【摘 要】
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镍基类高温合金因具有优异的机械强度保持性、优异的耐蚀性和抗氧化性,广泛运用于航空航天和海洋船舶制造工业。但由于镍基类高温合金在铣削加工容易出现刀具磨损加快、切削振动增大和表面质量变差等现象,这就使得镍基高温合金成为典型的难加工材料。传统的浇注式冷却具有切削液消耗量大、资源利用率低等缺点。随着社会需求的发展,绿色制造技术的研究越来越被重视,减少切削液的排放对实现绿色制造有重要意义。微量润滑技术(mi
【基金项目】
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四川省科技厅重点研发项目:“基于专家系统的智能微量润滑系统研究(2019YFG0358)”;
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镍基类高温合金因具有优异的机械强度保持性、优异的耐蚀性和抗氧化性,广泛运用于航空航天和海洋船舶制造工业。但由于镍基类高温合金在铣削加工容易出现刀具磨损加快、切削振动增大和表面质量变差等现象,这就使得镍基高温合金成为典型的难加工材料。传统的浇注式冷却具有切削液消耗量大、资源利用率低等缺点。随着社会需求的发展,绿色制造技术的研究越来越被重视,减少切削液的排放对实现绿色制造有重要意义。微量润滑技术(minimum quantity lubrication,MQL),是当今时代热门的绿色制造技术之一。该技术因具有切削液消耗量低、资源利用率高、可持续性发展等优点广泛运用于机械制造行业。然而,大量的研究结果表明,在优化的切削参数下,低温微量润滑冷却技术(minimum quantity cool lubrication,MQCL)获得了比MQL和干切削条件下更好的表面质量和更低的刀具磨损。因此,MQCL技术被认为是克服MQL冷却效果差且运用于难加工材料的一种新方法。现研究主要是侧重于切削参数下切削振动和表面质量的研究。在MQCL条件下油液流量、冷风温度、风速等冷却参数对切削振动和表面质量的影响机理研究较少,因此有必要进一步探索。本文在四川省科学技术厅重点研发项目(2019YFG0385)的资助下,进行MQCL条件下铣削高温合金GH4169的实验。研究了冷却参数对切削振动和表面质量的影响和机理、冷却参数下切削振动与表面质量的关系、建立了预测模型并对冷却参数进行优化。本论文的主要研究工作如下:(1)研究了冷却参数下铣削高温合金GH4169切削振动的影响机制。首先通过单因素实验结果分析了冷却参数对切削振动的影响规律,再用正交实验结果分析了冷却参数对切削振动的贡献率,得出油液流量、风速和温度对轴向振动的贡献率分别为12.9%、11.6%和64.3%,油液流量、风速和温度对径向振动的贡献率分别为6.3%、9.9%和69.4%,可见温度对切削振动的贡献率是最高的,其次为风速和油液流量。通过主效应图得出轴向和径向切削振动最佳的初步冷却参数值为:油液流量为140ml/h,风速为8.5m/s,温度为10°C;再用三维响应曲面分析了冷却参数对切削振动影响的交互作用。其次通过分析MQCL下刀具磨损情况对切削振动的影响规律得出一般情况下刀具磨损与切削振动呈现正相关;但冷却参数过大时,刀具磨损与切削振动的趋势相反。油液流量过多会造成资源的浪费;风速的增大,可以减小振动,改善系统平稳性。(2)研究了冷却参数下铣削高温合金GH4169对表面质量的影响。首先通过分析单因素实验和正交实验的结果,得到了在MQCL工况下的工件的表面粗糙度值(Ra)、表面轮廓曲线、表面硬度值(HLD)和表面微观图。通过正交实验结果得出冷却参数对表面粗糙度的影响程度,温度对表面粗糙度的影响最大,其次为油液流量和风速。温度为-10°C下,获得的表面粗糙度最好;随着油液流量的增加,表面质量变好,但当油液流量达到临界油膜值时,继续增加油液流量表面质量变差;风速影响着流体粘度,从而影响切削接触间的摩擦力,随着风速的增加表面质量的变化是先减小后增大。对正交实验结果进行主效应图分析得到初步最优的冷却参数组合:油液流量为140ml/h,风速为8.5m/s,温度为-10°C,此最优组合为算法对冷却参数的优化提供了参考。再根据冷却参数对表面硬度的影响规律得出,随着温度的变化,工件表面显微硬度值变化幅度是最大的。最后分析了冷却参数与表面形貌的关系,侧面证明了各冷却参数对表面质量的影响机理。(3)分析了切削振动与表面质量的关联性,建立了冷却参数下表面粗糙度和切削振动的预测模型和优化模型,并进行了实验验证。将油液流量改变下的切削振动和表面质量进行对比,表面粗糙度的变化趋势和轴向振动变化趋势是相反的;温度低于0°C时,切削振动与表面粗糙度变化趋势相近;温度大于0°C时,表面粗糙度的变化趋势与切削振动变化趋势相反。在风速改变下的使得切削振动变化趋势与表面粗糙度变化趋势几乎一致。采用支持向量机(SVR)建立了冷却参数对表面粗糙度和切削振动的预测数学模型,得到数学模型的预测误差低于0.015。再使用改进布谷鸟算法对进行加权后表面粗糙度和切削振动的支持向量机数学模型进行参数优化(ICS-SVR),得到优化结果为:温度为10°C,风速为8.5m/s,油液流量为139ml/h,表面粗糙度0.882μm,振动均方根最优值为5.369m/s~2。最后实验验证得到切削振动和表面粗糙度的实验结果与优化结果的误差分别为2.7%和5.2%,表明优化结果较精准,为绿色制造提供了参考。
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