[发明专利]基于工艺试验数据模型的钛合金数控铣削工艺参数优化方法

说明书

技术领域

本发明是针对钛合金材料数控铣削加工,提出的一种基于工艺试验数据模型的工艺参数优化方法。

背景技术

本发明针对钛合金材料具有切削温度高、导热系数小、冷硬现象严重、切削加工性差，刀具磨损严重，加工振颤影响零件表面质量等特点，由于在企业生产车间普遍采用人工经验选择切削参数，数控加工效率较低。

采用了一种基于工艺试验数据模型的钛合金材料数控铣削工艺参数优化方法，通过实际工艺试验获得的不同工艺参数条件切削力及刀具寿命值数据，通过试验数据回归分析，得到切削力、刀具寿命与工艺参数之间关系的数学模型；确定优化目标为材料去除率、刀具寿命及切削力，构造工艺参数多目标优化评价函数，在给定切削条件约束下，对工艺参数进行优化。该方法探索出了针对钛合金材料数控铣削加工工艺参数优化的方法，并通过实际零件加工进行了应用验证，提高了材料数控加工效率，提高了钛合金数控铣削工艺参数选用的科学性。

发明内容

本发明提出了一种基于工艺试验数据分析模型的钛合金材料数控铣削工艺参数优化方法，包括下列步骤：

1 钛合金材料数控铣削工艺试验：

选择钛合金材料外形尺寸为长度200mm,宽度100mm,厚度30mm。将其放置数控加工中心工作台上安放的切削力测量装置上；

选择刀具直径为20mm,机床切削速度V为20-50mm/min，每齿进给量fz为0.03-0.2mm/齿，切削深度ap为 1mm,进行切削力试验，采用正交试验方法，经过9次铣削加工，采集切削力试验数据。

选择刀具直径为20mm,机床切削速度V为20-50mm/min，每齿进给量fz为0.03-0.2mm/齿，切削深度ap为1mm,进行刀具耐用度试验，固定进给速度、切削深度，改变主轴转速，经过3-4次工艺试验，采集刀具磨损量。

2 基于多元回归模型的试验数据处理方法：

通过切削力测量装置测得每组切削参数下切削力，可以通过数据回归分析计算，得到切削速度、切削深度和每齿进给量为变量的幂函数，形式为如下：

Fy=C1×ap^r1×fz^r2×V^r3（1）

其中C1、r1、r2、r3为公式中的系数及指数。

采用回归分析方法将9次工艺试验数据进行数据处理，得到切削力与切削参数关系的经验公式。

刀具寿命工艺试验中，选择磨钝标准为0.2mm,测得三种不同切削速度下的刀具寿命，单位为分钟，通过数据拟合，得到在此切削参数范围内刀具寿命T与切削速度V存在指数关系如下：

T=C×V^a（2）

其中C,a为公式中的系数及指数。

3 钛合金材料数控铣削工艺参数优化方法:

提出钛合金材料多目标优化的目标为材料去除率MRR最大、刀具寿命T最长、切削力Fy最小。

切削参数优化模型中，优化变量为铣削速度、每齿进给量、轴向切深，优化目标为材料去除率最大、刀具寿命最长、切削力最小。由于优化目标具有不同单位不同量纲，必须首先进行归一化处理，消除各指标之间由于量纲不同而带来的影响，经过归一化处理后，解决指标之间可比性问题，各指标处于同一数量级，然后可以进行对比评价。

基于线性加权和方法建立多目标优化函数M如下，优化目标是M计算值最小。

M= S1/MRR+S2/T+S3×Fy

其中S1、S2、S3为综合优化时各单目标在综合优化模型中的权重设置比例，满足

S1+S2+S3=1。

4 钛合金材料数控铣削工艺参数优化系统实现

采用图形界面程序语言，开发钛合金材料数控铣削工艺参数优化系统，输入工艺试验获得的切削力模型及刀具寿命模型，输入多目标评价模型，输入各种约束，包括设备能力、刀具许用范围、工艺参数选用范围等，系统能够在工艺参数可行域中，找到优化范围及优化值。将优化前与优化后仿真对比，得到不同切削效率、设备功率、制造成本等计算值，并将优化由工艺参数用于实际产品加工，用于提高了材料去除率，并获得较好的产品质量。

本发明的优点和有益的效果：本发明针对钛合金材料的切削特点，设计工艺试验，由工艺试验数据分析得到三向切削力、刀具寿命与工艺参数之间关系模型，在给定切削条件约束下，通过优化计算实现钛合金材料数控铣削工艺参数优化，并通过实际零件加工进行了应用验证，提高了材料数控加工效率，提高了钛合金数控铣削工艺参数选用的科学性。