[发明专利]一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法

说明书

技术领域

本发明属于数控车削加工技术领域，更具体地，涉及一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法。

背景技术

镍基高温合金是一类具备工作温度高、抗氧化热腐蚀性好、有害相少、组织稳定等优良特性的高性能材料，并被广泛应用在航空制造业中。但镍基高温合金又属于难加工材料，在加工过程中切削力大、加工硬化严重、容易“粘刀”，会产生很大切削抗力和大量加工热，因此在传统切削加工中通常会使用普通切削液，它具有润滑、冷却、排屑、清洗及防锈的功能，并起到提高金属切削中加工表面的质量、延长刀具的使用寿命等效果。

然而，对于镍基高温合金这类难加工材料，需要采用大量的切削液来保证足够的刀具寿命和可靠的表面质量，因而其材料去除率很低，而且切削液的处理要求很高、污染环境、不利于工作人员身体健康；另一方面，在需要采用切削液的情况下，如何更有针对性地分析得出该切削液条件以及其他关键加工参数对车削加工输出结果之间的各种影响，目前尚缺乏深入研究，并日益成为需要重点关注的研究方向之一。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，其中通过结合镍基高温合金和车削加工自身的特点，采用液氮喷射方式在深冷条件下执行切削加工工序，尤其是通过选择以切削温度和残余应力作为主要优化目标，并对其优化模型进行设计，实际测试表明能够在关键车削加工输出结果之间取得良好的平衡，达到整体优化工艺参数和显著提高加工质量的目的，因而尤其适用于镍基高温合金之类难加工材料的切削加工用途。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种深冷加工镍基高温合金的参数优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)为车床主轴及配置的车刀组装液氮冷却喷头，该液氮冷却喷头随着车床主轴和车刀同步移动用于喷射液氮以执行深冷加工；此外，为包括切削速度、切削深度和切削进给量在内的一系列待优化输入加工参数分别设定取值区间；

(b)在上述各个取值区间的范围内，分别选取所述输入加工参数进行组合，并根据正交试验来执行多种工况下的车削加工，相应建立车削模型；然后，求解各种工况下所对应的包括切削温度、轴向车削分力Fx、径向车削分力Fy、加工平面方向的表面残余拉应力、加工平面方向的最大残余压应力、以及加工平面方向的最大残余压应力的深度在内的输出结果；

(c)基于步骤(b)所建立的车削模型，选取切削温度、加工平面方向的表面残余拉应力以及加工平面方向的最大残余压应力的深度这三个变量作为优化目标；

(d)采用响应面法并通过二次多项式回归方程的形式，对步骤(c)所选取的三个优化目标分别进行拟合，并获得如下所示的通用拟合方程：

W＝a+b₁×S+b₂×A_p+b₃×f_z+c₁×S×A_p+c₂×S×f_z+c₃×A_p×f_z+d₁×S²+d₂×A_p²+d₃×f_z²

其中，W表示拟合对象也即切削温度T、加工平面方向的表面残余拉应力σ_L或者加工平面方向的最大残余压应力的深度σ_Y；a、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃、d₁、d₂、d₃分别是该拟合方程的各个系数，S表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削速度，A_p表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削深度，f_z则表示在响应面法试验过程中所选取的多个切削进给量；

(e)按照加工平面方向的最大残余压应力的深度、切削温度和加工平面方向的表面残余拉应力的前后优先级次序，分别对它们各自所对应的拟合方程来设定不同的优化系数，然后进行求解相应获得在深冷加工条件下，切削速度、切削深度和切削进给量这些参数在所述取值区间范围内的最优解，并将其作为最终用于执行镍基高温合金切削加工的工艺参数组合，由此完成整体的参数优化过程。