賈玉佩　趙　威　李　亮

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

?

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤刀具性能灰色綜合評(píng)價(jià)

賈玉佩趙威李亮

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

摘要：以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金整體葉盤的數(shù)控銑削為研究對(duì)象，提出了一種面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的數(shù)控銑削刀具性能灰色綜合評(píng)價(jià)方法。首先設(shè)計(jì)涵蓋航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤難加工特征的基準(zhǔn)件模型，然后基于灰色關(guān)聯(lián)度分別構(gòu)建了粗精加工刀具性能灰色綜合評(píng)價(jià)模型，最后進(jìn)行基準(zhǔn)件的切削試驗(yàn)并應(yīng)用所建立的灰色綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)刀具性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，所構(gòu)建的基準(zhǔn)件模型和灰色綜合評(píng)價(jià)模型可以快捷、有效地評(píng)價(jià)刀具性能。

關(guān)鍵詞:整體葉盤;刀具性能評(píng)價(jià);灰色關(guān)聯(lián)度;鈦合金

0引言

整體葉盤是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一種新型結(jié)構(gòu)部件，它使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡化，推重比和可靠性進(jìn)一步提高，在新研制的第四代戰(zhàn)斗機(jī)所配套的高推比發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了成功的應(yīng)用[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤廣泛采用鈦合金、高溫合金以及新型復(fù)合材料等難加工材料，具有通道深窄、葉片薄、彎扭大等典型特征，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工精度要求高，因而整體葉盤的綜合制造工藝技術(shù)成為世界性難題[3-4]。高檔數(shù)控機(jī)床與新型刀具的出現(xiàn)，使得采用鍛件經(jīng)機(jī)械加工(五軸數(shù)控加工)獲得整體葉盤的方法成為國內(nèi)研究成果最多、應(yīng)用最廣泛、技術(shù)成熟度最高的加工方法[5]。但是，如何有效選擇合適的加工刀具以保障加工質(zhì)量、提升加工效率和節(jié)約加工成本，仍是目前整體葉盤加工的技術(shù)難題之一。

對(duì)于航空整體葉盤的數(shù)控加工，預(yù)試驗(yàn)是其刀具優(yōu)選的主要手段。然而，現(xiàn)有的刀具優(yōu)選預(yù)試驗(yàn)往往基于刀具耐用度、加工質(zhì)量或加工效率等單一因素的評(píng)價(jià)效果，被加工試樣結(jié)構(gòu)簡單且并不具備實(shí)際零件的典型特征，因而所選刀具并不能發(fā)揮其最佳性能，有時(shí)實(shí)際加工性能與試切時(shí)存在較大差異。因此，針對(duì)此類零件的刀具優(yōu)選，既要考慮刀具與工件在材料方面的匹配，亦要考慮刀具與工件在結(jié)構(gòu)方面的匹配。文獻(xiàn)[6]曾對(duì)航空鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的刀具優(yōu)選進(jìn)行了研究，提出了基于工件特征的銑削刀具切削性能模糊綜合評(píng)價(jià)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該方法為本研究中的基準(zhǔn)件模型設(shè)計(jì)提供了參考，但是其隸屬度函數(shù)主要依靠人為經(jīng)驗(yàn)確定，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的客觀性仍有待提高。

影響刀具加工性能的因素復(fù)雜多變，且各因素之間交互作用，形成一種既含已知信息又含未知信息或非確知信息的灰色系統(tǒng)，因而難以準(zhǔn)確地綜合評(píng)價(jià)刀具的切削性能。灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分之一，而且是灰色系統(tǒng)分析、建模、預(yù)測、決策的基石[7]，能較好地解決灰色不確定的問題，可以用來解決刀具性能的綜合評(píng)價(jià)問題。文獻(xiàn)[8]建立了一種刀具綜合評(píng)價(jià)體系和數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用可拓層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法相結(jié)合的方法對(duì)模型進(jìn)行了求解分析；文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了刀具選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，并采用灰色關(guān)聯(lián)修正后的理想點(diǎn)算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模求解。然而，上述研究并沒有充分考慮工件的結(jié)構(gòu)特征，通過該方法優(yōu)選的刀具能否應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工，仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤銑削刀具性能為研究對(duì)象，考慮整體葉盤的典型難加工特征，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法并結(jié)合鈦合金粗精加工的特點(diǎn)分別構(gòu)建粗精加工銑削刀具性能的綜合評(píng)價(jià)模型，后終通過基準(zhǔn)件銑削試驗(yàn)分析和驗(yàn)證模型的可行性。

1基準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的典型難加工特征主要為葉片及葉片之間的流道。整體葉盤材料多為鈦合金等難切削材料，且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道窄、葉片薄、彎扭大、易變形。提取整體葉盤典型特征設(shè)計(jì)基準(zhǔn)件，并進(jìn)行試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)刀具的性能，對(duì)于合理評(píng)價(jià)整體葉盤銑削刀具的切削性能很有必要。本文在考慮鈦合金材料以及整體葉盤結(jié)構(gòu)的難加工性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了典型基準(zhǔn)件，如圖1所示?；鶞?zhǔn)件包含了葉片和流道兩種典型難加工特征，葉片根部與流道交接形成轉(zhuǎn)接圓弧?；鶞?zhǔn)件的主要參數(shù)如表1所示。

圖1　基準(zhǔn)件模型及主要參數(shù)

表1　基準(zhǔn)件主要參數(shù)

2刀具性能灰色綜合評(píng)價(jià)模型

灰色綜合評(píng)價(jià)通常需要運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析來進(jìn)行評(píng)價(jià)，關(guān)聯(lián)度分析是一種衡量因素關(guān)聯(lián)程度大小的量化方法，可以描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序。在灰色綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建過程中，評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)范化以及權(quán)重的確定方法合理與否，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)合理性有著至關(guān)重要的作用。

評(píng)價(jià)指標(biāo)一般可以分為以下4種類型:極大型、極小型、定指標(biāo)和區(qū)間型。為了消除不同指標(biāo)、不同量綱的影響,針對(duì)不同類型的指標(biāo)采用不同的規(guī)范化方法,將其規(guī)范化為隸屬于[0，1]區(qū)間的極大型指標(biāo)。本文選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)包含極大型和極小型兩種類型，規(guī)范化公式[10]表示如下：

極大型指標(biāo)規(guī)范化公式為

(1)

i，k=1，2，…，m；j=1，2，…，n

極小型指標(biāo)規(guī)范化公式為

(2)

式中，f0j為指標(biāo)的相對(duì)最優(yōu)值；m為設(shè)計(jì)方案的個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)決策的理論，評(píng)價(jià)方案指標(biāo)向量與相對(duì)最優(yōu)方案指標(biāo)向量的關(guān)聯(lián)度可以作為評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的準(zhǔn)則。設(shè)相對(duì)最優(yōu)方案為u0={f01，f02，…，f0n}，規(guī)范化處理后有u0={1，1，…，1}，設(shè)計(jì)方案ui的評(píng)價(jià)指標(biāo)vj與相對(duì)最優(yōu)方案u0的評(píng)價(jià)指標(biāo)v0間的灰色關(guān)聯(lián)度[10]為可表示為

(3)

式中，ζ為分辨系數(shù)，ζ∈(0，1)，可人為確定,一般取0.5。

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是系統(tǒng)工程中對(duì)非定量事件作定量分析的一種簡便方法，也是對(duì)人們的主觀判斷作客觀描述的一種有效方法，能夠有效確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。本文采用1～9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，采用方根法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值，最后對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一次性檢驗(yàn)，過程如表2所示。表中，λmax為判斷矩陣的最大特征值；CI為一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)一致性比率。

表2　評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定過程

精加工一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)加工質(zhì)量的兩個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)表面粗糙度、尺寸誤差，被認(rèn)為具有同等重要性，指標(biāo)權(quán)重顯然為(0.5，0.5)。最終確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

表3　評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

2.1粗加工刀具性能評(píng)價(jià)模型

2.1.1評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣的建立及規(guī)范化

2.1.2方案的灰色關(guān)聯(lián)度和指標(biāo)權(quán)值

利用式(3)計(jì)算出方案1、方案2的評(píng)價(jià)指標(biāo)與相對(duì)最優(yōu)方案u0的評(píng)價(jià)指標(biāo)間的灰色關(guān)聯(lián)度γ11、γ12、γ21、γ22。

如表3所示，粗加工過程的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)后刀面磨損、金屬去除率，相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)值向量W=(w1，w2)=(0.67，0.33)。

2.1.3決策模型

由以上分析可知，γ11、γ12、γ21、γ22構(gòu)成方案多目標(biāo)決策的灰色關(guān)聯(lián)度矩陣為

則方案ui與相對(duì)最優(yōu)方案u0的加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi組成關(guān)聯(lián)矩陣γ′:

(4)

γi愈大，說明加工方案ui愈接近相對(duì)最優(yōu)方案u0。當(dāng)γi=max(γ1,γ2)時(shí)，加工方案ui為最優(yōu)方案。

2.2精加工刀具性能評(píng)價(jià)模型

2.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣的建立及規(guī)范化

2.2.2方案的灰色關(guān)聯(lián)度和指標(biāo)權(quán)值

利用公式計(jì)算出方案1、方案2的評(píng)價(jià)指標(biāo)與相對(duì)最優(yōu)方案u0的評(píng)價(jià)指標(biāo)間的灰色關(guān)聯(lián)度γ11、γ12、γ13、γ21、γ22、γ23。

如表3所示，精加工過程的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)表面粗糙度、尺寸精度和后刀面磨損量，相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)值向量W=(w1，w2，w3)=(0.83×0.5，0.83×0.5，0.17)=(0.415，0.415，0.17)。

2.2.3決策模型

由以上分析可知，γ11、γ12、γ13、γ21、γ22、γ23構(gòu)成方案多目標(biāo)決策的灰色關(guān)聯(lián)度矩陣為

則方案ui與相對(duì)最優(yōu)方案u0的加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi組成關(guān)聯(lián)矩陣γ′:

[γ1γ2]

(5)

γi愈大，說明方案ui愈接近于相對(duì)最優(yōu)方案u0。當(dāng)γi=max(γ1,γ2)時(shí)，方案ui為最優(yōu)方案。

3刀具性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)與分析

3.1基準(zhǔn)件銑削試驗(yàn)

銑削試驗(yàn)在瑞士Mikron UCP 800 Duro五坐標(biāo)高速加工中心上進(jìn)行，應(yīng)用工具顯微鏡測量刀具后刀面磨損值VB，通過Mahr Mar Surf PS1測量儀和三坐標(biāo)測量機(jī)分別測量精加工后的表面粗糙度Ra和尺寸精度。

粗加工刀具為WALTER P23696-1.0系列的大進(jìn)給刀片WSM35S、WSP45S，該系列刀具前角為16°，后角為14°；半精加工刀具為WALTER Protostar Ti 40系列的整體硬質(zhì)合金刀具H7073717-12-2，該刀具有4個(gè)刀刃，刀尖圓角半徑為2 mm，螺旋角為40°。精加工刀具幾何參數(shù)見表4，其中W、M分別代表WALTER、M.A.FORD刀具廠家。1～4是為了便于標(biāo)記而規(guī)定的刀具編號(hào)，精加工球頭刀具如圖2所示。

表4　精加工刀具幾何參數(shù)

圖2　精加工球頭刀具

粗加工方案如表5所示。 半精加工采用平面銑，去除葉片頂端余量，封閉區(qū)域螺旋進(jìn)刀，開放區(qū)域線性進(jìn)刀。WALTER整體硬質(zhì)合金刀具H7073717-12-2的銑削參數(shù)為：切削速度vc=90 m/min，每齒進(jìn)給量fz=0.06 mm，徑向切深ae=6 mm，軸向分五層，軸向切深ap=0.6 mm。精加工方案如表6所示。

表5　基準(zhǔn)件粗加工方案

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)所制訂的加工策略以及刀具的切削參數(shù)，最終加工出基準(zhǔn)件1(共兩塊)，驗(yàn)證不同的刀具的切削性能，基準(zhǔn)件粗精加工結(jié)果如圖3、圖4所示。

表7為兩種刀片加工同一個(gè)特征時(shí)后刀面磨損的測量結(jié)果。后刀面磨損VB為該刀具加工完一個(gè)特征后的后刀面磨損量。根據(jù)表7運(yùn)用所構(gòu)建的粗加工模型進(jìn)行灰色綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表8所示。

表6　基準(zhǔn)件精加工方案

圖3　基準(zhǔn)件1粗加工后圖例 　 　圖4　基準(zhǔn)件1精加工后圖例

表7　粗加工各刀片試驗(yàn)結(jié)果

表8　粗加工刀具灰色綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)刀具性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于計(jì)算出加權(quán)關(guān)聯(lián)矩陣γ′，利用最大加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi來決定相對(duì)最優(yōu)切削刀具。由表8可知，在基準(zhǔn)件流道特征的粗加工過程中，加權(quán)關(guān)聯(lián)矩陣γ′=[10.553]，最大加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi=max(1，0.553)=γ1，所以刀片WSM35S的切削性能優(yōu)于刀片WSP45S的切削性能。同時(shí)由表7可知，兩種刀片金屬去除率相同，可直接通過后刀面磨損判斷刀具性能優(yōu)劣，但金屬去除率相同屬于巧合情況，并不影響粗加工評(píng)價(jià)模型針對(duì)一般情況的使用。

表9為精加工各評(píng)價(jià)指標(biāo)的測量結(jié)果，根據(jù)表9對(duì)刀具運(yùn)用所構(gòu)建的精加工模型進(jìn)行灰色綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表10所示。

表9　精加工各刀具試驗(yàn)結(jié)果

表10　精加工刀具灰色綜合評(píng)價(jià)

由表10可知，精加工葉片特征時(shí)，加權(quán)關(guān)聯(lián)矩陣γ′=[0.7990.723]，最大加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi=max(0.799，0.723)=γ1，所以刀具W1的切削性能優(yōu)于刀具M(jìn)2的切削性能。精加工流道特征時(shí)，加權(quán)關(guān)聯(lián)矩陣γ′=[0.8250.723]，最大加權(quán)關(guān)聯(lián)度γi=max(0.825，0.723)=γ1，所以刀具W3的切削性能優(yōu)于刀具M(jìn)4的切削性能。

4結(jié)束語

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的典型特征和工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)件模型，基于灰色關(guān)聯(lián)分析分別構(gòu)建了粗精加工灰色綜合評(píng)價(jià)模型，并通過基準(zhǔn)件模型的銑削試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的可行性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤銑削刀具的評(píng)價(jià)和選擇提供了一定的參考。

粗加工基準(zhǔn)件流道特征時(shí)，在相同切削參數(shù)條件下，刀片WSM35S的切削性能優(yōu)于刀片WSP45S的切削性能。精加工基準(zhǔn)件葉片和流道特征時(shí)，WALTER4齒球頭刀具的綜合切削性能均優(yōu)于M.A.FORD4齒球頭刀具的綜合切削性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]任軍學(xué)，張定華，王增強(qiáng)，等.整體葉盤數(shù)控加工技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2004，25(2)：205-208.

RenJunxue，ZhangDinghua，WangZengqiang，etal.ResearchontheNCMachiningTechniqueofBlisk[J].ActaAeronauticaEtAstronauticaSinica，2004，25(2):205-208.

[2]WangMinghai，SunYue.ErrorPredictionandCompensationBasedonInterference-freeToolPathsinBladeMilling[J].Int.J.Adv.Manuf.Technol.，2014，71:1309-1318.

[3]史耀耀，段繼豪，張軍鋒，等.整體葉盤制造工藝技術(shù)綜述[J].航空制造技術(shù)，2012(3):26-31.

ShiYaoyao，DuanJihao，ZhangJunfeng，etal.BliskDiscManufacturingProcessTechnology[J].AeronauticalManufacturingTechnology，2012(3):26-31.

[4]ZhuDong，ZhuDi，XuZhengyang，etal.TrajectoryControlStrategyofCathodesinBliskElectrochemicalMachining[J].ChineseJournalofAeronautics，2013，26(4)：1064-1070.

[5]王增強(qiáng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤加工技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2013(9)：40-43.

WangZengqiang.MachiningTechnologyofAeroengineBlisk[J].AeronauticalManufacturingTechnology，2013(9)：40-43.

[6]趙威，王盛璋，何寧，等.航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能模糊綜合評(píng)判[J].中國機(jī)械工程，2015，26(6)：711-715.

ZhaoWei，WangShengzhang，HeNing，etal.ComprehensiveFuzzyEvaluationofCuttingToolPerformanceinMillingofAviationAlloyComponents[J].ChinaMechanicalEngineering，2015，26(6)：711-715.

[7]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988.

[8]夏吉兵，汪永超，賀江華.面向綠色制造的刀具應(yīng)用評(píng)價(jià)方法研究[J].航空制造技術(shù)，2015(3)：58-63.

XiaJibin，WangYongchao，HeJianghua.ResearchonEvaluationMethodofCutterChoiceforGreenManufacturing[J].AeronauticalManufacturingTechnology， 2015(3)：58-63.

[9]謝助新.基于綠色切削的刀具選擇決策模型探究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2011.

[10]宋久鵬,董大偉,高國安.基于層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度的方案決策模型研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，37(4):463-466.

SongJiupeng，DongDawei，GaoGuoan.ADecisionModelforProductSchemeEvaluationBasedonAHPandDegreeofGreyIncidence[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity， 2002，37(4):463-466.

(編輯袁興玲)

收稿日期：2015-08-18

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)(2014ZX04012014)

中圖分類號(hào)：TG714

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.011

作者簡介：賈玉佩，女，1990年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD及自動(dòng)化。趙威，男，1977年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授。李亮，男，1973年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。

GreyComprehensiveEvaluationofCuttingToolPerformanceforAero-engineBlisk

JiaYupeiZhaoWeiLiLiang

NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing,210016

Abstract:A grey comprehensive evaluation method of CNC milling tool performance was proposed for an aero-engine titanium alloy blisk with the CNC milling of a type of aero-engine blisk as the research object. In this method, a benchmark with some typical difficult-to-machine features extracted from aero-engine blisk was designed, and the processing route was developed. In addition, grey comprehensive evaluation models of cutting tool performance were established for roughing and finishing tools respectively. Finally, experiments of CNC milling the benchmark were carried out, and then the grey comprehensive evaluation models were used to evaluate the cutting tools. The results show that the method is convenient and effective to evaluate the cutting tool performance for aero-engine blisks.

Key words:blisk; tool performance evaluation; grey relational grade; titanium alloy