TC11材料切削性能研究及其切削参数辨识优化

李晓鹏 刘 娜 / .沈阳航空航天大学.中国航发沈阳黎明发动机有限责任公司

TC11材料切削性能研究及其切削参数辨识优化

李晓鹏1刘 娜2/ 1.沈阳航空航天大学2.中国航发沈阳黎明发动机有限责任公司

针对TC11钛合金车削过程切削性能进行了试验研究，结合其切削性能，设计了相对应的试验方案 。通过试验和切削辨识模型的分析，得到了表面粗糙度预测模型辨识结果、刀具磨损辨识结果，并进行了切削参数的优化。

钛合金；切削性能；TC11；参数优化

1.引言

目前，随着中国制造2025和“十三五”先进制造技术的提出，航空产业对新型航空材料的加工技术需求愈演愈烈，特别是中国航发集团的独立，新一代航空发动机的材料加工难题随之而来，TC11作为航空发动机重要关键零部件的制造材料，主要用于制造航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒等零件，也可应用于一些结构件的制造，是一种具备较好耐高温拉伸强度和稳定性的航空金属材料。TCll钛合金可进行焊接和各种方式的机械加工。通过热处理能够获得最高长期工作温度为500℃。在500℃下有优异的持久和蠕变强度，有良好的热加工工艺塑性和超塑性。在450℃下允许的工作时问为6000小时，在500℃下为500小时。[1-6]

本文主要通过对TC11进行车削试验研究，涉及切削力、切削功率、刀具寿命预测、刀具结构和几何参数、刀具材料和被加工材料的匹配关系，并对涉及该过程一系列工艺参数等进行优化。

2.TC11材料性能及加工试验建立

TC11材料的材料成分、机械物理性能见表1所示 ，加工所用加工刀具方案见表2所示。

表1 TC11材料成分及机械物理性能

表2 车削试验加工TC11的刀具方案

试验在CAK6150 数控车床上进行，在切削过程中用YDC-89型三向压电车削测力仪对主切削力、切深抗力和进给抗力三个切削分力进行采集，采用手持式粗糙度检查仪测量表面粗糙度；通过红外热像仪，进行温度检测。切削试验结束后用扫描电镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）对刀具的磨损形态及局部化学成分进行分析。

本试验精车加工部分试验规划采用均匀设计，拟合表面粗糙度预测模型和切削力的试验规划矩阵及试验结果如表3所示。

表3 TC11精车加工试验规划矩阵

拟合刀具耐用度预测模型的试验规划矩阵及试验结果如表4所示。

表4 试验规划矩阵及试验结果

3.切削模型辨识结果

根据肯纳涂层刀具精密车削TC11的8组试验数据，采用遗传算法对表面粗糙度预测模型进行了辨识，表面粗糙度预测模型优化拟合时的适应度进化历程分别如图1所示。

图1 利用8组试验数据寻优表面粗糙度模型参数时的种群适应度进化历程

采用遗传算法，精密车削加工TC11时的表面粗糙度预测模型辨识结果为：

采用遗传算法得到的表面粗糙度预测模型经过F检验

SSM——模型误差，SSM＝SST-(SSR+SSE)，自由度＝n-1-2(ri-1);

ri——重复试验的次数；

——重复各次测量值的算术平均值。

经过检验，本回归方程拟合的非常好。

根据肯纳涂层刀具精密车削TC11的8组试验数据，采用遗传算法对切削力预测模型进行了辨识，主切削力模型优化拟合时的适应度进化历程分别如图2所示。

图2 利用8组试验数据寻优主切削力模型参数时的种群适应度进化历程

采用遗传算法，精密车削加工TC11时的切削力模型的辨识结果为：

经过检验，上述切削力模型拟合较好。

4.刀具磨损模型

图3 利用10组试验数据寻优刀具磨损模型参数时的种群适应度进化历程

采用遗传算法，车削加工TC11时的刀具磨损模型的辨识结果为：

经过检验，上述切削力模型拟合较好。

5.切削参数优化结果

采用参数辨识得到的表面粗糙度预测模型，优化结果如表5所示。

表5 切削参数优化结果

6.结论

优化结果表明，在TC11精密切削时，选择最大的切削速度和切削深度，而选择合适的进给量，就可以得到所需的表面粗糙度。

[1]崔喜平.TC11钛合金高温变形过程组织演变规律与性能研究[D].哈尔滨工业大学, 2008.

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