廖世超 楊曉兵 林平 肖章玉 張金生 陳磊

(二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618013)

燃燒室外殼屬于燃機的受熱部件,是構(gòu)成重型燃機燃燒室的關(guān)鍵零件,在國家“十四五”規(guī)劃中,對重型燃機關(guān)鍵部件制造技術(shù)及工藝的國產(chǎn)化研究大力支持,可以預(yù)見未來我國將迎來F級、甚至是H級等更高端重型燃機技術(shù)的快速發(fā)展,也必將帶動重型燃機裝備市場需求的快速上升。但目前包括F級重型燃機燃燒室外殼在內(nèi)的多數(shù)重型燃機零部件,基本依賴國外進口,國內(nèi)鮮有相關(guān)加工文獻記載,由于其具有工件尺寸大、殼體薄壁易變形、材料為GX23CrMoV12-1[1]新型高Cr耐熱鋼等特點,使得其對工藝路線的合理性要求極高,同時其還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工面多、加工區(qū)域分散等嚴(yán)重制約加工效率的特點。

在重型燃機燃燒室加工工藝研究方面,僅劉春偉等[2]應(yīng)用電火花、高壓水切割方式,對燃燒室的過渡段進行了相關(guān)加工工藝研究。在切削參數(shù)優(yōu)化方面,有許多學(xué)者做了深入研究。陳虹松等[3]利用RSM試驗法設(shè)定試驗變量,并通過仿真軟件建立的葉片Johnson-Cook模型完成了仿真,同時運用遺傳算法對加工參數(shù)優(yōu)化,獲得了航空葉片最小變形下的最佳切削參數(shù)取值。Vijayakumar K等[4]在車削過程中,應(yīng)用蟻群算法,以最低成本消耗為目標(biāo)函數(shù),得到了在穩(wěn)定切削時的最優(yōu)切削參數(shù)。剌朝陽等[5]以最大生產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù),建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,利用遺傳算法,在Matlab軟件中計算出了數(shù)控銑床在最大生產(chǎn)率條件下的最優(yōu)切削參數(shù)。

針對重型燃機燃燒室外殼高效、防變形加工,本文通過分析加工特點,制定工序集中的工藝路線,以最高加工效率為目標(biāo)函數(shù),建立數(shù)學(xué)模型,采用遺傳算法對最優(yōu)切削參數(shù)進行求解,最終將加工工藝及優(yōu)化的切削參數(shù)運用在實際生產(chǎn)中,獲得了較好的效果。

1 燃燒室外殼結(jié)構(gòu)分析

燃燒室外殼由外殼上半、外殼下半共同組成,其上下半主體結(jié)構(gòu)均為回轉(zhuǎn)體,且結(jié)構(gòu)基本相同,僅法蘭與外形上的凸起等存在細(xì)微差別,如圖1所示。

燃燒室外殼均勻分布多個燃燒器孔,其回轉(zhuǎn)直徑大、壁厚薄,內(nèi)部為全回轉(zhuǎn)面,且無仍何加強筋等結(jié)構(gòu),主要尺寸如表1所示。

通過分析燃燒室外殼設(shè)計圖紙,審查燃燒室外殼結(jié)構(gòu)的工藝性,發(fā)現(xiàn)如圖2所示,燃燒室外殼存在方形尖角孔結(jié)構(gòu),該形狀的孔不便于機械加工,且該孔位置處在外殼的回轉(zhuǎn)錐面上,不能采用簡便和經(jīng)濟的方法實現(xiàn)加工。

圖1 燃燒室外殼結(jié)構(gòu)Figure 1 Combustion chamber outer casing structure

表1 燃燒室外殼主要尺寸Table 1 Main dimensions of combustionchamber shell

圖2 燃燒室外殼方形孔Figure 2 Square hole of combustion chamber outer casing

如圖2所示方形孔的四處轉(zhuǎn)角,沒有加工圓角,為尖角狀態(tài)?？自诔Ｒ?guī)加工中,刀軸方向為沿孔分布面的法線,此為較容易且經(jīng)濟的加工方式。該方式刀具回轉(zhuǎn),利用刀具周向刀片切削,由于刀具必有一定大小的直徑,故切削時,會在方形孔的四處轉(zhuǎn)角位置殘留一個固有圓角,該殘留圓角的最小值就為刀具的自身半徑。若要達到尖角加工狀態(tài),利用車間現(xiàn)有三軸龍門銑床或是三軸落地鏜床,需調(diào)整刀軸垂直于孔分布面的法線,此時需購置小型銑頭及小型銑刀盤,且需滿足:

W≥D>d

(1)

式中,W為方形孔寬度,D為刀盤直徑,d為包容銑頭刀軸處的圓柱直徑,即采用圖3方式加工,顯然該加工方式不經(jīng)濟且效率低。

由于該方形孔是燃燒室的檢修孔,因此在不影響使用的前提下,將四處尖角修改為圖4所示的R20圓角,一方面是便于加工,另一方面是避免尖角處的應(yīng)力集中。

圖3 方形孔尖角加工方式Figure 3 Processing method of square hole sharp corner

圖4 方形孔尖角修改為R20圓角Figure 4 R20 fillet changed from square hole sharp corner

2 工藝過程設(shè)計

2.1 燃燒室外殼加工總體方案設(shè)計

燃燒室外殼由于采用鑄造毛坯,余量較大,根據(jù)鑄造提供數(shù)據(jù),本次燃燒室外殼余量最多的部位達40 mm左右。若采用一次加工成型,則切削過程中的切削力及切削熱都較大,因此所需的機床功率、夾緊力也大,這將引起工件產(chǎn)生受力變形、受熱變形及較大的切削殘余應(yīng)力,這些問題對壁厚較薄的燃燒室外殼影響更為強烈,為此設(shè)計燃燒室外殼加工總體方案如圖5所示。

圖5 加工方案Figure 5 Processing scheme

該方案特點為各加工階段分開,粗加工階段至半精加工階段、半精加工至精加工階段的熱處理,一方面是提高工件性能,另一方面是借用兩次熱處理,充分消除加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,進一步控制加工變形;同時劃分加工階段也使切削余量細(xì)分為粗加工余量、半精加工余量、精加工余量,各加工階段的余量選取結(jié)合熱處理變形經(jīng)驗數(shù)據(jù)及手冊[6]選取如表2所示。

表2 燃燒室外殼余量劃分Table 2 Division of combustion chambershell allowance

在粗加工階段由于去除的余量較多,因此對加工設(shè)備的要求主要以效率為主,選用精度一般但功率較大的設(shè)備,在半精及精加工階段則選用精度較高的設(shè)備。

燃燒室外殼粗加工的目的在于為后續(xù)加工提供較準(zhǔn)確的定位基準(zhǔn),同時一些燃燒室外殼的關(guān)鍵表面例如水平中分面、內(nèi)腔回轉(zhuǎn)錐面、軸向兩端面等,在粗加工后,也利于進行超聲檢測而及早發(fā)現(xiàn)缺陷,便于在精加工前進行修補。在燃燒室外殼半精加工階段,主要完成一些非關(guān)鍵表面例如法蘭外輪廓、外表面凸臺、檢修孔等表面的最終加工,同時對重要表面進行留量加工,保證最后精加工余量均勻。在精加工階段,對內(nèi)腔回轉(zhuǎn)錐面、水平中分面、軸向兩端面等進行最終加工,有效保證這些重要表面的精度及粗糙度。

2.2 燃燒室外殼粗加工基準(zhǔn)選擇

圖6為燃燒室外殼的鑄造毛坯,為保證燃燒室外殼非加工面余量均勻,粗基準(zhǔn)的選擇原則,需保證非加工面余量均勻。

圖6 燃燒室外殼鑄造毛坯Figure 6 Casting blank of combustion chamber outer casing

結(jié)合圖紙加工要求及鑄造工藝,選取平整、沒有冒口的中分面法蘭背面,外圓法蘭側(cè)面分別作為燃燒室外殼的水平及軸向基準(zhǔn),如圖7所示。

由于燃燒室外殼大體呈對稱結(jié)構(gòu),故選取如圖8所示,為對分基準(zhǔn),加上前述水平及軸向基準(zhǔn),燃燒室外殼在X、Y、Z方向的粗基準(zhǔn)均已確定。

圖7 水平與軸向粗基準(zhǔn)Figure 7 Horizontal and axial coarse datum

圖8 對分粗基準(zhǔn)Figure 8 Bisection coarse datum

為確保粗基準(zhǔn)在粗加工階段的合理性,需結(jié)合劃線機驗證其準(zhǔn)確性,即以粗基準(zhǔn)為檢測基準(zhǔn),利用劃線機復(fù)查所有加工面余量,復(fù)查結(jié)果如圖9所示。

經(jīng)過檢測,知在該粗基準(zhǔn)下,燃燒室鑄件毛坯余量較均勻,沒有缺少余量的加工面。

圖9 劃線機檢測結(jié)果Figure 9 Test results of scriber

2.3 精加工基準(zhǔn)的選擇

由基準(zhǔn)重合原則,選擇圖紙設(shè)計基準(zhǔn)作為加工基準(zhǔn),圖紙設(shè)計基準(zhǔn)如圖10。

表3 燃燒室外殼工序設(shè)計主要內(nèi)容Table 3 Main contents of combustion chamber outer casing process design

選擇如圖10設(shè)計基準(zhǔn)作為燃燒室外殼精加工基準(zhǔn),有以下兩點優(yōu)勢:

(1)選設(shè)計基準(zhǔn)作為精加工基準(zhǔn),避免加工尺寸換算誤差;

(2)選用該精加工基準(zhǔn),在裝夾及定位時可靠,對刀方便。

圖10 設(shè)計基準(zhǔn)Figure 10 Design basis

2.4 燃燒室外殼加工工序設(shè)計

由前述知,燃燒室外殼為提高材料性能、降低切削應(yīng)力、減小變形量等,在加工方案總體設(shè)計中安排了兩次熱處理,同時由于燃燒室外殼外形尺寸較大,結(jié)合車間實際情況只能采用工序分散制造方式,該方式對設(shè)備功能集成度要求較低,且不需要設(shè)計專用夾具,滿足單件、離散型制造車間的現(xiàn)狀。

對于燃燒室外殼,本次工序設(shè)計主要考慮如表3所示。

具體工序如下:

01劃:定粗加工粗基準(zhǔn)—02鏜:加工基準(zhǔn)帶—03劃:劃線機檢測,修訂粗基準(zhǔn)—04鏜:加工精基準(zhǔn)—05車:粗加工回轉(zhuǎn)面—06鏜:粗加工非回轉(zhuǎn)面—07檢測:檢測零件內(nèi)部缺陷—08熱處理—09劃:檢測變形,定半精加工基準(zhǔn)—10車:半精加工回轉(zhuǎn)面—11鏜:半精加工非回轉(zhuǎn)面—12熱處理—13劃:檢測變形,定精加工基準(zhǔn)—14車:精加工回轉(zhuǎn)面—15鏜:精加工非回轉(zhuǎn)面—16檢測:檢測零件表層缺陷—17檢測:檢測最終尺寸。

3 切削參數(shù)優(yōu)化

考慮到重型燃機燃燒室外殼為單件式生產(chǎn),且無相關(guān)加工文獻,因此根據(jù)常規(guī)模式,其加工的切削參數(shù)多由操作者自行決定[7],而操作者在加工中都是依靠經(jīng)驗選取切削參數(shù),這些所選的切削參數(shù)往往不是最優(yōu)的一組組合,將使機床本身并沒有發(fā)揮其足夠的效能,同時造成加工過程緩慢、刀具消耗增大。同時由于重型燃機燃燒室外殼加工面大、多,故對其加工過程的切削參數(shù)優(yōu)化,對提高其加工效率、降低加工成本具有重要的意義。

3.1 切削過程數(shù)學(xué)模型

本次切削參數(shù)優(yōu)化,只針對鏜床對重型燃機燃燒室外殼的外表面加工,因為該部位需要用到計算機輔助編程加工,可優(yōu)化性強,且具有代表性。

(1)加工過程可變量確定

在整個燃燒室外殼外表面加工過程中,主要存在切削速度(轉(zhuǎn)速)、走刀速度、軸向切削深度ap、徑向切削深度ae,共計四個可變量。其中軸向切削深度直接影響加工后表面的殘余高度,需結(jié)合圖紙粗糙度、切削后可打磨性、刀具剛性、經(jīng)濟性等因素選取,此處ap參照經(jīng)驗取為1 mm。同時,由于該部位的加工在粗加工階段,其徑向切削寬度就為:毛坯實際尺寸(徑向)與加工后的尺寸之差,由于刀盤寬度比余量大,采用一次走刀成形即可,根據(jù)毛坯余量知ae為10 mm。故此處主要對可變量、切削速度與每齒進給量進行優(yōu)化,可將其指定為vx與fx。

(2)目標(biāo)函數(shù)的確定

本次優(yōu)化的目的為,通過優(yōu)化切削參數(shù),提高燃燒室外殼的加工效率,而切削過程時間構(gòu)成為[8]:

(2)

式中,tj為總加工時長,tq為切削時長,th為單次換刀時長,ts為刀片壽命,tf為其余輔助時長。

其中刀片壽命與切削參數(shù)關(guān)系為[9]:

ts=CTvxtfytaeztapwt

(3)

式中,CT為影響刀片壽命主參數(shù),v為切削速度,f為每齒進給,ae為徑向切削寬度,ap為軸向切削深度,xt、yt、zt、wt為各對應(yīng)參數(shù)的影響系數(shù)。

按最大生產(chǎn)率確定目標(biāo)函數(shù),同時排除常數(shù)輔助時長影響,建立函數(shù)為[3]:

(4)

式中,L為銑削長度,根據(jù)CAM編程知,此次燃燒室外殼外表面加工總長度約為3 748 750 mm;D為刀具直徑,本次使用?400 mm切刀盤;th為15 min。同時根據(jù)文獻[10],查閱公式(4)中各系數(shù)值,進一步化簡公式(4)為公式(5)。

(5)

(3)約束

在實際中,vx與fx取值受轉(zhuǎn)速、最大進給力、粗糙度等多個條件約束,查閱文獻[10]及加工機床參數(shù),化簡整合各約束條件,得vx與fx取值范圍滿足:

0≤vx≤1004.8

(6)

0≤fx≤0.3

(7)

vx0.1fx0.8≤30

(8)

vx1.1fx0.8≤25500

(9)

由于該數(shù)學(xué)模型存在區(qū)域約束,處理方式為[11]:將搜索空間的大小加以限制,使得在搜索空間中一個個體的點與解空間內(nèi)一個可行解的點有一一對應(yīng)的關(guān)系。

3.2 遺傳算法簡介

所謂遺傳算法,其術(shù)語源自自然遺傳學(xué)。于1975年,由美國的Holland J教授提出,是基于自然選擇原理、自然遺傳機制和自適應(yīng)搜索的算法。遺傳算法也可簡稱為GA。GA啟迪于生物學(xué)的新達爾文主義(達爾文的進化論、威茨曼的物種選擇學(xué)說和孟德爾的基因?qū)W說),其算法模仿物競天擇、優(yōu)勝劣汰、適者生存的生物遺傳和進化的規(guī)律性[11]。

其運算的基本流程如圖11所示。

3.3 優(yōu)化計算

利用上述算法及原理,借助相關(guān)軟件計算,計算時可取population size為50,采用輪盤賭注法,選取crossover fraction為0.8,變異率0.02,下一代群體取為400代(總計算次數(shù)為400次)。

建立適應(yīng)度函數(shù)為:

(10)

通過計算,在84次迭代計算后,本次結(jié)果趨于收斂,將結(jié)果與經(jīng)驗取值對比如表4所示。

圖11 GA算法流程圖Figure 11 GA algorithm flowchart

表4 燃燒室外殼外表面加工切削參數(shù)優(yōu)化表Table 4 Optimization table of machining andcutting parameters for outer surface of combustionchamber outer casing

將上述結(jié)果帶入公式(5)計算得,優(yōu)化后的加工時間較取經(jīng)驗值所需加工時間縮短52.56%。

圖12 燃燒室外殼外表面加工Figure 12 Outer surface processing of combustion chamber shell

4 現(xiàn)場應(yīng)用

圖12所示為燃燒室在車間,應(yīng)用TK6920×154數(shù)控落地銑鏜床加工外表面,加工中,由于在切削參數(shù)優(yōu)化時,未考慮振動、刀片材質(zhì)與工件材質(zhì)與手冊經(jīng)驗公式中有些許偏差等情況,故在實際加工時,根據(jù)現(xiàn)場工況,切削參數(shù)在優(yōu)化值的基礎(chǔ)上有所降低,但均比經(jīng)驗值高,實際切削速度為175 r/min、走刀速度為0.25 mm/z,故優(yōu)化值與實際切削速度誤差為13%、與實際走刀速度誤差為20%。

5 結(jié)論

以重型燃機燃燒室外殼加工為研究對象,為提高加工效率、控制加工變形,對該燃燒室從分析結(jié)構(gòu)、劃分余量、確定加工階段等方面,開展了加工工藝研究。同時運用遺傳算法,以最大生產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù),對燃燒室外殼外表面加工切削參數(shù)的切削速度與走刀速度進行了優(yōu)化,其優(yōu)化后的切削參數(shù)較經(jīng)驗參數(shù)有顯著提升。通過結(jié)合現(xiàn)場工況,對所優(yōu)化的切削參數(shù)調(diào)整應(yīng)用于實際加工,證明了采用遺傳算法優(yōu)化的切削參數(shù)具有可行性。結(jié)論如下:

(1)為提高重型燃機燃燒室外殼加工效率、控制加工中變形,劃分3個加工階段,對加工余量也進行3次劃分,采用工序集中方式利用在一道工序盡可能多的加工更多的加工面,且充分利用車間通用設(shè)備資源,降低對專用設(shè)備的依賴。

(2)采用遺傳算法優(yōu)化燃燒室外殼外表面加工過程中的切削參數(shù),在切削參數(shù)f=0.3 mm/r、vc=198 r/min條件下,使加工時間較采用經(jīng)驗參數(shù)的方式縮短52.56%。

(3)在現(xiàn)場實際加工中,調(diào)整實際切削速度為175 r/min、走刀速度為0.25 mm/z,優(yōu)化值與實際切削速度誤差為13%、與實際走刀速度誤差為20%,該部分誤差受刀片材質(zhì)、工件材質(zhì)與手冊經(jīng)驗公式中偏差與振動等情況的影響。