一种基于bp和ga的叶片加工切削用量优化选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械加工领域，尤其涉及一种基于BP和GA的叶片加工切削用量优化 选择方法。
【背景技术】
[0002] 航空发动机是飞机的"心脏"，是飞机性能的决定因素之一，它隶属于国防重点高 科技领域。航空发动机的研制涉及众多专业，是一种属于多学科综合技术的高科技产品。当 今世界上能研制飞机的国家很多，但是能真正独立研制先进航空发动机的却只有美国、法 国、英国、俄罗斯等四个国家，因此它是一个国家科学水平和综合技术能力的标志，更甚者 它是一个国家综合国力的象征。在新兴航空发动机的结构设计中，为了达到减重和增效的 目的，大多数采用复杂的薄壁结构件，像侧壁、腹板、整体叶盘等。航空发动机叶片就是典型 的曲面薄壁零件，它是航空发动机的关键部件之一，具有结构复杂、种类繁多、对发动机性 能影响大、设计加工制造周期长等特点，其加工工作量约占整个发动机制造周期的三分之 一多。航空发动机的发展周期比飞机的发展周期还长。迄今为止，叶片的高效、高质及高精 度制造一直是严重制约航空发动机制造周期的瓶颈之一。叶片的加工属于自由曲面加工， 加工难度大，一般采用分区域加工，加工区域包括叶盆加工、叶背加工、进排气边加工、阻尼 台区域加工等等，切削参数变化较大，如何正选择切削参数特别重要。在数控铣削过程中， 工件在切削力的作用下易产生变形。尤其像航空发动机叶片这种对形状、位置及尺寸精度 要求较高的薄壁零件，对切削温度、切削力和走刀路径等十分敏感，往往在还未加工到规定 尺寸时，就已经变形，加工精度很难达到。因此低效的加工效率和加工质量与不断增长的 加工需求之间已构成矛盾，成为制约航空航天制造业的发展的瓶颈之一。薄壁件在飞机上 的广泛应用以及有关薄壁工件的加工精度问题，对航空制造技术和工艺装备提出了新的要 求，也对传统的切削工艺提出了挑战。
[0003] 由于叶片的结构特征，由切削力作用所引起的加工变形是不可避免的，同时这也 是导致叶片产生加工误差的主要因素。针对此种情况，如何减小叶片加工时切削力产生的 变形量一直是行业内的重点任务之一。叶片做发动机重要零件它质量的好坏直接决定了 航空发动机的性能。我们可以通过优化切削参数来减小切削力，从何减少叶片加工时的变 形量。因此如何合理的选择切削参数变得尤其重要，于是切削参数优化便作为一个研究课 题成国内外众多学者的关注对象。切削参数包括切削速度、进给量、切削宽度和切削深度四 个要素。切削用量通过刀具映射到工件上，直接决定着叶片的加工质量；另一方面切削用量 又直接决定着叶片加工时工件材料的去除速率，影响加工效率。因此切削用量成为叶片加 工过程中最基本、最受关注的控制因素之一。航空、航天、军工、汽车等行业对零件的质量或 生产率往往有很高的要求。切削参数优化就显得格外重要。如何选择合理的切削参数是叶 片加工的重要的个环节，对于保证加工质量、提高生产效率以及降低生产成本都具有重要 的意义。目前，关于切削参数优化的研究主要集中以把切削力、功率、转矩、加工稳定性、加 工变形、表面粗糙度等物理量作约束条件，对主轴转速、进给量、切削深度和切削宽度等切 削参数进行优化。
[0004] 传统叶片加工时加工系统的切削速度、进给量、切削深度和切削宽度等加工工艺 参数的选择往往工艺人员是根据经验或手册进行选择的。为了安全起见，通常选择较为保 守的切削参数并保持其不变，这造成了数控技术利用率不高。所以切削参数的合理选择与 优化，直接关系到能否合理地使用刀具与机床，对提高生产率，提高加工精度及表面质量， 降低生产成本都有重要作用，是实现整个切削过程优化的关键。为了解决这一问题，各种切 削参数优化方法相继提出。传统的切削参数优化方法主要有两种：一是试验法，比如因素设 计、响应曲面法；二是数学规划法，比如线性规划、非线性规划和动态规划方法。相比之下， 试验法直观和易于实现，但由于试验次数的限制，数据具有离散性，不能动态地描述输出目 标函数随切削参数的变化。近年来，遗传算法、蚁群算法、神经网络算法等精华算法，被广泛 应用于切削参数优化领域。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于BP和GA的叶片加工切削用量优化选择方法，旨 在解决现有的技术为了安全起见，通常选择较为保守的切削参数并保持其不变，这造成了 数控技术利用率不高，数据具有离散性，不能动态地描述输出目标函数随切削参数的变化 的问题。
[0006] 本发明是这样实现的，一种基于BP和GA的叶片加工切削用量优化选择方法，该方 法的步骤包括： 步骤一、基于金属切削理论，以球头刀螺旋铣削加工过程为研究对象，建立铝合金叶 片铣削模型； 步骤二、利用ABAQUS非线性有限元分析软件，进行模拟航空发动机叶片的铣削加工， 分析铣削过程中的加工变形的变化规律； 步骤三、将叶片铣削时不同的切削参数输入到上面建立的铣削模型中，得到不同的变 形量； 步骤四、利用人工神经网络算法总结铣削仿真中切削参数和变形量之间的变化规律， 把复杂的因果关系进行适当的训练，建立输入量与输出量之间的关系，及切削参数与变形 量之间的关系，建立一个叶片铣削加工变形预测模型； 步骤五、确定切削参数优化的设计变量、目标函数以及约束条件，并构建铝合金叶片的 切削参数优化模型，利用遗传算法对切削参数进行优化。
[0007] 进一步，将BP神经网络和遗传算法结合用于对目标进行优化为解决实际问题提 供了十分便利的优化手段，两者结合进行切削参数优化的主要步骤如下： 第一步，经过对相同的工件多次取不同的切削参数进行加工，测得不同的切削参数下 所加工零件的最大变形量，将所选的切削参数和所对应的变形量作BP神经网络的训练样 本； 第二步，用训练样本训练BP神经网络，切削参数作为输入、最大变形量作为输出，通过 训练得到切削参数和最大变形量之间的非线性映射关系； 第三步，将训练后的期望与实验结果进行比较，评价神经网络预测值的好坏；若网络预 测值较好，为了排除其出现的随机性，再去一组样本进行训练；若是不好则直接进行下一次 的训练； 第四步，建立优化模型，利用神经网络建立的映射关系计算目标函数的函数值，并利用 遗传算法进行优胜劣汰的巡游搜索，求取最优解。
[0008] 进一步，当叶片为直纹面时，叶片的侧铣制造工艺方案为：对于叶片曲面为直纹面 的水轮机整体叶轮，以轮毅面为导向面和检查面采用棒铣刀，并且使棒铣的侧面线与直纹 面贴紧，以此姿态控制刀位点和刀具轴线铣削出整张叶片型面。
[0009] 进一步，当加工叶片翻面时，叶片翻面制造工艺方案为：当加工设备不是多坐标加 工机床时，可以先铣削叶片一面，在翻面装夹铣削另一面，这种加工方法用三坐标数控机床 加工即可。
[0010] 进一步，当叶片为自由曲面时，叶片的螺旋铣削制造工艺方案为：由于大多数自由 曲面叶片不具有明显的平坦方向，只有采用点接触成型方式；对于开敞性很好的叶片，将叶 片夹持在多坐标机床旋转轴上，沿叶片旋转轴心线用顶尖固定。
[0011] 进一步，建立叶片的几何模型的具体步骤为：采用ABAQUS非线性有限元软件建 立叶片的几何模型，应用UG对所要分析的叶片进行几何建模，再保存.igs格式的中性文 件，导入到ABAQUS的Part模块中进行进一步的分析。
[0012] 进一步，叶片材料的本构模型： 在加工过程中大的应变和高应变率等主要集中在刀具的切削刃附近，对叶片的整体变 形基本不构成影响，在分析航空铝合金7050-T7451的本构关系时不考虑大应变和高应变 率；叶片的有限元分析模型的材料的本构模型采用Johnson-Cook材料本构模型； Johnson-Cook材料本构模型由两部分构成，其一为实际断裂时的应变如式1所示：
(1) 式中：d~d5-在室温Θ t时的失效参数；
[0013] 另一部分是只考虑应力，其模型如式2所示：
(2) 式中：f一应变率； 泛' 0 一参考应变率； θ Hlelt-材料的融化温度； Θ r一参考室温； 进一步，选用球头铣刀YT15,其抗振性、耐磨性和抗冲击性较好，在铝合金的铣削过程 中变形量很小，刀具直径为6mm，齿数为4,螺旋角30°。
[0014] 进一步，在ABAQUS软件中，将.igs格式的叶片模型导入到ABAQUS/CAE的前处理 器中，基于叶片的结构特点选择三维实体单元格对其进行网格划分；选用二阶四面体单元 C3D10单元格进行叶片的网格划分。
[0015] 进一步，ABAQUS的分析过程是由一系列的分析步组成的，包括初始分析步和后续 分析步两部分，前者是ABAQUS软件的ABAQUS/CAE模块自动创建；采用截面法取的36个 点，根据走刀轨迹先后依次在这点上施加上切削力分析叶片的加工变形； 经过数据整理航空铝合金7050-T7451切削加工