關于整體葉盤數控銑削技術的改進探析

梁毅峰

淮北職業(yè)技術學院，安徽 淮北 235000

0 引言

當前，隨著國力的提升，我國的航空航天事業(yè)發(fā)展步伐隨之加快.作為航空發(fā)動機里不可或缺的壓氣機、風扇等部分，整體葉盤屬于最為重要的零件之一[1]，其可以在根本上改善和優(yōu)化發(fā)動機性能.已經有越來越多的航空發(fā)達國家在設計和制造新型發(fā)動機時開始應用該結構，客觀而言，相較于傳統結構，基于該設計的整體葉盤不再通過榫頭、榫槽連接，而是把葉片和輪盤視為真正的整體.如此一來，就從根本上防止了榫頭氣流損失的問題，極大減少了榫槽損傷隱患，與此同時，葉盤整體重量更小了，它的剛性和平衡精度獲得極大改進，最終，確保發(fā)動機的推重比和可靠性得到全面提升.一般情況下，采取鈦合金、鎳基合金等來完成整體葉盤的生產要求[2].

發(fā)展至今，工藝方面，生產整體葉盤時一般會采取精密鑄造等方式[3].長期以來，困擾航空制造業(yè)的問題就涵蓋了如何提高和改進航空發(fā)動機整體葉盤的質量及其效率.如今，研究人員圍繞整體葉盤展開的分析不在少數，他們重點探究了整體葉盤材料情況以及它的切削機理[4，5].事實上，基于智能算法的優(yōu)化，能夠在源頭上來優(yōu)化選擇加工參數，從而有效防止了借助經驗和切削試驗完成加工參數選擇出現的一系列問題[6，7].總體上來看，構建起切削數據庫，且進一步優(yōu)化加工參數，能夠明顯促進整體葉盤的加工效率提升，同時，大幅提高加工質量，有效降低了刀具的磨損情況.

圖1 整體葉盤結構Fig.1 Blisk structure

在本文的分析中，重點圍繞整體葉盤數控銑削優(yōu)化技術而展開，全方位介紹并闡述了包括加工顫振變形優(yōu)化、銑削可達性優(yōu)化等在內的一系列工藝方案優(yōu)化的技術[8，9]，同時，還對相關的工藝參數優(yōu)化技術，如切削用量、刀具姿態(tài)等展開了細致的分析.

1 整體葉盤數控銑削技術策略優(yōu)化

一般來說，在對該技術進行優(yōu)化的過程中，應選擇最優(yōu)方案，即在特定條件下，尋找最優(yōu)化的工藝參數及其工藝方案.在優(yōu)化的過程中通?？梢苑殖梢韵聝刹剑皇峭ㄟ^找尋局部的可行參數域來尋找其所蘊含的最佳解決方案，以此使鎖定的最優(yōu)解區(qū)間得以縮小[10]；二是將最優(yōu)解鎖定在局部的可行參數范圍內[11].在銑削整體葉盤時，其工藝方案的確定從本質上來看也是對其局部可行參數區(qū)域的確定，工藝方案的選擇存在差異就意味著它的局部參數域也存在不同程度的差異，這具體體現在加工效率、加工質量以及加工精度等參數的優(yōu)劣性方面[12].所以，在開展本研究的過程中，首先應該對其工藝方案加以確定.

1.1 銑削可達性提升策略

開敞性不佳、內部結構較為復雜是整體葉盤的突出特征，此外，閉式整體葉盤的葉片多呈曲面狀.通過對球頭銑刀的運用，順著流線的方向進行銑削是現在最為常見的一種銑削方式.在銑削的過程中，所運用的刀具多為小尺寸刀具，刀具的剛性相對較差，可以運用的范圍相對也比較小[13].如今在銑削閉式整體葉盤時，常用的銑削方式是兩側銑削法，但是在銑削完畢后，需要進一步修磨接刀痕跡[14].通過制造出一種非圓刀具，該刀具可以運用在銑削閉式復雜曲面葉盤中，其銑削部分的主要組成部分包括可轉位刀片以及整體葉盤流道空間中可以容納的刀具基體.在工作期間，電動機一旦發(fā)生振動，就會直接帶動偏心振動機構也進入工作狀態(tài)，從而確保二維或三維方向振動能夠完成[15]，當它的頻率比值和相位差都不存在一致性時，那么其運動軌跡多為封閉式軌跡，其刨削過程在回程方面所面臨的問題以及回轉刀具問題都可以得到進一步解決.該裝置的使用，使得銑削工具的剛性得到顯著提升.

1.2 葉片銑削效率提升策略

在進行點銑的過程中通常會運用到球頭刀具，這種刀具的適用性相對較廣，但是在對復雜的曲面進行精準度較高的加工時，其加工效率會有所降低.因此，許多學者對非球面加工方式進行了深入研究.通過對鼓形刀的研究獲得結論，要想實現雙點切觸算法，就必須全面優(yōu)化側銑的側偏角、前傾角[16].該算法通過對側角的調整，能夠全方位展現出誤差的分布情況，繼而通過調整前傾角而確保雙點接觸的實現.但是這種方法對對刀具尺寸提出了更高的要求，這大大提高了前期刀具的選擇難度.在優(yōu)化刀位的過程中，通常將銑削振動情況及其切削力等因素考慮其中，并通過對約束條件的進一步完善，進一步提升其適用性.但是當前并不具備完善的銑削整體葉盤的研究機理.

1.3 流道銑削效率提升策略

在進行流道銑削時，需要去掉許多材料，這會大大降低加工效率，為進一步解決上述問題，許多學者進一步研究了刀具設計方案與插銑、盤銑加工方案.通過對開式整體葉盤盤銑的運用進行開槽加工.運用這種方法可以對流道開槽區(qū)域進行有效規(guī)劃，并在這一區(qū)域中對盤銑刀軌進行合理規(guī)劃.此外，該學者還進一步優(yōu)化了傳統的可轉位形式的盤銑和刀片，并為使盤銑刀擁有更長的使用壽命提出一種可以調節(jié)切寬寬度的刀具[17].運用這種方法對盤銑開槽的臨界區(qū)進行規(guī)劃的過程中，一般不會將后續(xù)的銑削加工余量考慮進去；以此為基礎，提出為使盤銑開槽工作更加安全，在對盤銑加工區(qū)進行規(guī)劃的過程中，應該留出一定的空間，保證后續(xù)側銑工作與插銑工作的開展.

1.4 銑削顫振變形提升策略

弱剛性是整體葉盤葉片的突出特征，在對其進行銑削的過程中，容易出現變形現象與顫振現象.基于此，許多學者將研究的重點放在了工藝方法上.在對離心葉輪進行螺旋銑的過程中，前緣部位通常處于振動狀態(tài)，其加工精度相對較低，為前緣部分更好地進行精加工扎銑提出了一系列方法，并進一步提出了循環(huán)銑削葉片法，具體情況見圖2，這種方法能夠有效減少出現接刀痕的概率，但是對技術人員工作經驗提出了相對較高的要求，從目前來看，依然缺乏明確的理論指導.

圖2 葉片循環(huán)銑削方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of blade circular milling method

葉盤葉片加工變形、顫振存在諸多影響因素，當前還無法確定它的作用機理，同時因為加工環(huán)境極其復雜，存在各種無法預測的情況，因此也就難以模型葉片變形規(guī)律.如今依舊將試驗、補償作為問題的主要處理辦法.

1.5 銑削刀具磨損改進策略

當前葉盤加工存在許多難點，具體而言，比如葉盤由高溫合金等材料制成，加工難度大，需要較大的切削力度才能夠完成切削操作，而且會提升刀具的磨損速度.比如加工空間不大，會限制加工操作的進行等等.當前學者以葉盤加工為研究對象進行研究之時，主要研究重點有三個，一是涂層材料研究；二是刀具結構研究；三是刀具材料研究[18].以陶瓷刀具銑削高溫合金為研究對象，以其磨損機理為研究內容展開研究，通過運用有限元仿真手段以及開展相關實驗，來對三類因素之間的關系展開了研究，這三類因素首先是刀具磨損形貌；其次是刀具應力分布情況；最后是刀具切削用量.以球頭刀為研究對象，以其后刀面寬度、螺旋角等為研究內容，借助有限元軟件來展開研究，希望能夠找到合適舉措令刀具強度得到提升.將刀具切削力當作研究對象，以其受到刀具螺旋角、前角影響情況為研究內容，以切削力最小值為目標，改進和完善了刀具的螺旋角、前角.

如今我國以切削刀具為研究對象展開研究的學者還在不斷增加，研究成果也十分豐碩，這助推了我國刀具加工性能的優(yōu)化.但是也必須意識到，如今只有在半精加工以及粗加工環(huán)節(jié)使用國產刀具，在需要對產品進行精加工時，進口刀具依舊是首選.事實上，因為刀具研究涉及學科廣泛，如果只從某一學科來展開研究，要想優(yōu)化刀具性能十分困難，所以必須構建協同研究體制來助力研究工作的開展.

2 整體葉盤數控銑削技術參數優(yōu)化

當工藝方案確定以后，對尋優(yōu)效率和有效性進行提升是工藝參數優(yōu)化目標所在.而優(yōu)化工藝和優(yōu)化工藝方案是不一樣的，容易用參數來表示的各類變量比如切削用量等才是前者的優(yōu)化對象，通過優(yōu)化工藝參數，能夠為優(yōu)化模型的構建提供有力支持.

2.1 建立目標函數

不論是加工葉盤，還是優(yōu)化葉盤，核心均在于優(yōu)化目標.在優(yōu)化目標的過程中，先要清楚葉盤加工需求.通常要先明確三方面內容，一是加工需要花費多少成本；二是需要明確加工效率要求；三是需要明確加工質量標準.在加工葉盤時，要想生產效率得到進一步提升，花費的成本進一步下降，就必須做好兩項工作，第一，優(yōu)化加工效率，也就是說要提高材料去除率；第二，優(yōu)化加工成本，加工成本的主要衡量指標是刀具使用壽命，在確保有關要求得到保障的情況下找到最優(yōu)方案.

2.1.1 建立刀具使用壽命數學模型

在創(chuàng)建刀具使用壽命數學模型之時，需要選用VDL-1000E立式機床、硬質合金刀具銑削整體葉盤，此處插銑刀直徑為12毫米，工件尺寸長寬高分別為60毫米、65毫米、100毫米，選用油冷卻這一冷卻手段，順銑.用T表示刀具使用壽命.

通過表1可知，此處fz、v、αp各自代表的是每齒進給量、切削速度、徑向切深.在切削加工期間，參數T存在諸多影響因素，切削參數便是其中之一.當各類加工條件固定時，刀具切削參數和參數T符合下列公式

表1 銑削試驗參數及結果Tab.1 Milling test parameters and results

(1)

其中，CT代表的是和刀具、切削條件具有緊密聯系的常數；αe代表的是軸向切深(mm)；αp代表的是徑向切深(mm)；v表示進給速度(m/min)；fz表示每齒進給量(mm/z)；i1、i2、i3、i4代表的是指數.

基于經驗公式，對(1)式左右兩側均取對數，由此，化成線性函數如下

lnT=lnCT+i1lnαe+i2lnαp+i3lnfz+i4lnv

(2)

令y=lnT,i0=lnCT,x1=lnαe，x2=lnαp，x3=lnfz,x4=v,可得

y=i0+i1x1+i2x2+i3x3+i4x4

(3)

無法避免隨機誤差的前提下，基于表1試驗，得出以下16組切削數據，列為多元線性回歸方程

(4)

其中，α0，α1，α2，α3，α4代表的是常數項系數；ε代表的是加工隨機誤差.借助矩陣的形式來表示式(4)為

Y=Xa+ε

(5)

借助于最小二乘法，來對a的值進行估計，其中，確保i=(i0i1i2i3i4)能夠成為a=(a0a1a2a3a4)的最小二乘估值，如此一來，其獲得多元線性回歸方程

(6)

借助于MATLAB來對其展開處理，就能夠構建起刀具使用壽命的線性回歸模型

(7)

用F檢驗法進行顯著性檢驗，以F0.05確保顯著性檢驗得以實現，最終顯示，能夠通過該模型來全面預測刀具壽命.

2.1.2 單位時間內的材料去除率

所謂材料去除率，其內涵為，單位時間內被加工件切削去除的體積.源于銑削試驗的刀具的寬度為12毫米，則它的材料去除率列為

Qt=αeαpfznz

(8)

其中，Qt代表的是盤銑刀加工期間一定時間里形成的材料去除率(mm3/min)；具體而言，z表示材料去除率盤銑刀刀具齒數，n表示主軸轉速(r/min).

通過分析上面的公式能夠發(fā)現，當銑刀刀具齒數不變的時候，如果要確保單位時間內的材料去除率達到最高狀態(tài)，就必須對選擇切削參數展開一定范圍的優(yōu)化.在實驗結束后，借助于得到的相關切削參數數據構建起相應的數學模型，即

(9)

通過分析上面的公式可以發(fā)現，在相關的因素中，切削參數對單位材料去除率的影響相對最大，由此可見，只有選擇切削參數達到合理的情況，才能有效確保材料去除率的最大化實現.

2.2 建立銑削參數優(yōu)化模塊

2.2.1 多目標問題求解

在保障加工效率的同時，還要致力于減少經濟成本，這個過程中，還要確保刀具的使用壽命不會縮短，且其材料去除率實現最大化，此屬于多目標函數的優(yōu)化范疇.事實上，生產整體葉盤時，加工效率和經濟成本都不能被忽略，它們具有同等重要性，換言之，高度重視刀具使用壽命的同時，還應該同等重視單位時間內材料的去除率.借助于遺傳算法中的權重系數變換法，來完成相關的子目標函數線性加權和，列出公式如下

(10)

其中，ui代表的是fi(x)在多目標函數問題里的重要性.

通過遺傳算法計算出來的最大值能夠被轉化，具體如下

(11)

總體而言，能夠對目標函數造成影響作用的因素不在少數，常見的為機床、刀具等.所以，必須通過實際的約束條件來完成加工，由此，最大去除率、最大壽命和每齒進給量、徑向切深、切削速度間的約束條件可以列為如下公式進行表示

(12)

2.2.2 遺傳算法優(yōu)化模型

從本質上來看，遺傳算法利用生物進化過程獲得最優(yōu)解.具體而言就是，該方法對生物的自然選擇等相關的環(huán)節(jié)和過程展開模擬，歷經反復的迭代直至最優(yōu)結果的出現.使用該算法期間，操作實質上是編碼，和參數本身并無關系，從而能夠防止微分操作的運算，存在非常強的適應性.借助這個算法，能夠同時搜索多點，可以展現出很強的全局搜索能力，對復雜的多目標問題可以很好地解決[19].

該算法借助于編碼技術對參數完成編碼，以期確保其能夠適應群體的進化過程.基于這個算法，任意產生初始種群，迭代操作群體時通常會依據選擇、變異以及交叉，通過適應度值(Fitness Function)衡量新的個體，能夠確保形成的個體更優(yōu)，最終，促進群體進化的搜索區(qū)域比之前的更好[20].不斷的進化基礎上，一定會形成最好的目標個體以及最適應環(huán)境的群體，最終計算出滿足問題的最優(yōu)解.

目標函數為

function[w]=target Value(v,fz,αp)

x1=αp;x2=fz;x3=v

表2 參數數據Tab.2 Parameter data

表3所示為通過MATLAB編寫的遺傳算法優(yōu)化結果.通過分析這個表可以發(fā)現，選擇參數通過優(yōu)化算法，繼而經由遺傳算法的計算來對結果進行優(yōu)化，能夠提高材料去除率，總計提高2 %；同時，也能夠促進刀具使用壽命提高，總計提高19.6 %，由此，確保了切削加工生產率大幅提升，全局最優(yōu).

表3 參數優(yōu)化結果對比Tab.3 Comparison of parameter optimization results

2.2.3 銑削參數優(yōu)化系統

數據庫管理系統的構建必須將Visual Studio 2012當作平臺，繼而將其和SQL sever數據庫連接在一起，能夠實現多元的強大功能，易于操作.MATLAB軟件可以幫助其串聯到數據庫系統平臺，如此一來，就能夠完成復雜的數學運算，并可以進行難度很大的數學推導，在可視化界面呈現出優(yōu)化的結果，確保工作人員能夠使用.具體而言，在整體葉盤復合銑削系統里，它的首頁擁有多個模塊，包括了知識查詢、系統維護、數據管理等.操作人員只要進入到切削參數優(yōu)化系統界面以后，就能夠實現對加工參數的優(yōu)化，只要操作人員對加工條件以及別的約束條件進行一定的選擇即可.

2.3 小結

(1)以硬質合金刀具切削整體葉盤材料，借助于多目標線性回歸方程，以期確保參數優(yōu)化模塊得以明確，目標定為獲得最大加工效率以及減少經濟成本，采取權重系數變換法，從而使得多目標函數獲得轉化，悉數變?yōu)閱文繕撕瘮担云诩s束銑削參數.(2)以確保切削參數獲得優(yōu)化為切入點，通過MATLAB遺傳算法完成編寫，同時，使其被連接到數據庫，通過Visual Sever 2012平臺完成既定的可視化設計，準確計算出切削參數，最終，構建起銑削參數優(yōu)化模型.(3)基于優(yōu)化模型，能夠查詢切削加工條件，并可以優(yōu)化切削參數，如此一來，極大保障了選擇切削參數，從而有效促進了刀具的使用壽命提升，同時，也大幅提高了單位時間的材料去除率，最終，壓縮了生產成本.

3 結語

在我國經濟形勢持續(xù)向好的背景下，如今，已經有越來越多的研究人員針對整體葉盤數控銑削優(yōu)化技術展開分析和探究.整體上來看，大部分研究是以工藝方案和工藝參數為核心展開，其目的在于改善和提高工件的加工精度，持續(xù)促進加工效率提升，以期減少加工成本，已經獲得了一些實質性的成果和進展.但是，還有一些共性難題尚未得到妥善解決.第一，當前圍繞整體葉盤銑削期間的部分機理分析還停留于表面.截止當下，和刀具干涉、加工顫振變形等問題相關的機理闡述尚未形成普遍共識；第二，整個過程的優(yōu)化目標尚不一致.具體而言，對于整體葉盤數控銑削期間的對應范疇如何劃分等還未提出統一的參考理論；第三，形成的研究成果無法有效轉化成生產力.部分學者在設定優(yōu)化約束條件時，沒有清楚認識到生產的主要矛盾，由此，就造成了對約束邊界的描述缺失必備的合理性，從而最終使得研究層面的可行域比實際可行域大出些許.目前，要想大幅提升我國整體葉盤的制造水平，盡快和國際水平接軌，就應該全面增加研究深度，從機理探究、體制完善以及生產實踐等不同維度進一步開展研究工作.