整體葉盤復合銑削參數優化系統的研究

陳真++劉獻禮++程耀楠++丁明娜++吳雪峰

摘要：整體葉盤復合銑削加工是基于國際同類整體葉盤制造技術提出的一種整體高效和高質量的制造加工工藝.針對開式整體葉盤盤/插/側復合銑削刀具與切削參數優化系統的開發需求，構造了集高速切削工藝參數庫、刀具庫、實例庫等子數據庫和銑削參數優化數據庫于一體的銑削參數優化系統，闡述了該系統的總體結構，設計了各功能子模塊的構成，并分別提出了基于銑削參數的目標預測模型，以及基于遺傳算法的參數優化模型，為科研生產提供參考和依據，保證在滿足加工要求的同時提高加工效率、降低生產成本.

關鍵詞：參數優化；數據庫；復合銑削；整體葉盤

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.008

中圖分類號：TG506

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）04-0039-07

0 引言

整體葉盤是新一代航空發動機中壓氣機、渦輪和風扇的關鍵零件，對改善發動機性能具有重要作用，一些航空發達國家在新型發動機設計中普遍采用了這一結構.與傳統結構相比，整體葉盤將葉片和輪盤設計為一個整體，省去用榫頭、榫槽連接，減少和避免了榫頭氣流損失、榫槽損傷隱患，使得葉盤整體重量減輕而剛性和平衡精度提高，極大地改善了發動機的推重比和可靠性.制造整體葉盤用的材料，主要有鈦合金和鎳基合金；其結構大致可分為開式、閉式結構，以及大小葉片轉子結構——開式結構中大葉片間含有小葉片.

整體葉盤屬于薄壁類復雜型面零件，葉片薄、葉展長、扭曲度大、受力易變形，葉片間的通道深而窄、開敞性很差，且屬于典型難加工材料，實際加工時，不僅材料切除率很高，銑削加工難度也較大，對于開式整體葉盤而言，由于其從毛坯到成品的加工過程中，約有90%的材料將被切除，為提高通道粗加工效率、縮短制造周期，西北工業大學提出了一種集成的高效強力復合銑削方法.該方法首先利用盤銑切削效率高的特點對葉盤通道開槽，最大限度去除材料；在此基礎上，對盤銑不可達區域（切削干涉區域）進行高效插銑，實現擴槽加工與曲面成形；最后，使用圓柱銑刀或球頭銑刀側銑，完成除棱清根，完成通道粗加工.整體葉盤及其復合銑削加工方式如圖1所示.

在整體葉盤復合銑削加工過程中，加工工藝方法的改進，為進一步提高加工效率、降低加工成本提供了可能，但是銑削參數的合理選擇依然是一個非常重要的問題，目前，國外的整體葉盤制造己基本形成全數字化集成制造單元，實現了整體葉盤的高效率、高質量及低成本制造，并建立了完整的工藝參數庫；而在國內，由于整體葉盤所用材料加工成本高、難度大，供參考的數據信息不多，在實際加工過程中，技術人員僅憑個人經驗或參照切削用量手冊進行選擇，很難獲得十分滿意的參數.隨著金屬切削向集成化、智能化和網絡化方向發展，切削數據庫的支撐作用日益明顯，選擇合理的優化算法建立切削數據庫，可以更好地選擇切削參數，然而，由于根據切削參數建立的模型非常少，數控加工切削參數優化的問題值得研究.哈爾濱理工大學根據項目需求，結合整體葉盤開槽粗加工材料去除率高的實際，展開了復合銑削參數優化的研究.本文針對以上加工工藝方法，將智能優化算法和金屬切削理論相結合，建立了銑削參數優化模型，運用切削理論、數學建模和模型分析方法尋求銑削參數的最優組合，并根據軟件設計思想，設計出整體葉盤（開式）復合銑削參數優化系統，以有效實現銑削參數管理、預測、優化和相關知識查詢.

1 系統總體設計

1.1 需求分析

系統需求分析是在用戶調查的基礎上，通過分析，逐步明確用戶對系統的需求，包括數據需求以及與這些數據有關的業務處理需求，對于任何一個加工優化過程而言，必須選擇確定的優化目標作為衡量標準.工藝參數優化策略的研究集中在加工效率、加工精度和加工成本3個方面，其切削優化模型可歸納為加工需求、目標函數、設計變量和約束條件等4個層次，具體如圖2所示.

盤/插/側復合銑削是一個極其復雜的過程，影響因素很多，包括機床動態特性、刀具材料及幾何參數、工件材料及特征等.在本文所研究對象中，加工需求和切削條件是一定的，對于通道開粗加工，主要是在控制成本的基礎上提高效率，同時考慮側銑加工表面質量的情況.因此，本系統主要是在規范管理機床、刀具、丁件、試驗數據和用戶信息等基礎上，將這些信息與工藝系統中各銑削參數（銑削速度、每齒進給量、切削深度）結合起來，根據已建立的預測模型對切削力、材料去除率、銑削扭矩、銑削功率等進行預測，并結合加工要求、約束條件等，通過已建立的優化模型進行銑削參數的優化，同時對以上預測、優化結果進行數據管理.

當然，以上內容主要是從系統目標需求、功能需求和數據需求等角度進行分析，對于數據庫系統而言，還必須充分考慮其性能需求，如系統的可擴展性、可維護性、穩定性和安全性等，以及面向特定群體的適用性等，以此滿足軟件用戶需求.

1.2 體系結構設計

體系結構設計是數據庫系統的總體框架設計，對一般性數據庫系統而言，大多采用外模式、概念模式和內模式構成的三級模式結構，這三級模式分別對用戶觀念下的局部數據結構、對數據庫全局邏輯結構和對數據物理結構和存儲方式進行描述，為解決系統復雜性可能會帶來的系列問題，本系統從實際應用角度出發，將系統結構分為應用層、邏輯層和數據層，如圖3所示，這種結構不僅清晰呈現了三級模式與三層結構的關系，還為解決系統的可擴展性、可維護性打下良好的結構基礎.

在系統三層結構中，應用層（也即用戶界面層）呵為用戶提供友好的界面展示，用戶可根據權限和導航進行相關操作；邏輯層用于描述數據整體的邏輯結構，連接著數據訪問層和應用層兩部分；數據層主要是與邏輯層進行交互，負責數據庫的訪問，為系統提供支持.其中，邏輯層作為數據庫系統的核心層，一方面作為調用者，從數據層獲取數據完成邏輯運算，同時也作為被調用者，執行用戶相關業務需求，并保證系統的安全、可控性能.其完成的主要功能包括用戶信息、基礎數據的查詢、添加、刪改，銑削試驗數據的分析，不同銑削方式下的切削力、功率等預測，以及銑削參數的優化等，

在圖3中，人機交互模塊可以面向管理員和一般用戶，針對不同需求選擇進入到信息查詢、數據管理、目標預測和參數優化等4個基本功能模塊，而數據庫與4個模塊之間也可進行數據、信息的存人或輸出，形成完整的系統架構和信息交互.同時，系統數據庫還將目標預測和參數優化的約束信息、預測和優化后的數據結果納入其中，以方便用戶調閱查看，使用戶獲得更好的操作體驗.

1.3 系統流程設計

系統流程用于表達系統內各部件（程序、文件、數據庫、表格、人工過程等）的流動情況.結合系統功能設計需求和軟件總體操作流程，將系統的總體工作流程設計如圖4所示.

從總體流程來看，用戶進入系統時，首先需要進行身份驗證，通過創建連接對象與用戶數據庫比較，確保系統入口安全；然后，用戶根據權限和需求進行功能選擇，并執行相應的操作，系統經過處理之后輸出或顯示相應的結果，其中，在對銑削參數進行優化時，先確定復合銑削工藝特定加工方式和相應的加工條件，根據加工要求選擇適用的預測模型，并確定約束條件的合理區間，再通過調用MATLAB優化模型，以實現銑削參數優化.

2 系統關鍵技術

2.1 切削力預測建模

切削力是機械加工過程中最重要的物理參數之一，不僅影響加工件表面質量、硬化層深度、殘余應力，對刀具的使用壽命和磨損情況也會產生重要影響.在切削過程中，切削條件的改變，如加工參數、刀具幾何尺寸工件材料特性和機床加工設備等，都會引起切削力變化.當然，在機床、刀具、工件都確定后，主要還是切削用量對切削力的影響較大，尤其是整體葉盤復合銑削加工，加工方式不同、參數組合多樣，使得銑削參數與切削力之問的關系更為復雜.因此，基于銑削參數預測切削力（以及銑削功率、扭矩），對于優選銑削參數、提高效率和降低成本等都具有積極的指導意義.

在銑削過程中，由于受到周期載荷沖擊、刀具磨損和切屑變形等因素綜合影響，根據幾何建模方法建立的銑削力模型與真實切削力變化規律存在較大差異，甚至偏離.基于對現場真實數據進行統計回歸分析而建立數學模型則成為準確性較好的銑削力研究手段.為此，根據復合銑加工中的3種不同方式和對應工序，分別進行了整體葉盤典型材料（鈦合金TC4）盤銑開槽、插銑擴槽和分層側銑試驗研究，并采集工藝參數選取范圍內的切削力合力和各向分力數據.由銑削試驗關于銑削參數對切削力的影響可知，二者之間存在著強烈的非線性關系，因此，可通過最小二乘法建立切削力關于銑削參數的回歸方程，并基于概率統計對其進行顯著性檢驗，銑削參數與切削力之間的通用關系可描述為

其中：Fj分別為x、y、z向分力和該方式下合力；i代表盤/插/側銑削加工；C_F、m₁、m₂、m₃、m₄分別為銑削參數的影響系數和指數（可根據不同切削試驗數據進行回歸分析獲得）；v_c、f_z、a_e、a_p分別為銑削速度、每齒進給量、徑向和軸向切深.

通過以上預測模型，分析單因素和多因素條件下銑削力壽命受影響規律，對不同銑削參數組合進行試驗驗證，以達到在此約束條件下，較準確地預測任意參數組合的目標預測結果.

2.2 基于遺傳算法的銑削參數優化

2.2.1 目標函數的建立

根據整體葉盤加工實際，參數優化的目標主要是綜合考慮機床、刀具、工件等因素影響，以獲得較高生產率和較低生產成本的最佳銑削參數組合，同時在側銑加工確保表面質量.盡管三種銑削方式涉及的銑削參數均有所不同，但從理論和實際來看，切削過程實際上是材料去除問題，且單位時間材料去除率是作為衡量加工效率的重要指標，而生產成本也主要考慮刀具的損耗.因而，本文將多目標優化問題通過幾個重要的單目標函數線性加權求解.

1）單位時間材料去除率的表達式如下：

式中：Q_i為整體葉盤盤銑、側銑單位時間材料去除率，mm³/min；n為主軸轉速；Z_n為刀具齒數.由于插銑沿軸向進給不受插銑深度限制，在試驗加工分析參數對切削力的影響時，主要選擇切削速度v_c、每齒進給量f_z和徑向切深a_e三項，插銑加工模型及去除材料部分示意圖如圖5所示.

因此，整體葉盤插銑加工單位時間材料去除率可表示為

其中：AS為插銑加工材料去除截面積，可根據幾何關系分析得出.圖5中s為插銑步距.

2）刀具使用壽命的表達式如下：

其中：C_T、n₁、n₂、n₃、n₄分別為銑削參數的影響系數和指數.為此，可通過鈦合金TC4刀具磨損試驗，參照切削力預測模型的建立方法，求解得出模型中各影響系數、指數.

3）根據以上內容，為實現生產率較高和生產成本較低的復合銑削加工，可通過采用線性加權法建立銑削參數優化的多目標函數，表述如下：

其中： 為加權系數， 中X2可由主軸轉速n求得，

值得注意的是，由于材料去除率和刀具使用壽命均為非負值，可將上式中的目標函數轉化為求最小值的優化目標，目標函數如下：

2.2.2 約束條件

約束條件是考慮邊界和性能對設計變量取值的限制條件，相對設計變量和目標函數，約束條件是最復雜也是最重要的，它的選擇準確與否更加關系著所得結論是否真實可靠.因此，本系統既選擇銑削參數取值區間和通過預測模型化獲得的切削力范圍作為主要約束，還綜合考慮機床、刀具、加T要求等條件影響，建立了以下約束條件：其中：n_max（min）為刀具所允許得最大（?。┺D速；M_max（min）、P_max（min）分別為最大（?。C床扭矩和功率；D_n為刀具直徑；F_t為切向銑削力；η為機床功率有效系數.