CN113894333B - 钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，基于钛合金薄壁结构件的初选铣削工艺参数范围，进行钛合金铣削试验；测量铣削试验得到的钛合金薄壁结构件的残余应力参数；根据钛合金薄壁结构件的铣削参数和残余应力参数，建立第一关系模型；以最大化第一关系模型中的残余应力分布包络面积为目标函数并求解，得到钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域；基于铣削稳健性工艺参数域对钛合金薄壁结构件进行加工；本发明通过调节可控工艺参数补偿加工中不可控因子作用引起的结构件表面状态突变，保证结构件疲劳性能达到预期效果，提升了钛合金薄壁结构件的尺寸和形位精度。

Description

钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法

技术领域

本发明属于钛合金薄壁结构的铣削加工技术领域，尤其涉及一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法。

背景技术

薄壁结构是由薄板、薄壳和细长杆件组成的结构，能以较小的重量和较少的材料承受较大的载荷。钛合金薄壁结构是采用钛合金材料加工而成的复杂零件。

钛合金薄壁结构一般采用铣削加工，薄壁结构件切削加工过程中，加工系统强时变、弱刚性特点突出，加工更易变形、振动更明显，导致加工过程稳定性变差，加工过程中不确定性工艺因子的复杂耦合作用，会使薄壁件的尺寸和形位精度难以满足设计要求，而且，工件表易面出现加工刀痕、棱边损伤、表面微裂纹、加工硬化、组织损伤等表面完整性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，以提升钛合金薄壁结构件的尺寸和形位精度。

本发明采用以下技术方案：一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，包括以下步骤：

基于钛合金薄壁结构件的初选铣削工艺参数范围，进行钛合金铣削试验；

测量铣削试验得到的钛合金薄壁结构件的残余应力参数；

根据钛合金薄壁结构件的铣削参数和残余应力参数，建立第一关系模型；

以最大化第一关系模型中的残余应力分布包络面积为目标函数并求解，得到钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域；

基于铣削稳健性工艺参数域对钛合金薄壁结构件进行加工。

进一步地，第一关系模型为：

其中，y为残余应力分布包络面积，β₀为常数，β_i为第i个工艺参数的拟合系数，x_i为第i个工艺参数，x_j为第j个工艺参数，β_ij为x_i和x_j的关联拟合系数，n为工艺参数的总个数，i、j和n均为正整数。

进一步地，残余应力分布包络面积包括进给方向残余应力分布包络面积和切宽方向残余应力分布包络面积。

进一步地，建立第一关系模型之后且求解目标函数之前还包括：

以铣削工艺参数约束和表面粗糙度约束构建约束条件。

进一步地，铣削工艺参数约束通过以下方法确定：

测量铣削试验得到的钛合金薄壁结构件的表面粗糙度参数和表面显微硬度参数；

根据铣削参数、表面粗糙度参数、残余应力参数和表面显微硬度参数，建立第二关系模型；

基于第二关系模型确定铣削工艺参数约束。

进一步地，基于第二关系模型确定铣削工艺参数约束包括：

基于第二关系模型，确定每个工艺参数在不同水平区间中的变化幅值；其中，变化幅值包括表面粗糙度变化幅值、残余应力变化幅值和表面显微硬度变化幅值

根据多个变化幅值计算平均值；

选择变化幅值小于等于平均值对应的工艺参数范围作为铣削工艺参数约束。进一步地，表面粗糙度约束具体为：

R_amin≤R_a(x)≤R_amax，

其中，R_a(x)为表面粗糙度，R_amin为表面粗糙度最小阈值，R_amax为表面粗糙度最大阈值。

进一步地，采用多目标遗传算法求解目标函数。

进一步地，初选铣削工艺参数范围包括铣削速度范围、每齿进给量范围、铣削宽度范围和铣削深度范围。

进一步地，残余应力参数包括表面残余应力、最大残余应力、最大残余应力深度值和残余应力影响层深度值。

本发明的有益效果是：本发明通过采用钛合金薄壁结构件进行铣削试验，根据试验数据建立第一关系模型，以最大化残余应力分布包络面积为目标函数，计算得到钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域，再通过该钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域进行铣削加工，通过调节可控工艺参数补偿加工中不可控因子作用引起的结构件表面状态突变，保证结构件疲劳性能达到预期效果，提升了钛合金薄壁结构件的尺寸和形位精度。

附图说明

图1为本发明实施例中表面状态对工艺因子的灵敏度分析图；

图2为本发明实施例中残余应力测量结果图；

图3为本发明实施例中遗传优化解集的Pareto图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

钛合金薄壁结构件表面完整性问题的产生是由于切削工艺参数控制不当，产生剧烈热力耦合作用导致的。因此，薄壁结构件铣削加工表面完整性优劣除了受铣削速度、每齿进给量等可控工艺参数的影响，还受工件和刀具接触状态、刀具振动、工件变形等过程变量的影响。

在切削速度、进给量等输入变量固定的情况下，工件状态、刀具状态、切削力和切削温度等界面状态、加工振动等随时间的波动会引起表面粗糙度、残余应力、显微硬度等输出量的波动，实际生产中一般通过调节输入变量控制输出量在满足要求范围内波动。

大量研究表明：在表面完整性状态特征中，表面粗糙度和残余应力对疲劳性能影响最显著。粗糙的表面产生很高的表面应力集中，导致疲劳源产生，影响裂纹萌生寿命；残余应力的变化会影响裂纹的扩展速率和临界应力阀值，影响裂纹扩展寿命。

常规工艺参数控制优化方法只考虑缩短时间成本、保证形状精度，未能顾及结构件表面完整性。表面状态的动态变化会直接造成结构件疲劳性能不能满足要求。因此，有必要在基于表面状态特征要求范围，提出铣削稳健性工艺参数域优化方法，最大可能弱化机床、刀具磨损等不可控因子造成表面状态特征的突变，通过调节输入参数变量控制表面状态的波动范围，保证结构件的疲劳性能满预期要求，实现薄壁结构件的稳健、高质、高效、高性能制造。

本发明公开了一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，包括以下步骤：基于钛合金薄壁结构件的初选铣削工艺参数范围，进行钛合金铣削试验；测量铣削试验得到的钛合金薄壁结构件的残余应力参数；根据钛合金薄壁结构件的铣削参数和残余应力参数，建立第一关系模型；以最大化第一关系模型中的残余应力分布包络面积为目标函数并求解，得到钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域；基于铣削稳健性工艺参数域对钛合金薄壁结构件进行加工。

本发明通过采用钛合金薄壁结构件进行铣削试验，根据试验数据建立第一关系模型，以最大化残余应力分布包络面积为目标函数，计算得到钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域，再通过该钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域进行铣削加工，通过调节可控工艺参数补偿加工中不可控因子作用引起的结构件表面状态突变，保证结构件疲劳性能达到预期效果，提升了钛合金薄壁结构件的尺寸和形位精度。

具体的，在选定的试验机床、刀具、加工方式、以及冷却润滑方式条件下，确定本发明研究的铣削工艺参数：{铣削速度v_c、每齿进给量f_z、铣削宽度a_e、铣削深度a_p}。确定需要测试的表面状态特征：{表面粗糙度R_a、表面残余应力σ_r、最大残余应力影响层深度h、表面显微硬度HV}。残余应力参数包括表面残余应力、最大残余应力、最大残余应力深度值和残余应力影响层深度值。

基于现有实际工艺参数，确定初选铣削工艺参数范围C₁：铣削速度范围[v_cmin,v_cmax]；每齿进给量范围[f_zmin,f_zmax]；铣削宽度范围[a_pmin,a_pmax]；铣削深度范围[a_emin,a_emax]。在本实施例中，基于钛合金薄壁结构件的已有工艺参数，可以确定初选工艺参数范围C₁：v_c＝[75m/min，235m/min]；f_z＝[0.02mm/z，0.06mm/z]；a_p＝[0.05mm，0.25mm]；a_e＝[0.1mm，0.5mm]。

在上述的初选工艺参数范围内，设计并进行四因素m水平响应曲面试验。采用固定的试验机床、刀具、以及冷却方法，进行工艺试验，并对铣削后的结构件进行表面状态测试。

本实施例中m具体选择为5，即设计并进行四因素五水平响应曲面试验，结构件尺寸150mm×60mm×30mm，试验在SERRTECH M4TT五轴加工中心完成，刀具选用直径为6的球头刀，K44硬质合金材料，齿数为4，乳化液冷却，加工方式为顺铣。试验因素和水平如表1所示。

表1

对铣削后的结构件进行表面状态测试。表面粗糙度采用表面轮廓仪进行测试，并采用统一的取样长度和评定长度，取样长度0.8mm，评定长度4mm，每个结构件测量5个点取平均值。

表面残余应力采用残余应力测试系统进行测试，测试参数如表2所示。

表2

表面显微硬度采用显微硬度计测试，具体采用430SVD数显维氏硬度计，试验力为9.81N，保载时间为10s，每个结构件表面测试5个点取平均值。

在本发明实施例中，残余应力梯度分布用表面残余压应力、最大残余压应力、最大残余应力深度值和残余应力影响层深度值所描述的四个关键点连接所形成包络面的面积进行表征。具体检测参数如图2所示，图2(a)表示进给方向的残余应力，图2(b)表示切宽方向的残余应力。

采用电解抛光的方法对结构件剥层测试表层残余应力，剥层深度采用千分尺进行测量，当残余应力测试值基本保持不变时认为其到达基体残余应力，此时的剥层深度为残余应力影响层深度值。根据测试结果获得表面残余应力、最大残余应力、最大残余应力深度值、残余应力影响层深度值。对表层残余应力梯度分布测试数据进行标准化处理(优选作归一化处理)，消除各表面状态指标间的量纲影响，进而可以计算每组参数下进给方向残余应力分布包络面积S₁和切宽方向残余应力分布包络面积S₂。

根据上述的测量数据，运用多元线性回归建立工艺参数与包络面积之间的二阶响应面关系模型，即第一关系模型为：

其中，y为残余应力分布包络面积，β₀为常数，β_i为第i个工艺参数的拟合系数，x_i为第i个工艺参数，x_j为第j个工艺参数，β_ij为x_i和x_j的关联拟合系数，n为工艺参数的总个数，i、j和n均为正整数。

在本实施例中，具体得到的模型有两个，一个是进给方向残余应力分布包络面积的模型，另一个是切宽方向残余应力分布包络面积的模型，具体如下：

第一关系模型建立完之后，本实施例中以最大化该模型中的残余应力分布包络面积为目标函数，解算各个铣削工艺参数范围。目标函数也可以表示为：

其中，x_l为铣削速度v_c，x₂为每齿进给量f_z，x₃为铣削深度a_p，x₄为铣削宽度a_e。因此，稳健性工艺参数域优化目标函数为：

为了获取更精准的数据，本实施例中以铣削工艺参数约束和表面粗糙度约束构建约束条件。

在一个实施例中，铣削工艺参数约束通过以下方法确定：

测量铣削试验得到的钛合金薄壁结构件的表面粗糙度参数和表面显微硬度参数；根据铣削参数、表面粗糙度参数、残余应力参数和表面显微硬度参数，建立第二关系模型；具体的，运用多元线性回归建立工艺参数和表面状态特征的关系模型(即第二关系模型)：

这里α_i、β_i、γ_i、η_i(i＝1～3)分别为v_c、f_z、a_e、a_p的指数，其大小代表表面状态特征对工艺因子变化的敏感性；其符号代表表面状态特征随工艺因子变化的变化方向。

在本实施例中，运用多元线性回归的方法建立工艺参数和表面状态特征的关系模型：

其中，R_a1-进给为进给方向的表面粗糙度、R_a2-切宽为切宽方向的表面粗糙度，σ_1-进给为进给方向的残余应力、σ_2-切宽为切宽方向的残余应力。

基于第二关系模型，确定每个工艺参数在不同水平区间中的变化幅值；其中，变化幅值包括表面粗糙度变化幅值、残余应力变化幅值和表面显微硬度变化幅值根据多个变化幅值计算平均值；选择变化幅值小于等于平均值对应的工艺参数范围作为铣削工艺参数约束。表面粗糙度变化幅值包括进给方向表面粗糙度变化幅值和切宽方向表面粗糙度变化幅值。残余应力变化幅值包括进给方向残余应力变化幅值和切宽方向残余应力变化幅值。

示例性地，初始加工工艺参数范围内分别进行表面粗糙度、表面残余应力、表面显微硬度对各工艺因子的灵敏度分析。根据灵敏度曲线，在因素x_i的m个水平范围内分别计算灵敏度值在[m₁,m₂]、[m₂,m₃]等m-1个水平区间内的变化幅值，记为A₁，A₂，…，A_m-1。从数学意义上讲，灵敏度反映输出函数y(x)对设计变量x_i的变化梯度，若y(x)可导，其一阶灵敏度S在连续系统中可表示为

当对某一因子求解灵敏度时，其他因子取中间水平值进行灵敏度结果计算。

如图1(a)所示，根据灵敏度曲线，在铣削速度v_c的四个水平范围内分别计算灵敏度值如表3所示。

表3

另外，图1(b)为每齿进给量灵敏度分析结果图，图1(c)为铣削深度灵敏度分析结果图，图1(d)为铣削宽度灵敏度分析结果图，各个参数可以根据各个图进行具体分析。

计算m-1个灵敏度值变化幅值A₁，…，A_j，…，A_m-1的平均值为A，则A_j＞A的区域为非稳定参数域，A_j≤A的区域为稳定参数域。进而，可以获得表面状态特征变化不敏感的稳定性工艺参数范围C₂，将该稳定性工艺参数范围C₂作为铣削工艺参数约束。

具体的，针对工艺参数的四个区间，表面粗糙度、残余应力、显微硬度的灵敏度变化幅值以及稳定域区间如表4所示。

表4

再对上述的数据进行转换即可获得表面状态特征变化不敏感的稳定性工艺参数域C₂，v_c＝[155m/min，235m/min]；f_z＝[0.04mm/z，0.06mm/z]；a_p＝[0.1mm，0.25mm]；a_e＝[0.2mm，0.5mm]。

对于表面粗糙度约束，可以表示为：

R_amin≤R_a(x)≤R_amax (8)

其中，R_a(x)为表面粗糙度，R_amin为表面粗糙度最小阈值，R_amax为表面粗糙度最大阈值。

综上，即可得到铣削稳健性工艺参数范围优化的约束条件：

该公式(9)中的各个工艺参数范围值均为稳定性工艺参数范围C₂中的值。

对于本实施例，具体的约束条件则为：

在得到目标函数和约束条件后，采用多目标遗传算法求解目标函数，再对求解结果进行整理，即可获得结构件铣削稳健性工艺参数范围C₃，再通过结构件铣削稳健性工艺参数范围C₃对钛合金薄壁结构件进行铣削加工，达到调节可控工艺参数的目的，补偿加工中不可控因子作用引起的结构件表面状态突变，保证结构件疲劳性能达到预期效果。

具体的，本实施例中采用多目标遗传优化算法进行稳健性优化求解，获得如图3所示的Pareto前沿图，在图中左上区域，虽然可获得较大的优化目标2(S₂)，但优化目标1(S₁)较小；在右下区域，虽然可获得较大的优化目标1，但优化目标2较小，所以，选择在中间区域，优化目标1、2均可实现最优结果。选择两个目标函数的最优解集如表5所示。对表5中的编码值进行计算获得实际加工参数、表面残余应力和残余应力影响层深如表4所示。

表5

表6

进而，对求解结果进行整理，获得薄壁结构稳健性工艺参数域C₃：v_c＝[170.5577m/min,178.8853m/min]；f_z＝[0.0499mm/z,0.0500mm/z]；a_p＝[0.1439mm，0.1443mm]；a_e＝[0.2020mm，0.2026mm]。

本发明方法是对疲劳性能有益的残余压应力梯度分布为优化目标，在灵敏度分析获得的稳定参数域范围内控制表面粗糙度范围，获得基于表面完整性的钛合金薄壁结构件铣削稳健性工艺参数域。

本发明通过在初始工艺参数范围内进行响应曲面试验，建立表面状态特征预测模型，以表面残余应力、最大残余压应力和残余应力层深度等所形成的包络面积为目标函数，在稳定参数域内且保证表面形位精度、表面粗糙度满足要求，进行结构件铣削稳健性工艺参数域优化。该方法获得的参数范围既满足了结构件铣削加工精度要求，又保证了热力耦合作用下表面变质层的要求，且在该参数域内选择工艺参数不会引起表面状态特征的突变。此外，稳健参数域的获得可以有效调控工艺参数减弱切削加工过程中机床、刀具磨损、振动等不可控因子对加工表面状态的影响，获得满足要求的表面状态特征，为实现薄壁结构件高质、高效、高性能制造提供技术支撑。

Claims (9)

1.一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于钛合金薄壁结构件的初选铣削工艺参数范围，进行钛合金铣削试验；

测量铣削试验得到的钛合金薄壁结构件的残余应力参数；

根据所述钛合金薄壁结构件的铣削参数和残余应力参数，建立第一关系模型；

以最大化所述第一关系模型中的残余应力分布包络面积为目标函数并求解，得到钛合金薄壁结构件的铣削稳健性工艺参数域；

基于所述铣削稳健性工艺参数域对钛合金薄壁结构件进行加工；

所述第一关系模型为：

其中，y为残余应力分布包络面积，β₀为常数，β_i为第i个工艺参数的拟合系数，x_i为第i个工艺参数，x_j为第j个工艺参数，β_ij为x_i和x_j的关联拟合系数，n为工艺参数的总个数，i、j和n均为正整数。

2.如权利要求1所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，所述残余应力分布包络面积包括进给方向残余应力分布包络面积和切宽方向残余应力分布包络面积。

3.如权利要求1-2任一所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，建立第一关系模型之后且求解目标函数之前还包括：

以铣削工艺参数约束和表面粗糙度约束构建约束条件。

4.如权利要求3所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，所述铣削工艺参数约束通过以下方法确定：

测量铣削试验得到的钛合金薄壁结构件的表面粗糙度参数和表面显微硬度参数；

根据所述铣削参数、表面粗糙度参数、残余应力参数和表面显微硬度参数，建立第二关系模型；

基于所述第二关系模型确定铣削工艺参数约束；

所述第二关系模型为：

其中，R_a为表面粗糙度，σ_r为表面残余应力，HV为表面显微硬度，α_i、β_i、γ_i、η_i分别为v_c、f_z、a_e、a_p的指数，i＝1～3，其大小代表表面状态特征对工艺因子变化的敏感性，v_c为铣削速度，f_z为每齿进给量，a_e为铣削宽度，a_p为铣削深度。

5.如权利要求4所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，基于所述第二关系模型确定铣削工艺参数约束包括：

基于所述第二关系模型，确定每个所述工艺参数在不同水平区间中的变化幅值；其中，所述变化幅值包括表面粗糙度变化幅值、残余应力变化幅值和表面显微硬度变化幅值；

根据多个所述变化幅值计算平均值；

选择所述变化幅值小于等于所述平均值对应的工艺参数范围作为铣削工艺参数约束。

6.如权利要求3所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，所述表面粗糙度约束具体为：

R_amin≤R_a(x)≤R_amax，

其中，R_a(x)为表面粗糙度，R_amin为表面粗糙度最小阈值，R_amax为表面粗糙度最大阈值。

7.如权利要求1或2或4或5或6所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，采用多目标遗传算法求解所述目标函数。

8.如权利要求7所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，所述初选铣削工艺参数范围包括铣削速度范围、每齿进给量范围、铣削宽度范围和铣削深度范围。

9.如权利要求8所述的一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，其特征在于，所述残余应力参数包括表面残余应力、最大残余应力、最大残余应力深度值和残余应力影响层深度值。

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