陳洪濤 黃 遂 傅 攀 王建錄 劉 義

(①西南交通大學，四川成都610031；①四川工程職業(yè)技術(shù)學院，四川德陽618000；③東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000)

隨著汽輪機行業(yè)快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)、低能耗、低排放產(chǎn)品規(guī)模進一步擴大，主機國產(chǎn)化率逐步提高，對整機中主要零部件——汽輪機轉(zhuǎn)子、葉片的加工質(zhì)量也提出了更高的要求。這類零部件主要采用超臨界材料制造，其主要特點是耐高溫、抗蠕變、抗疲勞、高強度、耐腐蝕、抗氧化、膨脹系數(shù)小。由于該類零件工況的特殊性，對切削加工工藝要求非常嚴格。目前對于超臨界材料在切削條件變化時對金屬本體之間作用規(guī)律的研究還比較薄弱，在實際生產(chǎn)中，切削用量、切削液等切削條件的選擇主要還是建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的提出與發(fā)展為研究非線性系統(tǒng)提供了一種強有力的工具，它已成功地應(yīng)用于許多研究領(lǐng)域，在機械工程學科的應(yīng)用越來越受到重視。

本文將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于超臨界材料切削規(guī)律研究，以正交銑削試驗為基礎(chǔ)，通過實時檢測三向切削力，并對工件表面硬度和微觀組織進行分析，再經(jīng)過因子刻畫，建立了針對不同工藝要求合理選擇切削用量的模型，據(jù)此可優(yōu)化切削條件。

1 試驗設(shè)計

完善的試驗方法是降低試驗成本，獲得完整數(shù)據(jù)的可靠保證。常用的試驗方法有正交試驗設(shè)計方法，均勻試驗方法及回歸試驗設(shè)計方法等［1］。

本試驗采用正交試驗設(shè)計，為做到盡量全面覆蓋試件試驗材料加工的切削用量，我們將切削三要素作為3因子，并按5個水平進行試驗，切削用量的取值見表1。如按均勻試驗方法做全因子試驗，3因子5水平的試驗次數(shù)為35=243次，而正交試驗為53=75次，大大節(jié)約了試驗成本和周期，同時能獲得預(yù)測控制所需要的數(shù)據(jù)［2-3］。

表1 試驗切削用量

1.1 試驗平臺的搭建

試驗選用瑞士Kistler公司Kistler9257B測力儀和DEWE-3021便攜式數(shù)字采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)組合能實時精確測量銑削加工中主切削力Fx、進給力Fy和背向力Fz三向力信號。搭建試驗平臺時，需事先制作好與測力儀匹配的底座并通過壓板裝夾到機床工作臺上，再將測力儀與底座通過螺釘固定。對每一加工試件預(yù)先加工出臺階和連接孔，并用4個緊固螺釘將試件與測力計固定，如圖1所示。

1.2 加工條件

本試驗加工條件見表2。

表2 試驗加工條件

2 測量與分析

按正交表完成試驗，并將試驗結(jié)果記入正交表(表3為75組正交表中ap=0.5 mm的部分)。以隨機抽取檢測到的切削過程中10.501 s到10.861 s的一組三向力信號為例，如圖2所示，橫坐標是時間，縱坐標從上到下分別是X，Y，Z方向的3個通道力的電壓信號(單位：V)，該信號與力的大小比例是1 V=500 N?？梢钥吹剑琗方向的主切削力信號幅值大于其他兩個方向，該信號最大值為0.65 V，均值為0.43 V，對應(yīng)力的最大值為325 N，均值為215 N。

表3 數(shù)控銑削正交試驗表(ap=0.5 mm)

完成正交表后，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合建立切削力與切削三要素的三維等高曲面?？紤]到本試驗條件下主切削力Fx和背向力Fz對加工精度和表面質(zhì)量影響最大，所以下面對這兩個方向切削力規(guī)律做重點分析。

如圖3所示，切削用量三要素中背吃刀量對主切削力Fx影響最為顯著，其次是進給量，切削速度的影響很小。

試驗表明，背向力Fz較小，且改變切削用量一般對該力影響不明顯。但在一些特定的切削參數(shù)組合下，背向力大小和方向出現(xiàn)突變現(xiàn)象，如圖4所示。經(jīng)分析判斷其原因是這些特定的參數(shù)組合使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了共振。共振的形成與切削條件和工藝系統(tǒng)剛性等因素有關(guān)，對切削加工極為不利，選擇切削條件時應(yīng)盡量避開共振區(qū)域。

為了研究切削條件對超臨界材料工件表面物理力學性能的影響規(guī)律，試驗過程中還對每一試件進行了表面硬度檢測。圖5是分析得到的表面硬度與切削三要素的三維等高曲面圖，從圖中能清楚的看到，切削用量三要素中背吃刀量對工件表面硬度的影響最為顯著。尤其是以ap=0.5 mm為界，硬度有明顯的變化。

為了研究切削力和加工過程中共振現(xiàn)象對超臨界材料表面金相的影響規(guī)律，我們專門選取非共振帶上的 vc=250 m/min，fz=0.25 mm/z，ap=1 mm 的第 44組實驗工件和 vc=250 m/min，fz=0.2 mm/z，ap=1.5 mm的第56組實驗工件做1000倍的掃描電鏡對比，如圖6所示。能清楚的看到處于非共振帶上的第44組實驗工件表面的金相紋理較好，主切削力最大為420 N，表面硬度為397 HV；處于共振帶上的第56組實驗工件表面有很明顯的撕裂，主切削力最大為1086 N，表面硬度為350 HV。同時，我們還對該試驗工件進行了表面成分的檢測，發(fā)現(xiàn)在共振帶上加工的試驗工件，重要元素如Co、W、Ti、Nb的流失比非共振帶上的元素流失嚴重。當工件表面撕裂和成分發(fā)生不利變化時，在特殊工況下，抗疲勞和抗腐蝕能力將降低，這時即使工件幾何精度合格也可能造成報廢。

3 預(yù)測控制

在實際工作中，只有定性的分析是不夠的，常常需要研究響應(yīng)變量Y究竟如何依賴于自變量X，進而能找到自變量的設(shè)置，使得響應(yīng)變量得到最佳值，對切削力的期望預(yù)測即對試驗結(jié)果的控制，是試驗的最終目的［4-5］。我們通過對擬合過后的數(shù)據(jù)進行因子刻畫，連續(xù)可調(diào)地改變意愿因子，響應(yīng)曲線就會隨之改變，最終得到我們期望的響應(yīng)。圖7是對主切削力與背向力進行的預(yù)測控制，圖8是對工件表面硬度進行的預(yù)測控制。

表4 驗證實驗結(jié)果

通過上面的預(yù)測分析，我們可以得到在所做參數(shù)范圍內(nèi)連續(xù)的加工信息，而且經(jīng)過任意切削參數(shù)的驗證實驗結(jié)果見表4。其中第3、4次驗證實驗選擇的切削參數(shù)在機床的共振帶上，預(yù)測的最大銑削力偏差比其他區(qū)域偏大，但均在10%以內(nèi)。

4 結(jié)語

(1)切削條件變化對超臨界材料加工切削力、工件表面硬度和組織等都有較大影響，并遵循一定的規(guī)律。

(2)通過正交試驗方法，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和因子刻畫技術(shù)應(yīng)用于超臨界材料切削規(guī)律研究，能夠從有限的試驗中，得到一系列連續(xù)可預(yù)測的切削加工信息，預(yù)測結(jié)果與驗證試驗?zāi)軌蚝芎玫奈呛稀?/p>

(3)本方法既可用于對缺乏切削力經(jīng)驗公式和檢測條件的加工過程的切削力預(yù)測，也可用于對工件加工后表面硬度、組織等表面物理力學性能進行預(yù)測，從而避開不合理的加工條件，為優(yōu)化切削條件提供了重要依據(jù)，在實際生產(chǎn)過程中有重要的指導(dǎo)意義。

［1］余俊.現(xiàn)代設(shè)計方法及應(yīng)用［M］.北京：中國標準出版社，2002.

［2］茆詩松，周紀薌，陳穎.試驗設(shè)計DOE［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2004.

［3］肖忠祥.數(shù)據(jù)采集原理［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2001.

［4］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［5］丁建生，肖章玉.超臨界材料鑄件熱處理工藝與力學性能研究［J］.鑄造技術(shù)，2009，30(8).

［6］楊秋平，王衛(wèi)平.不同切削力預(yù)測建模方法的比較研究［M］.工具技術(shù)，2002，36(12).