切削條件對(duì)超臨界材料加工影響規(guī)律研究*

陳洪濤 黃 遂 傅 攀 王建錄 劉 義

(①西南交通大學(xué)，四川成都610031；①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng)618000；③東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000)

隨著汽輪機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)、低能耗、低排放產(chǎn)品規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，主機(jī)國(guó)產(chǎn)化率逐步提高，對(duì)整機(jī)中主要零部件——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片的加工質(zhì)量也提出了更高的要求。這類(lèi)零部件主要采用超臨界材料制造，其主要特點(diǎn)是耐高溫、抗蠕變、抗疲勞、高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗氧化、膨脹系數(shù)小。由于該類(lèi)零件工況的特殊性，對(duì)切削加工工藝要求非常嚴(yán)格。目前對(duì)于超臨界材料在切削條件變化時(shí)對(duì)金屬本體之間作用規(guī)律的研究還比較薄弱，在實(shí)際生產(chǎn)中，切削用量、切削液等切削條件的選擇主要還是建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的提出與發(fā)展為研究非線性系統(tǒng)提供了一種強(qiáng)有力的工具，它已成功地應(yīng)用于許多研究領(lǐng)域，在機(jī)械工程學(xué)科的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。

本文將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于超臨界材料切削規(guī)律研究，以正交銑削試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)三向切削力，并對(duì)工件表面硬度和微觀組織進(jìn)行分析，再經(jīng)過(guò)因子刻畫(huà)，建立了針對(duì)不同工藝要求合理選擇切削用量的模型，據(jù)此可優(yōu)化切削條件。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

完善的試驗(yàn)方法是降低試驗(yàn)成本，獲得完整數(shù)據(jù)的可靠保證。常用的試驗(yàn)方法有正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，均勻試驗(yàn)方法及回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法等［1］。

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為做到盡量全面覆蓋試件試驗(yàn)材料加工的切削用量，我們將切削三要素作為3因子，并按5個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，切削用量的取值見(jiàn)表1。如按均勻試驗(yàn)方法做全因子試驗(yàn)，3因子5水平的試驗(yàn)次數(shù)為35=243次，而正交試驗(yàn)為53=75次，大大節(jié)約了試驗(yàn)成本和周期，同時(shí)能獲得預(yù)測(cè)控制所需要的數(shù)據(jù)［2-3］。

表1 試驗(yàn)切削用量

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

試驗(yàn)選用瑞士Kistler公司Kistler9257B測(cè)力儀和DEWE-3021便攜式數(shù)字采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)組合能實(shí)時(shí)精確測(cè)量銑削加工中主切削力Fx、進(jìn)給力Fy和背向力Fz三向力信號(hào)。搭建試驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，需事先制作好與測(cè)力儀匹配的底座并通過(guò)壓板裝夾到機(jī)床工作臺(tái)上，再將測(cè)力儀與底座通過(guò)螺釘固定。對(duì)每一加工試件預(yù)先加工出臺(tái)階和連接孔，并用4個(gè)緊固螺釘將試件與測(cè)力計(jì)固定，如圖1所示。

1.2 加工條件

本試驗(yàn)加工條件見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)加工條件

2 測(cè)量與分析

按正交表完成試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果記入正交表(表3為75組正交表中ap=0.5 mm的部分)。以隨機(jī)抽取檢測(cè)到的切削過(guò)程中10.501 s到10.861 s的一組三向力信號(hào)為例，如圖2所示，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)從上到下分別是X，Y，Z方向的3個(gè)通道力的電壓信號(hào)(單位：V)，該信號(hào)與力的大小比例是1 V=500 N?？梢钥吹剑琗方向的主切削力信號(hào)幅值大于其他兩個(gè)方向，該信號(hào)最大值為0.65 V，均值為0.43 V，對(duì)應(yīng)力的最大值為325 N，均值為215 N。

表3 數(shù)控銑削正交試驗(yàn)表(ap=0.5 mm)

完成正交表后，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合建立切削力與切削三要素的三維等高曲面?？紤]到本試驗(yàn)條件下主切削力Fx和背向力Fz對(duì)加工精度和表面質(zhì)量影響最大，所以下面對(duì)這兩個(gè)方向切削力規(guī)律做重點(diǎn)分析。

如圖3所示，切削用量三要素中背吃刀量對(duì)主切削力Fx影響最為顯著，其次是進(jìn)給量，切削速度的影響很小。

試驗(yàn)表明，背向力Fz較小，且改變切削用量一般對(duì)該力影響不明顯。但在一些特定的切削參數(shù)組合下，背向力大小和方向出現(xiàn)突變現(xiàn)象，如圖4所示。經(jīng)分析判斷其原因是這些特定的參數(shù)組合使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了共振。共振的形成與切削條件和工藝系統(tǒng)剛性等因素有關(guān)，對(duì)切削加工極為不利，選擇切削條件時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)共振區(qū)域。

為了研究切削條件對(duì)超臨界材料工件表面物理力學(xué)性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)每一試件進(jìn)行了表面硬度檢測(cè)。圖5是分析得到的表面硬度與切削三要素的三維等高曲面圖，從圖中能清楚的看到，切削用量三要素中背吃刀量對(duì)工件表面硬度的影響最為顯著。尤其是以ap=0.5 mm為界，硬度有明顯的變化。

為了研究切削力和加工過(guò)程中共振現(xiàn)象對(duì)超臨界材料表面金相的影響規(guī)律，我們專(zhuān)門(mén)選取非共振帶上的 vc=250 m/min，fz=0.25 mm/z，ap=1 mm 的第 44組實(shí)驗(yàn)工件和 vc=250 m/min，fz=0.2 mm/z，ap=1.5 mm的第56組實(shí)驗(yàn)工件做1000倍的掃描電鏡對(duì)比，如圖6所示。能清楚的看到處于非共振帶上的第44組實(shí)驗(yàn)工件表面的金相紋理較好，主切削力最大為420 N，表面硬度為397 HV；處于共振帶上的第56組實(shí)驗(yàn)工件表面有很明顯的撕裂，主切削力最大為1086 N，表面硬度為350 HV。同時(shí)，我們還對(duì)該試驗(yàn)工件進(jìn)行了表面成分的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在共振帶上加工的試驗(yàn)工件，重要元素如Co、W、Ti、Nb的流失比非共振帶上的元素流失嚴(yán)重。當(dāng)工件表面撕裂和成分發(fā)生不利變化時(shí)，在特殊工況下，抗疲勞和抗腐蝕能力將降低，這時(shí)即使工件幾何精度合格也可能造成報(bào)廢。

3 預(yù)測(cè)控制

在實(shí)際工作中，只有定性的分析是不夠的，常常需要研究響應(yīng)變量Y究竟如何依賴(lài)于自變量X，進(jìn)而能找到自變量的設(shè)置，使得響應(yīng)變量得到最佳值，對(duì)切削力的期望預(yù)測(cè)即對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的控制，是試驗(yàn)的最終目的［4-5］。我們通過(guò)對(duì)擬合過(guò)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子刻畫(huà)，連續(xù)可調(diào)地改變意愿因子，響應(yīng)曲線就會(huì)隨之改變，最終得到我們期望的響應(yīng)。圖7是對(duì)主切削力與背向力進(jìn)行的預(yù)測(cè)控制，圖8是對(duì)工件表面硬度進(jìn)行的預(yù)測(cè)控制。

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上面的預(yù)測(cè)分析，我們可以得到在所做參數(shù)范圍內(nèi)連續(xù)的加工信息，而且經(jīng)過(guò)任意切削參數(shù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。其中第3、4次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選擇的切削參數(shù)在機(jī)床的共振帶上，預(yù)測(cè)的最大銑削力偏差比其他區(qū)域偏大，但均在10%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)切削條件變化對(duì)超臨界材料加工切削力、工件表面硬度和組織等都有較大影響，并遵循一定的規(guī)律。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)方法，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和因子刻畫(huà)技術(shù)應(yīng)用于超臨界材料切削規(guī)律研究，能夠從有限的試驗(yàn)中，得到一系列連續(xù)可預(yù)測(cè)的切削加工信息，預(yù)測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫奈呛稀?/p>

(3)本方法既可用于對(duì)缺乏切削力經(jīng)驗(yàn)公式和檢測(cè)條件的加工過(guò)程的切削力預(yù)測(cè)，也可用于對(duì)工件加工后表面硬度、組織等表面物理力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而避開(kāi)不合理的加工條件，為優(yōu)化切削條件提供了重要依據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有重要的指導(dǎo)意義。

［1］余俊.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［2］茆詩(shī)松，周紀(jì)薌，陳穎.試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2004.

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［4］楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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