一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，包括：以喷射液氮的方式执行深冷加工，并为包括切削速度、切削深度和切削进给量在内的一系列待优化输入加工参数设定取值区间；根据正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型，并求解各工况下作为研究变量的输出结果；选取切削温度、加工平面方向的表面残余拉应力和最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标，并采用响应面法进行拟合；对三个优选目标分别设定优化系数，并求解获得在深冷加工条件下，上述待优化加工参数的最优解。通过本发明，能够在主要车削加工输出结果之间取得良好的平衡，有效执行对整体切削工艺参数的优化，同时达到显著提高加工质量的目的。
【专利说明】一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数控车削加工【技术领域】，更具体地，涉及一种深冷加工镍基高温合金 的参数优化方法。
【背景技术】
[0002] 镍基高温合金是一类具备工作温度高、抗氧化热腐蚀性好、有害相少、组织稳定等 优良特性的高性能材料，并被广泛应用在航空制造业中。但镍基高温合金又属于难加工材 料，在加工过程中切削力大、加工硬化严重、容易"粘刀"，会产生很大切削抗力和大量加工 热，因此在传统切削加工中通常会使用普通切削液，它具有润滑、冷却、排肩、清洗及防锈的 功能，并起到提高金属切削中加工表面的质量、延长刀具的使用寿命等效果。
[0003] 然而，对于镍基高温合金这类难加工材料，需要采用大量的切削液来保证足够的 刀具寿命和可靠的表面质量，因而其材料去除率很低，而且切削液的处理要求很高、污染环 境、不利于工作人员身体健康；另一方面，在需要采用切削液的情况下，如何更有针对性地 分析得出该切削液条件以及其他关键加工参数对车削加工输出结果之间的各种影响，目前 尚缺乏深入研宄，并日益成为需要重点关注的研宄方向之一。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种深冷加工镍基高温合金 的参数优化方法，其中通过结合镍基高温合金和车削加工自身的特点，采用液氮喷射方式 在深冷条件下执行切削加工工序，尤其是通过选择以切削温度和残余应力作为主要优化目 标，并对其优化模型进行设计，实际测试表明能够在关键车削加工输出结果之间取得良好 的平衡，达到整体优化工艺参数和显著提高加工质量的目的，因而尤其适用于镍基高温合 金之类难加工材料的切削加工用途。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方 法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006] (a)为车床主轴及配置的车刀组装液氮冷却喷头，该液氮冷却喷头随着车床主轴 和车刀同步移动用于喷射液氮以执行深冷加工；此外，为包括切削速度、切削深度和切削进 给量在内的一系列待优化输入加工参数分别设定取值区间；
[0007] (b)在上述各个取值区间的范围内，分别选取所述输入加工参数进行组合，并根据 正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型；然后，求解各种工况下所对应 的包括切削温度、轴向车削分力Fx、径向车削分力Fy、加工平面方向的表面残余拉应力、加 工平面方向的最大残余压应力、以及加工平面方向的最大残余压应力的深度在内的输出结 果；
[0008] (C)基于步骤（b)所建立的车削模型，选取切削温度、加工平面方向的表面残余拉 应力以及加工平面方向的最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标；
[0009] (d)采用响应面法并通过二次多项式回归方程的形式，对步骤（C)所选取的三个 优化目标分别进行拟合，并获得如下所示的通用拟合方程：
[0010] W=a+biXS+b2XAp+b3Xf,+C1XSXAp+c2XSXfz+c3XApXT^d1XS2+d2XAp2+d3X f2
[0011] 其中，W表示拟合对象也即切削温度T、加工平面方向的表面残余拉应力σ 者 加工平面方向的最大残余压应力的深度σY;a、bPb2、b3、Cpc2、c3、dpd2、d3分别是该拟合 方程的各个系数，S表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削速度，\表示在响应面法 试验过程中所选取的多个切削深度，匕则表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削进 给量；
[0012] (e)按照加工平面方向的最大残余压应力的深度、切削温度和加工平面方向的表 面残余拉应力的前后优先级次序，分别对它们各自所对应的拟合方程来设定不同的优化系 数，然后进行求解相应获得在深冷加工条件下，切削速度、切削深度和切削进给量这些参数 在所述取值区间范围内的最优解，并将其作为最终用于执行镍基高温合金切削加工的工艺 参数组合，由此完成整体的参数优化过程。
[0013] 作为进一步优选地，对于所述液氮冷却喷头而言，其优选采用液氮前刀面冷却方 式来执行对车刀的喷射冷却。
[0014] 作为进一步优选地，在步骤（d)中，优选采用逐步回归法对优化目标执行拟合处 理，由此获得所述优化函数式。
[0015] 作为进一步优选地，在步骤（e)中，所述加工平面方向的最大残余压应力深度的 优化系数优选被设定为[10,20]，所述切削温度的优化系数优选被设定为[6,9]，所述加工 平面方向的表面残余拉应力的优化系数优选被设定为[3,5]。
[0016] 作为进一步优选地，在步骤（a)中，优选以刀具手册为基础，并结合多次实验设计 的实际测试数据，通过统计方式得出各个待优化输入加工参数的取值区间。
[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用深冷条 件下的镍基高温合金切削加工，并着重分析液氮冷却方式以及其他关键加工参数对车削加 工输出结果之间的各种影响，尤其是，通过对包括切削温度、表面残余拉应力和最大残余压 应力深度在内的加工输出结果构建相应的优化模型，相应能够有效执行对整体切削工艺参 数的优化，同时达到显著提高加工质量的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是按照本发明的深冷加工镍基高温合金的参数优化工艺的整体流程图；
[0019] 图2a是采用单因素分析法所获得的不同冷却方式对切削温度的影响对照图； [0020] 图2b是采用单因素分析法所获得的切削速度对切削温度的影响对照图；
[0021] 图2c是采用单因素分析法所获得的切削深度对切削温度的影响对照图；
[0022] 图2d是采用单因素分析法所获得的切削进给量对切削温度的影响对照图；
[0023] 图3a是采用单因素分析法所获得的不同冷却方式对表面残余拉应力的影响对照 图；
[0024] 图3b是采用单因素分析法所获得的切削速度对表面残余拉应力的影响对照图；
[0025] 图3c是采用单因素分析法所获得的切削深度对表面残余拉应力的影响对照图；
[0026] 图3d是采用单因素分析法所获得的切削进给量对表面残余拉应力的影响对照 图；
[0027] 图4a是采用单因素分析法所获得的不同冷却方式对最大残余压应力的影响对照 图；
[0028] 图4b是采用单因素分析法所获得的切削速度对最大残余压应力的影响对照图；
[0029] 图4c是采用单因素分析法所获得的切削深度对最大残余压应力的影响对照图；
[0030] 图4d是采用单因素分析法所获得的切削进给量对最大残余压应力的影响对照 图。
【具体实施方式】
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032] 图1是按照本发明的深冷加工镍基高温合金的参数优化工艺的流程图。下面将以 工刀柄为kennametal的STFCL2525M12、刀片是kennametal的TCGT15T308HP、三角形刀片， 后角是7°，刀尖圆弧半径是0. 8_来作为实例，以便更为具体地解释本发明的工艺过程和 效果。
[0033] 首先，为车床主轴及配置的车刀组装液氮冷却喷头，该液氮冷却喷头随着车床主 轴和车刀同步移动，并用于向车刀以及工件切削部位等喷射液氮以执行深冷加工；此外，可 以以刀具手册为基础，加上实验设计的多次实际测试结果作为参照，从而为包括切削速度、 切削深度和切削进给量在内的一系列待优化输入加工参数分别统计得出一个适合的取值 区间；例如，在本实例中，切削速度的取值区间被设定为15m/min-45m/min，切削深度的取 值区间被设定为〇. 进给量的取值区间被设定为0. 05mm-0. 25mm。
[0034] 接着，在上述各个取值区间的范围内，分别选取所述输入加工参数进行组合，并根 据正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型；具体而言，在本实例中，切 削速度选择了 20m/min、25m/min、30m/min、40m/min等试验数值，切削深度选择了 0. 4mm、 0· 7mm、I. 0mm、I. 3mm，进给量选择了 0· 05mm、0. 10mm.0. 1 5mm.0. 25mm;通过正交试验设计的 实验如下表I所示，并依此建立车削实验模型。
[0035]
【权利要求】
1. 一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (a) 为车床主轴及配置的车刀组装液氮冷却喷头，该液氮冷却喷头随着车床主轴和车 刀同步移动用于喷射液氮以执行深冷加工；此外，为包括切削速度、切削深度和切削进给量 在内的一系列待优化输入加工参数分别设定取值区间； (b) 在上述各个取值区间的范围内，分别选取所述输入加工参数进行组合，并根据正交 试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型；然后，求解各种工况下所对应的包 括切削温度、轴向车削分力Fx、径向车削分力Fy、加工平面方向的表面残余拉应力、加工平 面方向的最大残余压应力、以及加工平面方向的最大残余压应力的深度在内的输出结果； (c) 基于步骤（b)所建立的车削模型，选取切削温度、加工平面方向的表面残余拉应力 以及加工平面方向的最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标； (d) 采用响应面法并通过二次多项式回归方程的形式，对步骤（c)所选取的三个优化 目标分别进行拟合，并获得如下所示的通用拟合方程：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表示拟合对象也即切削温度T、加工平面方向的表面残余拉应力者加工 平面方向的最大残余压应力的深度〇 Y;a、b i、b2、b3、Cp c2、c3、dp d2、d3分别是该拟合方程 的各个系数，S表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削速度，Ap表示在响应面法试 验过程中所选取的多个切削深度，fz则表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削进给 量； (e) 按照加工平面方向的最大残余压应力的深度、切削温度和加工平面方向的表面残 余拉应力的前后优先级次序，分别对它们各自所对应的拟合方程来设定不同的优化系数， 然后进行求解相应获得在深冷加工条件下，切削速度、切削深度和切削进给量这些参数在 所述取值区间范围内的最优解，并将其作为最终用于执行镍基高温合金切削加工的工艺参 数组合，由此完成整体的参数优化过程。
2. 如权利要求1所述的参数优化方法，其特征在于，对于所述液氮冷却喷头而言，其优 选采用液氮前刀面冷却方式来执行对车刀的喷射冷却。
3. 如权利要求1或2所述的参数优化方法，其特征在于，在步骤（d)中，优选采用逐步 回归法对优化目标执行拟合处理，由此获得所述优化函数式。
4. 如权利要求1-3任意一项所述的参数优化方法，其特征在于，在步骤（e)中，所述加 工平面方向的最大残余压应力深度的优化系数优选被设定为[10, 20]，所述切削温度的优 化系数优选被设定为[6,9]，所述加工平面方向的表面残余拉应力的优化系数优选被设定 为[3, 5]。
5. 如权利要求1-3任意一项所述的参数优化方法，其特征在于，在步骤（a)中，优选以 刀具手册为基础，并结合多次实验设计的实际测试数据，通过统计方式得出各个待优化输 入加工参数的取值区间。
【文档编号】G06F17/50GK104484519SQ201410735260
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】丁汉, 贺子和, 张小明, 庄可佳, 张东, 黄信达 申请人:华中科技大学