切削條件對超臨界材料加工影響規律研究*

陳洪濤 黃 遂 傅 攀 王建錄 劉 義

(①西南交通大學，四川成都610031；①四川工程職業技術學院，四川德陽618000；③東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000)

隨著汽輪機行業快速發展，大容量、高參數、低能耗、低排放產品規模進一步擴大，主機國產化率逐步提高，對整機中主要零部件——汽輪機轉子、葉片的加工質量也提出了更高的要求。這類零部件主要采用超臨界材料制造，其主要特點是耐高溫、抗蠕變、抗疲勞、高強度、耐腐蝕、抗氧化、膨脹系數小。由于該類零件工況的特殊性，對切削加工工藝要求非常嚴格。目前對于超臨界材料在切削條件變化時對金屬本體之間作用規律的研究還比較薄弱，在實際生產中，切削用量、切削液等切削條件的選擇主要還是建立在經驗基礎上。

人工神經網絡理論的提出與發展為研究非線性系統提供了一種強有力的工具，它已成功地應用于許多研究領域，在機械工程學科的應用越來越受到重視。

本文將人工神經網絡應用于超臨界材料切削規律研究，以正交銑削試驗為基礎，通過實時檢測三向切削力，并對工件表面硬度和微觀組織進行分析，再經過因子刻畫，建立了針對不同工藝要求合理選擇切削用量的模型，據此可優化切削條件。

1 試驗設計

完善的試驗方法是降低試驗成本，獲得完整數據的可靠保證。常用的試驗方法有正交試驗設計方法，均勻試驗方法及回歸試驗設計方法等［1］。

本試驗采用正交試驗設計，為做到盡量全面覆蓋試件試驗材料加工的切削用量，我們將切削三要素作為3因子，并按5個水平進行試驗，切削用量的取值見表1。如按均勻試驗方法做全因子試驗，3因子5水平的試驗次數為35=243次，而正交試驗為53=75次，大大節約了試驗成本和周期，同時能獲得預測控制所需要的數據［2-3］。

表1 試驗切削用量

1.1 試驗平臺的搭建

試驗選用瑞士Kistler公司Kistler9257B測力儀和DEWE-3021便攜式數字采集系統。該系統組合能實時精確測量銑削加工中主切削力Fx、進給力Fy和背向力Fz三向力信號。搭建試驗平臺時，需事先制作好與測力儀匹配的底座并通過壓板裝夾到機床工作臺上，再將測力儀與底座通過螺釘固定。對每一加工試件預先加工出臺階和連接孔，并用4個緊固螺釘將試件與測力計固定，如圖1所示。

1.2 加工條件

本試驗加工條件見表2。

表2 試驗加工條件

2 測量與分析

按正交表完成試驗，并將試驗結果記入正交表(表3為75組正交表中ap=0.5 mm的部分)。以隨機抽取檢測到的切削過程中10.501 s到10.861 s的一組三向力信號為例，如圖2所示，橫坐標是時間，縱坐標從上到下分別是X，Y，Z方向的3個通道力的電壓信號(單位：V)，該信號與力的大小比例是1 V=500 N。可以看到，X方向的主切削力信號幅值大于其他兩個方向，該信號最大值為0.65 V，均值為0.43 V，對應力的最大值為325 N，均值為215 N。

表3 數控銑削正交試驗表(ap=0.5 mm)

完成正交表后，通過神經網絡擬合建立切削力與切削三要素的三維等高曲面。考慮到本試驗條件下主切削力Fx和背向力Fz對加工精度和表面質量影響最大，所以下面對這兩個方向切削力規律做重點分析。

如圖3所示，切削用量三要素中背吃刀量對主切削力Fx影響最為顯著，其次是進給量，切削速度的影響很小。

試驗表明，背向力Fz較小，且改變切削用量一般對該力影響不明顯。但在一些特定的切削參數組合下，背向力大小和方向出現突變現象，如圖4所示。經分析判斷其原因是這些特定的參數組合使工藝系統產生了共振。共振的形成與切削條件和工藝系統剛性等因素有關，對切削加工極為不利，選擇切削條件時應盡量避開共振區域。

為了研究切削條件對超臨界材料工件表面物理力學性能的影響規律，試驗過程中還對每一試件進行了表面硬度檢測。圖5是分析得到的表面硬度與切削三要素的三維等高曲面圖，從圖中能清楚的看到，切削用量三要素中背吃刀量對工件表面硬度的影響最為顯著。尤其是以ap=0.5 mm為界，硬度有明顯的變化。

為了研究切削力和加工過程中共振現象對超臨界材料表面金相的影響規律，我們專門選取非共振帶上的 vc=250 m/min，fz=0.25 mm/z，ap=1 mm 的第 44組實驗工件和 vc=250 m/min，fz=0.2 mm/z，ap=1.5 mm的第56組實驗工件做1000倍的掃描電鏡對比，如圖6所示。能清楚的看到處于非共振帶上的第44組實驗工件表面的金相紋理較好，主切削力最大為420 N，表面硬度為397 HV；處于共振帶上的第56組實驗工件表面有很明顯的撕裂，主切削力最大為1086 N，表面硬度為350 HV。同時，我們還對該試驗工件進行了表面成分的檢測，發現在共振帶上加工的試驗工件，重要元素如Co、W、Ti、Nb的流失比非共振帶上的元素流失嚴重。當工件表面撕裂和成分發生不利變化時，在特殊工況下，抗疲勞和抗腐蝕能力將降低，這時即使工件幾何精度合格也可能造成報廢。

3 預測控制

在實際工作中，只有定性的分析是不夠的，常常需要研究響應變量Y究竟如何依賴于自變量X，進而能找到自變量的設置，使得響應變量得到最佳值，對切削力的期望預測即對試驗結果的控制，是試驗的最終目的［4-5］。我們通過對擬合過后的數據進行因子刻畫，連續可調地改變意愿因子，響應曲線就會隨之改變，最終得到我們期望的響應。圖7是對主切削力與背向力進行的預測控制，圖8是對工件表面硬度進行的預測控制。

表4 驗證實驗結果

通過上面的預測分析，我們可以得到在所做參數范圍內連續的加工信息，而且經過任意切削參數的驗證實驗結果見表4。其中第3、4次驗證實驗選擇的切削參數在機床的共振帶上，預測的最大銑削力偏差比其他區域偏大，但均在10%以內。

4 結語

(1)切削條件變化對超臨界材料加工切削力、工件表面硬度和組織等都有較大影響，并遵循一定的規律。

(2)通過正交試驗方法，將人工神經網絡和因子刻畫技術應用于超臨界材料切削規律研究，能夠從有限的試驗中，得到一系列連續可預測的切削加工信息，預測結果與驗證試驗能夠很好的吻合。

(3)本方法既可用于對缺乏切削力經驗公式和檢測條件的加工過程的切削力預測，也可用于對工件加工后表面硬度、組織等表面物理力學性能進行預測，從而避開不合理的加工條件，為優化切削條件提供了重要依據，在實際生產過程中有重要的指導意義。

［1］余俊.現代設計方法及應用［M］.北京：中國標準出版社，2002.

［2］茆詩松，周紀薌，陳穎.試驗設計DOE［M］.北京：中國統計出版社，2004.

［3］肖忠祥.數據采集原理［M］.西安：西北工業大學出版社，2001.

［4］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］丁建生，肖章玉.超臨界材料鑄件熱處理工藝與力學性能研究［J］.鑄造技術，2009，30(8).

［6］楊秋平，王衛平.不同切削力預測建模方法的比較研究［M］.工具技術，2002，36(12).