考慮功率和效率的鉆孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法

高歷 陳冰 肖敏

摘? 要：文章針對航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)殼體零件油路深孔鉆削過程中易斷刀、加工能耗高、加工時間長的問題，根據(jù)鉆削過程中的切削功耗與排屑力功耗構(gòu)建了鉆削加工功耗模型，并以最小功耗和最大材料去除率為目標(biāo)，基于NSGA-II的方法對鉆削主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給進(jìn)行了優(yōu)化，通過實驗驗證，達(dá)到了降低加工功耗、提高加工效率的目的。

關(guān)鍵詞：功率;效率;鉆孔;參數(shù)優(yōu)化;能耗模型

中圖分類號：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0113-05

Abstract： In this paper， aiming at the problems of easy to break cutter， high machining energy consumption and long machining time in the process of deep hole drilling for shell parts of aero-engine fuel control system， a drilling power consumption model is constructed according to the cutting power consumption and chip removal force power consumption in the drilling process. With the goal of minimum power consumption and maximum material removal rate， the speed and feed of the drilling spindle are optimized based on the NSGA-II method， which is verified by experiments. It achieves the goal of reducing the processing power consumption and improving the machining efficiency.

Keywords： power; efficiency; drilling; parameter optimization; energy consumption model

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，日益增長的能源需求和不斷上漲的能源價格以及日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題迫使制造業(yè)尋求高能效和低成本的解決方案。殼體類零件是航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)中典型的結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵件，殼體零件的顯著特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔系眾多，其內(nèi)部具有數(shù)量眾多縱橫交錯的各種深孔，孔徑小、深徑比大、直徑從幾毫米到幾十毫米不等。其加工難度大、能耗高、效率低、易斷刀。目前我國航空制造業(yè)中復(fù)雜殼體深孔加工普遍存在加工周期長、生產(chǎn)效率低以及加工能耗高等問題，而造成上述問題的根本原因在于針對航空發(fā)動機(jī)殼體零件的加工能耗特性研究不夠深入，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確預(yù)測與控制機(jī)械加工系統(tǒng)的能量消耗，進(jìn)一步造成機(jī)床能耗偏高和能效偏低。

目前，相關(guān)學(xué)者做了大量的研究工作，Gutowski等[1]，首次提出了加工過程中能耗與材料去除率之間的函數(shù)關(guān)系。Kara和Li[2]等提出了一種類似的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其中功率與材料去除率成反比。該模型已在車床和銑床上得到驗證。Hae-SungYoon等[3]還在銑削機(jī)床的能耗模型中的引入了刀具磨損，發(fā)現(xiàn)材料去除率隨著刀具磨損量的增加而增加。Rajemi等[4]以能耗最低為目標(biāo)進(jìn)行了車削條件優(yōu)化選擇，得到了滿足最小能耗要求的經(jīng)濟(jì)刀具壽命。Yan[5]提出了一種基于加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析和響應(yīng)面法（RSM）的多目標(biāo)優(yōu)化方法。

2 加工能耗數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

鉆削過程中的加工能耗主要包括切削功耗Pcutting與排屑功耗Peva兩部分構(gòu)成，故總功耗P如式（2-1）所示：

現(xiàn)分別針對切削功耗Pcutting與排屑功耗Peva分別進(jìn)行建模分析。

2.1 深孔鉆削切削功耗模型的構(gòu)建

在鉆削加工過程中，由切削力及在相應(yīng)切削力方向上的運動共同產(chǎn)生能耗。分析鉆削過程可知，鉆削加工主要分為沿鉆頭軸向的進(jìn)給運動和主軸的旋轉(zhuǎn)運動。因此將鉆削能耗Pcutting分為進(jìn)給能耗Pfeed和旋轉(zhuǎn)能耗Protation，如式（2-2）所示：

（1）旋轉(zhuǎn)能耗Protation

設(shè)Ft、Fr、Ff分別為加工過程中的切向、徑向以及軸向切削力。在旋轉(zhuǎn)運動中，由于dFf和dFr均垂直于切削速度方向不產(chǎn)生功耗，此時切削刃具有切向進(jìn)給速度，因此切向、徑向以及軸向功耗微元如式（2-3）、（2-4）與（2-5）所示：

（4）鉆頭強度約束

根據(jù)材料力學(xué)分析，軸類材料的臨界破壞扭矩為：T=Wt[τ]（Wt和[τ]分別為抗扭截面系數(shù)和最大許用應(yīng)力）。由于鉆頭截面不是整圓，故可根據(jù)鉆型截面近似計算臨界破壞扭矩。對于不同鉆型截面其具有不同的臨界破壞扭矩：普通類型鉆頭的臨界破壞扭矩為：Mc=3.04d3;橫刃型的臨界破壞扭矩為：Mc=4.65d3。

為了防止鉆頭因扭矩過大而發(fā)生剪切破壞，鉆削扭矩M不得超過鉆頭的臨界破壞扭矩Mc，即：

在殼體鉆削粗加工過程中，表面粗糙度主要受進(jìn)給量的影響，一般情況下鉆削粗加工完成后的表面質(zhì)量都能滿足設(shè)計要求，因此，在這里可不考慮鉆孔表面粗糙度。

本文采用非支配遺傳算法對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過NSGA-II算法得到一組Pareto front解集獲得的加工參數(shù)的推薦范圍。可以在這些參數(shù)組中進(jìn)行選擇以實現(xiàn)加工效率提升、功耗降低和負(fù)載波動減小的目的。基于非支配遺傳算法NSGA2的多目標(biāo)（加工能耗與材料去除率）的工藝參數(shù)優(yōu)化Pareto front解集如表5所示：

基于NSGA-Ⅱ的兩目標(biāo)（加工能耗與材料去除率）優(yōu)化的Pareto前端和個體距離如圖3，圖4所示。

4 實驗驗證

針對前述所得預(yù)測模型，現(xiàn)通過實際殼體深孔加工實驗，得到實際功耗數(shù)據(jù)，從而得出預(yù)測模型數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的誤差，進(jìn)行適應(yīng)性分析。采用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆鉆削加工6061鋁合金殼體件，鉆頭直徑4mm、鉆削深度40mm、長徑比20，實驗預(yù)設(shè)刀具及工件詳情如表6所示。

實驗采用的鋁合金殼體件簡化模型如圖5所示。

結(jié)合前文所構(gòu)建的切削功耗模型Pcutting如式（2-19）以及排屑力功耗模型Peva如式（2-30），將兩者代回式（2-1）可得到預(yù)測功耗模型P?？筛鶕?jù)實驗和實證分析來評估預(yù)測模型的精確度，本驗證實驗根據(jù)不同工藝參數(shù)水平設(shè)計了兩因素三水平實驗，因本文所構(gòu)建的功耗模型是基于瞬時力，故只要實測力精度滿足要求，就能夠保證不同工藝參數(shù)條件下的功耗預(yù)測準(zhǔn)確性。

在表7中，實測功耗數(shù)據(jù)與預(yù)測功耗數(shù)據(jù)對比分析，相對誤差最大16.1%，最小6.5%。相比之下，在低轉(zhuǎn)速低進(jìn)給時相應(yīng)的加工功耗模型預(yù)測精度偏差略大，這是由于不同機(jī)床具有特異性，本實驗用機(jī)床在低速區(qū)間的性能表現(xiàn)不穩(wěn)定所造成的?？紤]到小直徑鉆孔加工中的鉆削加工功耗本身較小，因而可以認(rèn)為在常用轉(zhuǎn)速進(jìn)給區(qū)間，預(yù)測模型精度均能達(dá)到較好的效果。

本文構(gòu)建了鉆削加工的指數(shù)功耗模型，以最小功耗和最大材料去除率為目標(biāo)，基于NSGA-II的方法對鉆削主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給進(jìn)行了優(yōu)化，通過實驗驗證，達(dá)到了降低加工功耗，提高加工效率的目的，從而為實現(xiàn)高端制造業(yè)低碳生產(chǎn)提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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