CN104484519A - 一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，包括：以喷射液氮的方式执行深冷加工，并为包括切削速度、切削深度和切削进给量在内的一系列待优化输入加工参数设定取值区间；根据正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型，并求解各工况下作为研究变量的输出结果；选取切削温度、加工平面方向的表面残余拉应力和最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标，并采用响应面法进行拟合；对三个优选目标分别设定优化系数，并求解获得在深冷加工条件下，上述待优化加工参数的最优解。通过本发明，能够在主要车削加工输出结果之间取得良好的平衡，有效执行对整体切削工艺参数的优化，同时达到显著提高加工质量的目的。
Description
技术领域
本发明属于数控车削加工技术领域，更具体地，涉及一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法。
背景技术
镍基高温合金是一类具备工作温度高、抗氧化热腐蚀性好、有害相少、组织稳定等优良特性的高性能材料，并被广泛应用在航空制造业中。但镍基高温合金又属于难加工材料，在加工过程中切削力大、加工硬化严重、容易“粘刀”，会产生很大切削抗力和大量加工热，因此在传统切削加工中通常会使用普通切削液，它具有润滑、冷却、排屑、清洗及防锈的功能，并起到提高金属切削中加工表面的质量、延长刀具的使用寿命等效果。
然而，对于镍基高温合金这类难加工材料，需要采用大量的切削液来保证足够的刀具寿命和可靠的表面质量，因而其材料去除率很低，而且切削液的处理要求很高、污染环境、不利于工作人员身体健康；另一方面，在需要采用切削液的情况下，如何更有针对性地分析得出该切削液条件以及其他关键加工参数对车削加工输出结果之间的各种影响，目前尚缺乏深入研究，并日益成为需要重点关注的研究方向之一。
发明内容
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，其中通过结合镍基高温合金和车削加工自身的特点，采用液氮喷射方式在深冷条件下执行切削加工工序，尤其是通过选择以切削温度和残余应力作为主要优化目标，并对其优化模型进行设计，实际测试表明能够在关键车削加工输出结果之间取得良好的平衡，达到整体优化工艺参数和显著提高加工质量的目的，因而尤其适用于镍基高温合金之类难加工材料的切削加工用途。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)为车床主轴及配置的车刀组装液氮冷却喷头，该液氮冷却喷头随着车床主轴和车刀同步移动用于喷射液氮以执行深冷加工；此外，为包括切削速度、切削深度和切削进给量在内的一系列待优化输入加工参数分别设定取值区间；
(b)在上述各个取值区间的范围内，分别选取所述输入加工参数进行组合，并根据正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型；然后，求解各种工况下所对应的包括切削温度、轴向车削分力Fx、径向车削分力Fy、加工平面方向的表面残余拉应力、加工平面方向的最大残余压应力、以及加工平面方向的最大残余压应力的深度在内的输出结果；
(c)基于步骤(b)所建立的车削模型，选取切削温度、加工平面方向的表面残余拉应力以及加工平面方向的最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标；
(d)采用响应面法并通过二次多项式回归方程的形式，对步骤(c)所选取的三个优化目标分别进行拟合，并获得如下所示的通用拟合方程：
W＝a+b1×S+b2×Ap+b3×fz+c1×S×Ap+c2×S×fz+c3×Ap×fz+d1×S2+d2×Ap 2+d3×fz 2
其中，W表示拟合对象也即切削温度T、加工平面方向的表面残余拉应力σL或者加工平面方向的最大残余压应力的深度σY；a、b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2、d3分别是该拟合方程的各个系数，S表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削速度，Ap表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削深度，fz则表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削进给量；
(e)按照加工平面方向的最大残余压应力的深度、切削温度和加工平面方向的表面残余拉应力的前后优先级次序，分别对它们各自所对应的拟合方程来设定不同的优化系数，然后进行求解相应获得在深冷加工条件下，切削速度、切削深度和切削进给量这些参数在所述取值区间范围内的最优解，并将其作为最终用于执行镍基高温合金切削加工的工艺参数组合，由此完成整体的参数优化过程。
作为进一步优选地，对于所述液氮冷却喷头而言，其优选采用液氮前刀面冷却方式来执行对车刀的喷射冷却。
作为进一步优选地，在步骤(d)中，优选采用逐步回归法对优化目标执行拟合处理，由此获得所述优化函数式。
作为进一步优选地，在步骤(e)中，所述加工平面方向的最大残余压应力深度的优化系数优选被设定为[10，20]，所述切削温度的优化系数优选被设定为[6，9]，所述加工平面方向的表面残余拉应力的优化系数优选被设定为[3，5]。
作为进一步优选地，在步骤(a)中，优选以刀具手册为基础，并结合多次实验设计的实际测试数据，通过统计方式得出各个待优化输入加工参数的取值区间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用深冷条件下的镍基高温合金切削加工，并着重分析液氮冷却方式以及其他关键加工参数对车削加工输出结果之间的各种影响，尤其是，通过对包括切削温度、表面残余拉应力和最大残余压应力深度在内的加工输出结果构建相应的优化模型，相应能够有效执行对整体切削工艺参数的优化，同时达到显著提高加工质量的目的。
附图说明
图1是按照本发明的深冷加工镍基高温合金的参数优化工艺的整体流程图；
图2a是采用单因素分析法所获得的不同冷却方式对切削温度的影响对照图；
图2b是采用单因素分析法所获得的切削速度对切削温度的影响对照图；
图2c是采用单因素分析法所获得的切削深度对切削温度的影响对照图；
图2d是采用单因素分析法所获得的切削进给量对切削温度的影响对照图；
图3a是采用单因素分析法所获得的不同冷却方式对表面残余拉应力的影响对照图；
图3b是采用单因素分析法所获得的切削速度对表面残余拉应力的影响对照图；
图3c是采用单因素分析法所获得的切削深度对表面残余拉应力的影响对照图；
图3d是采用单因素分析法所获得的切削进给量对表面残余拉应力的影响对照图；
图4a是采用单因素分析法所获得的不同冷却方式对最大残余压应力的影响对照图；
图4b是采用单因素分析法所获得的切削速度对最大残余压应力的影响对照图；
图4c是采用单因素分析法所获得的切削深度对最大残余压应力的影响对照图；
图4d是采用单因素分析法所获得的切削进给量对最大残余压应力的影响对照图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的深冷加工镍基高温合金的参数优化工艺的流程图。下面将以工刀柄为kennametal的STFCL2525M12、刀片是kennametal的TCGT15T308HP、三角形刀片，后角是7°，刀尖圆弧半径是0.8mm来作为实例，以便更为具体地解释本发明的工艺过程和效果。
首先，为车床主轴及配置的车刀组装液氮冷却喷头，该液氮冷却喷头随着车床主轴和车刀同步移动，并用于向车刀以及工件切削部位等喷射液氮以执行深冷加工；此外，可以以刀具手册为基础，加上实验设计的多次实际测试结果作为参照，从而为包括切削速度、切削深度和切削进给量在内的一系列待优化输入加工参数分别统计得出一个适合的取值区间；例如，在本实例中，切削速度的取值区间被设定为15m/min-45m/min，切削深度的取值区间被设定为0.2mm-2mm，进给量的取值区间被设定为0.05mm-0.25mm。
接着，在上述各个取值区间的范围内，分别选取所述输入加工参数进行组合，并根据正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型；具体而言，在本实例中，切削速度选择了20m/min、25m/min、30m/min、40m/min等试验数值，切削深度选择了0.4mm、0.7mm、1.0mm、1.3mm，进给量选择了0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.25mm；通过正交试验设计的实验如下表1所示，并依此建立车削实验模型。
表1
然后，求解各种工况下所对应的各个输出结果，并将其作为研究变量进行分析，它们具体包括切削温度、轴向车削分力Fx、径向车削分力Fy、加工平面方向(本领域中也称之为XX方向)的表面残余拉应力、加工平面方向(XX方向)的最大残余压应力、以及加工平面方向(XX方向)的最大残余压应力的深度等，并制得如下表2所示的表格：
表2
接着，基于前面所建立的车削模型，本发明中将各输入加工参数作为自变量，同时将将所述研究变量也即输出结果作为因变量，对其进行方差分析，从而获得如以表3至表5所示的相互影响关系定性分析结果。
表3-1和表3-2显示了方差分析切削参数对车削力的影响，其中表3-1中以Fx作为因变量，表3-2中以Fy作为因变量。
表3-1
表3-2
表4显示了方差分析切削参数对切削温度的影响，其中切削温度作为因变量。
表4
表5-1、5-2和5-3分别显示了方差分析切削参数对残余应力的影响，其中表5-1中将XX方向的表面残余拉应力作为因变量，表5-2中将XX方向的最大残余压应力作为因变量，表5-3中将XX方向的最大残余压应力深度作为因变量。
表5-1
表5-2
表5-3
通过以上的表格进行分析可知，Fx、Fy和切削深度、进给量成正比，而且随着切削深度和进给量的增加，Fx、Fy值随之增加；但是切削液对切削力的影响因素相比而言相对很小，基本上可以忽略不计，因而液氮作为冷却液的使用不会导致切削力的大幅度增加。另一方面，切削液对温度的影响作用很大，特别是，切削液的使用能够大大降低切削温度，减小刀尖的最高温度值，同时对XX的表面残余拉应力、XX的最大残余压应力也有较大的影响，但是切削液对XX的最大残余压应力深度的影响很小，基本可以忽略不计。
以上通过正交实验对输入加工参数与输出结果之间的影响进行了定性的分析，为了获得更为精准的分析结果，本发明中还进一步采用了单因素分析法来对上述影响关系进行了定量的分析，具体结果如图2至图4中所示，其中图2中显示了单因素分析中各加工参数对切削温度的影响，图3中显示了单因素分析中各加工参数对表面残余拉应力的影响，图4中显示了单因素分析中各加工参数对最大残余压应力的影响。
结合图2a-2d分析各加工参数对切削温度的影响，其中图2a显示了无切削液、常规冷却液、液氮前刀面冷却和液氮后刀面冷却对切削温度的影响，图2b显示了切削速度对切削温度的影响，图2c显示了切削深度对切削温度的影响，图2d显示了切削进给量对切削温度的影响。从图2a-2d可以发现，在液氮冷却、切削速度、切削深度和切削进给量这4各因素中，除了切削深度对切削温度的影响很小，而其他三个因素对切削温度的影响都比较大，而且与普通冷却液相比，这些影响显得尤为突出。例如，在液氮切削条件下，最高温度点的温度会减小100℃左右，相应可以减少工件和刀具的热变形，让刀具保持足够的硬度，从而提高刀具耐用度。而且更进一步地，通过比较液氮前刀面冷却和液氮后刀面冷却两种方式，可以看到液氮冷却前刀面的效果更好。在液氮冷却前刀面的条件下，最高温度点的温度最低。
结合图3a-3d分析各切削参数对表面残余拉应力的影响，其中图3a显示了无切削液、常规冷却液、液氮前刀面冷却和液氮后刀面冷却对表面残余拉应力的影响，图3b显示了切削速度对表面残余拉应力的影响，图3c显示了切削深度对表面残余拉应力的影响，图3d显示了切削进给量对表面残余拉应力的影响。从上图中可以发现，其中冷却液的使用会不同程度地增加镍基高温合金XX表面残余拉应力，其中以液氮前刀面冷却的方式对XX表面残余拉应力的影响最为显著：XX表面残余拉应力随着切削速度的增加而增大，而切削深度和进给量对XX表面残余拉应力的影响都呈现波动性，不规律性。
结合图4a-4d分析各切削参数对最大残余压应力的影响，其中图4a显示了无切削液、常规冷却液、液氮前刀面冷却和液氮后刀面冷却对最大残余压应力的影响，图4b显示了切削速度对最大残余压应力的影响，图4c显示了切削深度对最大残余压应力的影响，图4d显示了切削进给量对最大残余压应力的影响。可以发现，其中从冷却液对XX深度方向最大残余压应力的影响中，可以看到常规冷却液和干切削的XX深度方向最大残余压应力几乎没有差别。但是液氮作为冷却液可以大大提高XX深度方向最大残余压应力的值。比较两种液氮冷却方式，可以发现液氮冷却前刀面对增加XX深度方向最大残余压应力的效果更为明显；此外，切削速度与XX深度方向最大残余压应力成正比，随着切削速度增大，XX深度方向最大残余压应力增加。切削深度、进给量与XX深度方向最大残余压应力没有明显的线性关系。而且更进一步地，从增加XX深度方向最大残余压应力方面来看，液氮冷却远远优于其他冷却方式，而液氮前刀面冷却的效果远优于液氮后刀面冷却。
因此，在上述多方面的定性及定量分析的基础上，作为本发明的关键改进之一，从前面的多个研究变量中，特别选取了切削温度、XX方向的表面残余拉应力和XX方向的最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标，并依据响应面试验设计的方法，设计进行液氮加工试验，所获得的试验结果如下表6中所示：
表6
在此过程中，优选可以通过二次多项式回归方式的形式，并譬如采用逐步回归方法，对上面三个优化目标进行优化算法拟合，并获得如下所示的通用拟合方程：
W＝a+b1×S+b2×Ap+b3×fz+c1×S×Ap+c2×S×fz+c3×Ap×fz+d1×S2+d2×Ap 2+d3×fz 2
其中，W表示拟合对象也即切削温度T、加工平面方向的表面残余拉应力σL或者加工平面方向的最大残余压应力的深度σY；a、b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2、d3分别是该拟合方程的各个系数，S表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削速度，Ap表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削深度，fz则表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削进给量。
对于上述的具体实例而言，将上述响应面法试验过程中所选取的多个加工系数及实际测得的输出数据予以代入拟合方程，即得：
T＝-124.86762+13.58679×S+2.7153579×fz-0.088949×S2-5073.33806×fz 2；
σL＝-556.27719+27.49243×S+10.82064×Ap+4607.34268×fz
+0.055556×S×Ap-27.500×S×fz-9.25926×S×fz-0.35843×S2-6.77438×Ap 2-14277.67146×fZ 2；
σY＝295.66416-12.94728×S-35.25762×Ap-2894.07692×fz
+1.88411×10-15×S×Ap+35.83333×S×fz-2.97736×10-12×Ap×fz+0.049069×S2+20.73978×Ap 2
综合考虑这三个优化目标，作为本发明的另一关键改进所在，对这三个优化目标的优化级别进行了限定；更具体地，首先应当考虑XX最大残余压应力的深度，然后是切削温度，最后是XX表面残余拉应力。相应地，按照本发明的一个优选实施方式，可以对它们赋予代表不同重要性的优化系数，由此在上述方案的基础上进一步予以综合平衡。举例而言，学习最大残余压应力深度的优化系数譬如被设定为10，切削温度的优化系数相应被设定为9，XX表面残余拉应力的优化系数则被设定为3。
最后，按照以上的优化次序及优化系数，联合三个响应面拟合方程共同进行优化求解，得到的优化解在本实例中具体为：切削速度20m/min，切削深度0.87mm，进给量0.08mm；通过拟合分析可以得到在上述特定工艺参数下切削温度是296.049℃，XX表面残余拉应力是88.0165Mpa，XX深度方向最大残余压应力是-136.216Mpa。
通过仿真实验验证，在切削速度为20m/min，切削深度为0.87mm，进给量为0.08mm的加工参数下，实际的刀尖切削温度是311℃，表面残余拉应力是100Mpa，最大残余压应力是-140Mpa，该结果与拟合响应面分析得到的结果是基本符合的，这证实了上述找到的最终加工参数属于优化后的正确解。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)为车床主轴及配置的车刀组装液氮冷却喷头，该液氮冷却喷头随着车床主轴和车刀同步移动用于喷射液氮以执行深冷加工；此外，为包括切削速度、切削深度和切削进给量在内的一系列待优化输入加工参数分别设定取值区间；
(b)在上述各个取值区间的范围内，分别选取所述输入加工参数进行组合，并根据正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型；然后，求解各种工况下所对应的包括切削温度、轴向车削分力Fx、径向车削分力Fy、加工平面方向的表面残余拉应力、加工平面方向的最大残余压应力、以及加工平面方向的最大残余压应力的深度在内的输出结果；
(c)基于步骤(b)所建立的车削模型，选取切削温度、加工平面方向的表面残余拉应力以及加工平面方向的最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标；
(d)采用响应面法并通过二次多项式回归方程的形式，对步骤(c)所选取的三个优化目标分别进行拟合，并获得如下所示的通用拟合方程：W＝a+b1×S+b2×Ap+b3×fz+c1×S×Ap+c2×S×fz+c3×Ap×fz+d1×S2+d2×Ap 2+d3×fz 2
其中，W表示拟合对象也即切削温度T、加工平面方向的表面残余拉应力σL或者加工平面方向的最大残余压应力的深度σY；a、b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2、d3分别是该拟合方程的各个系数，S表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削速度，Ap表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削深度，fz则表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削进给量；
(e)按照加工平面方向的最大残余压应力的深度、切削温度和加工平面方向的表面残余拉应力的前后优先级次序，分别对它们各自所对应的拟合方程来设定不同的优化系数，然后进行求解相应获得在深冷加工条件下，切削速度、切削深度和切削进给量这些参数在所述取值区间范围内的最优解，并将其作为最终用于执行镍基高温合金切削加工的工艺参数组合，由此完成整体的参数优化过程。
2.如权利要求1所述的参数优化方法，其特征在于，对于所述液氮冷却喷头而言，其优选采用液氮前刀面冷却方式来执行对车刀的喷射冷却。
3.如权利要求1或2所述的参数优化方法，其特征在于，在步骤(d)中，优选采用逐步回归法对优化目标执行拟合处理，由此获得所述优化函数式。
4.如权利要求1-3任意一项所述的参数优化方法，其特征在于，在步骤(e)中，所述加工平面方向的最大残余压应力深度的优化系数优选被设定为[10，20]，所述切削温度的优化系数优选被设定为[6，9]，所述加工平面方向的表面残余拉应力的优化系数优选被设定为[3，5]。
5.如权利要求1-3任意一项所述的参数优化方法，其特征在于，在步骤(a)中，优选以刀具手册为基础，并结合多次实验设计的实际测试数据，通过统计方式得出各个待优化输入加工参数的取值区间。
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