李曉鵬 劉 娜 / .沈陽(yáng)航空航天大學(xué).中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

TC11材料切削性能研究及其切削參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化

李曉鵬1劉 娜2/ 1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

針對(duì)TC11鈦合金車削過(guò)程切削性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)合其切削性能，設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案 。通過(guò)試驗(yàn)和切削辨識(shí)模型的分析，得到了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型辨識(shí)結(jié)果、刀具磨損辨識(shí)結(jié)果，并進(jìn)行了切削參數(shù)的優(yōu)化。

鈦合金；切削性能；TC11；參數(shù)優(yōu)化

1.引言

目前，隨著中國(guó)制造2025和“十三五”先進(jìn)制造技術(shù)的提出，航空產(chǎn)業(yè)對(duì)新型航空材料的加工技術(shù)需求愈演愈烈，特別是中國(guó)航發(fā)集團(tuán)的獨(dú)立，新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料加工難題隨之而來(lái)，TC11作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要關(guān)鍵零部件的制造材料，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片和鼓筒等零件，也可應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)件的制造，是一種具備較好耐高溫拉伸強(qiáng)度和穩(wěn)定性的航空金屬材料。TCll鈦合金可進(jìn)行焊接和各種方式的機(jī)械加工。通過(guò)熱處理能夠獲得最高長(zhǎng)期工作溫度為500℃。在500℃下有優(yōu)異的持久和蠕變強(qiáng)度，有良好的熱加工工藝塑性和超塑性。在450℃下允許的工作時(shí)問(wèn)為6000小時(shí)，在500℃下為500小時(shí)。[1-6]

本文主要通過(guò)對(duì)TC11進(jìn)行車削試驗(yàn)研究，涉及切削力、切削功率、刀具壽命預(yù)測(cè)、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)、刀具材料和被加工材料的匹配關(guān)系，并對(duì)涉及該過(guò)程一系列工藝參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化。

2.TC11材料性能及加工試驗(yàn)建立

TC11材料的材料成分、機(jī)械物理性能見表1所示 ，加工所用加工刀具方案見表2所示。

表1 TC11材料成分及機(jī)械物理性能

表2 車削試驗(yàn)加工TC11的刀具方案

試驗(yàn)在CAK6150 數(shù)控車床上進(jìn)行，在切削過(guò)程中用YDC-89型三向壓電車削測(cè)力儀對(duì)主切削力、切深抗力和進(jìn)給抗力三個(gè)切削分力進(jìn)行采集，采用手持式粗糙度檢查儀測(cè)量表面粗糙度；通過(guò)紅外熱像儀，進(jìn)行溫度檢測(cè)。切削試驗(yàn)結(jié)束后用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對(duì)刀具的磨損形態(tài)及局部化學(xué)成分進(jìn)行分析。

本試驗(yàn)精車加工部分試驗(yàn)規(guī)劃采用均勻設(shè)計(jì)，擬合表面粗糙度預(yù)測(cè)模型和切削力的試驗(yàn)規(guī)劃矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 TC11精車加工試驗(yàn)規(guī)劃矩陣

擬合刀具耐用度預(yù)測(cè)模型的試驗(yàn)規(guī)劃矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)規(guī)劃矩陣及試驗(yàn)結(jié)果

3.切削模型辨識(shí)結(jié)果

根據(jù)肯納涂層刀具精密車削TC11的8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用遺傳算法對(duì)表面粗糙度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了辨識(shí)，表面粗糙度預(yù)測(cè)模型優(yōu)化擬合時(shí)的適應(yīng)度進(jìn)化歷程分別如圖1所示。

圖1 利用8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)尋優(yōu)表面粗糙度模型參數(shù)時(shí)的種群適應(yīng)度進(jìn)化歷程

采用遺傳算法，精密車削加工TC11時(shí)的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型辨識(shí)結(jié)果為：

采用遺傳算法得到的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型經(jīng)過(guò)F檢驗(yàn)

SSM——模型誤差，SSM＝SST-(SSR+SSE)，自由度＝n-1-2(ri-1);

ri——重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)；

——重復(fù)各次測(cè)量值的算術(shù)平均值。

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，本回歸方程擬合的非常好。

根據(jù)肯納涂層刀具精密車削TC11的8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用遺傳算法對(duì)切削力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了辨識(shí)，主切削力模型優(yōu)化擬合時(shí)的適應(yīng)度進(jìn)化歷程分別如圖2所示。

圖2 利用8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)尋優(yōu)主切削力模型參數(shù)時(shí)的種群適應(yīng)度進(jìn)化歷程

采用遺傳算法，精密車削加工TC11時(shí)的切削力模型的辨識(shí)結(jié)果為：

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，上述切削力模型擬合較好。

4.刀具磨損模型

圖3 利用10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)尋優(yōu)刀具磨損模型參數(shù)時(shí)的種群適應(yīng)度進(jìn)化歷程

采用遺傳算法，車削加工TC11時(shí)的刀具磨損模型的辨識(shí)結(jié)果為：

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，上述切削力模型擬合較好。

5.切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

采用參數(shù)辨識(shí)得到的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

表5 切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

6.結(jié)論

優(yōu)化結(jié)果表明，在TC11精密切削時(shí)，選擇最大的切削速度和切削深度，而選擇合適的進(jìn)給量，就可以得到所需的表面粗糙度。

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