本發(fā)明屬于機(jī)械加工工藝領(lǐng)域，具體涉及一種微量潤(rùn)滑條件下切削工藝參數(shù)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

微量潤(rùn)滑技術(shù)（Minimum Quantity Lubrication, MQL）是指在切削加工中將一定的壓縮空氣與切削液(約10~50ml/h）混合霧化后形成油霧噴射到切削區(qū)域，達(dá)到降低切削區(qū)域溫度、提高切削加工質(zhì)量和改善切削環(huán)境等效果。傳統(tǒng)的微量潤(rùn)滑技術(shù)采用外置噴嘴，冷卻液通過(guò)外置噴嘴噴射到切削加工區(qū)域，而切削液通過(guò)內(nèi)置冷卻車(chē)刀的微量潤(rùn)滑加工工藝鮮有研究。

工件表面機(jī)械性能通常用已加工工件的表面質(zhì)量來(lái)描述，已加工工件的表面質(zhì)量對(duì)工件的使用性能和機(jī)械的可靠性有重要影響，當(dāng)表面粗糙度過(guò)大時(shí)，會(huì)降低其接觸強(qiáng)度和配合精度，減小配合件之間的實(shí)際接觸面積，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度等不良影響。車(chē)削加工時(shí)，車(chē)刀相對(duì)于工件做螺旋運(yùn)動(dòng)，已加工表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論粗糙度，表面粗糙度作為加工表面質(zhì)量衡量的重要指標(biāo)，對(duì)工件的加工性能有重要影響。切削力是金屬切削過(guò)程中重要的物理現(xiàn)象之一直接影響著工件質(zhì)量、刀具壽命、機(jī)床動(dòng)力消耗，它是設(shè)計(jì)機(jī)床、刀具、夾具不可缺少的要素之一。研究切削力，對(duì)進(jìn)一步弄清切削機(jī)理，對(duì)計(jì)算功率消耗，對(duì)刀具、機(jī)床、夾具的設(shè)計(jì)，對(duì)制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都具有非常重要的意義。

為了更合理的提高加工效率，減少試驗(yàn)次數(shù)，已有學(xué)者結(jié)合數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)對(duì)因素變量影響的響應(yīng)進(jìn)行分析建模，提出響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，但是考慮到微量潤(rùn)滑條件下的切削工藝復(fù)雜，影響參數(shù)因子較多，不僅設(shè)計(jì)到傳統(tǒng)的切削參數(shù)還包括冷卻參數(shù)，本發(fā)明提供一種基于析因分析和中心復(fù)合設(shè)計(jì)相結(jié)合的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮切削合力和表面粗糙度進(jìn)行多響應(yīng)分析，針對(duì)性的提出關(guān)鍵的切削參數(shù)，對(duì)提高微量潤(rùn)滑條件下的加工效率和質(zhì)量有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種微量潤(rùn)滑條件下切削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，采用內(nèi)置噴射方式在微量潤(rùn)滑條件下執(zhí)行切削加工工序，以切削合力和表面粗糙度為主要優(yōu)化目標(biāo)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析建立切削參數(shù)對(duì)切削合力、表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型，在微量潤(rùn)滑條件下提出一種切削工藝參數(shù)的優(yōu)選方法，并且得到最優(yōu)切削參數(shù)組合。

一種微量潤(rùn)滑條件下切削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，所述方法包括以下過(guò)程：

1.為內(nèi)置冷卻車(chē)刀連接微量潤(rùn)滑系統(tǒng)裝置，壓縮空氣與切削液混合形成噴霧通過(guò)該裝置的導(dǎo)管與內(nèi)置冷卻車(chē)刀刀柄尾端連接，再通過(guò)車(chē)刀內(nèi)部從刀尖處噴出，達(dá)到微量潤(rùn)滑加工的目的。同時(shí)，為切削速度、切削深度、進(jìn)給量、空氣壓力，冷卻液流量等帶輸入加工參數(shù)分別設(shè)定取值區(qū)間；

2.在上述各個(gè)取值區(qū)間范圍內(nèi)，分別取所需輸入?yún)?shù)的最高值，最低值，并根據(jù)析因試驗(yàn)來(lái)執(zhí)行車(chē)削加工，測(cè)量得到相應(yīng)切削條件下的表面粗糙度值，并選用表面粗糙度這兩個(gè)變量作為優(yōu)化目標(biāo)；

3.基于步驟2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做析因分析試驗(yàn)，得到切削指標(biāo)的主要的影響因子以及各影響因子的交互作用；

4.基于步驟3的試驗(yàn)因子，采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)CCD方法設(shè)計(jì)切削試驗(yàn)方案，選用切削合力、表面粗糙度作為優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)響應(yīng)曲面法構(gòu)造二次多項(xiàng)式回歸方程，對(duì)步驟3所取的優(yōu)化目標(biāo)分別進(jìn)行擬合，獲得擬合模型方程；

5.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行求解，利用Minitab可以得到同時(shí)以切削合力、表面粗糙度為目標(biāo)為響應(yīng)值的預(yù)測(cè)模型，然后求解在微量潤(rùn)滑加工條件下，所獲得的切削參數(shù)在所述取值區(qū)間范圍內(nèi)的最佳取值范圍以及最優(yōu)參數(shù)組合，并將其作為最終執(zhí)行在微量潤(rùn)滑條件下鎳基高溫合金切削加工工藝的參數(shù)組合，完成整體的參數(shù)優(yōu)化過(guò)程；

6.設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，將最優(yōu)切削參數(shù)組合代入擬合的響應(yīng)值模型中得出相應(yīng)值，并對(duì)該組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量三次，取平均值，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性；

作為改進(jìn)，所述步驟4中優(yōu)選采用逐步回歸法對(duì)優(yōu)化目標(biāo)執(zhí)行擬合處理，從而獲得所述優(yōu)化函數(shù)式。

作為改進(jìn)，所述步驟1中結(jié)合多次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，并以?xún)?yōu)選刀具手冊(cè)為基礎(chǔ)得到各個(gè)待優(yōu)化輸入的加工參數(shù)取值區(qū)間，每次試驗(yàn)測(cè)量三次取平均值，減少試驗(yàn)誤差。

本發(fā)明具有的技術(shù)效果及優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用微量潤(rùn)滑條件下的切削加工，著重分析切削冷卻參數(shù)與切削參數(shù)對(duì)車(chē)削加工輸出結(jié)果之間的影響，為了更好的得到與目標(biāo)相接近的參數(shù)組合，采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到切削合力、表面粗糙度最小化的切削參數(shù)范圍以及最優(yōu)組合值。該發(fā)明能夠在提高生產(chǎn)加工效率以及優(yōu)化加工表面質(zhì)量的前提下有效執(zhí)行對(duì)切削工藝參數(shù)的優(yōu)化。

附圖說(shuō)明

圖1是在微量潤(rùn)滑條件下切削工藝參數(shù)優(yōu)化流程圖。

圖2是析因分析中表面粗糙度的主效應(yīng)圖。

圖3是表面粗糙度的正態(tài)概率分布圖。

圖4是表面粗糙度的交互作用圖。

圖5是表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖。

圖6是表面粗糙度的殘差圖。

圖7是切削合力的殘差圖。

圖8是中心復(fù)合設(shè)計(jì)中表面粗糙度的主效應(yīng)圖。

圖9-20是表面粗糙度的等高線和響應(yīng)曲面圖。

圖21是多響應(yīng)重疊等值線圖。

圖22是多響應(yīng)變量響應(yīng)優(yōu)化結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明的在微量潤(rùn)滑條件下切削參數(shù)工藝參數(shù)優(yōu)化流程圖如圖1所示，以刀具材料為陶瓷刀片CNGN120708，工件材料為鎳基高溫合金GH4169圓棒，采用普通車(chē)床CA6140,切削方式為外圓車(chē)削為實(shí)例，更具體的解釋本發(fā)明的工藝過(guò)程和效果。

首先，為車(chē)床主軸及配置的車(chē)刀連接微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，壓縮空氣與切削液混合形成噴霧通過(guò)該裝置的導(dǎo)管與內(nèi)置冷卻車(chē)刀刀柄尾端連接，再通過(guò)車(chē)刀內(nèi)部從刀尖處噴出以執(zhí)行微量潤(rùn)滑加工，以刀具手冊(cè)為基礎(chǔ)，對(duì)一些列待優(yōu)化輸入加工參數(shù)統(tǒng)計(jì)得出一個(gè)適合的區(qū)間。在本例中，根據(jù)所取區(qū)間對(duì)切削參數(shù)取較低值，較高值，切削速度為50m/min、150m/min,切削深度為0.15mm、0.3mm,進(jìn)給量為0.1mm、0.3mm，空氣壓力取0.4Mpa,0.8Mpa,冷卻液流量為10ml/h、50ml/h。

根據(jù)上述取值進(jìn)行析因試驗(yàn)，分辨度為V，如下表1所示，并依此建立車(chē)削試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

表1 析因分析因素水平表

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行16次車(chē)削試驗(yàn)，每組切削工件長(zhǎng)度為20mm，為保證測(cè)量精準(zhǔn)度，待工件表面冷卻后，用酒精對(duì)工件進(jìn)行清洗后再進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)換工件角度分別測(cè)量三次，取平均值。

通過(guò)Minitab軟件對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到各因子對(duì)表面粗糙度的主效應(yīng)，如圖2所示。從圖中可以看出壓力對(duì)表面粗糙度的影響微乎其微，切削深度對(duì)粗糙度的影響較低，而切削速度、進(jìn)給量、切削液流量對(duì)表面粗糙度的影響較為顯著。

同時(shí)從圖3中可以看到表面粗糙度的正態(tài)概率分布圖，從圖中可以看到顯著因子為A、B、C、E、AB、DE、BC、其余為不顯著因子，且都在斜線附近，表明模型擬合的正確性。

表面粗糙度的交互作用圖如圖4所示，從圖中可以看出AB、DE、BC的交互作用較為明顯。

表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖如圖5所示，從圖中可以看出影響因子B、A、E、DE、C 、AB、BC為主要影響因子。紅線以下的因子影響都不夠顯著，可以去除，該圖與主效應(yīng)圖，交互作用圖的趨勢(shì)影響一直，驗(yàn)證了模型的正確性。

根據(jù)上述結(jié)果，選定切削速度、進(jìn)給量、切削液流量、切削深度作為微量潤(rùn)滑條件下的鎳基高溫合金切削加工主要影響因子，對(duì)其進(jìn)行中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表如表2 所示，其中-1、0、1表示因素的低、中、高水平，按照對(duì)變量進(jìn)行編碼。

表2 CCD中心復(fù)合設(shè)計(jì)因素水平表

試驗(yàn)方案及測(cè)量結(jié)果如表3 所示

表3 試驗(yàn)方案及測(cè)量結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的殘差圖，可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)，如圖6、7所示，圖中正態(tài)概率基本為一條直線，與擬合值殘差分布分散無(wú)規(guī)律，表明殘差圖分布情況正常，可以進(jìn)一步進(jìn)行響應(yīng)曲面分析。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行求解，利用最小二乘法，通過(guò)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)響應(yīng)為矩陣形式求得表面粗糙度的二階響應(yīng)曲面方程如下：

對(duì)該式進(jìn)行方差分析以及顯著性檢驗(yàn)來(lái)判斷模型的擬合情況。如表4所示，對(duì)應(yīng)的模型回歸項(xiàng)的P值為0.000（即＜0.001），表明應(yīng)拒絕原假設(shè)，即可以判定本模型總的來(lái)說(shuō)是有效的。失擬項(xiàng)中P值為0.054＞0.05，表明無(wú)法拒絕原假設(shè)，即可以判定本模型并沒(méi)有失擬現(xiàn)象。同時(shí)從模型的多元全相關(guān)系數(shù)R²（即R-Sq）及修正的多元全相關(guān)系數(shù)R²（調(diào)整）中可以看出兩者很接近1，表明擬合的總效果不錯(cuò)，采用響應(yīng)曲面法建立的回歸模型是有效的，可以用來(lái)對(duì)GH4169在微量潤(rùn)滑條件下的表面粗糙度進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表4 表面粗糙度的方差分析

取顯著水平α=0.01，根據(jù)F分布表可得臨界值F-tab=F_0.01(14，16)=3.45，而F=223.99＞F-tab，說(shuō)明回歸模型是高度顯著的。同時(shí)對(duì)所建立的表面粗糙度回歸模型中的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)P值小于0.05則該項(xiàng)顯著，從中可以看出所有的一次項(xiàng)極顯著，二次項(xiàng)X₂X₂，X₃X_3，X₁X₂顯著_，

同理可以求得切削合力的二階響應(yīng)曲面方程如下：

對(duì)該式進(jìn)行方差分析以及顯著性檢驗(yàn)來(lái)判斷模型的擬合情況。如表5所示，對(duì)應(yīng)的模型回歸想的P值為0.000（即＜0.001），可以判定本模型總的來(lái)說(shuō)是有效的。失擬項(xiàng)中P值為0.052＞0.05，沒(méi)有失擬現(xiàn)象。多元全相關(guān)系數(shù)R²（即R-Sq）及修正的多元全相關(guān)系數(shù)R²（調(diào)整）中可以看出兩者很接近1，表明擬合的總效果不錯(cuò)。

取顯著水平α=0.01，根據(jù)F分布表可得臨界值F-tab=F_0.01(14，16)=3.45，而F=314.47＞F-tab，說(shuō)明回歸模型是高度顯著的。同時(shí)對(duì)所建立的切削合力回歸模型中的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)P值小于0.05則該項(xiàng)顯著，從中可以看出所有的一次項(xiàng)極顯著，二次項(xiàng)X₁X₁，X₂X_2，X₂X₃顯著。

表5 切削合力的方差分析

在確定各響應(yīng)值模型的擬合正確性后，可以得到各切削參數(shù)對(duì)響應(yīng)值的影響規(guī)律。以表面粗糙度為例，從圖8表面粗糙度主效應(yīng)圖中可以看出切削速度和進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響顯著，隨著切削速度的增加表面粗糙度降低，隨著進(jìn)給量的增加表面粗糙度增加，切削深度和冷卻液流量對(duì)其影響較小，與前面的析因分析的趨勢(shì)一致。

對(duì)表面粗糙度的響應(yīng)曲面模型進(jìn)行擬合，利用Minitab可以得到切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的響應(yīng)曲面和等值線圖。如圖9-20所示，以圖9、10為例，當(dāng)切削速度保持在120m/min,切削液流量保持在9ml/h不變時(shí)，切削深度和進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的響應(yīng)曲面和等高線如圖9、10所示，從圖中可以看出隨著進(jìn)給量的增加，表面粗糙度顯著上橫，而隨著切削深度的增加，表面粗糙度緩慢上升。從等值線上也可以反映出，切削深度和進(jìn)給量都應(yīng)該取最小值較好。

通過(guò)表面粗糙度和切削合力的重疊等值線可以得到同時(shí)以?xún)蓚€(gè)響應(yīng)為目標(biāo)的參考約束條件下切削速度、進(jìn)給量的可優(yōu)化范圍，其中對(duì)于不顯著因子切削深度和冷卻液流量Q取0水平保持值。如圖21所示，從圖中可以看出白色區(qū)域表示該區(qū)域下得到的表面粗糙度和切削合力都可行。

通過(guò)響應(yīng)曲面優(yōu)化器，考慮表面粗糙度、切削合力的望小性可以得到多響應(yīng)變量響應(yīng)優(yōu)化結(jié)果，如圖22所示，從圖可知復(fù)合滿(mǎn)意度達(dá)到1，可認(rèn)為獲得了最優(yōu)解。從圖中可以得到表面粗糙度的最優(yōu)解為0.0657μm，切向合力最優(yōu)解為13.01N，切削參數(shù)的最優(yōu)組合為：切削速度187m/min,切削深度0.1mm,進(jìn)給量0.05mm/r，切削液流量15ml/h。