鋼感應(yīng)淬火工藝參數(shù)優(yōu)化探討范文

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《徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)》2017年第2期

摘要：通過響應(yīng)面法建立了35SiMn鋼感應(yīng)淬火工藝參數(shù)電流頻率、電流密度、移動(dòng)速度與淬火性能工藝目標(biāo)表面硬度、淬層深度、抗拉強(qiáng)度之間的二次回歸方程，并對(duì)35SiMn鋼感應(yīng)淬火工藝參數(shù)進(jìn)行了單工藝目標(biāo)和綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化，分別得到了各自的優(yōu)化工藝參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)際結(jié)果與優(yōu)化預(yù)測結(jié)果基本一致．

關(guān)鍵詞：35SiMn鋼；淬火；工藝參數(shù)；優(yōu)化；響應(yīng)面

35SiMn是一種性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的合金調(diào)質(zhì)鋼，其淬透性好，具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性和耐磨性、可切削加工性等優(yōu)點(diǎn)［1－2］，常用于制造傳動(dòng)齒輪、主軸、心軸、轉(zhuǎn)軸、連桿、蝸桿、軌道電車軸、發(fā)電機(jī)軸、曲軸、飛輪和大小鍛件等［3－4］．淬火是35SiMn鋼的常見熱處理方式，也是改善其力學(xué)性能的主要手段．感應(yīng)淬火技術(shù)具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造行業(yè)，已獲得廣泛的應(yīng)用［5－6］．感應(yīng)淬火是涉及電、磁、熱、相變和力學(xué)方面的復(fù)雜物理過程［7－8］，其工藝參數(shù)直接影響材料的淬火效果和性能．感應(yīng)器的移動(dòng)速度、電流頻率、電流密度等參數(shù)影響加熱溫度的變化，因此對(duì)零件表面奧氏體化的形成過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響材料淬火后的最終組織及力學(xué)性能［9－10］．合理選擇感應(yīng)淬火工藝參數(shù)，對(duì)提高零件淬火效果和材料的綜合力學(xué)性能十分重要．響應(yīng)面優(yōu)化是將體系的響應(yīng)作為1個(gè)或多個(gè)因素的函數(shù)，通過一系列確定性試驗(yàn)，用多項(xiàng)式函數(shù)來近似隱式極限狀態(tài)函數(shù)，通過合理地選取試驗(yàn)點(diǎn)和迭代策略，來保證多項(xiàng)式函數(shù)能夠在失效概率上收斂于真實(shí)的隱式極限狀態(tài)函數(shù)的失效概率，從而尋找最優(yōu)條件［7－8］．優(yōu)化結(jié)果不僅局限在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的孤立點(diǎn)上，而是在整個(gè)響應(yīng)多項(xiàng)式函數(shù)定義域內(nèi)，所以比正交試驗(yàn)優(yōu)化法有更高的精度．本文運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化35SiMn鋼感應(yīng)淬火工藝參數(shù)，以期為其淬火工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)控制提供借鑒．

1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為16mm×120mm的35SiMn鋼棒料．采用試件旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器沿試件軸向移動(dòng)的加熱方式淬火．加熱停止后繼續(xù)噴水冷卻5s，直至溫度降到馬氏體停止轉(zhuǎn)變溫度以下［11－12］．在不同感應(yīng)圈移動(dòng)速度、電流頻率及電流密度下，分別考察試件的淬火效果，即以電流頻率（A）、電流密度（B）、移動(dòng)速度（C）為感應(yīng)淬火優(yōu)化工藝參數(shù)．利用響應(yīng)面優(yōu)化軟件工具，設(shè)計(jì)一個(gè)3因素5水平的旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)［9－10］，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1．材料淬火后的性能指標(biāo)較多，如力學(xué)性能（硬度，強(qiáng)度，塑性）、工藝性能（切削，鑄造，焊接，鍛造）、金相組織結(jié)構(gòu)等．文中以表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強(qiáng)度（Y3）為感應(yīng)淬火試件綜合力學(xué)性能為優(yōu)化工藝目標(biāo)．用HV－1000維氏硬度計(jì)測量試件的表面硬度，沿試件軸向和徑向分別取5個(gè)不同點(diǎn)測點(diǎn)，取其平均值為其硬度；將試樣打磨干凈，用體積分?jǐn)?shù)4％硝酸乙醇溶液（4mL硝酸＋96mL乙醇）浸蝕后，觀測硬化層及金相組織，淬硬層的測量自表面開始測至顯示出清晰50％馬氏體組織處為止．在WDW－100電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量試件的抗拉強(qiáng)度。

2試驗(yàn)分析

2．1二次回歸方程

響應(yīng)面法優(yōu)化的基本原理是首先利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立優(yōu)化工藝參數(shù)和工藝目標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，然后對(duì)擬合的函數(shù)進(jìn)行規(guī)劃，最后得到最優(yōu)解．根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)試件的表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強(qiáng)度（Y3）進(jìn)行二次回歸擬合。

2．2方差分析方差分析

主要是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合精度．方差分析常用的指標(biāo)有：模型檢驗(yàn)值F、失擬項(xiàng)檢驗(yàn)值F′、模型概率P、失擬項(xiàng)概率P′、相關(guān)系數(shù)R2、修正相關(guān)系數(shù)R2Adj、預(yù)測相關(guān)系數(shù)R2Pred、信噪比PAdeq等［13－14］．模型的檢驗(yàn)值F越大概率值P越小、信噪比PAdeq越大，說明模型的擬合精度越高；失擬項(xiàng)的檢驗(yàn)值F′越小概率值P′越大，說明模型的擬合精度越高；相關(guān)系數(shù)R2越大，說明模型的擬合度越好，但是R2隨著自變量的個(gè)數(shù)增加而增大，為了全面的考察擬合程度，引進(jìn)修正相關(guān)系數(shù)R2Adj，當(dāng)R2Adj與R2值相接近時(shí)，說明擬合程度較好；當(dāng)R2Adj與R2值相差較大時(shí)，說明近似模型中存在不重要的參數(shù)，可以通過回歸分析刪除冗余參數(shù)．此外還可以根據(jù)預(yù)測相關(guān)系數(shù)R2Pred，判斷方程的擬合精度，R2Pred與修正相關(guān)系數(shù)R2Adj越接近，說明預(yù)測精度越高。

3工藝優(yōu)化

3．1單工藝目標(biāo)優(yōu)化

分別對(duì)感應(yīng)淬火試件的表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強(qiáng)度（Y3）進(jìn)行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，即分別求Y1、Y2、Y3達(dá)到最優(yōu)時(shí)的淬火工藝參數(shù)淬火頻率、電流密度、移動(dòng)速度的最佳值．表面硬度、淬層深度、抗拉強(qiáng)度最優(yōu)，即Y1、Y2、Y3均最大。

3．2綜合工藝參數(shù)優(yōu)化

綜合優(yōu)化工藝目標(biāo)是求使3項(xiàng)工藝目標(biāo)同時(shí)到達(dá)最優(yōu)時(shí)35SiMn鋼感應(yīng)淬火的最佳工藝參數(shù)，即使表面硬度（Y1）、淬層深度（Y2）、抗拉強(qiáng)度（Y3）均最大時(shí)的淬火頻率、電流密度、移動(dòng)速度的最佳值．綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)化為單工藝目標(biāo)優(yōu)化問題，方法是將綜合工藝目標(biāo)表示為單工藝目標(biāo)的加權(quán)線性組合。

3．3交互項(xiàng)影響分析

交互項(xiàng)分析是考察二次回歸方程中的交互項(xiàng)對(duì)工藝目標(biāo)的影響規(guī)律和影響程度．利用響應(yīng)面優(yōu)化軟件，可作出各工藝目標(biāo)的響應(yīng)面。

3．4驗(yàn)證試驗(yàn)以優(yōu)化

得到的工藝參數(shù)進(jìn)行35SiMn淬火試驗(yàn)驗(yàn)證，即電流頻率14．99kHz，電流密度40×10－6A／m2，感應(yīng)器移動(dòng)速度4．298mm／s進(jìn)行感應(yīng)淬火，測試試件的性能，結(jié)果為表面硬度Y1＝453．2HV，淬層深度Y2＝2．23mm，抗拉強(qiáng)度Y3＝116．9MPa，與響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果基本一致，說明了響應(yīng)面法優(yōu)化35SiMn鋼感應(yīng)淬火工藝參數(shù)的可行性和有效性。

4結(jié)語

感應(yīng)淬火是一種全新的熱處理工藝技術(shù)，其熱效率高，加熱時(shí)間短，工件變形小，淬火缺陷少，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)環(huán)境清潔，能滿足局部熱處理要求．由于感應(yīng)淬火可以選擇的頻率段較多，硬化層的范圍較寬，淬層深度比滲碳淬火更深，因此可使工件的強(qiáng)度達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械制造行業(yè)被廣泛應(yīng)用．感應(yīng)淬火工藝參數(shù)直接影響淬火后零件的性能，優(yōu)化工藝參數(shù)是保證零件感應(yīng)淬火效果和使用性能的關(guān)鍵．本文通過響應(yīng)面法建立了35SiMn鋼感應(yīng)淬火工藝參數(shù)電流密度、移動(dòng)速度和淬火頻率與零件淬火性能表面硬度、淬層深度、抗拉強(qiáng)度之間的二次回歸方程，并通過響應(yīng)面優(yōu)化軟件，對(duì)35SiMn鋼淬火進(jìn)行了單工藝目標(biāo)和綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化．在以表面硬度、淬層深度、抗拉強(qiáng)度為多工藝優(yōu)化目標(biāo)下，感應(yīng)淬火最佳工藝參數(shù)為：淬火電流頻率14．99kHz，電流密度40×10－6A／m2，移動(dòng)速度4．298mm／s．此時(shí)，表面硬度為453．8HV，淬層深度為2．296mm，抗拉強(qiáng)度為116．2MPa，并可得到優(yōu)化結(jié)果的可信度P＝0．8863．

參考文獻(xiàn)：

［1］張根元，奚小青，張維穎．感應(yīng)淬火工藝參數(shù)優(yōu)化和組織硬度分布預(yù)測［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，2013，34（6）：176－178．

［2］劉江，陳鋒，余新泉．感應(yīng)淬火工藝參數(shù)對(duì)GCr15鋼淬硬層的影響［J］．機(jī)械工程材料，2010，34（3）：19－22．

［3］賀連芳，李輝平，蓋康，等．55CrMo鋼感應(yīng)淬火工藝的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，2015，36（1）：199－204．

［4］葛運(yùn)旺，胡榮強(qiáng)，白旭燦，等．感應(yīng)淬火過程參數(shù)優(yōu)化控制問題的研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2007，29（3）：30－33．

［5］林信智，齊松濤，趙文龍．感應(yīng)淬火的頻率選擇［J］．金屬熱處理，2015，40（3）：209－211．

［6］陳增，張根元，趙正陽．45鋼光軸連續(xù)感應(yīng)淬火過程的數(shù)值模擬［J］．金屬熱處理，2016，41（4）：193－196．

［7］朱志明，柴鋒，梁豐瑞，等．低合金鋼感應(yīng)淬火溫度場模擬與優(yōu)化［J］．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2017，29（1）：75－80．

［8］蓋康，賀連芳，張春芝，等．基于RSM的絲杠感應(yīng)淬火工藝數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，2016，37（S1）：146－152．

［9］胡延平，徐強(qiáng)，唐華峰，等．基于ANSYS的多點(diǎn)式中頻感應(yīng)淬火溫度場有限元模擬［J］．金屬熱處理，2015，40（4）：169－173．

［10］史若男，張瑞亮，王鐵，等．感應(yīng)淬火齒輪接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］．機(jī)械傳動(dòng)，2014，38（11）：18－21．

［11］潘毅，王家坷，趙毅，等．基于ANSYS的閱讀臂薄板件感應(yīng)淬火工藝研究［J］．鑄造技術(shù)，2015，36（1）：94－96．

［12］舒服華．響應(yīng)面法在石材拋光工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用［J］．石材，2016（12）：27－32．

［13］舒服華．響應(yīng)面法在粉煤灰頁巖燒結(jié)磚工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用［J］．磚瓦，2016（11）：20－25．

［14］張黎嘩，徐中明，夏磊，等．銀杏果熱風(fēng)干燥工藝參數(shù)響應(yīng)面法優(yōu)化［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（3）：140－145．

［15］葛邦國，劉光鵬，劉志勇．響應(yīng)面法優(yōu)化臍橙變溫壓差膨化工藝［J］．食品科技，2015，40（1）：77－84.

作者：王艷 單位：武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院