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        基于雙刀車削工藝的加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

        2022-09-20 01:57:34孫捷夫牟建偉楊巍唐臣升劉本剛
        機(jī)床與液壓 2022年10期
        關(guān)鍵詞:雙刀切削速度進(jìn)給量

        孫捷夫 ,牟建偉 ,楊巍,唐臣升,劉本剛

        (1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧沈陽(yáng) 110000;2.哈爾濱工程大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150000)

        0 前言

        LF2鋁合金屬于Al-Mg系防銹鋁合金,具有密度小、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良性能,在航空制造領(lǐng)域中被廣泛用于制造擋片類零件,起到重要的介質(zhì)密封和性能調(diào)整作用。擋片類零件形狀為中間有孔的圓環(huán)形薄片,主要特點(diǎn)是厚度薄,典型LF2鋁合金擋片厚度為0.2 mm,且對(duì)擋片兩端面的最大距離和表面粗糙度均有較高要求。LF2鋁合金擋片的加工一直是航空制造領(lǐng)域的難點(diǎn),從結(jié)構(gòu)角度,由于厚度薄、剛性差,導(dǎo)致加工過(guò)程中變形嚴(yán)重;從材料角度,由于塑性大、熱穩(wěn)定性差,導(dǎo)致表面質(zhì)量難以控制;從工藝角度,由于LF2鋁合金屬于有色金屬,加工工藝受限,采用磨削類加工方法會(huì)堵塞砂輪,在數(shù)控車床上車削加工是最優(yōu)選擇。

        在實(shí)際工程應(yīng)用中,LF2鋁合金擋片傳統(tǒng)加工方法為在數(shù)控車床上“直接切”,即用切斷刀將擋片按最終厚度尺寸從毛坯上切下,這種方法產(chǎn)生的零件變形量大、表面質(zhì)量差,無(wú)法滿足使用需求。部分工人采用“掉頭車”,在毛坯裝夾后,用切斷刀切斷零件并在軸線方向上留一定加工余量完成粗加工,再將粗加工后的擋片掉頭裝夾在自制夾具中,用外圓車刀車端面至最終尺寸。這種方法雖然相比“直接切”在表面質(zhì)量上有一定改善,但兩端面的最大距離仍超過(guò)公差要求,且加工效率低。

        目前,尚未查到國(guó)內(nèi)外關(guān)于LF2鋁合金擋片零件車削加工的研究報(bào)道,擋片零件加工問(wèn)題本質(zhì)上屬于低剛度類零件加工領(lǐng)域問(wèn)題,行業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)低剛度類零件加工方法取得了一定成果。

        蒲耀洲、馮鵬升、張珂等人通過(guò)設(shè)計(jì)專用夾具提高低剛度零件加工穩(wěn)定性,進(jìn)而降低加工變形量。侯亞娟、蘇曉、凌平等人通過(guò)設(shè)計(jì)專用刀具提升低剛度零件表面質(zhì)量,但專用夾具和專用刀具均有成本高、通用性差等問(wèn)題。李忠群、王運(yùn)、付鈺、馬堯等人通過(guò)仿真或試驗(yàn)得出加工參數(shù)是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素,并通過(guò)優(yōu)化算法探索最優(yōu)加工參數(shù),但具有加工目標(biāo)單一的問(wèn)題。近幾年,使用需求逐漸呈現(xiàn)多元化,多目標(biāo)優(yōu)化一直是行業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)。張程焱、李崇洋、QIN、KUMAR、李聰波等針對(duì)不同的加工需求,采用博弈或優(yōu)化思想實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化,均取得良好效果。

        基于對(duì)現(xiàn)有研究成果的分析,設(shè)計(jì)專用工裝、研制專用刀具、優(yōu)選加工參數(shù)是解決低剛度零件加工變形和表面質(zhì)量問(wèn)題的有效手段,多目標(biāo)優(yōu)化具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。但目前研究成果均有特定的適用對(duì)象,無(wú)法準(zhǔn)確指導(dǎo)LF2鋁合金擋片零件車削加工的實(shí)際工程應(yīng)用。本文作者以LF2鋁合金擋片零件為研究對(duì)象,提出雙刀車削工藝及加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法,控制加工變形量和表面粗糙度,并給出具體實(shí)施步驟。

        1 雙刀車削加工模型及影響因素分析

        1.1 雙刀車削加工模型

        傳統(tǒng)加工工藝難以實(shí)現(xiàn)LF2鋁合金擋片零件的優(yōu)質(zhì)高效加工,其根本原因是隨切削過(guò)程的進(jìn)行,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零件內(nèi)部平衡,并造成明顯變形或振動(dòng),無(wú)法滿足質(zhì)量要求。

        雙刀車削工藝?yán)脙砂严嗤膶S貌鄣对贚F2鋁合金擋片零件兩端面同時(shí)進(jìn)行徑向切削,基于力學(xué)平衡思想降低外部因素影響,提高工藝系統(tǒng)的剛性,進(jìn)而提高加工質(zhì)量。雙刀車削加工如圖1所示。

        圖1 雙刀車削工藝的工程實(shí)現(xiàn)

        雙刀車削工藝主要實(shí)施步驟如下:

        步驟1,安裝刀具。在車削加工前,在兩把槽刀之間裝夾若干墊片,調(diào)整墊片厚度直至兩槽刀刀尖間距為擋片零件厚度的基本尺寸,再將調(diào)整好的兩把槽刀和墊片一同裝夾在機(jī)床刀塔內(nèi);

        步驟2,對(duì)刀調(diào)整。通過(guò)對(duì)刀試切,調(diào)整兩把槽刀的安裝位置,保證兩把槽刀切削刃平齊且垂直于零件軸線方向;

        步驟3,車削加工。向零件切削部位噴射切削液,同時(shí)按預(yù)設(shè)程序作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng),完成雙刀車削加工;

        步驟4,退刀拆卸。機(jī)床刀塔帶動(dòng)兩把槽刀先沿機(jī)床軸正方向水平移動(dòng)至安全位置,完成全部擋片零件加工后拆卸刀具。

        1.2 雙刀車削工藝主要影響因素分析

        在加工變形方面:傳統(tǒng)加工工藝在加工過(guò)程中主要由于刀具在切削過(guò)程中產(chǎn)生單向軸向切削力使LF2鋁合金擋片彎曲變形,而雙刀車削工藝兩把相同槽刀對(duì)稱安裝、同向同速進(jìn)給,理論情況下,兩把槽刀在零件兩端面產(chǎn)生大小相等、方向相反的軸向力,在數(shù)值上相互抵消,同時(shí)可互相作為輔助支撐增強(qiáng)零件的剛性,減小切削過(guò)程中其他因素產(chǎn)生的加工變形。但在實(shí)際應(yīng)用中,由于安裝誤差、刀具磨損、余量不均等原因,雙刀車削工藝條件下兩把槽刀產(chǎn)生的軸向切削力之間會(huì)產(chǎn)生一定微小差值,而在零件材料、刀具參數(shù)、加工環(huán)境既定的情況下,軸向切削力差值的大小主要取決于加工參數(shù)。

        在表面粗糙度方面:擋片零件表面粗糙度的形成機(jī)制可歸結(jié)為三方面:(1)刀具切削刃與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)所形成的幾何不平度;(2)切削力作用下產(chǎn)生的塑性變形或其他物理因素所附加的表面微觀不平度;(3)工藝系統(tǒng)振動(dòng)所產(chǎn)生的表面振紋。由雙刀車削工藝的加工原理可知,兩把槽刀產(chǎn)生的軸向力相互抵消,并互相作為輔助支撐可有效提高工藝系統(tǒng)的剛性,有效避免由振動(dòng)導(dǎo)致表面粗糙度的形成,而幾何不平度和塑性變形是車削加工中無(wú)法避免的,僅能通過(guò)合理方法使之減小。根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知,通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)、刀具選擇、加工環(huán)境等因素,在不同程度上可控制零件表面粗糙度,其中加工參數(shù)的選擇對(duì)表面粗糙度的影響最大,也是可控性最好的因素。

        基于對(duì)LF2鋁合金擋片零件加工變形和表面粗糙度形成機(jī)制的分析可知,加工參數(shù)的選擇對(duì)上述兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均有決定性影響。為同時(shí)滿足加工變形和表面粗糙度要求,基于實(shí)際切削試驗(yàn)探究雙刀車削工藝最優(yōu)加工參數(shù)。

        2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

        2.1 試驗(yàn)條件

        試料信息:試料材料牌號(hào)LF2,材料狀態(tài)M狀態(tài),加工前試料直徑6 mm,已鉆中心通孔直徑2 mm;

        設(shè)備信息:機(jī)床選用哈挺GS200型號(hào)數(shù)控車床,裝夾方式為三爪卡盤,冷卻方式為乳化液冷卻;

        刀具信息:刀具類型為槽刀、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0.2 mm;

        加工要求:加工后擋片兩端面最大距離不大于0.3 mm,表面粗糙度不大于0.8 μm;

        測(cè)量方法:采用分度值為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量,表面粗糙度采用蘇州天薩RUGOSURF90G便攜式粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量。

        2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

        雙刀車削加工試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案采用拉丁超立方體試驗(yàn)設(shè)計(jì)法,相對(duì)于正交試驗(yàn)法、中心復(fù)合試驗(yàn)法等傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,拉丁超立方體試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用空間填充思想,具有更好的均布性和非線性,可用較少的試驗(yàn)次數(shù)得到更全面的試驗(yàn)結(jié)果。綜合考慮刀具性能和機(jī)床參數(shù),初步限定切削速度為20~60 m/min、進(jìn)給量為0.02~0.1 mm/r,由于雙刀車削工藝采用無(wú)余量切削,背吃刀量不作為加工變量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果

        2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        基于表1的試驗(yàn)結(jié)果,繪制平滑處理后各加工參數(shù)不同水平下的兩端面最大距離和表面粗糙度趨勢(shì)圖,如圖2所示。

        由圖2可知,兩端面最大距離受切削速度影響較大,呈正相關(guān);受進(jìn)給量影響較小,總體呈負(fù)相關(guān);表面粗糙度受進(jìn)給量影響較大,呈正相關(guān);受切削速度影響較小,呈負(fù)相關(guān),隨切削速度進(jìn)一步增大,存在由負(fù)相關(guān)逐漸變?yōu)檎嚓P(guān)的趨勢(shì)。

        圖2 不同水平下最大彎曲變形量趨勢(shì)

        出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是由于擋片零件剛性差,隨切削速度增大,零件受離心力和切削力復(fù)合作用增強(qiáng),直接加劇零件變形,而切削速度的提高可有效避免刀具表面積屑瘤等現(xiàn)象,有利于表面粗糙度的減小,但切削速度超過(guò)某一臨界值,與進(jìn)給量產(chǎn)生交互作用時(shí),會(huì)急劇產(chǎn)生明顯振動(dòng)和大量切削熱,增大表面粗糙度。根據(jù)切削原理可知,進(jìn)給量增大使切削厚度相應(yīng)增大,切屑變形系數(shù)減小,整體切削力降低,有利于抑制加工變形,但增大進(jìn)給量使刀具與零件之間切削運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化,尤其針對(duì)低剛度零件徑向切削加工,會(huì)伴隨明顯的振動(dòng)現(xiàn)象,急劇增大切削幾何不平度,進(jìn)而增大表面粗糙度。

        3 基于響應(yīng)面法的加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

        3.1 單目標(biāo)預(yù)測(cè)模型擬合

        為實(shí)現(xiàn)雙刀車削工藝下的加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化,分別建立基于加工參數(shù)的兩端面最大距離和表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型。傳統(tǒng)車削建模一般采用指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式,但實(shí)踐表明指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式模型難以準(zhǔn)確反映變量與加工目標(biāo)之間的映射關(guān)系。響應(yīng)面法采用多元二次回歸方程擬合因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,同時(shí)考慮因素之間的耦合影響,具有良好的實(shí)際工程應(yīng)用背景。

        采用響應(yīng)面法建立的預(yù)測(cè)模型為

        (1)

        其中:為加工結(jié)果,代表兩端面最大距離或表面粗糙度;、為系數(shù);、為自變量;、為常數(shù)項(xiàng)。

        利用JMP軟件基于響應(yīng)面法擬合兩端面最大距離和表面粗糙度的預(yù)測(cè)值-實(shí)際值模型圖,分別如圖3和圖4所示。兩圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)均緊密分布于對(duì)角線附近。經(jīng)過(guò)計(jì)算,兩端面最大距離模型為0.98,調(diào)整為0.954,均方根誤差為0.018 9;表面粗糙度模型為0.99,調(diào)整為0.958,均方根誤差為0.032 8,兩組模型擬合精度均滿足實(shí)際工程需要,均具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        圖3 兩端面最大距離L擬合模型“預(yù)測(cè)值-實(shí)際值”圖

        圖4 表面粗糙度Ra擬合模型“預(yù)測(cè)值-實(shí)際值”圖

        基于上述分析,切削速度和進(jìn)給量的單因子作用和交互作用對(duì)加工結(jié)果均有顯著影響。因此,可將表1中的試驗(yàn)結(jié)果按式(1)進(jìn)行響應(yīng)面擬合,得出兩端面最大距離和表面粗糙度的模型表達(dá)式,分別如式(2)和式(3):

        =-0000 4-103-0012+3095-0325-8476

        (2)

        =0.000 3+14794-028-0008+203+17059

        (3)

        3.2 多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化

        考慮加工經(jīng)濟(jì)性原則,在滿足使用需求條件下,設(shè)置加工目標(biāo)下限,將兩端面最大距離下限設(shè)為0.2 mm,表面粗糙度下限設(shè)為0.7 μm?;谑?2)和式(3)的單目標(biāo)預(yù)測(cè)模型,在JMP軟件中利用等高線刻畫器模塊對(duì)切削速度和進(jìn)給量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,如圖5所示。

        圖5中紅色虛線是兩端面最大距離為0.3 mm的等高線,紅色區(qū)域?yàn)閮啥嗣孀畲缶嚯x大于0.3 mm或小于0.2 mm的變量取值區(qū)域;藍(lán)色虛線是表面粗糙度等于0.8 μm的等高線,藍(lán)色區(qū)域是表面粗糙度大于0.8 μm或小于0.7 μm的變量取值區(qū)域;白色部分為同時(shí)滿足兩端面最大距離和表面粗糙度要求的變量取值區(qū)域??紤]實(shí)際加工穩(wěn)定性和加工效率,在白色區(qū)域中心靠右上方處取值,如圖5中十字線交匯處,得出最優(yōu)加工參數(shù)為=30 m/min、=0.048 mm/r,此時(shí)預(yù)測(cè)兩端面最大距離為0.28 mm,表面粗糙度為0.75 μm。

        圖5 切削速度和進(jìn)給量的等高線刻畫器

        3.3 實(shí)際加工對(duì)比驗(yàn)證

        為驗(yàn)證基于雙刀車削工藝的最優(yōu)加工參數(shù)的準(zhǔn)確性,對(duì)LF2鋁合金擋片零件進(jìn)行實(shí)際切削加工驗(yàn)證,并與選用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的傳統(tǒng)工藝方法加工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2所示。

        表2 最優(yōu)加工參數(shù)實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果

        經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證結(jié)果可知,基于選用最優(yōu)加工參數(shù)的雙刀車削實(shí)際加工結(jié)果與預(yù)測(cè)值非常相近,且能同時(shí)滿足兩個(gè)目標(biāo)加工需求,與傳統(tǒng)加工方法相比,其加工時(shí)間也顯著縮短。

        4 結(jié)論

        (1)提出了雙刀車削加工工藝,并完成實(shí)際工程實(shí)現(xiàn),基于加工目標(biāo)形成機(jī)制進(jìn)行分析,得出提高LF2鋁合金擋片零件加工質(zhì)量的關(guān)鍵是優(yōu)化雙刀車削加工參數(shù);

        (2)為優(yōu)化雙刀車削加工參數(shù),基于拉丁超立方體試驗(yàn)設(shè)計(jì)法建立切削試驗(yàn)矩陣,結(jié)果表明:兩端面最大距離受切削速度影響較大,呈正相關(guān);受進(jìn)給量影響較小,總體趨勢(shì)由負(fù)相關(guān)逐漸變?yōu)檎嚓P(guān);表面粗糙度受進(jìn)給量影響較大,呈正相關(guān);受切削速度影響較小,呈負(fù)相關(guān);

        (3)基于響應(yīng)面法分別對(duì)兩端面最大距離和表面粗糙度建立預(yù)測(cè)模型,并在JMP軟件中利用等高線刻畫器模塊對(duì)切削速度和進(jìn)給量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,得出最優(yōu)加工參數(shù):=30 m/min、=0.048 mm/r。通過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證,測(cè)得兩端面最大距離為0.26 mm、表面粗糙度為0.78 μm,滿足加工目標(biāo)要求,同時(shí)明顯縮短了加工時(shí)間。本文作者提出的雙刀車削工藝有助于實(shí)際工程應(yīng)用。

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