整體葉盤(pán)復(fù)合銑削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的研究

陳真++劉獻(xiàn)禮++程耀楠++丁明娜++吳雪峰

摘要：整體葉盤(pán)復(fù)合銑削加工是基于國(guó)際同類(lèi)整體葉盤(pán)制造技術(shù)提出的一種整體高效和高質(zhì)量的制造加工工藝.針對(duì)開(kāi)式整體葉盤(pán)盤(pán)/插/側(cè)復(fù)合銑削刀具與切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求，構(gòu)造了集高速切削工藝參數(shù)庫(kù)、刀具庫(kù)、實(shí)例庫(kù)等子數(shù)據(jù)庫(kù)和銑削參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)于一體的銑削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了各功能子模塊的構(gòu)成，并分別提出了基于銑削參數(shù)的目標(biāo)預(yù)測(cè)模型，以及基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化模型，為科研生產(chǎn)提供參考和依據(jù)，保證在滿(mǎn)足加工要求的同時(shí)提高加工效率、降低生產(chǎn)成本.

關(guān)鍵詞：參數(shù)優(yōu)化；數(shù)據(jù)庫(kù)；復(fù)合銑削；整體葉盤(pán)

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.008

中圖分類(lèi)號(hào)：TG506

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2015）04-0039-07

0 引言

整體葉盤(pán)是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)、渦輪和風(fēng)扇的關(guān)鍵零件，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要作用，一些航空發(fā)達(dá)國(guó)家在新型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中普遍采用了這一結(jié)構(gòu).與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤(pán)將葉片和輪盤(pán)設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，省去用榫頭、榫槽連接，減少和避免了榫頭氣流損失、榫槽損傷隱患，使得葉盤(pán)整體重量減輕而剛性和平衡精度提高，極大地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和可靠性.制造整體葉盤(pán)用的材料，主要有鈦合金和鎳基合金；其結(jié)構(gòu)大致可分為開(kāi)式、閉式結(jié)構(gòu)，以及大小葉片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)——開(kāi)式結(jié)構(gòu)中大葉片間含有小葉片.

整體葉盤(pán)屬于薄壁類(lèi)復(fù)雜型面零件，葉片薄、葉展長(zhǎng)、扭曲度大、受力易變形，葉片間的通道深而窄、開(kāi)敞性很差，且屬于典型難加工材料，實(shí)際加工時(shí)，不僅材料切除率很高，銑削加工難度也較大，對(duì)于開(kāi)式整體葉盤(pán)而言，由于其從毛坯到成品的加工過(guò)程中，約有90%的材料將被切除，為提高通道粗加工效率、縮短制造周期，西北工業(yè)大學(xué)提出了一種集成的高效強(qiáng)力復(fù)合銑削方法.該方法首先利用盤(pán)銑切削效率高的特點(diǎn)對(duì)葉盤(pán)通道開(kāi)槽，最大限度去除材料；在此基礎(chǔ)上，對(duì)盤(pán)銑不可達(dá)區(qū)域（切削干涉區(qū)域）進(jìn)行高效插銑，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)槽加工與曲面成形；最后，使用圓柱銑刀或球頭銑刀側(cè)銑，完成除棱清根，完成通道粗加工.整體葉盤(pán)及其復(fù)合銑削加工方式如圖1所示.

在整體葉盤(pán)復(fù)合銑削加工過(guò)程中，加工工藝方法的改進(jìn)，為進(jìn)一步提高加工效率、降低加工成本提供了可能，但是銑削參數(shù)的合理選擇依然是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，目前，國(guó)外的整體葉盤(pán)制造己基本形成全數(shù)字化集成制造單元，實(shí)現(xiàn)了整體葉盤(pán)的高效率、高質(zhì)量及低成本制造，并建立了完整的工藝參數(shù)庫(kù)；而在國(guó)內(nèi)，由于整體葉盤(pán)所用材料加工成本高、難度大，供參考的數(shù)據(jù)信息不多，在實(shí)際加工過(guò)程中，技術(shù)人員僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或參照切削用量手冊(cè)進(jìn)行選擇，很難獲得十分滿(mǎn)意的參數(shù).隨著金屬切削向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，切削數(shù)據(jù)庫(kù)的支撐作用日益明顯，選擇合理的優(yōu)化算法建立切削數(shù)據(jù)庫(kù)，可以更好地選擇切削參數(shù)，然而，由于根據(jù)切削參數(shù)建立的模型非常少，數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題值得研究.哈爾濱理工大學(xué)根據(jù)項(xiàng)目需求，結(jié)合整體葉盤(pán)開(kāi)槽粗加工材料去除率高的實(shí)際，展開(kāi)了復(fù)合銑削參數(shù)優(yōu)化的研究.本文針對(duì)以上加工工藝方法，將智能優(yōu)化算法和金屬切削理論相結(jié)合，建立了銑削參數(shù)優(yōu)化模型，運(yùn)用切削理論、數(shù)學(xué)建模和模型分析方法尋求銑削參數(shù)的最優(yōu)組合，并根據(jù)軟件設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出整體葉盤(pán)（開(kāi)式）復(fù)合銑削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，以有效實(shí)現(xiàn)銑削參數(shù)管理、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和相關(guān)知識(shí)查詢(xún).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

系統(tǒng)需求分析是在用戶(hù)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析，逐步明確用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的需求，包括數(shù)據(jù)需求以及與這些數(shù)據(jù)有關(guān)的業(yè)務(wù)處理需求，對(duì)于任何一個(gè)加工優(yōu)化過(guò)程而言，必須選擇確定的優(yōu)化目標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn).工藝參數(shù)優(yōu)化策略的研究集中在加工效率、加工精度和加工成本3個(gè)方面，其切削優(yōu)化模型可歸納為加工需求、目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束條件等4個(gè)層次，具體如圖2所示.

盤(pán)/插/側(cè)復(fù)合銑削是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多，包括機(jī)床動(dòng)態(tài)特性、刀具材料及幾何參數(shù)、工件材料及特征等.在本文所研究對(duì)象中，加工需求和切削條件是一定的，對(duì)于通道開(kāi)粗加工，主要是在控制成本的基礎(chǔ)上提高效率，同時(shí)考慮側(cè)銑加工表面質(zhì)量的情況.因此，本系統(tǒng)主要是在規(guī)范管理機(jī)床、刀具、丁件、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和用戶(hù)信息等基礎(chǔ)上，將這些信息與工藝系統(tǒng)中各銑削參數(shù)（銑削速度、每齒進(jìn)給量、切削深度）結(jié)合起來(lái)，根據(jù)已建立的預(yù)測(cè)模型對(duì)切削力、材料去除率、銑削扭矩、銑削功率等進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合加工要求、約束條件等，通過(guò)已建立的優(yōu)化模型進(jìn)行銑削參數(shù)的優(yōu)化，同時(shí)對(duì)以上預(yù)測(cè)、優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)管理.

當(dāng)然，以上內(nèi)容主要是從系統(tǒng)目標(biāo)需求、功能需求和數(shù)據(jù)需求等角度進(jìn)行分析，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)而言，還必須充分考慮其性能需求，如系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、穩(wěn)定性和安全性等，以及面向特定群體的適用性等，以此滿(mǎn)足軟件用戶(hù)需求.

1.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)，對(duì)一般性數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)而言，大多采用外模式、概念模式和內(nèi)模式構(gòu)成的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)，這三級(jí)模式分別對(duì)用戶(hù)觀念下的局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)全局邏輯結(jié)構(gòu)和對(duì)數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式進(jìn)行描述，為解決系統(tǒng)復(fù)雜性可能會(huì)帶來(lái)的系列問(wèn)題，本系統(tǒng)從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、邏輯層和數(shù)據(jù)層，如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)不僅清晰呈現(xiàn)了三級(jí)模式與三層結(jié)構(gòu)的關(guān)系，還為解決系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性打下良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).

在系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用層（也即用戶(hù)界面層）呵為用戶(hù)提供友好的界面展示，用戶(hù)可根據(jù)權(quán)限和導(dǎo)航進(jìn)行相關(guān)操作；邏輯層用于描述數(shù)據(jù)整體的邏輯結(jié)構(gòu)，連接著數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和應(yīng)用層兩部分；數(shù)據(jù)層主要是與邏輯層進(jìn)行交互，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，為系統(tǒng)提供支持.其中，邏輯層作為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心層，一方面作為調(diào)用者，從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)完成邏輯運(yùn)算，同時(shí)也作為被調(diào)用者，執(zhí)行用戶(hù)相關(guān)業(yè)務(wù)需求，并保證系統(tǒng)的安全、可控性能.其完成的主要功能包括用戶(hù)信息、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、添加、刪改，銑削試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，不同銑削方式下的切削力、功率等預(yù)測(cè)，以及銑削參數(shù)的優(yōu)化等，

在圖3中，人機(jī)交互模塊可以面向管理員和一般用戶(hù)，針對(duì)不同需求選擇進(jìn)入到信息查詢(xún)、數(shù)據(jù)管理、目標(biāo)預(yù)測(cè)和參數(shù)優(yōu)化等4個(gè)基本功能模塊，而數(shù)據(jù)庫(kù)與4個(gè)模塊之間也可進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息的存人或輸出，形成完整的系統(tǒng)架構(gòu)和信息交互.同時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)還將目標(biāo)預(yù)測(cè)和參數(shù)優(yōu)化的約束信息、預(yù)測(cè)和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)結(jié)果納入其中，以方便用戶(hù)調(diào)閱查看，使用戶(hù)獲得更好的操作體驗(yàn).

1.3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流程用于表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)各部件（程序、文件、數(shù)據(jù)庫(kù)、表格、人工過(guò)程等）的流動(dòng)情況.結(jié)合系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)需求和軟件總體操作流程，將系統(tǒng)的總體工作流程設(shè)計(jì)如圖4所示.

從總體流程來(lái)看，用戶(hù)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，首先需要進(jìn)行身份驗(yàn)證，通過(guò)創(chuàng)建連接對(duì)象與用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)比較，確保系統(tǒng)入口安全；然后，用戶(hù)根據(jù)權(quán)限和需求進(jìn)行功能選擇，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)處理之后輸出或顯示相應(yīng)的結(jié)果，其中，在對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，先確定復(fù)合銑削工藝特定加工方式和相應(yīng)的加工條件，根據(jù)加工要求選擇適用的預(yù)測(cè)模型，并確定約束條件的合理區(qū)間，再通過(guò)調(diào)用MATLAB優(yōu)化模型，以實(shí)現(xiàn)銑削參數(shù)優(yōu)化.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 切削力預(yù)測(cè)建模

切削力是機(jī)械加工過(guò)程中最重要的物理參數(shù)之一，不僅影響加工件表面質(zhì)量、硬化層深度、殘余應(yīng)力，對(duì)刀具的使用壽命和磨損情況也會(huì)產(chǎn)生重要影響.在切削過(guò)程中，切削條件的改變，如加工參數(shù)、刀具幾何尺寸工件材料特性和機(jī)床加工設(shè)備等，都會(huì)引起切削力變化.當(dāng)然，在機(jī)床、刀具、工件都確定后，主要還是切削用量對(duì)切削力的影響較大，尤其是整體葉盤(pán)復(fù)合銑削加工，加工方式不同、參數(shù)組合多樣，使得銑削參數(shù)與切削力之問(wèn)的關(guān)系更為復(fù)雜.因此，基于銑削參數(shù)預(yù)測(cè)切削力（以及銑削功率、扭矩），對(duì)于優(yōu)選銑削參數(shù)、提高效率和降低成本等都具有積極的指導(dǎo)意義.

在銑削過(guò)程中，由于受到周期載荷沖擊、刀具磨損和切屑變形等因素綜合影響，根據(jù)幾何建模方法建立的銑削力模型與真實(shí)切削力變化規(guī)律存在較大差異，甚至偏離.基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析而建立數(shù)學(xué)模型則成為準(zhǔn)確性較好的銑削力研究手段.為此，根據(jù)復(fù)合銑加工中的3種不同方式和對(duì)應(yīng)工序，分別進(jìn)行了整體葉盤(pán)典型材料（鈦合金TC4）盤(pán)銑開(kāi)槽、插銑擴(kuò)槽和分層側(cè)銑試驗(yàn)研究，并采集工藝參數(shù)選取范圍內(nèi)的切削力合力和各向分力數(shù)據(jù).由銑削試驗(yàn)關(guān)于銑削參數(shù)對(duì)切削力的影響可知，二者之間存在著強(qiáng)烈的非線性關(guān)系，因此，可通過(guò)最小二乘法建立切削力關(guān)于銑削參數(shù)的回歸方程，并基于概率統(tǒng)計(jì)對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，銑削參數(shù)與切削力之間的通用關(guān)系可描述為

其中：Fj分別為x、y、z向分力和該方式下合力；i代表盤(pán)/插/側(cè)銑削加工；C_F、m₁、m₂、m₃、m₄分別為銑削參數(shù)的影響系數(shù)和指數(shù)（可根據(jù)不同切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析獲得）；v_c、f_z、a_e、a_p分別為銑削速度、每齒進(jìn)給量、徑向和軸向切深.

通過(guò)以上預(yù)測(cè)模型，分析單因素和多因素條件下銑削力壽命受影響規(guī)律，對(duì)不同銑削參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以達(dá)到在此約束條件下，較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)任意參數(shù)組合的目標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果.

2.2 基于遺傳算法的銑削參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

根據(jù)整體葉盤(pán)加工實(shí)際，參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)主要是綜合考慮機(jī)床、刀具、工件等因素影響，以獲得較高生產(chǎn)率和較低生產(chǎn)成本的最佳銑削參數(shù)組合，同時(shí)在側(cè)銑加工確保表面質(zhì)量.盡管三種銑削方式涉及的銑削參數(shù)均有所不同，但從理論和實(shí)際來(lái)看，切削過(guò)程實(shí)際上是材料去除問(wèn)題，且單位時(shí)間材料去除率是作為衡量加工效率的重要指標(biāo)，而生產(chǎn)成本也主要考慮刀具的損耗.因而，本文將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題通過(guò)幾個(gè)重要的單目標(biāo)函數(shù)線性加權(quán)求解.

1）單位時(shí)間材料去除率的表達(dá)式如下：

式中：Q_i為整體葉盤(pán)盤(pán)銑、側(cè)銑單位時(shí)間材料去除率，mm³/min；n為主軸轉(zhuǎn)速；Z_n為刀具齒數(shù).由于插銑沿軸向進(jìn)給不受插銑深度限制，在試驗(yàn)加工分析參數(shù)對(duì)切削力的影響時(shí)，主要選擇切削速度v_c、每齒進(jìn)給量f_z和徑向切深a_e三項(xiàng)，插銑加工模型及去除材料部分示意圖如圖5所示.

因此，整體葉盤(pán)插銑加工單位時(shí)間材料去除率可表示為

其中：AS為插銑加工材料去除截面積，可根據(jù)幾何關(guān)系分析得出.圖5中s為插銑步距.

2）刀具使用壽命的表達(dá)式如下：

其中：C_T、n₁、n₂、n₃、n₄分別為銑削參數(shù)的影響系數(shù)和指數(shù).為此，可通過(guò)鈦合金TC4刀具磨損試驗(yàn)，參照切削力預(yù)測(cè)模型的建立方法，求解得出模型中各影響系數(shù)、指數(shù).

3）根據(jù)以上內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率較高和生產(chǎn)成本較低的復(fù)合銑削加工，可通過(guò)采用線性加權(quán)法建立銑削參數(shù)優(yōu)化的多目標(biāo)函數(shù)，表述如下：

其中： 為加權(quán)系數(shù)， 中X2可由主軸轉(zhuǎn)速n求得，

值得注意的是，由于材料去除率和刀具使用壽命均為非負(fù)值，可將上式中的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為求最小值的優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如下：

2.2.2 約束條件

約束條件是考慮邊界和性能對(duì)設(shè)計(jì)變量取值的限制條件，相對(duì)設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)，約束條件是最復(fù)雜也是最重要的，它的選擇準(zhǔn)確與否更加關(guān)系著所得結(jié)論是否真實(shí)可靠.因此，本系統(tǒng)既選擇銑削參數(shù)取值區(qū)間和通過(guò)預(yù)測(cè)模型化獲得的切削力范圍作為主要約束，還綜合考慮機(jī)床、刀具、加T要求等條件影響，建立了以下約束條件：其中：n_max（min）為刀具所允許得最大（小）轉(zhuǎn)速；M_max（min）、P_max（min）分別為最大（?。C(jī)床扭矩和功率；D_n為刀具直徑；F_t為切向銑削力；η為機(jī)床功率有效系數(shù).