鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形質量及參數優化

夏琴香，江鵬，肖剛鋒，程秀全，龍錦川

塑性成形

鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形質量及參數優化

夏琴香1，江鵬1，肖剛鋒1，程秀全2，龍錦川1

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640；2.廣州民航職業技術學院 飛機維修工程學院，廣州 510403）

探明鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形質量影響因素間的相互作用，并獲得優化后的內筋數量及工藝參數。設計了五因素、三水平正交試驗方案，開展了灰色關聯度分析及極差分析，研究了內筋數量及工藝參數對旋壓件直線度、圓度、筋背凹陷率、內筋飽和度、筋高不均勻度等成形質量指標影響的主次順序，獲得了最優的參數組合。各參數對旋壓件成形質量的綜合影響主次順序為：內筋個數＞管坯壁厚0＞減薄率t＞成形溫度＞進給比，最優的參數組合為=12、0=8 mm、t=70%、=350 ℃、=0.4 mm/r。通過在最優的參數組合下開展熱強旋試驗，可制備出質量合格的鎂合金帶內筋筒形件。

ZK61鎂合金；帶內筋筒形件；正交試驗；熱強旋；灰色關聯度

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有密度低、比強度和比剛度高等優點，是實現裝備輕量化的理想材料，廣泛應用于航空航天、電子信息、家電、汽車等領域[1]。帶內加強筋的薄壁筒形件是典型的輕量化結構，與普通的筒形件相比，具備更高的強度、剛度和穩定性[2]。鎂合金帶內筋筒形件作為一種重要的輕質高強度結構件，可更有效地實現結構件輕量化、高強度化的目的，多用于航空航天等領域的關鍵零部件，如運載火箭低溫推進劑貯箱。由于鎂合金在室溫條件下塑性較差（如ZK61鎂合金室溫伸長率僅10%），因而鎂合金的塑性變形主要在加熱狀態下進行[3]。強力旋壓是制造帶內筋筒形件最有效的方法之一，采用該方法制備的帶內筋筒形件具有材料利用率高、成本低、產品性能好等優點[4]。因此，熱強旋是實現鎂合金帶內筋筒形件高精度、低成本近凈精確塑性成形最有效的手段之一。

鎂合金帶內筋筒形件熱強旋過程所涉及成形質量的影響因素眾多，包括內筋數量及工藝參數（如管坯壁厚、成形溫度、進給比及減薄率），且各參數間還存在復雜的交互作用[5-6]。不合理的參數選取極易導致鎂合金帶內筋筒形件產生筋背外表面凹陷、內筋充填不飽滿等缺陷，嚴重影響成形質量。前期研究表明[7]，采用直線度、圓度、筋背凹陷率、內筋飽和度及筋高不均勻度可實現對熱強旋制備鎂合金帶內筋筒形件成形質量的有效評價。然而，熱強旋過程具有高度的非線性，特別是多目標優化問題，其影響因素與成形質量間的關系極為復雜。正交試驗設計方法是研究多因素多水平的典型設計方法，通過正交試驗設計，結合灰色關聯度分析，可綜合考慮多目標優化時各因素間的交互影響作用，獲得合適的內筋數量及工藝參數組合，對獲得良好質量的鎂合金帶內筋筒形件具有重要的實際應用價值[8]。

文中針對鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形工藝，以內筋個數、成形溫度、進給比、管坯壁厚以及減薄率作為試驗因素，以直線度、圓度、筋背凹陷率、內筋飽和度、筋高不均勻度等作為成形質量評價指標，設計了五因素、三水平的正交試驗方案，利用灰色關聯度分析法獲得了各評價指標的影響主次順序，并得到了最優的參數組合，最后通過試驗驗證了優化結果的可靠性和準確性。

1 正交試驗設計

1.1 試驗方案擬定

1.1.1 試驗因素的確定

管坯壁厚0。管坯壁厚過小會因材料不足影響內筋的充填，管坯壁厚過大則會浪費材料，且已變形區材料會阻礙未變形區材料的流動進而影響內筋的充填[9]。前期研究表明，當壓下量為齒高的1.4倍時，內齒填充較為飽滿[7]。參照JB/T 9177—1999對帶內筋筒形件進行幾何尺寸設計，如圖1所示，內筋寬度設計為4 mm，高度設計為4 mm，內筋側壁傾斜角度設計為20°，壁部壁厚不小于2 mm[10]。文中以設計的零件壁厚（2 mm）加上約1.5倍筋高作為管坯壁厚，進而確定管坯外徑，計算得到管坯的壁厚為8 mm，從而選取管坯壁厚分別為6、8、10 mm[7]，管坯尺寸如圖2所示。

內筋個數。前期研究表明，梯形內筋相比矩形內筋更有利于材料沿徑向充填芯模凹槽，其內筋頂部成形質量較好，因此文中帶內筋筒形件的內筋設計為梯形[11]。由于帶內筋筒形件成形采用的是三旋輪錯距旋壓成形（見圖3），為保證三旋輪錯距旋壓成形過程中旋輪運動的穩定性，將內筋個數設計為3的倍數[12]，因此，選取內筋個數分別為6、9、12。

減薄率t。前期研究表明，減薄率取60%左右時有利于帶內筋筒形件的強旋成形，減薄率的增大可使內筋充填更為飽滿均勻[7]。因此，選取減薄率分別為50%、60%、70%。

圖1 帶內筋筒形件幾何尺寸

圖2 管坯尺寸

圖3 帶內筋筒形件三旋輪錯距旋壓原理

進給比。筒形件進給比取值范圍為0.5～ 5 mm/r[13]，主軸轉速對成形影響不大，根據試驗設備，選取主軸轉速為100 r/min[14]，而根據應變速率計算公式，可得到筒形件應變速率取值范圍為0.01～ 10 s?1，結合鎂合金熱加工圖可知，當應變速率大于1 s?1時容易引起流變失穩[7]，由此，根據換算可得到進給比取值范圍為0.4～1 mm/r，因此，進給比選取0.4、0.6、0.8 mm/r。

成形溫度。鎂合金溫度敏感性較高，當溫度過高時容易發生過熱、晶粒粗大[15]，溫度過低（如<225 ℃）時則無法發生完全再結晶[16]。前期研究表明，當溫度為300 ℃左右時能獲得較好的成形組織[6]，因此，成形溫度選取250、300、350 ℃。

1.1.2 評價指標的確定

前期研究提出了帶內筋筒形件成形質量的評價指標[7]，其中，直線度、圓度、筋背凹陷率的計算如式（1）—（3）所示，內筋飽和度及筋高不均勻度的計算參照式（4）—（5）。

式中：直為直線度；l、2分別為同母線外圓直徑的最大值和最小值；圓為圓度；3、4分別為同橫截面外圓直徑的最大值和最小值；為筋背凹陷率；1、2分別為筋部外圓半徑和壁部外圓半徑；r為內筋飽和度；1和2分別為內筋橫截面積的理論值和實際值；為筋高不均勻度；、1和2分別為筋高的理想值、最大值及最小值。

根據以上條件建立五因素、三水平的熱強旋成形正交試驗因素水平表，如表1所示。

表1 試驗因素水平表

Tab.1 Levels and factors of experiments

1.2 試驗結果及測量方法

根據正交試驗田口設計方法，設計了如表2所示的正交試驗，開展了27組帶內筋筒形件熱強旋成形試驗，并對其成形質量進行測量。測量位置選取如下：沿旋壓件橫截面圓周方向等距離間隔45°進行測量（見圖4a），沿軸向選取旋壓件穩定旋壓部位等間隔測量（共8個測量點，見圖4b）。依據式（1）—（3），獲得各試驗組旋壓件的直線度、圓度以及筋背凹陷率等成形質量指標。提取旋壓件口部和底部的圓周截面圖像輪廓，基于MATLAB建立圖像處理算法，獲得各試驗組旋壓件口部和底部的內筋面積及內筋高度（見圖5），依據式（4）—（5）計算獲得各試驗組旋壓件的內筋飽和度以及筋高不均勻度等成形質量指標，結果如表2所示。

2 灰色關聯度分析

帶內筋筒形件熱強旋成形正交試驗涉及7個成形質量評價指標，采用灰色關聯度分析法可以綜合分析內筋個數、管坯壁厚、減薄率、旋輪進給比和成形溫度等參數對旋壓件直線度、圓度、筋背凹陷率以及旋壓件口部和底部的內筋飽和度、筋高不均勻度等成形質量的影響程度，將多目標問題轉換為取最大關聯度系數的單目標問題，從而獲得優化的參數組合[17]。

文中正交試驗以旋壓件的直線度直、圓度圓、筋背凹陷率口部內筋飽和度r1、底部內筋飽和度r2、口部筋高不均勻度1、底部筋高不均勻度2的理想狀態值組成的數列作為參考數列，以各評價指標不同試驗號對應的數值組成的數列為比較數列。其中，直、圓、以及1、2的理想狀態值為0，r1和r2的理想狀態值為100%。由于各評價指標具有不同的物理意義，因此首先要將原始數據無量綱化。文中內筋飽和度為正向指標，即越大越好，按照式（6）進行無量綱處理，其余指標為負向指標，則越小越好，則按照式（7）進行無量綱處理[18]。

表2 正交試驗結果

Tab.2 Orthogonal experimental results

圖4 測量點分布

灰色關聯度分析主要涉及灰色關聯度系數ε()和灰色關聯度r，其中ε()表征各評價指標間的關聯程度[19]，而r為同一影響因素下ε()的平均值，r越大表示其在多目標中越顯著、響應越好。其中，ε()和r分別參照式（8）和式（9）進行計算。

式中：為分辨率，一般取0.5[18]；0()為各評價指標理想狀態值組成的數列，即參考數列；maxmax|0()?x()|為與理想值差值的絕對值最大值；minmin|0()?x()|為與理想值差值的絕對值最小值。

各評價指標原始數據經過式（6）—（7）無量綱處理后，再通過式（8）—（9）可計算得到不同試驗因素對旋壓件的直、圓、r1、r2、1、2的灰色關聯系數及灰色關聯度，如表3所示。可知，在熱強旋正交試驗設計范圍內，20#的灰色關聯度最大，為0.85，其對應的參數組合為內筋個數=12、管坯壁厚0=8 mm、減薄率t=70%、進給比=0.8 mm/r、成形溫度=300 ℃。

圖5 內筋面積及筋高測量方法

為了進一步研究各試驗因素對成形質量的綜合影響程度，計算各試驗因素在不同水平下的平均灰色關聯度并進行極差分析，結果如表4所示?？芍辉囼炓蛩卦诓煌较碌幕疑P聯度均不相同，表明各水平對評價指標的影響程度存在差異，以最大灰色關聯度所對應的水平為最佳值，即此時各評價指標間的關聯程度最高，可由此得到最優的參數組合為32313，即內筋個數=12、管坯壁厚0=8 mm、減薄率t=70%、進給比=0.4 mm/r、成形溫度=350 ℃。此外，由于灰色關聯度極差值反映了不同參數對評價指標的影響顯著性，且極差值越大表明該參數的影響越顯著，因而可以得出各試驗因素對評價指標的綜合影響主次順序為>>>>，即內筋個數＞管坯壁厚＞減薄率＞成形溫度＞進給比。

表3 成形質量評價指標灰色關聯度系數和灰色關聯度

Tab.3 Grey correlation coefficient of forming quality evaluation index

表4 各試驗因素灰色關聯度極差表

Tab.4 Range table of grey correlation degree for each test factor

3 優化結果試驗驗證

由上節分析可知，通過灰色關聯度分析所得的最優內筋數量及工藝參數組合并不在正交試驗方案組合之中，因而進一步開展了該最優參數組合下的ZK61鎂合金帶內筋筒形件熱強旋試驗驗證。試驗在HGQX立式熱強旋機（如圖6所示）上進行，試驗參數為內筋個數=12、管坯壁厚0=8 mm、減薄率t=70%、進給比=0.4 mm/r、成形溫度=350 ℃，成形后的帶內筋筒形件如圖7所示，對獲得的旋壓件成形質量進行測量，結果如表5所示?？芍?，旋壓件的直線度、圓度、筋背凹陷率以及口部和底部的內筋飽和度、筋高不均勻度均優于正交試驗范圍內最優參數組合20#的試驗結果。將參數優化后的旋壓件尺寸精度值帶入式（8）中計算出灰色關聯度系數，再通過式（9）獲得其灰色關聯度為0.88，與表3所示的正交試驗20#旋壓件的灰色關聯度0.85相比提高了3.5%。

圖6 HGQX立式熱強旋機

圖7 優化后的帶內筋筒形件

表5 優化結果與20#試驗結果對比

Tab.5 Comparison between optimization results and 20# test results

4 結論

針對鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形，設計了五因素、三水平的正交試驗方案，基于正交試驗結果，采用灰色關聯度分析法，研究了各試驗因素對評價指標的綜合影響主次順序，獲得了最優的內筋數量及工藝參數組合，并進行了試驗驗證，主要結論如下。

1）對于鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形的多目標問題，可采用灰色關聯度分析，將多目標問題轉化為單目標問題進行優化，從而獲得最佳的內筋數量及工藝參數。

2）鎂合金帶內筋筒形件熱強旋時，各試驗因素對成形質量評價指標綜合影響的主次順序為：內筋個數＞管坯壁厚＞減薄率＞成形溫度＞進給比。

3）鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形最優的內筋數量及工藝參數組合為：內筋個數=12、管坯壁厚0=8 mm、減薄率t=70%、進給比=0.4 mm/r、成形溫度=350 ℃。在該參數組合試驗條件下，成形得到的旋壓件灰色關聯度為0.88，成形質量評價指標為直=0.128 mm、圓=0.041 mm、0.533%、r1=91.7%、r2=99.6%、1=6.04%、2=4.67%。

[1] LONG Jin-chuan, XIA Qin-xiang, XIAO Gang-feng, et al. Flow Characterization of Magnesium Alloy ZK61 during Hot Deformation with Improved Constitutive Equations and Using Activation Energy Maps[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2020, 191(2): 106069.

[2] 杜九汪, 王強. AZ80鎂合金帶內筋薄壁殼體擠壓新方法[J]. 輕合金加工技術, 2014, 42(5): 39-42.

DU Jiu-wang, WANG Qiang. Advanced Extrusion Tech-n-ology of AZ80 Magnesium Alloy Thin-Walled Shells with Inner Ribs[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2014, 42(5): 39-42.

[3] 夏琴香, 袁帥, 程秀全, 等. 鎂合金熱旋壓成形技術研究現狀[J]. 鍛壓技術, 2018, 43(7): 103-111.

XIA Qin-xiang, YUAN Shuai, CHENG Xiu-quan, et al. Research Status of Hot Spinning for Magnesium Alloy[J]. Forging & Stamping Technology, 2018, 43(7): 103-111.

[4] XIA Qin-xiang, XIAO Gang-feng, LONG Hui, et al. A Review of Process Advancement of Novel Metal Spinning[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2014, 85: 100-121.

[5] 江鵬, 夏琴香, 龍錦川, 等. 基于感應加熱的鎂合金帶內筋筒形件熱強旋旋前溫度場研究[J]. 鍛壓技術, 2021, 46(3): 111-117.

JIANG Peng, XIA Qin-xiang, LONG Jin-chuan, et al. Study on Temperature Field before Hot Power Spinning for Magnesium Alloy Cylindrical Part with Inner Ribs Based on Induction Heating[J]. Forging & Stamping Technology, 2021, 46(3): 111-117.

[6] XIA Qin-xiang, LONG Jin-chuan, XIAO Gang-feng, et al. Deformation Mechanism of ZK61 Magnesium Alloy Cylindrical Parts with Longitudinal Inner Ribs during Hot Backward Flow Forming[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2021, 296: 117197.

[7] 黃高柱. 鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形工藝及質量研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2019: 64-72.

HUANG Gao-zhu. Research on Hot Power Spinning Forming Process and Quality of Magnesium Alloy Cylindrical Part with Inner Ribs[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2019: 64-72.

[8] WANG Zi-xuan, ZHANG Tian-qi, YU Tian-biao, et al. Assessment and Optimization of Grinding Process on AISI 1045 Steel in Terms of Green Manufacturing Using Orthogonal Experimental Design and Grey Relational Analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 253(C): 119896.

[9] 曾祥, 樊曉光, 李宏偉, 等. 帶內筋復雜薄壁件旋壓成形研究進展[J]. 精密成形工程, 2019, 11(5): 21-31.

ZENG Xiang, FAN Xiao-guang, LI Hong-wei, et al. Recent Developments in Spinning of Complex Thin-W-a-lled Parts with Inner Ribs[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(5): 21-31.

[10] JB/T 9177—1999, 鋼制模鍛件結構要素[S].

JB/T 9177—1999, Structural Main Factors for Steel Die Forgings[S].

[11] 江鵬. 鎂合金帶內筋筒形件熱強旋成形材料流動規律研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2021: 48-51.

JIANG Peng. Research on the Material Flow Law of Magnesium Alloy Cylindrical Part with Inner Ribs during Hot Power Spinning[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2021: 48-51.

[12] YUAN Shuai, XIA Qin-xiang, LONG Jin-chuan, et al. Study of the Microstructures and Mechanical Properties of ZK61 Magnesium Alloy Cylindrical Parts with Inner Ribs Formed by Hot Power Spinning[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 111(3/4): 851-860.

[13] 夏琴香. 特種旋壓成形技術[M]. 北京: 科學出版社, 2017: 80-81.

XIA Qin-xiang. Novel Spinning Forming Technology[M]. Beijing: Science Press, 2017: 80-81.

[14] XIAO Gang-feng, ZHU Ning-yuan, LONG Jin-chuan, et al. Research on Precise Control of Microstructure and Mechanical Properties of Ni-Based Superalloy Cylindrical Parts during Hot Backward Flow Spinning[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2018, 34: 140-147.

[15] TANG Long-qing, JIANG Fu-lin, TENG Jie, et al. Strain Path Dependent Evolutions of Microstructure and Texture in AZ80 Magnesium Alloy during Hot Deformation[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 806(C): 292-301.

[16] 何運斌, 潘清林, 劉曉艷, 等. ZK60鎂合金加工圖的構建及失穩分析[J]. 材料科學與工藝, 2011, 19(3): 1-7.

HE Yun-bin, PAN Qing-lin, LIU Xiao-yan, et al. Processing Maps of ZK60 Magnesium Alloy and Flow Instability Analysis[J]. Materials Science and Technology, 2011, 19(3): 1-7.

[17] WU Yan-ling, ZHOU Fei, KONG Ji-zhou. Innovative Design Approach for Product Design Based on TRIZ, AD, Fuzzy and Grey Relational Analysis[J]. Computers & Industrial Engineering, 2020, 140: 106276.

[18] YAZDANI M, KAHRAMAN C, ZARATE P, et al. A Fuzzy Multi Attribute Decision Framework with Integration of QFD and Grey Relational Analysis[J]. Expert Systems With Applications, 2018, 115: 474-485.

[19] BADEMLIOGLU A H, CANBOLAT A S, KAYNAKLI O. Multi-Objective Optimization of Parameters Affecting Organic Rankine Cycle Performance Characteristics with Taguchi-Grey Relational Analysis[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 117(C): 109483.

Forming Quality and Parameters Optimization for Hot Power Spinning of Magnesium Alloy Cylindrical Parts with Inner Ribs

XIA Qin-xiang1, JIANG Peng1, XIAO Gang-feng1, CHENG Xiu-quan2, LONG Jin-chuan1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Department of Aircraft Maintenance Engineering, Guangzhou Civil Aviation College, Guangzhou 510403, China)

This work aims to explore the interaction among influence factors of forming quality for hot power spinning of magnesium alloy cylindrical parts with inner ribs (CPIRs), and obtain the optimized inner rib number and processing parameters. A five-factor, three-level orthogonal test scheme was designed, the grey correlation analysis and range analysis were conducted, the influence of inner rib number and processing parameters on the forming quality indexes, such as straightness, roundness, concave ratio of the back of rib, saturation degree of inner ribs and inhomogeneity degree of inner ribs, the optimal parameter combination was obtained. The results show that the primary and secondary order of the comprehensive influence of various parameters on the forming quality of spun workpiece is: number of inner ribs> wall thickness of cylindrical blank0> thinning rate of wall thicknesst> forming temperature> roller feed rate, and the optimal parameters combination is:=12,0=8 mm,t=70%,=350 ℃,=0.4 mm/r. Under the optimal parameters combination, the magnesium alloy CPIRs with qualified forming quality can be prepared by hot power spinning.

ZK61 magnesium alloy; cylindrical parts with inner ribs; orthogonal test; hot power spinning; grey relational degree

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.001

TG306

A

1674-6457(2022)05-0001-07

2021–10–26

國家自然科學基金（51775194）

夏琴香（1964—），女，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為塑性成形工藝、模具與裝備。

責任編輯：蔣紅晨