等距螺旋锥齿轮MIM工艺参数多目标优化

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.03.016

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (3): 96-103.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.03.016

等距螺旋锥齿轮MIM工艺参数多目标优化

刘赣华¹(), 唐乃夫¹, 马瑞伍²

^1.江西理工大学机电工程学院，江西赣州 341000
^2.深圳市密姆科技有限公司，广东深圳 518100

收稿日期:2021-11-16 出版日期:2022-03-26 发布日期:2022-03-25
作者简介:刘赣华（1973—），副教授，硕士生导师，研究方向为螺旋锥齿轮制造技术及质量控制，liuganhua1973@163.com

Multi⁃objective optimization for MIM process parameters of equal⁃distance spiral bevel gear

LIU Ganhua¹(), TANG Naifu¹, MA Ruiwu²

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China
^2.Shenzhen MIM Technology Co，Ltd，Shenzhen 518100，China

Received:2021-11-16 Online:2022-03-26 Published:2022-03-25

摘要/Abstract

摘要：

针对由于等距螺旋锥齿轮结构较复杂导致在粉末注射成型阶段常出现不均匀分布的体积收缩和粉末浓度，使得制件产生翘曲变形和表面黑线的问题，利用Moldex3D软件对金属粉末注射成型（MIM）工艺成形等距螺旋锥齿轮进行仿真分析，结合正交试验设计获得各工艺参数组合对应的体积收缩率和粉末浓度，通过均值分析和极差分析得出各工艺参数对响应目标的影响趋势，并利用BP神经网络结合非支配排序遗传算法（NSGA?II）进行MIM工艺参数多目标优化。结果表明，优化之后的最佳工艺参数极大改善了体积收缩分布和粉末浓度分布的均匀性，提高了MIM等距螺旋锥齿轮的质量。

关键词: 金属粉末注射成型, 等距螺旋锥齿轮, 粉末浓度, 体积收缩, 多目标优化

Abstract:

Owing to a complex structure， the equal?distance spiral bevel gear often shows an uneven distribution in volume shrinkage and powder concentration during the powder injection molding stage. This causes the gear to produce warpage deformation and surface black lines. To solve this problem， the MIM process forming equal?distance spiral bevel gear was simulated using the Moldex3D software. Through combining with an orthogonal experimental design， the volume shrinkage rate and powder concentration corresponding to each process parameter combination were obtained. The influence of each process parameter on the response target was obtained from the analysis of the mean value and range. The BP neural network combined with the non?dominant sequencing genetic algorithm （NSGA?II） was used to perform the multi?objective optimization of the MIM process parameters. The results indicated that the optimal process parameters after optimization greatly improved the uniformity of volume shrinkage distribution and powder concentration distribution， thus improving the quality of the MIM equal?distance spiral bevel gear.

Key words: metal powder injection molding, equal?distance spiral bevel gear, powder concentration, volume shrinkage, multi?objective optimization

中图分类号:

TQ320.66

刘赣华, 唐乃夫, 马瑞伍. 等距螺旋锥齿轮MIM工艺参数多目标优化[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 96-103.

LIU Ganhua, TANG Naifu, MA Ruiwu. Multi⁃objective optimization for MIM process parameters of equal⁃distance spiral bevel gear[J]. China Plastics, 2022, 36(3): 96-103.

图/表 15

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参数名称	小轮	大轮
旋向	左	右
齿数	16	23
轴交角/^o	90	90
节锥角/^o	34.824	55.176
模数/ mm	0.905	0.905
中点螺旋角/^o	30	30
齿宽/mm	5	5
压力角/^o	20	20

参数名称	小轮	大轮
旋向	左	右
齿数	16	23
轴交角/^o	90	90
节锥角/^o	34.824	55.176
模数/ mm	0.905	0.905
中点螺旋角/^o	30	30
齿宽/mm	5	5
压力角/^o	20	20

材料名称	体积分数/%	密度/g·cm^-3	颗粒直径/μm
合金粉末	60	7.9	10
黏结剂（PP）	40	0.91	-

材料名称	体积分数/%	密度/g·cm^-3	颗粒直径/μm
合金粉末	60	7.9	10
黏结剂（PP）	40	0.91	-

水平	保压压力（A）/MPa	充填时间（B）/s	浇口直径（C）/mm	熔体温度（D）/℃	模具温度（E）/℃
1	98	0.20	0.4	220	30
2	100	0.25	0.45	230	40
3	102	0.3	0.5	240	50
4	104	0.35	0.55	250	60
5	106	0.4	0.6	260	70

等距螺旋锥齿轮MIM工艺参数多目标优化

Multi⁃objective optimization for MIM process parameters of equal⁃distance spiral bevel gear

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序号	A/ MPa	B/ s	C/ mm	D/ ℃	E/ ℃	体积收缩率/%		粉末浓度/%
序号	A/ MPa	B/ s	C/ mm	D/ ℃	E/ ℃	μ	σ	μ	σ
1	98	0.20	0.40	220	30	0.905	2.162	60.002	0.019
2	98	0.25	0.45	230	40	0.89	2.063	60.007	0.071
3	98	0.30	0.50	240	50	0.866	1.963	60.009	0.024
4	98	0.35	0.55	250	60	0.859	1.868	60.005	0.026
5	98	0.40	0.60	260	70	0.878	1.773	60.007	0.029
6	100	0.20	0.45	240	60	1.070	1.833	60.033	0.025
7	100	0.25	0.50	250	70	1.042	1.734	60.027	0.027
8	100	0.30	0.55	260	30	0.519	2.378	60.024	0.030
9	100	0.35	0.60	220	40	0.204	1.906	60.036	0.043
10	100	0.40	0.40	230	50	1.018	1.888	60.059	0.056
11	102	0.20	0.50	260	40	0.765	2.242	60.004	0.039
12	102	0.25	0.55	220	50	0.376	1.769	60.036	0.035
13	102	0.30	0.60	230	60	0.402	1.882	60.028	0.031
14	102	0.35	0.40	240	70	1.203	1.863	60.009	0.032
15	102	0.40	0.45	250	30	0.755	2.325	60.045	0.054
16	104	0.20	0.55	230	70	0.551	1.765	60.017	0.025
17	104	0.25	0.60	240	30	0.040	2.193	60.028	0.033
18	104	0.30	0.40	250	40	0.992	2.210	60.041	0.032
19	104	0.35	0.45	260	50	0.934	2.09	60.047	0.034
20	104	0.40	0.50	220	60	0.502	1.736	60.033	0.033
21	106	0.20	0.60	250	50	0.250	1.972	60.01	0.023
22	106	0.25	0.4	260	60	1.162	1.974	60.006	0.022
23	106	0.30	0.45	220	70	0.663	1.791	60.052	0.039
24	106	0.35	0.50	230	30	0.227	2.134	60.065	0.051
25	106	0.40	0.55	240	40	0.214	2.038	60.004	0.021

均值	A	B	C	D	E
L₁	1.998	2.052	2.031	1.953	2.207
L₂	1.840	1.734	2.010	1.968	2.119
L₃	2.078	1.962	2.018	1.886	1.978
L₄	2.150	1.972	1.868	2.022	1.861
L₅	1.966	2.107	1.920	2.166	1.796
R	0.310	0.373	0.163	0.28	0.411
排序	3	2	5	4	1

均值	A	B	C	D	E
L₁	0.023 0	0.0265	0.034 8	0.0337	0.041 3
L₂	0.037 8	0.027 0	0.038 0	0.046 0	0.038 0
L₃	0.039 0	0.031 5	0.035 3	0.027 0	0.034 3
L₄	0.033 0	0.037 2	0.026 0	0.032 4	0.027 3
L₅	0.037 7	0.055 0	0.032 3	0.036 5	0.032 7
R	0.016 0	0.028 5	0.012 0	0.019 0	0.014 0
排序	3	1	5	2	4

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