AA 6061-T6超声辅助渐进成形振幅设计的实验研究

工程科学与技术，国际期刊30（2022）101041完整文章AA 6061-T6超声辅助渐进成形最佳振幅设计的实验研究纳伊夫·阿尔哈比Umm al-Qura大学Al-Qunfudhah工程学院工业工程系，沙特阿拉伯阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年2月22日收到2021年6月30日修订2021年7月26日接受2021年10月28日网上发售关键词：渐进成形超声振动成形性ANFIS建模PSO算法A B S T R A C T将超声振动与金属加工过程相叠加，已被证明是改善质量特性的有效辅助方法。由于渐进成形是一种最先进的金属板材加工工艺，因此将超声振动应用于该工艺的研究数量有限，仍需进一步研究以基本了解其对性能指标的影响。通过实验研究了振动振幅对渐进成形过程中成形力、厚度分布和尺寸精度的影响。为此，设计了一系列单因素试验，以振动幅度（0、5、10、15m m）为主要参数，其它参数保持不变。结果表明，增大振幅到一定值后，成形力减小，尺寸偏差减小，临界区域变薄。在工作的最后，一个优化框架的设计，以找到工艺因素的相互作用，以实现最小的处理时间，以及所需的样品质量。优化结果表明，高振幅叠加为获得最短加工时间和理想的工件质量特性©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍渐进成形（IF）是一种新兴的金属板材加工工艺，通常用于批量生产复杂几何形状[1]。该过程可以很容易地通过数控编程由铣床执行;以及，它不需要复杂的模具。上述特点使得该工艺适合于通过一些助剂组合来改进其性能。不同学者的研究表明，IF工艺与其它辅助工艺相结合，可以改善成形时间、减薄率、回弹、成形力等性能。为了提高上述IF特性，开发了不同的方法并与工艺相关联。Vih-tonen等人，[2]在存在压力和锤击载荷的情况下进行该过程。他们揭示了当锤击引起该过程时，变形的材料将承受进一步的应变。此外，锤击效应使该过程更难形成*通讯作者。电子邮件地址：niharbi@uqu.edu.sa由Karabuk大学负责进行同行审查材料Araghi等人，[3]介绍了IF工艺与拉伸成形的结合。他们报告说，这种组合显著减少了工艺时间，也增强了厚度分布。温增量成形工艺是另一种能改善板料成形性能的成形方法。在这方面，Hinro等人，[4]结合激光照射进行温热IF。与常规IF工艺相比，在IF工具与工件接触处局部加热可提高AZ31镁合金的成形性和尺寸精度。通电热加工是另一种不同学者采用的热辅助增量成形工艺。Hon-Arpisheh等人，[5]在存在电热的情况下进行了该过程，发现增加工具直径和减小轴向台阶可提高成形性并降低成形力。Vahdani等人，[6]对AA 6061-T6、Ti-6Al-4V和DC 01钢进行了电热IF成形。他们的研究结果表明，增加电流会提高钢和钛合金的成形性;而它会限制铝的成形性。然而，热成形工艺通常会产生一些缺点，如表面粗糙度恶化，生产成本高，以及在准备实验装置时对数控机床产生不利影响。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.07.0042215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchN. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010412×随着超声波振动在复合制造技术中的出现，许多金属加工相关工艺都利用超声波的优势来提高其性能[7]。不同学者还利用超声振动效应对渐进成形工艺进行了改进。瓦赫达蒂例如，[8]实验比较了通过常规IF和超声辅助工艺形成的样品的成形力和表面粗糙度。他们发现，叠加超声波振动的结果，在形成力和表面粗糙度的减少。Amini等人，[9]研究了通过常规IF生产的样品和在超声振动存在下的样品的可成形性。结果表明，施加高频振动可降低1050-O铝合金板的成形力，提高其成形性能。在中国研究人员的一系列杰出工作中，考虑了超声振动对材料流动、力减小和表面质量产生的影响[10Long等人，[10]，表明当超声振动应用于渐进成形工艺时，57%和25 °C将显著影响力和温度效应。Zhai等人，[11]揭示了当采用较小的板厚和较小的压下量时，超声振动对成形力的影响更大。Yanle等人，[12]开发了一个理论模型来理解超声波效应如何影响过程的性能测量。结果表明，施加超声波振动后，材料流动面积显著增大，且超声波振幅对材料流动面积的影响大于频率的影响，这与声波软化效应相似。振幅作为超声振动的主要参数，对辅助修正过程的性能起着至关重要的作用。据报道，在硬质材料的旋转超声加工中，振幅增加会导致切削力降低[13]。在表面处理过程中，增加振幅会导致进一步的动态载荷，从而产生更多的加工硬化和更大的压缩残余应力值[14，15]。此外，在基于摩擦的工艺中，已证实振动幅度的增加会导致侧向摩擦力的减小，这对金属成形工艺有利[16]。根据文献综述，本文的创新点主要有以下几点：超声振动振幅对渐进成形质量、成形力、厚度分布和尺寸偏差的影响，目前振动幅值与其他渐进成形工艺参数的交互作用。在加工时间限制下实现最小力、最小尺寸偏差、最大厚度的超声辅助渐进成形工艺优化基于上述目的，本文开展了超声振动对渐进成形过程性能指标影响的实验研究。本文制备了AA 6061-T6材料的坯料，研究了超声振动对成形力、厚度和尺寸偏差的影响本研究主要是寻求并合理讨论在不同超声振幅下上述特性的变化最后，将进行基于人工智能的优化研究，以确定在最短生产时间内保证理想质量特性的设置。2. 材料和方法本研究中使用的材料是0.7mm厚的铝6061-T6。将试样切成边长为100 mm的正方形。金属板的化学成分和机械性能分别见表1和表2。使用伊朗大不里士公司制造的数控铣床进行试验。开发了一个G代码程序，用于在多步压入作用下在板料中形成沟槽型腔。图1示出了成形部件和示意图将台阶插入板材中。数控机床的头进行了修改，超声附件包括一个喇叭，一个四PZT环传感器和电源。在本研究中，变幅杆是一种振动增量成形工具，由热加工的AISI H13钢制成，直径为10 mm，用于形成样品。图2是安装在CNC机床头上的振动旋转装置。为了使成形工具产生超声频率和显著振幅的振动，应将其谐振频率设计在换能器的工作范围内。现有换能器的谐振频率范围为20 ± 0.5kHz。 为了实现最有效的振动，应进行模态分析，以获得工具的准确尺寸（即长度）。为了进行模态分析，使用ABAQUS有限元软件进行数值模拟从模态分析中得到，引起有效振动的共振频率为20846 Hz，由MPI发生器提供。在这里，将由AISI H13制成的工具的弹性特性（密度、弹性模量和毒性系数）输入到特性软件中。网格数和网格尺寸分别为9728和1.5 mm，并且使用结构化网格进行线性分析。通过改变工具长度的不同试验和误差，获得了20486 Hz的频率。图2b展示了所设计的工具，并在ABAQUS软件中进行了模态分析采用瑞士KISTLER公司生产的9250B型三分量压电测力仪测量了垂直和水平方向的成形力。夹紧系统连同板材一起安装在测力计上，、通过DYNOWARE软件监测y和z方向。然而，在本研究中，仅考虑了轴向和横向（工具运动的水平方向）上的力。此外，通过图3a中所示的数字厚度测微计测量增量形成的样品的厚度分布。通过使用电火花线切割机从其横向方向对形成的部件进行切片，然后测量识别位置处的厚度。该机器配备了一个精确的移动工作台;当它在横向移动一个定义的量;测量装置的探头接触板的两侧，它们的距离被报告为厚度值。临界厚度被确定为轮廓中测量厚度中的最小厚度。此外，为了确定成形零件的尺寸偏差，利用坐标测量机（CMM），并绘制成形零件的轮廓，并与预期相符。由于成型样品中有三个主要区域，即凸缘、壁和底部;通过CMM测量与参考轮廓的角度偏差，如图3b所示。然后，将完整轮廓内六个区域的尺寸偏差的平均值报告为尺寸偏差。一旦生成成形零件的轮廓，就可以识别出最大偏差发生的位置。在本研究中，最大偏差发生在凸缘区域。因此，剩余●●●N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010413表1AA 6061-T6的化学成分组件MgSiFeCuCRMNZnAl百分比（%）0.90.620.330.280.170.060.02Bal表2Al 6061-T6合金的力学性能。财产值屈服强度（MPa）302极限抗拉强度（MPa）334伸长率（%）18硬度（VHN）105Fig. 1. 形成的样品和示意图的切入方法。图二. (a)实验装置包括振动装置（b）设计和制造工具。图三. (a)厚度测量（b）显示尺寸偏差的成型部件的一半横截面。测量该区域的应力以证明变化的合理性。为了测量成形样品的残余应力，利用StressTech机器上的XRD方法。利用StressTech XRD设备，采用XRD方法获得样品的残余应力。根据我们的初步研究，发现凸缘区域比其他区域更容易产生尺寸偏差。因此，测量该区域的残余应力。测量残余应力的点是弯曲曲率中心最接近凸缘区域的点。曾经，由于弯曲，表层中的残余应力是拉伸型的;因此，决定测量表面残余应力，以了解超声处理是否影响该特性。3. 结果和讨论3.1. 超声振动对成形力的影响图图4展示了超声振动对平均成形力的影响。这里，进料速率和步降保持恒定，分别设定为500 mm/min和0.2 mm。该图显示了在常规渐进成形工艺和超声振动辅助下的六个压入步骤的平均垂直成形力和六个横向运动的平均水平力从图中可以看出，在超声振动存在下的水平和这是因为通过将US振动叠加到成形工具上，成形过程中工具与板之间的连续接触变为振荡接触。它会导致刀具和板材之间的摩擦系数降低[16，17]，从而导致切削力降低此外，Feng等人，[18]指出，在超声波辅助铣削过程中（与当前工作非常相似），施加超声波振动导致刀具-工件接触机制变得间歇性。此操作N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010414平均水平力和垂直力随振动振幅的变化如图所示。 六、这里，进料速率和步降保持恒定，分别设定为500 mm/min和0.2 mm从图中可以看出，随着振动幅度的增加，平均垂直力和水平力减小。这种行为的原因可能是在工具的插入和横向动作期间工具和板之间的接触减少时工具和板的摩擦损失。在超声辅助增量成形过程中，在增加振动振幅时，工具和板的释放时间增加，并且因此，施加到表面的垂直力减小，导致摩擦力减小。垂直成形力的减小由于摩擦力的降低而导致横向力的减小。另一方面，声软化现象可以有效地降低成形力。作为增加振动振幅的结果，声波在金属板上更强烈地传播，因此，材料流动应力被修改并且导致成形载荷减小。本节中得到的成形力结果与Li等人的工作一致，[20]第20段。在这两项工作中，它被证明，振幅增加到10升米的结果在减少的成形力。此外，还发现进一步增加振动振幅将限制减力效果。Li等人，[20]表明，当振动幅度达到非常高的值（例如，超过20l m）时，力将增加。因此，选择最佳振幅范围以实现最小成形力是完全无效的。另一方面，在这两项工作中，它已被证明，增加陷入成形区将限制超声波振动的效果，降低成形力。见图4。常规和超声辅助工艺的测量平均成形力的变化（a）水平力（b）垂直力。由于刀具和金属板之间的非接触状态的周期，显著减小了切削力。他们还表明，由于刀具周期性地失去接触，非接触状态下的温升为零[19];在这种情况下，刀尖中的温度引起的磨损受到限制，并产生摩擦力降低，从而产生较小的切削力。从图中还发现，随着插入步长的增加，垂直力和水平力都增加。这是因为，通过增加垂直台阶，工具和金属板之间的接触面积显著增加。另一方面，板材在进一步的垂直步骤中被加工硬化，这导致屈服强度增加和随后的进一步成形力。从图4中应注意的另一点是，在高压入步骤和横向运动下，源自常规工艺和超声辅助工艺的成形力之间的差异减小。这是由于超声波振荡的方向与俯冲运动一致。因此，通过增加插入步骤的数量，较高的成形力值可能导致超声振动效率的降低。在这种情况下，应增加超声功率，即超声振幅。图5还示出了两种工艺的力-时间曲线，从图中可以清楚地看出，超声辅助渐进成形的峰值成形力与常规工艺相当，而超声工艺的平均成形力较低。此外，从图中可以清楚地看出，插入步长的增加导致更高的垂直力，并且横向运动的增加导致更高的水平力。3.2. 超声振动对厚度分布图7显示了在常规渐进成形和在存在下进行的渐进成形中厚度分布的变化。图五.常规和超声辅助增量成形的力-时间曲线（a）水平力（b）垂直力。N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010415见图6。平均垂直力和平均水平力随振幅的变化。超声波振动这里，进料速率和步降保持恒定，分别设定为500mm/min和0.2 mm。测量厚度的路径是在图7a中示意性地绘制的纵向和周向方向上。成形件在纵向上的厚度分布如图7b所示。从该图中清楚的是，纵向方向上的厚度分布是相等恒定的，并且其相对于成形部件的长度没有显著变化。然而，从图中可以看出，施加超声波振动导致与常规渐进成形工艺更一致的厚度分布。由于声波在材料内的传播和位错运动，材料的延展性增加并导致软化[21]。随后，软化的材料在成形阶段经历较少的变薄效应。因此，UASPIF中样品的厚度更进一步。从图7c可以看出，厚度分布沿周向方向变化。在成形杯的底部，即区域A中，厚度减小非常小。壁厚减薄量最大的临界区域位于壁面因为该区域中的板材经受弯曲应力[22]。然而，在凸缘区域，即区域C，可以看出厚度超过初始值。在该区域中，板材经受由保护板材不变薄的压边力引起的压缩应力。此外，在成形过程中，一定量的材料从夹持区域流到凸缘区域的边缘，这导致凸缘边缘的厚度部分增加。Mostafanezhad在el. [23]，Asghari et al.，[24]和易卜拉欣扎德等人，[25].结果表明，无论在什么方向上，超声振动与SPIF工艺相结合，都能改善成形试样的厚度分布。刀尖与板料表面摩擦系数的减小以及声软化现象是缓解材料流动、防止板料减薄的两个主要原因。根据上述讨论，成形零件的最小厚度出现在其壁区域，这是由于引起拉伸和弯曲应力。此外，还发现施加超声波振动导致纵向和周向方向上的厚度增加因此，为了了解超声振动振幅对厚度分布的影响，测量了成形件的关键区域即壁厚图8示出了振动幅度对临界厚度和归一化厚度（即，见图7。(a)纵向路径中用于测量厚度的路径区域的示意图（b）周向路径中用于测量厚度的路径区域的示意图（c）底部中纵向路径的厚度分布（d）周向路径的厚度分布。形成的部分至初始厚度）。这里，进料速率和步降保持恒定，分别设定为500 mm/min和0.2 mm。根据图8a，可以看出，最小厚度随着振动幅度的增加而增加。这种趋势是由于振动振幅增加导致的声软化现象和刀具与板厚之间摩擦的减少。在超声振动阻抗法加工金属材料时，主要有两种现象。它们是声学软化和残余硬化。当工艺处理大应变时，如成形和机加工工艺[26，27]，声学软化是一种主要现象。 当振动幅度增加时，由于声波在厚度方向上的传播，材料流动增加，并且更防止变薄。因此，材料的厚度随着振动振幅的增加而增加。不仅最小厚度随振动振幅的增加而增加，纵向和周向路径中的厚度分布也随振动振幅的增加而增加。图8b描绘了归一化厚度（即，形成的样品的厚度分布与初始厚度的比率）随振动振幅的变化。从图中可以看出，非-N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010416见图9。比较了常规渐进成形与超声振动辅助成形的成形试样的轮廓。见图8。振幅对（a）最小厚度（b）归一化厚度分布的影响。由于残余应力而导致的成形试样横截面的变形将减小。从成形样品的2D轮廓可以获得的另一个重要的尺寸结果是在凸缘区域中发生最大尺寸偏差的位置。这表明，在靠近法兰的弯曲区域曲率中心处残余应力的变化是显著的，应予以考虑。图10a描绘了振动幅度对所形成的试样的轮廓的影响。这里，进料速率和步降保持恒定，分别设定为500 mm/min和0.2 mm。从图中可以看出，振动15m m所形成的试件轮廓与参考轮廓明显接近。此外，可以看出，通过增加振动振幅，5m m至15m m，成形零件与参考轮廓的相似性周向路径中的理想厚度通过振动幅度的增加而增加。3.3. 超声波振动对尺寸偏差的影响图9描绘了在常规增量成形下形成的样品和在超声振动辅助下形成的样品的轮廓。这里，进料速率和步降保持恒定，分别设定为500mm/min和0.2 mm在该图中，与预期轮廓的偏差是由于回弹。从图中可以确定，在施加超声波振动时，尺寸偏差减小。这种增强也可以看作是应变分布均匀性的影响之一在超声波条件下和工具往复运动时，成形样品中的残余应力在路径的中心区域被释放[28]，并且该路径附近的应变更具塑性。成形路径中更均匀的塑性应变分布使得弹性应变减小并且在板中更均匀地分布，从而导致更小的尺寸偏差。因此，与传统的渐进成形工艺相比，超声振动辅助成形的试样轮廓更接近于预期的轮廓。在冯等人进行的工作中，[29]，他们报道了作为超声振动结果的高频冲击载荷导致在处理区域产生压缩残余应力。这种类型的残余应力导致作为弯曲结果的拉伸残余应力的减小这意味着残余应力的总和趋于零，以满足平衡条件。”于是，恶魔。见图10。(a)不同振幅下成形试样的轮廓（b）残余应力随振幅的变化。N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010417增强这一趋势归因于拉伸残余应力，其随着振动振幅的增加而减小。如所讨论的，施加超声振动可以导致表面层中的应力释放。一旦振幅增加，由于对表面产生更大的冲击能量，残余应力被释放并导致尺寸偏差减小。另一方面，由于振动冲击[30为了支持这一说法，弯曲区域曲率中心附近的残余应力测量了法兰的厚度，结果如图所示。 10 b. 从图中可以看出，由于振动振幅的增加当残余拉伸应力减小时，试样的尺寸偏差也减小.因此，与参考轮廓的尺寸偏差会随着振动幅度的增加而减小。3.4. 优化工艺3.4.1. 数据生成为了有效地利用超声振动在渐进成形过程中的优势，见图11。 本研究的ANFIS结构。为形成设计矩阵而收集的16个数据集被用作训练数据来训练初级ANFIS网络。在第二阶段中，训练好的网络被测试的其他4个额外的数据集，没有贡献的主设计矩阵。然后，使用以下公式计算RMSE值vuXN2与其他主要因素，如进给速度和步降应被识别。还有，应确定最佳的因素设置RMSE¼t1=N第一部分ðSi-YiÞð2Þ在此条件下，该方法达到所需的性能。在前人的工作中，人们发现，增加进给速度和步降等参数，虽然可以减少加工时间，但会导致成形性受到限制因此，在本节中，试图获得期望的设置以使过程最佳。为此，采用实验设计的方法，进行了系统的实验研究，考虑了超声振幅（A）、进给速度（f）和步降（d）对加工时间（t）、平均合力（F）、临界厚度（TCR）和尺寸偏差（D）的影响基于表1所示的L16Tahuchi正交表进行实验。3.4.2. 工艺参数和响应为了研究工艺因素的交互作用，也为了准备优化的目标函数，需要有为了做到这一点，利用自适应网络模糊推理系统（ANFIS）。ANFIS是一种具有监督学习算法的模糊模型，通过一系列层将过程输入与输出相关联，每层都有自己的职责。基本上，五个层次被用来构造这个推理系统。每个ANFIS层由节点函数描述的几个节点组成当前层的输入从先前层中的节点获得该层是模糊化，产品，规范化，反模糊化和输出。关于每层和相应配方的详细信息可以在参考文献[25-28]中找到 图图11示出了具有三个输入（X 1. . Xm），每个具有n个MF，R个规则的模糊规则库和一个输出（Y）。为了准备输入网络的输入值，应将其转换为定义的范围，例如：[0，1]，以提高预测的为了做到这一点，基于Teimouri等人的建议使用以下[32X浓度Xi-X最小值Xi =X最大 值X最小值X i其中Xcon是转换值，Xi是给定变量的值，Xmax和Xmin是独立变量的最大值和最小值ANIFS的输入和输出的相关性包括两个主要阶段，训练和测试[32]。在本研究中，所有其中N是测试数据的个数，S是ANFIS计算的网络输出，Y是实验得到的真实输出。有一些重要的因素，有助于产生一个准确的预测ANFIS，他们是基于模糊规则的类型，隶属函数（MF）的数量和类型。本文采用一阶TSK型模糊规则建立预测模型。然后，尝试了各种数量的代理函数。为了比较所有现有的网络，并选择最准确的一个，误差目标值（RMSE）设置为0.01，迭代次数为200 epoch。这意味着训练时期继续，直到RMSE下降到0.01以下或时期上升到200。由于所有网络的RMSE准则都是相同的，因此它们的行为是可比较的。然后比较它们的测试性能，并根据其在测试阶段对新输入数据的预测精度与实验值进行比较来通过对ANFIS模型中各种结构的每一响应（成形力、临界厚度和尺寸偏差）的检验，得到了具有8个成员函数（每个输入2个MF）的结构对每一响应的RMSE值最低。选择具有大量MF的网络影响ANFIS模型精度的另一个因素是隶属函数的类型在这项工作中，各种类型的MF，即三角形，梯形，广义钟形和高斯已被实践。表4显示了ANFIS模型在响应测试中的RMSE。结果显示，对于所有三个响应，ANFIS模型三角隶属函数的2所以，Fig. 图12示出了由ANFIS建模的响应的测量值和预测值之间的比较。从图中可以看出，实验测得的力、临界厚度和尺寸偏差的测量值每个测试编号的预测误差百分比见图12。结果表明，对于成形力建模，最大预测误差为13%。由于ANFIS模型的准确性，它可以预测的尺寸偏差值的误差值为8%。只有一种情况存在N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010418表3设计实验优化工艺。无参数质量特性A（mm）f（mm/min）直径（mm）F（N）tr（mm）D（度）t（min）102500.11080.542.15120205000.21370.462.3830307500.31880.412.8013.334010000.42470.372.867.5552500.21280.532.2160655000.11050.572.0860757500.42310.422.80108510000.31810.442.58109102500.31560.512.574010105000.42040.462.761511107500.1980.601.9040121010000.21250.521.991513152500.41730.492.623014155000.31370.502.542015157500.21070.561.9920161510000.1860.611.7830表4不同类型隶属函数的预测误差值输出三角形梯形广义贝尔高斯力15.5619.1117.9118.18临界厚度0.02170.03310.03170.0354尺寸偏差0.350.450.520.48表中的粗体值表示预测误差最低的隶属函数在临界厚度数据集中，其预测误差大于20%。由于测试数据不参与训练模型，因此报告的误差值可以保证开发的模型足以导航设计空间。该模型可用于预测各工艺因素的交互作用，获得在较短的加工时间内获得最小成形力、临界厚度和尺寸偏差的最佳设置。3.4.3. 工艺因素为了对过程进行综合优化，并制定优化阈值，首先应确定过程参数对输出响应的影响为此，已开发的ANFIS模型的每个响应已被用于绘制3D表面图，并显示两个因素的相互作用对过程性能指标的影响。在这些图中，未包括在相互作用图中的因子保持恒定在其中间值。 详细讨论了振动幅值、进给速度和压下量对成形力、临界厚度和尺寸偏差的影响。分别为13、14和15。从图13中可以清楚地看出，步降是导致进一步成形力的最有影响力的参数，因为步降引起的成形力变化的斜率从图在图13 a中，可以看出，成形力通过增加进给速率而增加。其原因是随着应变速率（变形速度）的增加，板材的加工硬化效应。从图3b可以清楚地看出，成形力随着成形步降的增加而增加。这是由于成形工具与板料之间的接触面积增大所致相应地，随着振动幅度的增加，由于摩擦系数的减小和延展性的增强（由于声学软化），成形力显著降低。图图14展示了工艺参数对临界厚度的相互作用效应。 根据图 14 a时，可以看出，无论振幅大小如何，随着进给速度的增大，临界厚度减小。具体原因需要这归因于在进一步的应变速率值（成形速度或进给速率）下对材料延展性的限制。由于斜率振幅对临界厚度的改善作用明显大于进给速度，这意味着临界厚度对振幅的敏感性比进给速度更大。图14b示出了临界厚度上的振动幅度和阶跃下降的相互作用。很明显，无论振动振幅的值，临界厚度显着降低，通过增加步降。随着步降的增加，由于拉伸和弯曲引起的拉应力增加，导致减薄率增加。在这种情况下，临界厚度减小。临界厚度随台阶下降的变化斜率大于振幅随台阶下降的变化斜率。因此，从这两幅图中可以推断，临界厚度受步降、振幅和进给速率的影响很大。图15显示了工艺因素对尺寸偏差的相互影响。根据图15a，可以看出，尺寸偏差通过增加进给速率而减小，而与振动幅度无关。在板料成形过程中，拉应力是主要的应力形式，它以残余应力的形式存在于板料表层。通过增加进给速率，由于进一步的应变速率，板材被加工硬化并抵抗拉伸应力。这意味着在片材层中作为残余物保留的拉伸应力的量减少。一旦残余应力降低，板材变形量和随后的尺寸偏差（从夹具中取出后）就会减少。图15b表示，无论振动振幅的值如何，尺寸偏差都随着步降的增加而增加。一旦步降增加，作为弯曲结果的拉伸应力增加，并成为金属板的主要类型。因此，更多的拉伸应力被捕获在片材层内，并且当片材材料未被夹紧时，被捕获的应力被释放并导致更大的塑性残余应变和亚塑性尺寸偏差。从图15中可以发现，振动幅度随步降和进给速度而变化N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）1010419见图12。测量值和ANFIS预测值之间的比较。（a）力（b）临界厚度（c）尺寸偏差。图十三.（a）振动振幅与进给速度的交互作用（b）振动振幅与步降对成形力的影响。是基于上述变化斜率影响尺寸偏差的最有影响的参数根据上述讨论，可以推断出使力最小和临界厚度最大的最佳条件是选择15lm的振动振幅、250 mm/min的进给速度和0.1 mm的步降。为获得最小尺寸偏差，振幅和步降的最佳设置相同，但进给速度不同，均为1000 mm/min。然而，最小进给速度和步降导致最小的力和最大的临界厚度，它们导致长的加工时间为120 min。当进行该过程时，不包括超声振动，选择1000 mm/min的进给速度和0.1mm步降的设置导致成形力为108 N，临界厚度为0.58 mm，尺寸偏差为2.15 mm。在此设置中，处理时间约为120分钟。为了实现最大生产率（即，最小加工时间），进料速率和步降应图14.（a）振动振幅与进给速度的交互作用（b）振动振幅与步降对临界厚度的影响。N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）10104110¼标准此外，Wi（i = 1至3）是分配给每个响应的权重值。同样，Wis的和等于1。响应的标准化是根据学者[36]之前的工作基于以下等式进行的。YY-YminY最大-Y最小ð4Þ其中Y是每个绩效指标的值，即F、Tcr和D，需要归一化;Ymin和Ymax是性能测量的最小值和最大值;Ynorm是归一化值。此外，分配给成形力和尺寸偏差的负号是因为这些特性需要在优化期间被最小化;而PSO算法是为了最大化目的而设计的。3.4.4.2.优化标准。一旦目标函数建立，优化标准应确定。优化的主要目的是最小化适应度函数，即G经受t 0.25*tmax关于工艺因素范围的优化标准0 A15lm250 f 1000 mm/min0.1直径0.4毫米图15.（a）振动振幅和进给速度（b）振动振幅和步降对尺寸偏差的相互影响。选择它们的最大值，即分别为1000 mm/min和0.4 mm。在此条件下，成形力为247 mm，临界厚度为0.37 mm，尺寸偏差为2.86 mm，加工时间缩短了16倍，达到7.5 min，临界厚度接近不安全生产的撕裂标准，成形力提高了2倍多，尺寸偏差增加了33%。当振幅为15l m的超声振动应用于进料速率为1000 mm/min的工艺，0.4 mm/min时，成形力、临界厚度和尺寸偏差分别为186、0.45 mm和2.45 mm，成形力降低了25%，临界厚度提高了22%，尺寸偏差降低了15%。这意味着将超声波振动叠加到过程中能够将进给速率和步降选择在它们的最大值，这导致更低的生产成本。然而，为了获得稳健的结果，应获得最佳的参数设置，以同时最小化成形力、尺寸偏差和处理时间，以及最大化临界厚度。3.4.4. 获得最佳结果3.4.4.1. 建立目标函数。在进行多目标优化的工作中，需要构造一个全局适应度函数（G），并将其应用于粒子群优化算法（PSO）。超声辅助渐进成形过程优化的目标函数，包括所有的响应已表示在方程。（三）、G1/4-w1×FNor2 ×TcrNor-w3×DNor3μm其中，FNor、TcrNor和DNor分别是成形力、临界厚度和尺寸偏差的归一化值3.4.4.3. PSO的实现。这里的优化是通过使用粒子群优化（PSO）算法。粒子群优化是一种进化搜索算法，它使用基于种群的随机方法来找到全局最优值[37]。粒子群优化算法在进化过程中与遗传算法有一定的相似性然而，不同于遗传算法，变异和交叉等操作不能在粒子群算法中找到。因此，这种差异使实现更简单，缩短了执行时间。据报道，由不同的作者，粒子群算法是一个完全合适的算法多目标优化的制造过程问题[38PSO的逐步优化如下所示;此外，关于算法实现和数学方程的进一步细节可以在Rao的工作中找到[37]。优化的主要目标是最大化目标函数，同时，约束条件是加工时间应小于最大加工时间（tmax）的四分之一换句话说，PSO算法搜索找到导致最大G的解;如果解满足ttmax，则将其接受。另一方面，该算法用新的解更新结果，以找到最合适的解. 这种优化技术的算法流程图已在图中给出。 十六岁在粒子群算法的实现中，考虑了一个群中的粒子数为200，初始速度为零，学习率为2。该算法已经实施，并已获得最大化目标函数的最优解，并在表5中列出。从表4中可以看出，设置15l m的振动振幅、750 mm/min的进给速率和0.2 mm的步降是最佳的解决方案，其导致实现118 N的成形力、0.61 mm的临界厚度、1.93°的尺寸偏差和22 min的加工时间。表5中所示的所得结果需要经过实验确认才能实际用于实际成形过程。在此基础上，进行了超声辅助渐进成形试验，测量了成形力、临界厚度和尺寸偏差N. 阿尔哈比工程科学与技术，国际期刊30（2022）10104111模具在可成形铝6061-T6上的振动。将成形力、厚度分布和尺寸偏差作为成形性特征进行分析，并根据实验观察结果分析其影响。所得结果可总结如下：● 与常规工艺相比，振幅为10L m的超声振动可显著降低成形力，平均水平力平均垂直力降低24%。结果表明，施加超声振动后，由于声软化现象，周向厚度分布增加约17%。换句话说，超声振动对厚度分布有积极的影响。通过施加超声波振动，尺寸偏差值降低了16%。这一趋势归因于施加振动使成形件的有效应变和应力分布均匀。因此，残余应力的均匀性受到应力应变分布的制约。超声振动辅助成形中最重要的工艺参数之一是振幅。结果表明，当振动幅值从5l m增加到15lm时，成形力和尺寸偏差分别减小了18%和15%。此外，振动振幅值的这种增加导致临界厚度增加高达18%。通过工艺优化发现，施加高振幅的超声振动为调节进给速度和较大的压下量提供了条件，从而缩短了加工时间，并使成形力、尺寸偏差和临界厚度最小。图16.超声辅助渐进成形过程多目标约束优化的改进粒子群算法流程图。表5.获得最佳设置。A（mm）f（mm/min）直径（mm）F（N）tcr（mm）D（度）t（min）157800.231180.611.9322表6. 通过实验和ANFIS-PSO方法获得的优化结果的比较方法F（N）Tcr（mm）D（度）ANFIS-PSO1180.611.93实验1070.561.99误差（%）108.93表6给出了最佳设置下响应的测量值和预测值之间的比较。 根据给出的结果，可以看出，测量值和预测值之间存在密切的一致性。在最坏情况下的预测误差为15%，这意味着所提出的方法是足够准确的渐进成形优化4. 结论本文通过实验研究了纵向超声对渐进成形过程的影响竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] I. 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