孫捷夫，楊巍

1沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司；2哈爾濱工程大學

1 引言

隨著低碳理念的大力發(fā)展，航空零件設(shè)計原則逐漸向輕質(zhì)高效轉(zhuǎn)變[1]，在滿足功能特性的同時最小化動力消耗，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)選薄壁特征，材料優(yōu)選輕質(zhì)材料。LF2鋁合金墊環(huán)零件是航空輕量化設(shè)計的典型產(chǎn)品，在功能要求方面，該零件在飛機各系統(tǒng)中起到重要的尺寸配合和流量控制作用；在設(shè)計要求方面，其結(jié)構(gòu)為有φ4mm中心孔的圓環(huán)，零件典型直徑φ10mm，典型厚度為0.2mm，要求加工后兩端面的最大距離不大于0.3mm，表面粗糙度不高于Ra0.8μm；在能耗要求方面，為響應(yīng)低碳理念，單件零件機械加工所需功率越小越優(yōu)。

為滿足上述要求，LF2鋁合金墊環(huán)需要解決一些機械加工問題：從結(jié)構(gòu)角度，由于厚度薄、剛性差，加工變形嚴重；從材料角度，由于LF2鋁合金塑性大、熱穩(wěn)定性差[2]，表面粗糙度難以控制；從工藝角度，LF2鋁合金屬于有色金屬，采用磨削類加工方法會堵塞砂輪，無法在平面磨床上批量加工，僅能在數(shù)控車床上進行單件加工，很難降低加工單件零件所需功率。

LF2鋁合金墊環(huán)零件的車削加工本質(zhì)上屬于低剛度類零件的機械加工，目前國內(nèi)外尚無可直接應(yīng)用于LF2鋁合金墊環(huán)零件的研究成果，部分學者關(guān)于低剛度類零件的研究成果具有一定參考意義。于金等[3]和楊中寶等[4]通過設(shè)計特定結(jié)構(gòu)的專用夾具提高了工藝系統(tǒng)剛性，蘇曉等[5]和江敏等[6]通過設(shè)計特定幾何形狀專用刀具來降低切削外力，上述方法均可一定程度改善低剛度零件加工質(zhì)量，但都具有通用性差及制造成本高的問題。李忠群等[7]和馮新敏等[8]采用智能優(yōu)化算法探索了低剛度零件的最優(yōu)加工參數(shù)，但存在加工目標單一及優(yōu)化結(jié)果不穩(wěn)定等問題。薛國彬等[9]和孫捷夫等[10]等針對不同的加工需求，對典型低剛度零件加工參數(shù)進行了多目標優(yōu)化，雖取得一定效果，但其實現(xiàn)過程基于單目標擬合模型，存在擬合誤差且計算過程復(fù)雜。

目前研究成果均有特定的適用對象，無法準確指導(dǎo)LF2鋁合金墊環(huán)零件車削加工。本文以LF2鋁合金墊環(huán)零件為研究對象，以提質(zhì)提效為目標，提出雙刀車削工藝及加工參數(shù)多目標優(yōu)選方法，并給出具體實施步驟。

2 雙刀車削加工關(guān)鍵影響因素

2.1 雙刀車削加工模型

常規(guī)加工方法無法高質(zhì)高效實現(xiàn)LF2鋁合金墊環(huán)零件車削加工，根本原因在于車削過程中隨刀具的徑向進給，墊環(huán)零件在毛坯上的剩余尺寸相應(yīng)減少，已完成切削的墊環(huán)零件和待切削的毛坯部分組成的工藝系統(tǒng)剛性呈非線性急劇降低，以軸向切削力為主的外部因素打破墊環(huán)零件內(nèi)部的力學平衡，墊環(huán)零件會相應(yīng)產(chǎn)生振紋或變形現(xiàn)象，導(dǎo)致難以滿足質(zhì)量要求。

針對上述分析提出雙刀車削工藝，即利用兩把相同的槽刀在LF2鋁合金墊環(huán)零件兩端面同時、同向、同速進行無余量切削，一次進給完成全部切削。雙刀車削工藝的本質(zhì)是基于力學平衡思想，降低外部因素影響，提高工藝系統(tǒng)的剛性，進而提升加工質(zhì)量。雙刀車削加工現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖1 雙刀車削加工現(xiàn)場

圖2 雙刀車削工藝受力分析

2.2 關(guān)鍵影響因素分析

在加工變形方面，兩把相同槽刀對稱安裝、同向同速進給，實現(xiàn)零件的徑向切削，分別產(chǎn)生進給力F1y和F2y。理論情況下，兩把槽刀分別作用于墊環(huán)零件兩端面大小相等、方向相反的切向力F1x，F(xiàn)2x和背向力F1z，F(xiàn)2z在數(shù)值上可相互抵消，并作為輔助支撐可提高零件的剛性，減小加工變形，只有進給力為墊環(huán)零件產(chǎn)生變形的主要外因。但實際應(yīng)用中，由于安裝誤差、刀具磨損和余量不均等原因，兩把槽刀作用于墊環(huán)零件兩端面的切向力和背向力之間會產(chǎn)生一定微小偏差，而在零件材料特性、刀具幾何形狀和切削加工環(huán)境既定的情況下，切向力和背向力偏差以及進給力的數(shù)值主要取決于加工參數(shù)。

在表面粗糙度方面，傳統(tǒng)車削方法由于墊環(huán)零件軸向尺寸遠小于徑向尺寸，零件剛性差導(dǎo)致加工過程伴隨劇烈的振動，進而在零件表面產(chǎn)生振紋，增大表面粗糙度，雙刀車削工藝通過力學平衡，兩把刀具互為支撐，可有效避免由于切削振動導(dǎo)致表面粗糙度的增大。

在功率消耗方面，根據(jù)文獻[11]可知，切削過程所需功率是零件制造全周期的主要能耗來源，其數(shù)值主要取決于主切削力和切削速度，通過合理調(diào)整上述兩項參數(shù)即可有效控制切削功率大小。

因此，優(yōu)化加工參數(shù)是改善墊環(huán)零件加工變形和表面粗糙度兩項加工質(zhì)量指標的根本方法，也是直接決定切削功率高低的關(guān)鍵因素。

2 雙刀車削試驗方案

2.1 試驗條件

試料材料牌號LF2，材料狀態(tài)為M狀態(tài)；機床選用哈挺GS200型號數(shù)控車床，裝夾方式為三爪卡盤，冷卻方式為乳化液冷卻；刀具材料為高速鋼，兩把槽刀的前角25°，后角18°，副偏角8°，刃傾角0°，刀尖圓弧半徑0.2mm；要求加工后墊環(huán)零件兩端面最大距離L不大于0.3mm，表面粗糙度Ra不大于0.8μm；兩端面最大距離L采用分度值為0.02mm的游標卡尺測量，采用蘇州天薩RUGOSURF90G便攜式粗糙度測量儀測量表面粗糙度，采用HC33C型功率傳感器測量切削功率。

2.2 試驗設(shè)計及試驗結(jié)果

雙刀車削加工試驗設(shè)計方案采用中心復(fù)合試驗設(shè)計法，該方法歸屬于響應(yīng)曲面試驗設(shè)計法，相比常規(guī)的正交試驗法等試驗設(shè)計法，能更準確地表達試驗數(shù)據(jù)的非線性[12]；相比同歸屬于響應(yīng)曲面設(shè)計法的Box-Behnken試驗設(shè)計法，引入旋轉(zhuǎn)因子概念，可探究變量在極值點或外延點處的切削性能，試驗數(shù)據(jù)分布更均勻，能更全面地表達試驗結(jié)果的預(yù)測性。

綜合考慮刀具特性和設(shè)備參數(shù)，限定切削速度v=20～60m/min，進給量f=0.02～0.1mm/r，由于雙刀車削工藝采用無余量切削，背吃刀量不作為加工變量。設(shè)定旋轉(zhuǎn)因子為1.414，中心點重復(fù)次數(shù)為2次，中心復(fù)合試驗設(shè)計矩陣及試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗設(shè)計矩陣及試驗結(jié)果

2.3 試驗結(jié)果分析

采用極差法對表1的試驗結(jié)果進行分析，結(jié)果分別見表2、表3和表4。其中，表示因素i在j水平時的粗糙度平均值，極差表示第i個因素的極差，某變量極差越大，代表該變量對結(jié)果影響越顯著。

表2 車削參數(shù)對兩端面最大距離L的極差分析結(jié)果

表3 車削參數(shù)對兩表面粗糙度Ra的極差分析結(jié)果

表4 車削參數(shù)對切削功率P的極差分析結(jié)果

由表2可知，兩端面最大距離L受切削速度影響較大，呈正相關(guān)，該現(xiàn)象是由于隨切削速度增大，加工過程中受到離心力和切削力綜合作用的影響也隨之增強，增加了零件變形量；進給量兩端面最大距離L的影響較小，總體呈負相關(guān)，該現(xiàn)象是由于隨進給量增大，切削厚度相應(yīng)增大，切屑變形系數(shù)減小，整體切削力降低，有利于抑制零件加工變形。

由表3可知，表面粗糙度Ra受進給量影響較大，呈正相關(guān)，該現(xiàn)象是由于隨進給量增大，兩槽刀作用于墊環(huán)零件兩端面的進給量顯著增大，由作用力數(shù)值差異產(chǎn)生的切削振動效應(yīng)相應(yīng)被放大，增大了表面粗糙度，該現(xiàn)象符合金屬切削一般規(guī)律；切削速度對Ra影響較小，呈負相關(guān)，該現(xiàn)象是由于隨切削速度的提高有利于抑制積屑瘤的產(chǎn)生，在一定程度上可降低表面粗糙度。由表4可知，切削功率受切削速度影響較大，呈正相關(guān)，受進給量影響較小，呈正相關(guān)，該現(xiàn)象符合功率計算基本原理。

3 雙刀車削參數(shù)優(yōu)選

3.1 基于主客觀賦權(quán)法的權(quán)重分配

為得到滿足實際需求的最優(yōu)車削參數(shù)，綜合以層次分析法為代表的主觀賦權(quán)結(jié)果和以熵權(quán)法為代表的客觀賦權(quán)結(jié)果，對三項評價指標進行權(quán)重分配。

(1)基于層次分析法的主觀權(quán)重分配

層次分析法[13]的核心思想是通過定性和定量分析，將人的主觀評價轉(zhuǎn)化為各項指標的權(quán)重系數(shù)。主要步驟如下：

①構(gòu)建判斷矩陣?；赟aaty的1～9級標度法，將墊環(huán)零件加工需求作為上層準則，將兩端面最大距離L，表面粗糙度Ra，切削功率P作為評價指標，構(gòu)建兩兩比較的判斷矩陣，有

(1)

式中，rij(i=j=1，2，…，n)為兩個評價指標的相對重要程度數(shù)值。

②計算評價指標權(quán)重值。先將評價矩陣R進行歸一化，并將歸一化后的矩陣按行相加后求取特征向量，即為各評價指標的權(quán)重系數(shù)wi，計算過程如下

(2)

(3)

(4)

③一致性檢驗。為驗證所得權(quán)重系數(shù)之間是否矛盾，需進行一致性檢驗。首先根據(jù)式(5)計算最大特征根，并根據(jù)式(6)計算一致性指標CI，若其與隨機一致性指標RI的一致性比率小于0.1，則認為權(quán)重系數(shù)通過一致性檢驗。

(5)

(6)

根據(jù)上述步驟得出基于層次分析法的權(quán)重系數(shù)為w1=[兩端面最大距離L，表粗糙度Ra，切削功率P]=[0.43，0.38，0.19]，其一致性比率為0.016小于0.1，通過一致性檢驗。

(2)基于熵權(quán)法的客觀權(quán)重分配

熵權(quán)法[14]的核心思想是根據(jù)變量對評價指標取值的不確定性概率決定該指標的權(quán)重系數(shù)，不確定概率越大，信息熵越高，權(quán)重系數(shù)越小。主要步驟如下：

①構(gòu)建決策矩陣?；诒?的信息，根據(jù)兩項車削參數(shù)對三項評價指標的試驗結(jié)果建立決策矩陣，有

(7)

式中，qij為第i項車削參數(shù)對第j項評價指標的試驗結(jié)果(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)。

②決策矩陣規(guī)范化處理。本文的三項評價指標均為負向型指標，即越小越好。對式(7)中各數(shù)值進行規(guī)范化處理，得到sij為

(8)

(9)

③計算評價指標權(quán)重值。根據(jù)式(10)計算各指標的熵值，再根據(jù)式(11)計算各指標權(quán)重系數(shù)。

(10)

(11)

根據(jù)上述步驟得出基于熵權(quán)法的權(quán)重系數(shù)為w2=[兩端面最大距離L，表粗糙度Ra，切削功率P]=[0.49，0.42，0.09]。

(3)基于乘法歸一法的主客觀賦權(quán)法權(quán)重分配

為強化主觀評價的經(jīng)驗優(yōu)勢和客觀評價的客觀優(yōu)勢，對兩種方法得到的權(quán)重系數(shù)進行相乘，并進行歸一化處理，有

(12)

根據(jù)主客觀賦權(quán)法的權(quán)重分配結(jié)果w=[兩端面最大距離L，表粗糙度Ra，切削功率P]=[0.54，0.41，0.05]，三個指標按重要程度依次為兩端面最大距離L>表粗糙度Ra>切削功率P。上述排序符合實際工程需要，墊環(huán)零件兩端面最大距離L是決定其使用性能的核心指標，若該指標不滿足需求，后續(xù)需設(shè)計專用工裝對其進行修正，需要增加大量的時間成本和經(jīng)濟成本；表面粗糙度Ra對其使用性能具有直接影響，若其不滿足需求，后續(xù)需采用鉗工拋光等方法進行修正，需要一定的時間成本和人工成本；雖然切削功率P不影響加工質(zhì)量，但其間接決定加工成本和能耗指標的符合程度。

3.2 基于TOPSIS的車削參數(shù)優(yōu)選

TOPSIS法[15]作為簡單、高效的多目標決策方法，通過計算各樣本點與理想解之間的距離選出最優(yōu)方案。主要步驟如下：

①構(gòu)建加權(quán)矩陣。由式(9)得出的規(guī)范化矩陣元素S=(sij)m×n與式(12)得出的權(quán)重系數(shù)相乘，構(gòu)建加權(quán)矩陣V為

(13)

②確定正負理想解。針對墊環(huán)零件加工問題，正理想解即各指標的最小值負理想解即各指標的最大值

③計算歐式距離，有

(14)

(15)

④計算評價值，有

(16)

根據(jù)上述步驟計算，得出表1中序號6的車削參數(shù)為滿足三項評價指標的最優(yōu)加工參數(shù)。

3.3 實際加工對比驗證

為驗證基于雙刀車削工藝的最優(yōu)加工參數(shù)準確性，對LF2鋁合金墊環(huán)零件進行實際切削加工驗證，并對比選用經(jīng)驗參數(shù)的傳統(tǒng)工藝法和基于極差法的單目標最優(yōu)參數(shù)加工結(jié)果，結(jié)果如表5所示。

表5 最優(yōu)加工參數(shù)實際驗證結(jié)果

根據(jù)實際加工驗證結(jié)果可知，僅有基于本文方法得出的最優(yōu)車削參數(shù)對三項評價指標的綜合性能最優(yōu)。

4 結(jié)語

(1)針對墊環(huán)零件的車削加工提出了雙刀車削工藝，并得出車削參數(shù)是影響雙刀車削工藝加工結(jié)果的核心因素。

(2)基于中心復(fù)合試驗設(shè)計法建立切削試驗矩陣，試驗結(jié)果表明，兩端面最大距離L受切削速度影響較大，呈正相關(guān)；受進給量影響較小，呈負相關(guān)；表面粗糙度Ra受進給量影響較大，呈正相關(guān)；受切削速度影響較小，呈負相關(guān)；切削功率P受切削速度影響較大，呈正相關(guān)，受進給量影響較小，呈正相關(guān)。

(3)基于乘法歸一法綜合層次分析法和熵權(quán)法的計算結(jié)果，得出各評價指標的主客觀賦權(quán)系數(shù)為w=[兩端面最大距離L，表粗糙度Ra，切削功率P]=[0.54，0.41，0.05]，三個指標按重要程度排序為兩端面最大距離L>表粗糙度Ra>切削功率P。通過TOPSIS方法選出最優(yōu)加工參數(shù)為v=20m/min，f=0.02mm/r，經(jīng)實際加工驗證，本文提出的方法相比傳統(tǒng)基于加工經(jīng)驗和單目標加工參數(shù)的方法均取得更好的綜合表現(xiàn)。