫， 锄勿敬亏彩伍 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒世王些态堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：百小宄舞签字日期：d r 年6 月，z 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒螋王些盔生有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权金 照至些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：寺小瓤辑 剔稳钰2 例彬i ，j 签字目期：d r 年f 月i2 日 签字日期：新善月r fe t 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本文是在我的导师王雷刚教授的关怀、帮助和悉心指导下完成的，导师严 谨的治学态度、渊博的知识和非凡的敬业精神令我敬佩，将是我以后工作和学 习的楷模。在学习期间，从课程学习、论文选题，到收集资料、论文成稿，都 倾注了王老师的心血。在此，谨对导师的辛勤培养与无私的关怀表示衷心的感 谢。 刘全坤教授为我创造了良好的学习和工作条件，并在学习和生活上予以细 致的关怀，在此，向刘教授表示诚挚的感谢。 特别感谢薛克敏教授、洪深泽教授、黄瑶副教授、董定福副教授、陈文琳 副教授、李萍副教授等在学业和生活上的指导和帮助。 李燕、王成勇、金云光、尹洁林、许春停、胡龙飞、苏兆梁、张丽辉、谢 道才、胡成亮、叶思珍、王远钟、王可胜、冯秋红等同学在学习期间团结互助， 热情交流，给了我很大的帮助，在此一并表示衷心的感谢。另外，特别感谢室 友王海波在生活上给予的帮助、支持和理解。 作者的每一次进步，每一点成绩，无不凝聚着父母和家人的心血! 在此还 要特别感谢男友对我的关心、鼓励和支持。 谨以此文献给所有关心、爱护、支持和帮助过我的人们，以表达我对他( 她) 们衷心的感谢和深深的祝福! 作者：孙宪萍 2 0 0 5 年4 月2 9 日 第一章绪论 首先简单介绍了挤压技术的概况、挤压模具的失效、挤压模具磨损和模具优 化设计在国内外研究的概况，在此基础上提出了本文选题的依据及主要研究内 容。 1 1 引言 模具是工业生产的基础工艺装备。振兴和发展我国的模具工业，目益受到 人们的重视和关注i l 】。采用模具加工零件具有生产效率高，质量好，节省材料， 成本低等优点。随着工业生产的发展和科学的进步，模具日愈受到人们的重视。 据现代材料动态报道，1 9 9 6 年至2 0 0 1 年，我国模具制造业的产值年均增 长1 4 至1 5 。2 0 0 1 年我国模具总产值已突破3 0 0 多亿元人民币，排名跃居 世界第四位。随着我国模具工业的壮大，在我国的模具产品中，有些产品已接 近或达到国际水平1 2 1 。 挤压模具作为模具中的一种，是挤压生产的必备工艺装备。根据统计资料 记载：近五年来，我国平均每年进口模具约1 1 2 亿美元，2 0 0 3 年进口了近1 3 7 亿美元的模具，居世界模具进口量第一位 3 l 。其中挤压模具占近1 0 。为什么 我国的挤压模具不能很好满足国内生产需要昵? 除挤压模具生产量小的原因 外，关键因素在于，我国生产的挤压模具与国外生产的挤压模相比，寿命太低。 例如：我国生产的铝挤压模的寿命为6 1 0 吨模，国外为3 0 5 0 吨模。我 国挤压模寿命一般为3 0 0 0 件模，而国外的使用寿命一般为8 0 0 0 1 0 0 0 0 件模 【4 】。由此可见，挤压模的寿命过低己成为严重制约我国挤压模行业发展的关键 问题。另外，挤压模的寿命对挤压生产的经济效益也起着决定作用。据国外资 料表明，当生产中等批量的挤压制品时，挤压模的成本往往占生产总成本的 2 0 3 0 ”。因此，要大力发展我国的挤压工业，必须首先提高国产挤压模具 的使用寿命。 模具寿命是一个综合性的技术问题。一般来说，挤压模具的报废与失效， 大多是由于磨损、疲劳破裂、塑性变形等造成的【6 j 。在热挤压成形的过程中， 磨损是影响模具寿命的决定性因素，l a n g e t t l 指出在高温成形过程中模具寿命因 磨损而失效的情况超过7 0 。因此，在热挤压过程中，如何减少磨损，如何避 免局部磨损过大是设计人员最关心的问题之一。本文着重对热挤压模具的磨损 进行计算，旨在通过对国内外挤压技术发展的总结，掌握热挤压工艺特点，以 及对影响热挤压模具磨损的各种因素的分析，从而找到计算热挤压模具磨损的 方法，对挤压模具磨损进行计算并可以通过b p 神经网络预测模具磨损，进而可 以预测模具寿命，并以等磨损为目标采用遗传算法对挤压模具型腔进行优化设 计，为热挤压模具寿命的预测和提高奠定基础。 1 2 挤压技术 挤压是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下， 迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需要形状和尺寸以及具有一定力学性能的 挤压件。显然，挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量移动来 成形零件的。挤噩的成形速度范围很广，它既可在专用挤压机上进行，也可在 一般的机械压力机、液压机、摩擦压力机以及高速锤上进行：挤压的成形温度 也很广，它既可在常温、中温中进行，也可在高温中进行【8 i 。 1 2 1 挤压工艺的分类 挤压工艺一般有两种分类方法： 1 ) 按毛坯的温度不同挤压可以分为下述三种情况： 冷挤压在温室中对毛坯进行挤压。 温挤压将毛坯加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度范围内 进行挤压。 热挤压将毛坯加热至金属再结晶温度以上的某个温度范围内进行 挤压。 2 ) 根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，常见的挤压方法可以 分为： 正挤压挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相一致，如图1 - l ( a ) 所示。正挤压又分为实心件正挤压和空心件正挤压。挤压件的截面形状可以是 圆形、椭圆形、扇形、矩形或菱柱形，也可以是不对称的等截面挤压件和型材。 ( a ) 正挤压( b ) 反挤压( c ) 复合挤压 图1 一l 挤压过程示意图 2 反挤压挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反，如图1 1 ( b ) 所示。反挤压法适用于制造断面是圆形、方形、长方形、“山”形、多层圆形、 多格盒形的空心件。 复合挤压挤压时，毛坯一部分金属的流动方向与凸模的运动方向相同， 而另一部分金属的流动方向则与凸模的运动方向相反，如图1 1 ( c ) 所示。复合 挤压法适用于制造断面形状是圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、 杯一杆类或杆一杆类挤压件，也可以制造等断面的不对称挤压件。 以上是挤压工艺中应用最广的几种方法，它们的共同特点是：金属流动方 向与凸模轴线平行，因此又统称为轴向挤压法。 1 2 2 挤压应用范围 冷挤压加工具有“高产、优质、低消耗”的优点，在技术和经济上都有很 高的实用价值。目前，冷挤压加工在机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、 军工等工业部门中已得到较为广泛的应用，成为金属塑性成形技术中不可缺少 的重要加工手段之一。当然，冷挤压也有一些缺点，比如，单位挤压力较大， 模具使用寿命较短。但是，随着科学技术的发展，模具材料的开发模具结构 的合理化，这些缺点会被逐渐克服，优越性会得到充分发挥。可以断言，冷挤 压技术必将得到越来越广泛的应用。 温挤压是一种有效的毛坯精化加工方法，已在汽车、拖拉机、抽承、电器、 仪表、军工、航空等工业部门中获得卓有成效的应用。 冶金工业部门已开始采用热加工型钢、钢管和双层金属等。它与轧制方法 相比具有如下优点：小批量生产或加工非标准件时比轧制法经济得多；从生产 一一种型钢改为另一种型钢十分简便，只需要更换模具：能够加工一些不能轧制 的低塑性合金，适用范围比轧制更广；在同一台挤压机上，只要更换模具就能 加工出棒、条、管以及多边形断面等异形型材。 1 2 3 挤压模具失效 挤压模具因磨损或其它形式失效，导致不可修复而报废之前所能承受的挤 压总次数( 也可用每套模具从投入使用至报废所能生产的型材总重量表示) ，称 为挤压模具的使用寿命。模具的失效包括早期失效和正常失效。早期失效是指 其受冲击破裂、塑性变形、过早的磨损、热裂、拉断和压弯等；而在模具达到 正常平均寿命之后的磨损、热裂和残损属正常失效【9 1 。 模具失效的形式和原因【1 0 】： 裂纹。多发生在型腔的转角处、悬梁的根部、模桥的底部。其原因主要 是材料本身较脆，内部组织有缺陷，热处理硬度过高，承受负荷过大，并易产 生应力集中区。 热疲劳裂纹。由于模具工作表面受到反复的温度升降，使其工作表面产 生拉、压交替变化，当模具局部应力超过模具钢的弹性极限并进入塑性应变区 域时，则可能形成疲劳裂纹，表现为工作表面的龟裂。 磨损。坯料在高温、高压下通过模型腔，并产生激烈的摩擦而造成磨损， 它造成的模具失效形式有压坑、麻面、粗糙、擦伤和尺寸超差等。 塑性变形。模腔工作表面在高温、高压下与金属产生高摩擦，表面温度 升高而产生软化，在交变载荷作用下瞬间会发生塑性变形。常见的形式有分流 模压塌、舌头或模芯缩颈、工作带压塌和悬臂梁压弯等。 以上模具失效形式中：磨损约占模具报废量的7 0 左右，裂纹与热裂纹约 占2 0 ，塑性变形约占1 0 ，而其中断裂失效可以通过断裂力学来预测，变形 失效可以用强度理论来预测，而磨损到目前为止尚无统一的理论来预测，且前 两者为材料本质特性，而磨损则与工况条件有关，从这一点上来说磨损预测有 相当的难度。模具寿命的预测其实主要是预测磨损。 1 2 4 挤压模具磨损国内外研究概况 磨损的研究工作开展得较迟，本世纪5 0 年代初期在工业发展国家开始研究 “粘着磨损”理论，探讨磨损机理。1 9 5 3 年英国的阿查德f j f a r c h a r d ) 提出 了简单的磨损计算公式，1 9 5 7 年苏联的克拉盖尔斯基( h b k p a r e b c k h h ) 提出 了固体疲劳理论和计算方法，1 9 7 3 年美国的苏( n p s u b ) 提出了有争论的磨 损剥层理论。从6 0 年代以后，由于电子显微镜、光谱仪、能诺仪以及电子衍射 仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大量和综合的应用，使得 磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。 目前已把磨损试验机直接装在电子显微镜内以便进行观察和电视录取，了解磨 损的动态过程：而且研究磨损的表面，次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能 的变化，以便搞清磨损机理，分析和监测磨损过程。从而寻求提高机器寿命的 可能途径。 模具磨损的过程是非常复杂的，即不容易用数学方法来描述，也不容易用 现象模型或经验模型来描述。通常，模具磨损受模具表面应力状态、冷却方 式、滑行长度、沿着滑行方向应力的变化、滑行速度、接触时间、工件的温度 及其塑性变形、模具表面的温度、模具的硬度和延展性等的影响很大。个别参 数对磨损的影响是非线性的或是相互独立的参数【1 31 ”。一些研究者把模具表面 的温度看作是最主要的因素15 1 6 1 。另一方面，h a n s e n 1 7 1 把滑行长度看作是最重 要的参数。接触面摩擦模型对分析热成型工艺是很重要的。d o e g e 等学者所建 立的磨损模型考虑了八个影响参数，该模型是用标准的统计学获得，它可进行 最大磨损的计算。从模具表面的角度看，如f e l d e r 和m a h o u d t j 8 j 、s t a h l b e r g 和 4 h a l s t r o n 旧1 、p a i n t e r 2 0 1 等学者计算磨损时常用的是a r c h a r d 模型川及其修正模 型。 1 2 5 挤压模具优化设计国内外的研究动态 随着计算机技术的迅速发展及有限元理论和优化技术的日益完善，数值模 拟、优化设计、人工智能的交叉与融合是挤压模具技术的发展趋势。挤压模具 的优化设计目前主要从以下两个方面展开：1 ) 预成形挤压模具型腔形状的优化 设计：2 ) 挤压型材模具结构工艺参数优化设计。 挤压模具型腔形状的优化设计目前主要集中在两个方面：1 ) 从产品的角度 来优化模具型腔，如l e e 2 2 1 ，k i m l 2 3 】和j o l 2 4 】等学者采用优化型腔形状的方法， 使热挤压产品具有更均匀的微观晶粒，以提高产品的机械性能。2 ) 从模具的角 度优化模具型腔，如a r m a d h ub a l a j i t ”j 利用有限元法优化了流线模具型面的长 度，华中科技大学的邹琳【2 6 】通过优化模具型面来减小型腔表面的摩擦力、正应 力和剪应力。 由于型材挤压模具结构本身的复杂性，其对制品性能的影响，一直是学者 们研究的重点。很多学者都对型材挤压模具的结构进行了广泛的研究，如刘汉 武【27 j 等人用b p 神经网络建立了型材挤压模具的数学模型，利用有限元分析结 果作神经网络的输入元，结合遗传算法优化了模具结构；还有齐红元【2 8 】等人采 用复变映射理论对异型材挤压模具及金属塑性变形体进行系统建模，建立了变 形体的能量方程，根据极值原理，得到了异型材挤压模具的优化设计参数。 1 3 课题来源和主要研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题来源于合肥工业大学科学研究发展基金( 项目号：0 3 0 3 0 2 f ) 。 1 3 2 主要研究内容 本课题的主要任务是在阅读大量国内外关于模具磨损和优化方面的文献 资料后，在了解热挤压工艺特点和通过对影响热挤压模具磨损的各种因素进行 分析的基础上，找到热挤压模具磨损的计算方法，并通过b p 神经网络预测模 具磨损，进而可以预测模具寿命，再用遗传算法以等磨损为目标对挤压模具型 腔进行优化设计。 本文主要包括以下几个方面的内容： 1 阐述挤压模具磨损和优化在国内外发展的概况，指出对模具进行摩擦 学优化设计的重要意义。 2 模具形状是通过经验选择参数确定的，这显然是一个直接根据给定参 数可以解决的优化问题。但是在实际设计中，设计变量和目标函数之间往往没 有直接的数学关系，需要用某种曲线的数学表达式来逼近或进行插值以表达模 具轮廓曲线。因此要完成模具型腔轮廓的优化设计，需要对轮廓形状进行曲线 表达，本文采用b 样条曲线来表达模具型腔轮廓曲线。 3 在收集和分析了大量国内外资料基础上，指出影响磨损的主要因素及 相互关系，进而制定热挤压模具磨损的计算方法，并用有限元模拟软件 ( m s c m a r c a u t o f o r g e ) 对模具进行磨损计算。 4 将b p 神经网络与有限元模拟相结合，用有限元模拟软件分析的数据作 为学习样本来训练所建立的神经网络模型，以此模型来预测用离散点描述挤压 模具型腔的磨损。 5 基于m a t l a b 编写遗传算法程序，并举实例验证。 6 将有限元模拟、b p 神经网络和遗传算法三者相结合，建立等磨损的数 学模型，对模具型腔进行等磨损的优化设计。 7 总结本文所做的工作，并指出有待深入研究之处。 6 第二章磨损理论及磨损模型 本章阐述了摩擦与磨损的关系、磨损的重要性和意义、常见的磨损形式及 粘着磨损的定义、分类、发展过程和磨损模型。 2 1 摩擦与磨损 摩擦和磨损是自然界普遍存在的现象。物体接触表面有相对运动时，就出 现摩擦，有摩擦必然伴随着摩擦面的磨损，润滑则是减少摩擦，降低磨损的有 效而经济的手段。研究摩擦学的目的在于提高摩擦表面的设计和制造工艺水平、 选择适宜的材料、采用合理的润滑技术，以便使机械设备的效率最高，磨损最 少，寿命最长，费用最低。 摩擦在塑性加工中占有非常重要的地位，故一直成为塑性加工中的一个重 要组成部分。但金属塑性成形时的摩擦与机械传动时的摩擦有很大差别，塑性 加工摩擦比普通机械零件摩擦复杂得多，具有如下显著特点【2 9 】： 第一，它是在高压下产生的摩擦。塑性成形时，金属所受的单位压力一股 在5 0 0 n r a m 2 左右，钢零件冷挤压时，单位压力可达2 5 0 0 n m m 2 而受重载荷 的轴承，工作时的单位压力仅为2 0 4 0 n m m 2 。接触面上承受的单位压力越高， 润滑就愈困难。 第二，很多塑性成形是在高温下进行的。例如，钢的轧制和锻造温度一般 在8 0 1 2 0 0 c 范围，在这样高的温度下，金属的组织和性能发生变化，表面产 生强烈的氧化、粘着等，这些现象改变了摩擦条件，给润滑带来很大影响。 第三，塑性成形时的摩擦，常常由于变形产生的新的接触表面而不断改变 工具与工件之间的接触条件。接触面上金属各点位移情况不同，有的滑动、有 的粘着。 针对上述金属塑性成形时的摩擦的这些特点，研究塑性加工中的磨损具有 重要的意义。 2 2 磨损及其重要性 磨损是一个众所周知道的现象，凡两个相互接触或相对运动的表面，都不 免要发生摩擦，有摩擦即有磨损发生。据不完全统计，能源的1 3 到1 2 消耗 于摩擦与磨损，约8 0 的机器零件失效是由于磨损引起的。所以磨损是机器最 常见也是最大量的一种失效方式。 与摩擦相比，磨损要复杂得多。对于大多数不同系统的材料而言，其在空 气中的摩擦系数大小相差不超过2 0 倍，如聚四氟乙烯u = 0 0 5 ，洁净金属t = j 口 7 而磨损率之差却很大，例如，聚乙烯对钢的磨损和钢对钢的磨损之比可相差1 0 5 倍。磨损似乎比摩擦具有更大的复杂性和敏感性。在具体的工作条件下，影响 因素十分复杂的，包括工作条件( 载荷、速度、运动方式等) 、环境因素( 如湿度、 温度和周围气氛等) 、介质因素和润滑条件以及零件材料的成分、组织和工作表 面的物理、化学、机械性能等，其中每一个因素稍有变化都可使磨损量改变并 可使磨损机理发生变化。 虽然，如上所述，尽管磨损的研究工作正在逐步深化，但要给磨损下一个 确切的定义并非易事。英国的机械工程师协会的一个委员会下的定义是“由于 机械作用而造成物体表面材料的逐濒损耗”，这似乎排除了电和化学作用所产生 的影响：克拉盖尔斯基的定义为“由于摩擦结合力反复扰动而造成材料的损坏”， 似乎太强调疲劳的作用。还有人认为应定义为“由于机械作用，间或伴有化学 或电的作用，物体工作表面材料在相对运动中不断损耗的现象”。 因此，关于磨损的定义有四点需要指出： ( 1 ) 磨损并不局限于机械作用，由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨损； 由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损；以及由于伴同热效应而造成 的热磨损等现象都在磨损的范围之内： ( 2 ) 磨损是相对运动中所产生的现象，因而，橡胶表面老化、材料腐蚀 等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴： ( 3 ) 磨损发生在物体工作表面材料上，其它非界面材料的损失或破坏， 不包括在磨损范围之内： ( 4 ) 磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转 移( 材料从一个表面转移到另一个表面上去) ，破坏包括产生残余变形，失去表 面精度和光泽等。不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不 是偶然的几次。 2 3 磨损的几种形式 因为磨损是一种十分复杂的微观动态过程，所以磨损的分类方法也较多。 根据不同条件有不同的分类方法。最常见的磨损分类方法，是按磨损机理来分 类如表2 1 所示。 表2 - l 按磨损机理分类 顺便指出，在实际工况下，板料的磨损往往不只是一种机理在起作用，而 是几种机理同时存在，例如，磨料磨损往往伴随着粘着磨损，只不过是在不同 条件下，某一种机理起主要作用而己。而当条件发生变化时，磨损也会以一种 机理为主转变为另一种机理为主。这是研究工作者和工程技术人员必须引起注 意的问题。 磨损机理和磨损表面的损坏方式有一定的关系，一种磨损机理在不同条件 下会造成不同的损坏方式，而一种损坏方式又可能是由不同机理所造成的。磨 损是一种表面破坏现象，因此通过磨损表面形貌和磨屑分析来确定磨损机理和 提高抗磨措施是磨损失效分析常用的方法p “。 2 4 粘着磨损及模型 摩擦副在相对运动时，由于”冷焊”或固相焊合作用，使接触处的材料从一 个表面转移到另一个表面，继而发生材料微粒脱落，这种现象称为粘着磨损。 粘着磨损是最常见的一种磨损形式，当一固体材料在另一固体材料表面上滑动 时或压在其表面上然后拉开时，常会发生这类磨损，它的发生与发展十分迅速， 容易使零件或机器发生突然事故而造成巨大的损失。许多零件的磨损失效也都 与粘着磨损机制有关，如刀具、模具、量具、齿轮、蜗轮、凸轮、各种轴承、 铁轨等。在制造第一颗人造卫星时，设计师们曾为粘着现象提心吊胆。在宇宙 环境中由于没有氧气，粘着现象非常严重，因此粘着磨损是航天和航空技术中 非常关键的问题。由于粘着磨损的普遍性和严重性，各先进工业国家均予以高 度的重视，并对其进行了大量的科学研究工作。 2 4 1 粘着磨损的分类 根据磨损程度，常把粘着磨损区分为四类： 1 ) 涂抹剪切发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表层内。软金属涂 抹在硬金属表面上形成轻微磨损。但随着正压力加大，磨损将显著加剧。如铅 基合金零件与钢对磨时，铅基合金便涂抹在钢件表面上，此时，较软金属的剪 切强度小于界面处的焊合强度，而硬金属的剪切强度则高于界面处的强度。 2 ) 擦伤接点剪切损坏主要发生在较软金属的浅层内，有时硬金属表面也 有擦痕。接点的粘结强度比两基体金属都高，转移到硬表面上的粘结物又擦削 较软表面。如铜与钢摩擦时，剪切大多发生在铜表层内，但钢的表面也残留少 量的小坑。 3 ) 粘焊粘焊又称为胶合。它的实质是固相的焊合，当然也不能排斥液相 的发生及作用。以塑性变形为主要原因引起的粘焊，分子吸引起着重要作用， 这种粘焊成为第一类胶合；由于摩擦生热使接触表面温度升高而引起的粘焊称 9 为热粘着或第二类胶合。 4 ) 咬卡当外力不能克服界面的结合强度时摩擦副的相对运动将被迫停 止。这种现象称为咬卡或咬死。 粘着磨损的分类方法目前很不统一，上述分类方法也有待完善。 2 4 2 粘着磨损的发展过程 粘着磨损是在有润滑的条件下最常见的一种磨损形式。现在普遍认为，磨 损的颗粒是在微峰接触点的部位产生的。图2 1 表示了粘着磨损的发展过程。 图a ) 为被磨损表面的原始状况，表面粗糙不平，而且在表层内存在由于加工 形成的许多缺陷。图b ) 表示两个摩擦表面相对滑动时，由于摩擦力的作用， 在表层产生塑性流动( 用实线表示) ，表层的缺陷不断扩展，在表面接触部位发 生金属间的粘着。图c ) 表示表层内的裂缝扩展到表面，金属从表面撕裂下来 形成磨粒，而使一些表面金属粘着在另一个金属表面。图d ) 是磨损后形成的 新表面口”。 ( c ) ( d ) 图2 - 1 粘着磨损的发展过程 2 4 3 粘着磨损的模型 粘着磨损的模型以5 0 年代的h o | n 模型及a r c h a r d 模型为代表。阿查德 ( a r c h a r d ) 用屈服应力仃。与滑动距离来表达金属的体积磨损w 。众所周知，固体 的表面是不平的，因此即使在十分微小的载荷下，表面至少有三点接触。当载 荷逐渐加大，接触点则沿径向增大，同时邻近的接触点数也将增多。即载荷增 大使真实接触面积a ，通过两个途径增大：1 ) 原有接触点的接触面积增大2 ) 新的 1 0 接触点增多。 下面简单介绍一下最通用的a r c h a r d 模型。图2 - 2 是a r c h a r d 模型的示意图。 图2 2a r c h a r d 的磨损模型 粘着磨损的体积磨损量睨通常用下面的关系式来表示： = k x 鲁x 式中n 法向力工具的硬度 x 滑动长度k 磨损系数 这个模型非常简单，只用f 、h 、彪和x 等量就可以表示磨损体积的大小。 同时从上述表达式中可以清楚地看出磨损量随滑动距离、载荷大小呈直线变化。 h 是一项与摩擦表面材料性能有关的参量。说明磨损与材料性能有一定的关 系。足是个多变量的函数值，即使在同样材料、同样载荷、相同滑动距离的 条件下，磨损量也可能因为x 值不同而发生变化。影响k 值的因素很多，其中 以摩擦类型、润滑情况、摩擦温度、滑动速度等因素影响较大【3 2 3 3 1 。 a r c h a r d 磨损模型已经广泛的被各国学者所引用，它在某种程度上描述了 磨损的一般规律。但a r c h a r d 模型仍有不足之处，如： 1 ) 它完全忽略了金属变形的物理特征及有关材料性能的变化。 2 ) 在数学表达式中使用了一些假设，有些过于粗糙，不尽合理。 3 ) 这个模型对不同条件下的金属磨损过程没能提供确切的说明。 第三章挤压模具优化设计方法 本章阐述了挤压模具型腔的描述方法、有限元法基本原理及应用模拟软件、 b p 神经网络和遗传算法的基本思想，结合这些方法的优势，提出了一种集有限 元模拟、b p 神经网络和遗传算法于一体的挤压模具优化设计方法。 3 1 挤压模具型腔的描述 在成形过程中模具的几何形状是非常重要的，其变形程度、变形速度、塑 性变形区的应力应变状态等与模具型腔轮廓形状密切相关，对整个成形过程性 能的影响十分关键【3 4 l 。最佳的挤压模具型腔轮廓应既有利于产品接近工件形状 又能提高模具使用寿命 3 5 j 。通常，模具形状是通过经验来选择参数来确定的， 很显然这是一个直接根据给定参数可以解决的优化问题。但是在实际设计中， 设计变量和目标函数之间往往没有直接的数学关系，需要用某种曲线的数学表 达式来逼近或进行插值以表达模具轮廓曲线。模具型恧的几种描述方法：一般 采用分段直线、曲线插值、曲线拟合、多项式函数来表达模具型腔轮廓曲线。 i ) 分段直线 分段直线是近似表达模具型腔形状的最简单的方法，其数学表达式简单， n 段分段直线表达式的轮廓形状需要设定n + 1 个节点。优化过程中决定轮廓曲 线形状的设计变量与节点的坐标相关，显然它表达的不是一条光滑曲线，曲线 的光滑程度完全依赖于所取节点数目的多少，也就是设计变量的多少。这样要 获得较光滑的模具型腔轮廓曲线，必须取很多的设计变量数，在实际的优化设 计中一般较少采用。如图3 - 1 ( a ) 所示，给定初始点，在m a t l a b 中画分段直线 图。 2 ) 曲线插值 采用三次样条插值函数来求出模具型腔轮廓形状，是较早期的方法。三次 样条插值函数实际上是由三次曲线拼接而成，在连接点即样点上要求二阶导数 连续。三次样条插值函数由一系列控制点( 凰，置，l ，丘) 来表达， 要求曲线过这一系列控制点。优化过程中设计变量与控制点的坐标相关联，控 制点数目较大。插值方法要求曲线通过控制点，在模具型腔轮廓的优化设计中， 控制点值在每次迭代后都会有相应的改变，不断修正优化后得到最优控制点。 但插值三次样条函数无法处理斜率为无穷大的曲线问题，存在不具备几何不变 性，无局部性等问题。如图3 - 1 ( b ) 对给定的初始点绘制三次样条曲线。 3 ) 曲线拟合 曲线插值要求曲线过控制点，曲线拟合则只要求曲线近似的逼近控制点， 1 2 ( a ) 分段直线图 ( b ) 三次样条曲线图 ( c ) b 样条曲线圈 ( d ) 多项式曲线图 图3 - 1 对离散点用几种方法绘图 目前在模具型腔轮廓优化设计中常用的有b 样条曲线、b i z e r 曲线等等。 通过控制点的适当变动来实现轮廓形状的改变，设计变量与控制点的坐标相关 联。b 样条曲线是最常用的样条曲线，它可以给出非常光滑的插值曲线，因此 在数值逼近、科学和工程计算中应用均相当广泛。其特点是曲线在由给定控制 点组成的特征多边形以内并逼近特征多边形，具有连续性、局部性和扩展性等 性质。n 次b 样条曲线由n + 1 个控制点( 凰，墨，五，置) 来定义。其 数学表达式如下： p 和) = p 只，。( ，) ( o ，1 ) 式中 e 一( f ) 2 去萎c ( t + n - l - ( o 姚1 ) ，一 o + 1 ) k “一葡而 上式3 - 2 满足下列条件： f 。o ) 0 ( o ，1 ) 1 3 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) f 。( ，) = l ( o s t 1 ) ( 3 - 3 ) t = 0 在模具轮廓形状复杂、控制点数目较多的情况下，采用b 样条曲线拟合的方法 在防止计算量过大上有一定的优势。如图3 - 1 ( c ) 所示对给定的初始点绘制b 样 条曲线。 4 1 多项式函数 在给定控制点( x o ，x 。，x ：，、，以) 情况下，采用多项式拟合来描绘 模具型面轮廓形状，其设计变量是多项式函数的系数，优化后多项式所表达的 曲线形状就是所要求的模具型腔形状，曲线的光滑性就保证了模具型腔的光滑 性。在给定相同的初始点的情况下绘制多项式曲线如图3 - 1 ( d ) 所示。 3 2 有限元法 在金属塑性成形过程中既存在材料非线性，又存在几何非线性，再加上边 界条件的复杂性和数学上的困难。使得成形过程的求解十分复杂。人们在简化、 假设的基础上提出了一些近似的分析方法，如主应力法、滑移线法和上限法等， 这些算法由于受到简化和假设的限制，在使用范围和精度上远远不能达到人们 满意的程度。 3 2 1 有限元法的基本理论 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是随着计算机技术、软硬件 技术的不断发展，以及数值分析方法在工程中的广泛应用而发展起来的一种实 用数值分析的仿真方法。 有限元的基本思想是把连续体视为离散单元的几何体来考虑。在应用有限 元法分析问题时，首先采用“化整为零”的方法，将连续体分解成有限各形态 比较简单的“单元体”，对这些单元体进行分别分析；然后采用“积零为整”的 方法，将各单元重新组合为原来的连续体的简化了的“模型”，通过求解这个模 型得到问题的基本未知量在若干离散点上的数值解：最后，根据得到的数值解 再回到各个单元中计算其他物理量。 3 2 2 有限元法的计算流程 有限单元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片表示全求解域上 待求的未知场函数，单元内的近似函数通常用未知场函数及其导数在单元的各 个结点的数值和其插值函数来表达，因此，未知场函数及其导数在各个结点上 的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度的问题变成离散的有 限自由度问题。 1 4 具体的分析流程如图3 - 2 。 图3 - 2 有限元分析的流程 ) 形成刚度矩阵k 消除k 奇异 求解i g a = p 得到a 根据a 计算席力麻变算 现在，有限单元法的应用已经从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳 问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题等，分析对象从 弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，研究领域从固体力学扩 展流体力学、传热学等连续介质力学领域。 3 2 3 有限元在金属塑性成形中的应用 金属的塑性成形技术是指金属在模具外力作用下发生塑性变形。在金属塑 性成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何非 线性，在材料的本构关系( 应力一应变关系) 存在物理非线性。不仅如此，成 p阵列苟载成形 、j 形所用的模具型面的几何形状往往比较复杂，工件与模具的接触状态不断改变， 摩擦规律也难以描述。由于以上种种原因，金属塑性成形问题难于求得精确解。 有限元法是目前进行非线性分析最强有力的工具，因此也成为金属塑性成形过 程模拟最流行的方、法【圳。 在塑性成形过程的有限元模拟中，根据材料应变与位移以及应变与应力的 关系的不同可将有限元法分为小变形弹塑性有限元法、有限应变弹塑性有限元 法；刚塑性有限元法和粘塑性有限元法。 在金属塑性成形过程的有限元模拟方面，各国学者做了大量的工作。上世 纪8 0 年代以来，金属塑性过程的计算机模拟技术逐渐进入实用阶段【3 ”。它已 经成为检验模具设计的有效手段。我国也有许多研究人员在这方面做了大量的 工作。例如，北京科技大学的康永林用有限元分析精锻问题：何慎进行了二斜 轧延伸过程的计算机模拟系统的研究：张鹏开展了椭圆孔中热轧过程温度场的 三维热力耦合有限元分析；赵俊杰进行了斜轧螺纹锚杆的数值模拟等。 3 2 4 有限元分析软件介绍 随着计算机性能的提高，新算法的提出和有限元理论的不断完善，有限元 软件迅速发展，出现了一批通用和专用的有限元软件。 这类有限元软件主要由三大模块构成：前处理、求解器和后处理。前处理 模块主要完成有限元模型的建立，在前处理器中完成简单的建模，而对于复杂 模型则需要在专门的建模软件中生成，并以一定的格式导入：求解器是有限元 分析的主体，主要是采用适当的算法完成计算；后处理器则是用于完成模拟结 果的显示可根据需要以文本或图形等不同的形式输出。一般功能比较强大的 后处理器均能提供路径输h 扎时间一历程曲线输出、矢量图输出等，可以满足 用户的多种需求。 现今世界上流行的大型有限元塑性仿真软件有很多种，如 m a r c a u t o f o r g e 、a n s y s 、l a - d y n a 3 d 、d e f o r m 等大型综合软件。 l a d y n a 3 d 不能进行温度场的数值模拟，d e f o r m 主要是模拟计算刚塑性变 形，无法进行弹塑性变形中的残余应力、应变的数值模拟。塑性大变形有限元 软件m s c m a r c a u t o f o r g e 在结合生产实践快速模拟各种冷热挤压、轧制以及 锻造等体积成形过程方面具有很大的优势。此外，该软件不仅学习和使用方便， 具有三维六面体自动生成网格和网格自动重新划分功能、丰富的材料库、高效 的求解器，而且能较好地进行三维热一力耦合地数值模拟，因此选择塑性大变 形有限元软件m s c m a r c a u t o f o r g e 作为模拟软件能够很好的满足本