CN117852240A - 一种工艺参数优化方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明一种工艺参数优化方法及应用涉及机加工参数优化领域，具体涉及基于残余应力分布曲线包围面积的工艺参数优化，特别涉及一种工艺参数优化方法及应用，包括以下步骤：选定试验机床、加工方式、冷却方式及工艺参数，确定输出特征为表面粗糙度和表面残余应力，确定初选工艺参数取值范围，并设计正交试验，对每组试验参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试，得到测试数据；本发明基于残余应力分布曲线包围面积的工艺参数的优化方法，对残余应力分布曲线与坐标轴围成的面积进行简化计算，以包围面积最大为目标，保证表面粗糙度满足要求，在粗糙度和残余应力变化不敏感的工艺范围内完成工艺参数优化，保障工件的服役性能。
Description
技术领域
本发明涉及机加工参数优化领域，具体涉及基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化，特别涉及一种工艺参数优化方法及应用。
背景技术
工件在制造过程中，将受到来自各种工艺因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，将会以残余应力的形式存在。残余应力的分布一般用表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的表层深度、残余应力影响层深度四个特征表征。残余应力与构件的疲劳性能密切相关，如果残余应力分布梯度较大，在实际工作中残余应力的快速衰减会加速工件的疲劳失效，故必须控制残余应力梯度分布，尽可能的减缓工件服役过程中的残余应力衰减速度，提高工件的疲劳性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化方法，对残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的面积进行简化计算，以包围面积最大为目标，保证表面粗糙度满足要求，在粗糙度和残余应力变化不敏感的参数范围内完成工艺参数优化，尽可能保障工件的服役性能。
本发明一种工艺参数优化方法，包括以下步骤：
步骤1：选定试验机床、加工方式、冷却方式及工艺参数，确定输出特征为表面粗糙度和表面残余应力，确定初选工艺参数取值范围，并在该初选工艺参数取值范围内设计正交试验，对每组试验参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试，得到测试数据；
步骤2：根据步骤1的测试数据，建立工艺参数与表面粗糙度、表面残余应力之间的映射关系模型；
步骤3：根据步骤2的映射关系模型，通过灵敏度分析方法，确定表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域；
步骤4：采用X射线衍射法对已加工表面以下不同深度处的残余应力进行测试，得到测试结果数据，根据测试结果数据，建立残余应力场分布曲线，对残余应力值和深度值进行归一化处理；
步骤5：根据步骤4获得的归一化残余应力场深度分布曲线中表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的深度、残余应力影响层深度四个特征，对残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的区域进行简化，计算所围成的区域面积；
步骤6：以计算所围成的区域面积最大为目标，建立优化目标函数；
步骤7：以步骤3获得的表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域为工艺参数约束条件，且保证表面粗糙度满足工艺要求，建立基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化约束条件；
步骤8：根据步骤6的目标函数和步骤7约束条件，在MATLAB软件中采用数学优化算法完成基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化。
优选地，工艺参数为切削速度v、进给量f、切削深度a p 。
优选地，表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域确定方法如下：
（1）根据工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型，计算表面粗糙度对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
（2）根据工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型分别计算切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
（3）将每个工艺参数在取值范围内划分为多个等间距的取值区间，计算每个取值区间内表面粗糙度、切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度变化幅值；
（4）根据（3）计算出的灵敏度变化幅值，计算每个参数的每个取值区间内灵敏度变化幅值的平均值，若取值区间内灵敏度变化幅值大于平均值，则该取值区间为敏感的工艺参数区间；若取值区间内灵敏度变化幅值小于平均值，则该区间为不敏感的工艺参数区间，确定出表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数区间。
一种工艺参数优化方法的应用，该方法用于GH4169高温合金车削加工过程中切削速度v、进给量f、切削深度a p 的优化，具体方法如下：
步骤1.1在选定的试验机床、车削加工、以及冷却方法条件下，确定材料为GH4169高温合金，工艺参数为切削速度v、进给量f、切削深度a p；
步骤1.2 确定输出特征为表面粗糙度R a ；表面残余应力σ r ；
步骤1.3 确定初选工艺参数切削速度v、进给量f、切削深度a p 的取值范围，刀具为PVD 涂层硬质合金，乳化液冷却；
步骤1.4 在初选试验参数范围内按照三因素四水平进行正交试验设计，对每组工艺参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试；
步骤1.5 按照正交试验因素表完成车削试验，并对加工表面进行表面粗糙度R a 、表面切向残余应力σ r切和表面轴向残余应力σ r轴进行测试，得到测试数据；
步骤2.1 根据得到的测试数据，运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型；
步骤2.2根据得到的测试数据，运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型；
步骤3.1 通过工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型，计算表面粗糙度对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
步骤3.2 通过工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型，分别计算切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
步骤3.3根据步骤3.1和3.2，将每个工艺参数在取值范围内划分为多个等间距的取值区间，计算每个取值区间内表面粗糙度、切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度变化幅值；
步骤3.4 根据步骤3.3得到的灵敏度变化幅值，计算每个工艺参数的每个取值区间内灵敏度变化幅值的平均值，若取值区间内灵敏度变化幅值大于平均值，则该取值区间为敏感的工艺参数区间；若取值区间内灵敏度变化幅值小于平均值，则该区间为不敏感的工艺参数区间，确定出表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数区间；
步骤4.1 采用X射线衍射法对表面下不同深度处的残余应力进行测量：首先采用电解抛光机对试样进行腐蚀剥层，然后再采用X射线衍射法对残余应力进行测量，采用每次剥层厚度由电解时间、电压和电流控制，测试获得的残余应力深度分布曲线；
步骤4.2 对步骤4.1获得的残余应力值和深度值进行归一化处理，消除各表面状态指标间的量纲影响，获得归一化后的残余应力深度分布曲线；
步骤5.1 根据表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的深度、残余应力影响层深度四个特征，将残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的区域简化为梯形面积和三角形面积，计算所围成的区域面积；
步骤5.2 根据步骤5.1分别计算GH4169车削加工切向和轴向的残余应力深度方分布曲线与横坐标代表的表层深度所围成的切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴；
步骤5.3 根据正交试验中的车削参数，以及切向和轴向残余应力包围面积，分别建立切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴与工艺参数之间的关系模型；
步骤6：以切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴最大为目标，建立优化目标函数；
步骤7：以步骤3.4获得的表面粗糙度和残余应力变化不敏感的工艺参数域为约束条件，且保证表面粗糙度不大于工艺要求的最大粗糙度值，建立基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化约束条件；
步骤8：在MATLAB中采用数学优化算法进行求解，获得基于残余应力深度分布曲线包围面积的优化工艺参数切削速度v、进给量f、切削深度a p。
本发明基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数的优化方法，对残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的面积进行简化计算，以包围面积最大为目标，保证表面粗糙度满足要求，在粗糙度和残余应力变化不敏感的工艺范围内完成工艺参数优化，尽可能保障工件的服役性能。
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，未能根据疲劳性能要求顾及构件残余应力分布特征。残余应力分布会直接影响构件的疲劳性能，残余压应力会提高疲劳裂纹的萌生和扩展寿命，而残余压应力包络面积越大，说明残余应力深度分布曲线越平滑，可有效控制表层残余应力松弛的梯度变化，进一步减小其对疲劳性能的影响。因此，在满足表面粗糙度要求范围的基础上，弱化切削加工过程中不可控因子对残余应力分布的影响，通过残余应力分布产生的包围面积控制残余应力梯度分布，从而保证构件的疲劳性能满足预期要求，实现构件的稳健、高质、高效、高性能制造。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为表面粗糙度对切削参数的灵敏度变化规律示意图。
图3为残余应力对切削参数的灵敏度变化规律示意图。
图4为残余应力深度分布曲线示意图。
图5为归一化后的残余应力深度分布曲线示意图。
图6为残余应力深度分布曲线包围面积示意图。
图7为对比试验中1#号试件和2#号试件的残余应力深度分布曲线示意图。
实施方式
本发明一种工艺参数优化方法，包括以下步骤：
步骤1：选定试验机床、加工方式、冷却方式及工艺参数，确定输出特征为表面粗糙度和表面残余应力，确定初选工艺参数取值范围，并在该初选工艺参数取值范围内设计正交试验，对每组试验参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试，得到测试数据；
步骤2：根据步骤1的测试数据，建立工艺参数与表面粗糙度、表面残余应力之间的映射关系模型；
步骤3：根据步骤2的映射关系模型，通过灵敏度分析方法，确定表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域；
步骤4：采用X射线衍射法对已加工表面以下不同深度处的残余应力进行测试，得到测试结果数据，根据测试结果数据，建立残余应力场分布曲线，对残余应力值和深度值进行归一化处理；
步骤5：根据步骤4获得的归一化残余应力场深度分布曲线中表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的深度、残余应力影响层深度四个特征，对残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的区域进行简化，计算所围成的区域面积；
步骤6：以计算所围成的区域面积最大为目标，建立优化目标函数；
步骤7：以步骤3获得的表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域为工艺参数约束条件，且保证表面粗糙度满足工艺要求，建立基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化约束条件；
步骤8：根据步骤6的目标函数和步骤7约束条件，在MATLAB软件中采用数学优化算法完成基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化。
工艺参数为切削速度v、进给量f、切削深度a p 。
表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域确定方法如下：
（1）根据工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型，计算表面粗糙度对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
（2）根据工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型分别计算切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
（3）将每个工艺参数在取值范围内划分为多个等间距的取值区间，计算每个取值区间内表面粗糙度、切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度变化幅值；
（4）根据（3）计算出的灵敏度变化幅值，计算每个参数的每个取值区间内灵敏度变化幅值的平均值，若取值区间内灵敏度变化幅值大于平均值，则该取值区间为敏感的工艺参数区间；若取值区间内灵敏度变化幅值小于平均值，则该区间为不敏感的工艺参数区间，确定出表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数区间。
一种工艺参数优化方法的应用，该方法用于GH4169高温合金车削加工过程中切削速度v、进给量f、切削深度a p 的优化，具体方法如下：
步骤1.1在选定的试验机床、车削加工、以及冷却方法条件下，确定材料为GH4169高温合金，工艺参数为切削速度v、进给量f、切削深度a p ；
步骤1.2 确定输出特征为表面粗糙度R a ；表面残余应力σ r ；
步骤1.3 确定初选工艺参数切削速度v、进给量f、切削深度a p 的取值范围，刀具为PVD 涂层硬质合金，乳化液冷却；
步骤1.4 在初选试验参数范围内按照三因素四水平进行正交试验设计，对每组工艺参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试；
步骤1.5 按照正交试验因素表完成车削试验，并对加工表面进行表面粗糙度Ra、表面切向残余应力σ r切和表面轴向残余应力σ r轴测试，得到测试数据；
步骤2.1 根据得到的测试数据，运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型；
步骤2.2根据得到的测试数据，运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型；
步骤3.1 通过工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型，计算表面粗糙度对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
步骤3.2 通过工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型，分别计算切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
步骤3.3根据步骤3.1和3.2，将每个工艺参数在取值范围内划分为多个等间距的取值区间，计算每个取值区间内表面粗糙度、切向和轴向的表面残余应对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度变化幅值；
步骤3.4 根据步骤3.3得到的灵敏度变化幅值，计算每个工艺参数的每个取值区间内灵敏度变化幅值的平均值，若取值区间内灵敏度变化幅值大于平均值，则该取值区间为敏感的工艺参数区间；若取值区间内灵敏度变化幅值小于平均值，则该区间为不敏感的工艺参数区间，确定出表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数区间；
步骤4.1 采用X射线衍射法对表面下不同深度处的残余应力进行测量：首先采用电解抛光机对试样进行腐蚀剥层，然后再采用X射线衍射法对残余应力进行测量，采用每次剥层厚度由电解时间、电压和电流控制，测试获得残余应力深度分布曲线；
步骤4.2 对步骤4.1获得的残余应力值和深度值进行归一化处理，消除量纲影响，获得归一化后的残余应力深度分布曲线；
步骤5.1 根据表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的深度、残余应力影响层深度四个特征，将残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的区域简化为梯形面积和三角形面积，计算所围成的区域面积；
步骤5.2 根据步骤5.1分别计算GH4169车削加工切向和轴向的残余应力深度方分布曲线与横坐标代表的表层深度所围成的切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴；
步骤5.3 根据正交试验中的车削参数，以及切向和轴向残余应力包围面积，分别建立切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴与工艺参数之间的关系模型；
步骤6：以切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴最大为目标，建立优化目标函数；
步骤7：以步骤3.4获得的表面粗糙度和残余应力变化不敏感的工艺参数域为约束条件，且保证表面粗糙度不大于工艺要求的最大粗糙度值，建立基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化约束条件；
步骤8：在MATLAB中采用数学优化算法进行求解，获得基于残余应力深度分布曲线包围面积的优化工艺参数切削速度v、进给量f、切削深度a p 。
实施例
步骤1选定试验机床、加工方式、冷却方式及工艺参数，确定输出特征为表面粗糙度和表面残余应力，确定初选工艺参数取值范围，并在该初选工艺参数取值范围内设计正交试验，对每组试验参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试，得到测试数据；
具体方法如下：
步骤1.1 在选定的试验机床、加工方式、以及冷却方法条件下，确定本发明研究的应用材料为GH4169高温合金，加工方式为车削加工，工艺参数为切削速度v、进给量f、切削深度a p ；
步骤1.2 确定本发明中研究的输出特征为表面粗糙度R a ；表面残余应力σ r ；
步骤1.3 确定初选工艺参数范围为切削速度v=40~70m/min，进给量f=0.1~0.4mm/z，切削深度a p =0.2~0.5mm；刀具为PVD 涂层硬质合金，乳化液冷却；
步骤1.4 在初选试验参数范围内按照如表1所示的三因素四水平进行正交试验设计，具体试验组设计如表2所示：
表1正交试验因素表（硬质合金刀片）
| 工艺参数 | 水平1 | 水平2 | 水平3 | 水平4 |
| A-车削速度v（m/min） | 40 | 50 | 60 | 70 |
| B-进给量f（mm/r） | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 |
| C-切削深度a p（mm） | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 |
步骤1.5 按照正交试验因素表完成车削试验，并对加工表面进行表面粗糙度R a 、表面切向残余应力σ r切和表面轴向残余应力σ r轴测试；
表2正交试验设计及测试结果
步骤2：根据表2测试数据，建立工艺参数与表面粗糙度、表面残余应力之间的映射关系模型；
步骤2.1 运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型，见式（2-1）：
(2-1)
步骤2.2 运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型，见式（2-2）：
(2-2)
步骤3：通过灵敏度分析方法确定表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域；
步骤3.1 通过公式(2-1)，计算表面粗糙度对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律如图2所示，可以看出表面粗糙度在每个工艺参数取值处的灵敏度不同；表面粗糙度在切削速度[40,50]m/min，进给量[0.1,0.2]mm/r，切削深度在[0.2,0.3]mm的灵敏度大于其他参数范围。
步骤3.2 通过公式(2-2)，分别计算切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律如图3所示，同样可以得到表面残余应力在每个工艺参数取值处的灵敏度不同，轴向残余应力对切削速度、进给量、切削深度的敏感程度大于切向残余应力；表面残余应力在切削速度[40,50]m/min，进给量[0.1,0.2]mm/r，切削深度在[0.2,0.3]mm的灵敏度大于其他参数范围。
步骤3.3 根据步骤3.2，计算每个参数区间内表面粗糙度、表面轴向残余应力、表面切向残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度变化幅值，结果如表3所示；
表3 灵敏度分析结果
步骤3.4 根据表3灵敏度变化幅值，计算每个参数区间内灵敏度变化幅值的平均值，确定出表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数区间，结果如表4所示；
表4 灵敏度变化幅值及稳定参数域分析结果
步骤4：采用剥层方法测试残余应力深度分布，根据测试数据建立残余应力场分布曲线，对残余应力值和深度值进行归一化处理；
步骤4.1 采用X射线衍射法对残余应力进行测量：表层残余应力测试首先采用电解抛光机对试样进行腐蚀剥层，然后再采用X射线衍射法对残余应力进行测量，采用每次剥层厚度由电解时间、电压和电流控制，测试获得的残余应力深度分布曲线如图4所示；
步骤4.2 对图4获得的残余应力值和深度值进行归一化处理，消除各表面状态指标间的量纲影响，获得归一化后的残余应力深度分布曲线如图5所示。
步骤5：根据表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的深度、残余应力影响层深度四个特征，将残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的区域简化为梯形面积S 1和三角形面积S 2，计算所围成的区域面积；
步骤5.1 残余应力深度分布曲线以及四个表征特征如图6所示，其中表面残余应力力σ rsur、残余应力最大值σ rmax、残余应力最大值所在的深度h σrmax围成的区域可近似用梯形面积公式计算S 1，如式(5-1)所示；残余应力最大值σ rmax、残余应力最大值所在的深度h σrmax、残余应力影响层深度h σr围成的区域可近似采用三角形面积公式计算S 2，如式(5-2)所示；最终残余应力深度分布曲线与坐标轴围成的区域面积为S=S 1+S 2，计算公式如式(5-3)所示：
步骤5.2 基于上式(5-1)~（5-3）分别计算GH4169车削加工切向和轴向的残余应力深度方分布曲线与横坐标代表的表层深度所围成的面积S 切和S 轴，如表5所示。
表5 计算获得的包围面积
步骤5.3根据表2中的车削参数和表5所示的切向和轴向残余应力包围面积，分别建立切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴与工艺参数之间的关系模型，如式（5-4）和（5-5）所示：
步骤6：以切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴最大为目标，建立优化目标函数，如式（5-6）所示：
（5-6）
步骤7：以工艺要求的表面粗糙度范围为约束条件，在步骤3获得的表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域中，完成基于残余应力分布包围面积的工艺参数域优化。
步骤7.1 以步骤3.4获得的表面粗糙度和残余应力变化不敏感的工艺参数域为约束条件，且保证表面粗糙度不大于1.5μm，建立基于残余应力深度分布曲线包围面积的工艺参数优化约束条件(5-7)所示：
(5-7)
步骤8：在MATLAB中采用数学优化算法进行求解，获得基于残余应力深度分布曲线包围面积的优化工艺参数为：v=56.794m/min，f=0.4mm/r，a p=0.319mm；
步骤9：采用优化获得的工艺参数和常规加工工艺参数分别设计工艺试验，对比残余应力深度分布曲线与横坐标代表的表层深度所围成的面积、表面粗糙度结果，验证优化结果的正确性和可靠性。
步骤9.1 针对高温合金材料，进行车削试验验证。工艺试验设计如表6所示，优化参数加工的表面粗糙度为1.03μm，常规参数加工的表面粗糙度为0.99μm，优化参数加工的表面粗糙度比常规参数大0.04μm，但是两者均满足要求；
表6 对比试验设计
步骤9.2 对优化工艺参数加工的1#号试件和常规工艺参数加工的2#号试件的残余应力进行测试，结果如图7所示；对残余应力结果进行归一化处理，计算获得的残余应力深度分布曲线包围面积如表7所示，可以看出优化参数加工残余应力在切向和轴向的分布曲线包围面积均大于常规参数加工结果。
表7 残余应力分布包围面积图
。/>
Claims (4)
1.一种工艺参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选定试验机床、加工方式、冷却方式及工艺参数，确定输出特征为表面粗糙度和表面残余应力，确定初选工艺参数取值范围，并在该初选工艺参数取值范围内设计正交试验，对每组试验参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试，得到测试数据；
步骤2：根据步骤1的测试数据，建立工艺参数与表面粗糙度、表面残余应力之间的映射关系模型；
步骤3：根据步骤2的映射关系模型，通过灵敏度分析方法，确定表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域；
步骤4：采用X射线衍射法对已加工表面以下不同深度处的残余应力进行测试，得到测试结果数据，根据测试结果数据，建立残余应力场分布曲线，对残余应力值和深度值进行归一化处理；
步骤5：根据步骤4获得的归一化残余应力场深度分布曲线中表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的深度、残余应力影响层深度四个特征，对残余应力分布曲线与坐标轴围成的区域进行简化，计算所围成的区域面积；
步骤6：以计算所围成的区域面积最大为目标，建立优化目标函数；
步骤7：以步骤3获得的表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域为工艺参数约束条件，且保证表面粗糙度满足工艺要求，建立基于残余应力分布曲线包围面积的工艺参数优化约束条件；
步骤8：根据步骤6的目标函数和步骤7约束条件，在MATLAB软件中采用数学优化算法完成基于残余应力分布曲线包围面积的工艺参数优化。
2.如权利要求1所述一种工艺参数优化方法，其特征在于，所述工艺参数为切削速度v、进给量f、切削深度a p 。
3.如权利要求2所述一种工艺参数优化方法，其特征在于，所述表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数域确定方法如下：
（1）根据工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型，计算表面粗糙度对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
（2）根据工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型分别计算切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
（3）将每个工艺参数在取值范围内划分为多个等间距的取值区间，计算每个取值区间内表面粗糙度、切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度变化幅值；
（4）根据（3）计算出的灵敏度变化幅值，计算每个参数的每个取值区间内灵敏度变化幅值的平均值，若取值区间内灵敏度变化幅值大于平均值，则该取值区间为敏感的工艺参数区间；若取值区间内灵敏度变化幅值小于平均值，则该区间为不敏感的工艺参数区间，确定出表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数区间。
4.一种如权利要求1所述工艺参数优化方法的应用，其特征在于，该方法用于GH4169高温合金车削加工过程中切削速度v、进给量f、切削深度a p 的优化，具体方法如下：
步骤1.1在选定的试验机床、车削加工、以及冷却方法条件下，确定材料为GH4169高温合金，工艺参数为切削速度v、进给量f、切削深度a p ；
步骤1.2 确定输出特征为表面粗糙度R a ；表面残余应力σ r ；
步骤1.3 确定初选工艺参数切削速度v、进给量f、切削深度a p 的取值范围，刀具为PVD涂层硬质合金，乳化液冷却；
步骤1.4 在初选试验参数范围内按照三因素四水平进行正交试验设计，对每组工艺参数加工工件进行表面粗糙度和表面残余应力测试；
步骤1.5 按照正交试验因素表完成车削试验，并对加工表面进行表面粗糙度R a 、表面切向残余应力σ r切 和表面轴向残余应力σ r轴进行测试，得到测试数据；
步骤2.1 根据得到的测试数据，运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型；
步骤2.2根据得到的测试数据，运用多元非线性回归方法，建立工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型；
步骤3.1 通过工艺参数与表面粗糙度之间的映射关系模型，计算表面粗糙度对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
步骤3.2 通过工艺参数与表面残余应力之间的映射关系模型，分别计算切向和轴向的表面残余应力对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度，获得灵敏度变化规律；
步骤3.3根据步骤3.1和3.2，将每个工艺参数在取值范围内划分为多个等间距的取值区间，计算每个取值区间内表面粗糙度、切向和轴向的表面残余应对切削速度、进给量、切削深度的灵敏度变化幅值；
步骤3.4 根据步骤3.3得到的灵敏度变化幅值，计算每个工艺参数的每个取值区间内灵敏度变化幅值的平均值，若取值区间内灵敏度变化幅值大于平均值，则该取值区间为敏感的工艺参数区间；若取值区间内灵敏度变化幅值小于平均值，则该区间为不敏感的工艺参数区间，确定出表面粗糙度和表面残余应力变化不敏感的工艺参数区间；
步骤4.1 采用X射线衍射法对表面下不同深度处的残余应力进行测量：首先采用电解抛光机对试样进行腐蚀剥层，然后再采用X射线衍射法对残余应力进行测量，采用每次剥层厚度由电解时间、电压和电流控制，测试获得残余应力分布曲线；
步骤4.2 对步骤4.1获得的残余应力值和深度值进行归一化处理，消除各表面状态指标间的量纲影响，获得归一化后的残余应力分布曲线；
步骤5.1 根据表面残余应力、残余应力最大值、残余应力最大值所在的深度、残余应力影响层深度四个特征，将残余应力分布曲线与坐标轴围成的区域简化为梯形面积和三角形面积，计算所围成的区域面积；
步骤5.2 根据步骤5.1分别计算GH4169车削加工切向和轴向的残余应力深度方分布曲线与横坐标代表的表层深度所围成的切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴；
步骤5.3 根据正交试验中的车削参数，以及切向和轴向残余应力包围面积，分别建立切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴与工艺参数之间的关系模型；
步骤6：以切向残余应力包围面积S 切和轴向残余应力包围面积S 轴最大为目标，建立优化目标函数；
步骤7：以步骤3.4获得的表面粗糙度和残余应力变化不敏感的工艺参数域为约束条件，且保证表面粗糙度不大于工艺要求的最大粗糙度值，建立基于残余应力分布曲线包围面积的工艺参数优化约束条件；
步骤8：在MATLAB中采用数学优化算法进行求解，获得基于残余应力分布曲线包围面积的优化工艺参数切削速度v、进给量f、切削深度a p 。
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| CN202310418932.7A CN117852240A (zh) | 2023-04-19 | 2023-04-19 | 一种工艺参数优化方法及应用 |
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