一種深冷加工鎳基高溫合金的參數優化方法

2023-05-17 19:15:31 1

一種深冷加工鎳基高溫合金的參數優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種深冷加工鎳基高溫合金的參數優化方法，包括：以噴射液氮的方式執行深冷加工，並為包括切削速度、切削深度和切削進給量在內的一系列待優化輸入加工參數設定取值區間；根據正交試驗來執行多種工況下的車削加工，相應建立車削模型，並求解各工況下作為研究變量的輸出結果；選取切削溫度、加工平面方向的表面殘餘拉應力和最大殘餘壓應力的深度這三個變量作為優化目標，並採用響應面法進行擬合；對三個優選目標分別設定優化係數，並求解獲得在深冷加工條件下，上述待優化加工參數的最優解。通過本發明，能夠在主要車削加工輸出結果之間取得良好的平衡，有效執行對整體切削工藝參數的優化，同時達到顯著提高加工質量的目的。
【專利說明】一種深冷加工鎳基高溫合金的參數優化方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於數控車削加工【技術領域】，更具體地，涉及一種深冷加工鎳基高溫合金 的參數優化方法。

【背景技術】
[0002] 鎳基高溫合金是一類具備工作溫度高、抗氧化熱腐蝕性好、有害相少、組織穩定等 優良特性的高性能材料，並被廣泛應用在航空製造業中。但鎳基高溫合金又屬於難加工材 料，在加工過程中切削力大、加工硬化嚴重、容易"粘刀"，會產生很大切削抗力和大量加工 熱，因此在傳統切削加工中通常會使用普通切削液，它具有潤滑、冷卻、排肩、清洗及防鏽的 功能，並起到提高金屬切削中加工表面的質量、延長刀具的使用壽命等效果。
[0003] 然而，對於鎳基高溫合金這類難加工材料，需要採用大量的切削液來保證足夠的 刀具壽命和可靠的表面質量，因而其材料去除率很低，而且切削液的處理要求很高、汙染環 境、不利於工作人員身體健康；另一方面，在需要採用切削液的情況下，如何更有針對性地 分析得出該切削液條件以及其他關鍵加工參數對車削加工輸出結果之間的各種影響，目前 尚缺乏深入研宄，並日益成為需要重點關注的研宄方向之一。


【發明內容】

[0004] 針對現有技術的以上不足或改進需求，本發明提供了一種深冷加工鎳基高溫合金 的參數優化方法，其中通過結合鎳基高溫合金和車削加工自身的特點，採用液氮噴射方式 在深冷條件下執行切削加工工序，尤其是通過選擇以切削溫度和殘餘應力作為主要優化目 標，並對其優化模型進行設計，實際測試表明能夠在關鍵車削加工輸出結果之間取得良好 的平衡，達到整體優化工藝參數和顯著提高加工質量的目的，因而尤其適用於鎳基高溫合 金之類難加工材料的切削加工用途。
[0005] 為實現上述目的，按照本發明，提供了一種深冷加工鎳基高溫合金的參數優化方 法，其特徵在於，該方法包括以下步驟：
[0006] (a)為車床主軸及配置的車刀組裝液氮冷卻噴頭，該液氮冷卻噴頭隨著車床主軸 和車刀同步移動用於噴射液氮以執行深冷加工；此外，為包括切削速度、切削深度和切削進 給量在內的一系列待優化輸入加工參數分別設定取值區間；
[0007] (b)在上述各個取值區間的範圍內，分別選取所述輸入加工參數進行組合，並根據 正交試驗來執行多種工況下的車削加工，相應建立車削模型；然後，求解各種工況下所對應 的包括切削溫度、軸向車削分力Fx、徑向車削分力Fy、加工平面方向的表面殘餘拉應力、加 工平面方向的最大殘餘壓應力、以及加工平面方向的最大殘餘壓應力的深度在內的輸出結 果；
[0008] (C)基於步驟（b)所建立的車削模型，選取切削溫度、加工平面方向的表面殘餘拉 應力以及加工平面方向的最大殘餘壓應力的深度這三個變量作為優化目標；
[0009] (d)採用響應面法並通過二次多項式回歸方程的形式，對步驟（C)所選取的三個 優化目標分別進行擬合，並獲得如下所示的通用擬合方程：
[0010] W=a+biXS+b2XAp+b3Xf,+C1XSXAp+c2XSXfz+c3XApXT^d1XS2+d2XAp2+d3X f2
[0011] 其中，W表示擬合對象也即切削溫度T、加工平面方向的表面殘餘拉應力σ 者 加工平面方向的最大殘餘壓應力的深度σY;a、bPb2、b3、Cpc2、c3、dpd2、d3分別是該擬合 方程的各個係數，S表示在響應面法試驗過程中所選取的多個切削速度，\表示在響應面法 試驗過程中所選取的多個切削深度，匕則表示在響應面法試驗過程中所選取的多個切削進 給量；
[0012] (e)按照加工平面方向的最大殘餘壓應力的深度、切削溫度和加工平面方向的表 面殘餘拉應力的前後優先級次序，分別對它們各自所對應的擬合方程來設定不同的優化系 數，然後進行求解相應獲得在深冷加工條件下，切削速度、切削深度和切削進給量這些參數 在所述取值區間範圍內的最優解，並將其作為最終用於執行鎳基高溫合金切削加工的工藝 參數組合，由此完成整體的參數優化過程。
[0013] 作為進一步優選地，對於所述液氮冷卻噴頭而言，其優選採用液氮前刀面冷卻方 式來執行對車刀的噴射冷卻。
[0014] 作為進一步優選地，在步驟（d)中，優選採用逐步回歸法對優化目標執行擬合處 理，由此獲得所述優化函數式。
[0015] 作為進一步優選地，在步驟（e)中，所述加工平面方向的最大殘餘壓應力深度的 優化係數優選被設定為[10,20]，所述切削溫度的優化係數優選被設定為[6,9]，所述加工 平面方向的表面殘餘拉應力的優化係數優選被設定為[3,5]。
[0016] 作為進一步優選地，在步驟（a)中，優選以刀具手冊為基礎，並結合多次實驗設計 的實際測試數據，通過統計方式得出各個待優化輸入加工參數的取值區間。
[0017] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，由於採用深冷條 件下的鎳基高溫合金切削加工，並著重分析液氮冷卻方式以及其他關鍵加工參數對車削加 工輸出結果之間的各種影響，尤其是，通過對包括切削溫度、表面殘餘拉應力和最大殘餘壓 應力深度在內的加工輸出結果構建相應的優化模型，相應能夠有效執行對整體切削工藝參 數的優化，同時達到顯著提高加工質量的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是按照本發明的深冷加工鎳基高溫合金的參數優化工藝的整體流程圖；
[0019] 圖2a是採用單因素分析法所獲得的不同冷卻方式對切削溫度的影響對照圖； [0020] 圖2b是採用單因素分析法所獲得的切削速度對切削溫度的影響對照圖；
[0021] 圖2c是採用單因素分析法所獲得的切削深度對切削溫度的影響對照圖；
[0022] 圖2d是採用單因素分析法所獲得的切削進給量對切削溫度的影響對照圖；
[0023] 圖3a是採用單因素分析法所獲得的不同冷卻方式對表面殘餘拉應力的影響對照 圖；
[0024] 圖3b是採用單因素分析法所獲得的切削速度對表面殘餘拉應力的影響對照圖；
[0025] 圖3c是採用單因素分析法所獲得的切削深度對表面殘餘拉應力的影響對照圖；
[0026] 圖3d是採用單因素分析法所獲得的切削進給量對表面殘餘拉應力的影響對照 圖；
[0027] 圖4a是採用單因素分析法所獲得的不同冷卻方式對最大殘餘壓應力的影響對照 圖；
[0028] 圖4b是採用單因素分析法所獲得的切削速度對最大殘餘壓應力的影響對照圖；
[0029] 圖4c是採用單因素分析法所獲得的切削深度對最大殘餘壓應力的影響對照圖；
[0030] 圖4d是採用單因素分析法所獲得的切削進給量對最大殘餘壓應力的影響對照 圖。

【具體實施方式】
[0031] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並 不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要 彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0032] 圖1是按照本發明的深冷加工鎳基高溫合金的參數優化工藝的流程圖。下面將以 工刀柄為kennametal的STFCL2525M12、刀片是kennametal的TCGT15T308HP、三角形刀片， 后角是7°，刀尖圓弧半徑是0. 8_來作為實例，以便更為具體地解釋本發明的工藝過程和 效果。
[0033] 首先，為車床主軸及配置的車刀組裝液氮冷卻噴頭，該液氮冷卻噴頭隨著車床主 軸和車刀同步移動，並用於向車刀以及工件切削部位等噴射液氮以執行深冷加工；此外，可 以以刀具手冊為基礎，加上實驗設計的多次實際測試結果作為參照，從而為包括切削速度、 切削深度和切削進給量在內的一系列待優化輸入加工參數分別統計得出一個適合的取值 區間；例如，在本實例中，切削速度的取值區間被設定為15m/min-45m/min，切削深度的取 值區間被設定為〇. 進給量的取值區間被設定為0. 05mm-0. 25mm。
[0034] 接著，在上述各個取值區間的範圍內，分別選取所述輸入加工參數進行組合，並根 據正交試驗來執行多種工況下的車削加工，相應建立車削模型；具體而言，在本實例中，切 削速度選擇了 20m/min、25m/min、30m/min、40m/min等試驗數值，切削深度選擇了 0. 4mm、 0· 7mm、I. 0mm、I. 3mm，進給量選擇了 0· 05mm、0. 10mm.0. 1 5mm.0. 25mm;通過正交試驗設計的 實驗如下表I所示，並依此建立車削實驗模型。
[0035]

【權利要求】
1. 一種深冷加工鎳基高溫合金的參數優化方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟： (a) 為車床主軸及配置的車刀組裝液氮冷卻噴頭，該液氮冷卻噴頭隨著車床主軸和車 刀同步移動用於噴射液氮以執行深冷加工；此外，為包括切削速度、切削深度和切削進給量 在內的一系列待優化輸入加工參數分別設定取值區間； (b) 在上述各個取值區間的範圍內，分別選取所述輸入加工參數進行組合，並根據正交 試驗來執行多種工況下的車削加工，相應建立車削模型；然後，求解各種工況下所對應的包 括切削溫度、軸向車削分力Fx、徑向車削分力Fy、加工平面方向的表面殘餘拉應力、加工平 面方向的最大殘餘壓應力、以及加工平面方向的最大殘餘壓應力的深度在內的輸出結果； (c) 基於步驟（b)所建立的車削模型，選取切削溫度、加工平面方向的表面殘餘拉應力 以及加工平面方向的最大殘餘壓應力的深度這三個變量作為優化目標； (d) 採用響應面法並通過二次多項式回歸方程的形式，對步驟（c)所選取的三個優化 目標分別進行擬合，並獲得如下所示的通用擬合方程：W = a+biXS+t^XAp+t^Xf^+CiXSXAp+c2 X S X f z+c3 X Ap X f z+di X S2+d2 X Ap2+d3 X f z2 其中，W表示擬合對象也即切削溫度T、加工平面方向的表面殘餘拉應力者加工 平面方向的最大殘餘壓應力的深度〇 Y;a、b i、b2、b3、Cp c2、c3、dp d2、d3分別是該擬合方程 的各個係數，S表示在響應面法試驗過程中所選取的多個切削速度，Ap表示在響應面法試 驗過程中所選取的多個切削深度，fz則表示在響應面法試驗過程中所選取的多個切削進給 量； (e) 按照加工平面方向的最大殘餘壓應力的深度、切削溫度和加工平面方向的表面殘 餘拉應力的前後優先級次序，分別對它們各自所對應的擬合方程來設定不同的優化係數， 然後進行求解相應獲得在深冷加工條件下，切削速度、切削深度和切削進給量這些參數在 所述取值區間範圍內的最優解，並將其作為最終用於執行鎳基高溫合金切削加工的工藝參 數組合，由此完成整體的參數優化過程。
2. 如權利要求1所述的參數優化方法，其特徵在於，對於所述液氮冷卻噴頭而言，其優 選採用液氮前刀面冷卻方式來執行對車刀的噴射冷卻。
3. 如權利要求1或2所述的參數優化方法，其特徵在於，在步驟（d)中，優選採用逐步 回歸法對優化目標執行擬合處理，由此獲得所述優化函數式。
4. 如權利要求1-3任意一項所述的參數優化方法，其特徵在於，在步驟（e)中，所述加 工平面方向的最大殘餘壓應力深度的優化係數優選被設定為[10, 20]，所述切削溫度的優 化係數優選被設定為[6,9]，所述加工平面方向的表面殘餘拉應力的優化係數優選被設定 為[3, 5]。
5. 如權利要求1-3任意一項所述的參數優化方法，其特徵在於，在步驟（a)中，優選以 刀具手冊為基礎，並結合多次實驗設計的實際測試數據，通過統計方式得出各個待優化輸 入加工參數的取值區間。
【文檔編號】G06F17/50GK104484519SQ201410735260
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月4日 優先權日:2014年12月4日
【發明者】丁漢, 賀子和, 張小明, 莊可佳, 張東, 黃信達 申請人:華中科技大學