基于航空發動機工藝特征的動態切削數據系統

中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 葉洪濤 賀芳

基于航空發動機工藝特征的動態切削數據系統

中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 葉洪濤 賀芳

對典型工藝特征進行系統的切削物理仿真分析及試驗驗證，使用基于實例與規則相結合的推理方式，建立航空發動機工藝特征動態切削數據庫系統。可為上萬種切削條件的組合提供大量的動態數據，解決傳統切削數據庫普遍存在的檢出率低，實用性差的瓶頸問題。

隨著技術的不斷進步，許多高精尖科技領域（如航空制造領域）逐步采用大量新型難加工材料，同時產品零部件的工藝結構也日趨復雜，表面完整性要求越來越高。同時，材料與結構性能的提高也給機械加工帶來了新的難題。低效率、成本高且質量難以得到保證等情況成為此類產品機械加工主要問題。采用優化的切削數據是解決這類問題的首選途徑。因此近年來國內外很多研究機構都在競相開展針對包括不銹鋼、鈦合金及高溫合金等難加工材料的切削用量優化研究并開發相應的切削數據庫系統。各研究機構針對切削數據庫基礎技術、優化、智能化、切削仿真以及數據庫系統的集成化和網絡支持等方面均開展了深入的研究。許多新的計算和推理技術，如遺傳算法、粒子群算法、模糊系統和實例推理等，開始應用于切削用量優化及數據庫系統研究之中。一些針對特定材料、刀具或特定工藝過程的數據庫系統在相關的研究項目中發揮了較好的作用。但是在工程化應用層面，通用型切削數據庫系統在制造企業中的推廣效果普遍不夠理想，在航空難加工材料制造領域則更少有成功的案例。

航空發動機典型零件結構復雜，很多情況下工藝特征對切削用量有著顯著的影響。特殊工藝特征的加工，通用數據庫所推薦的優化切削參數與生產實際是存在差距的，某些特定情況下并不一定適用。此前的某些同類切削數據庫研究，由于受到傳統的離散式數據庫設計思想的束縛，雖然加入了工藝特征的描述、設計了更為復雜的數據結構，并使用了大型關系數據庫技術，但是受制于數據量嚴重不足和推理規則不完善的限制，影響了其實用的效果。

本文所述研究成果基于對典型工藝特征進行系統的切削物理仿真分析及試驗驗證，使用基于實例與規則相結合的推理方式，建立航空發動機工藝特征動態切削數據庫系統。由于改變傳統切削數據庫普遍使用的靜態數據檢索模式，可為上萬種切削條件組合提供大量的動態數據，從而徹底解決傳統切削數據庫普遍存在的檢出率低，實用性差的瓶頸問題。由于將數據庫的核心內容從數據轉向規則和推理方法，擺脫了必須以數據量來考量數據庫使用程度的傳統指標，可以使數據庫具有更加普遍應用的價值。

一、建立切削工藝特征譜系

1.工藝特征的概念界定

工藝特征對于切削用量選擇的影響在學術界歷來存在廣泛爭議。多數研究者及應用者認為零件的工藝特征對于切削用量的選擇有著明顯的影響，其影響程度與工件及刀具材料對切削用量的影響程度不相上下。也有一些研究者根據自己的研究經驗認為，除了采用極為特殊的工藝結構情況下。大多數不同的工藝結構特征對于切削用量的選擇沒有明顯的影響，遠不及工件及刀具材料對切削用量的影響程度。但是無論是哪種觀點，在已有的研究文獻中，很少能夠看到可信的定性及定量分析結論。

另外，雖然習慣上大家都使用工藝特征一詞，但是對于工藝特征的概念和內涵，并沒有統一的認識。以航空發動機為例，有人根據零件的功能及整體結構特點，在零件級別上劃分工藝特征，如盤工藝特征、軸工藝特征、機匣工藝特征和葉片工藝特征等。有人根據不同零件中存在的類似結構來劃分工藝特征，如篦齒、輻板和安裝座等。也有人在基本幾何要素級別上確定工藝特征，如直線工藝特征、曲線工藝特征和轉角工藝特征等。

因此有必要在開展研究之前對工藝特征的概念加以明晰。本項目最終確定的工藝特征定義如下。

工藝特征：指在一道工序中經機械加工形成的可進行參數化描述的零件成品或工序半成品連續表面幾何特征。工藝特征是相對于加工過程來說的，區別于產品設計中的結構要素概念及特征定義。

典型工藝特征：指其幾何結構對切削用量有著顯著影響，具備典型的刀具方案和走刀路線，在不同種類零件成品或工序半成品中存在的具有代表性的共性工藝特征。

基本工藝特征：具備確定工藝方法、刀具和切削用量的簡單幾何特征，切削用量可通過確定的經驗公式與刀具及工藝特征進行參數化描述。典型工藝特征由一項或多項基本工藝特征構成。

表1 工藝特征譜系項目示例

2.工藝特征的分解和提取

首先通過對本企業航空發動機典型零件種類進行分析，確定盤、軸、機匣、結構件和葉片等10種典型零件類型。其次通過對各種典型零件類別中的典型結構進行分析，提取典型工藝特征。典型工藝特征將加工類型與零件結構特征因素同時考慮進去，以各加工類型下零件結構的特殊性為原則。再次從典型工藝特征提取基本工藝特征。切削用量選取包含工件及刀具幾何因素的共同影響。因此，基本工藝特征的提取加入刀具類型、工件幾何形貌（走刀路徑）及工件和刀具的剛性因素。

切削用量優化綜合考慮以下評價指標：切削效率（材料切除率）、刀具消耗（可切除材料量、刀具磨損）、被加工表面粗糙度、切削力、切削溫度和機床可實現切削用量范圍等。以上指標中，在切削試驗中只要求滿足控制值的作為約束條件，要求達到最優值的作為優化目標。

優化方法是以馬卡洛夫的最優切削溫度守恒定律為基礎。以最佳切削溫度（最小刀具磨損率）作為切削用量初選目標，以各切削用量參數及工藝特征參數作為研究變量，針對各工藝特征完成若干組切削過程仿真及驗證試驗，獲得穩定切削過程時的切削溫度。利用仿真結果，擬合出切削溫度與切削用量及工藝特征參數之間的函數關系，函數中代入最佳切削溫度，則可獲得切削用量經驗公式。

根據切削仿真、切削試驗結果對提取的典型工藝特征及基本工藝特征分類進行整理和簡化。依據原則如下：基本工藝特征的幾何結構能夠進行參數化描述，且能夠以經驗公式的形式確定各參數對切削用量的影響；使用不同刀具類型的相同結構作為不同基本工藝特征；經研究確定對切削用量影響很小（取值變化范圍小于1倍且經驗公式指數小于0.1）的幾何參數舍棄，以此區分的不同工藝特征加以合并；難以進行參數化描述和無法通過仿真試驗得出確定的經驗公式的工藝特征不納入工藝特征譜系。表1為工藝特征譜系項目示例。

二、建立動態切削數據庫軟件系統

1.工作流程設計及推理規則的建立

基于工藝特征的動態切削數據庫系統需實現以下功能：輸入工藝特征、工件材料和刀具材料等信息，通過工藝邊界條件、優化目標的選擇與設置，可得到適合該工藝條件及加工要求的優化切削用量數據。軟件系統與UG CAM集成并自動進行數據交換。軟件系統的實體-關系（E-R）模型，如圖1所示。

圖1 工藝特征動態切削數據庫系統E-R模型

基于典型工藝特征的智能切削數據庫系統流程，如圖2所示。

圖2 基于工藝特征的動態切削數據系統工作流程

推理規則采用基于規則和實例的混合推理模式，如圖3所示。與基于規則的推理不同，基于實例的推理（CBR）不依賴于求解問題領域的規則，而是依賴于以前的經驗和成功解決問題的實例。本項目中，錄入切削條件后，先行在基礎數據庫中檢索與要求切削條件最為相近的實例，應用推理規則推薦切削用量，并在實際應用中檢驗其合理性。

圖3 基于規則和實例的混合推理模式

2.軟件界面及功能設計

工藝特征切削數據庫計算系統（以下簡稱TFCDS）軟件界面，如圖4所示。

在UG操作導航器中直接選擇已創建的操作。TFCDS將會對UG中的相應特征進行辨識并導入相關刀具及操作數據，如圖5所示。從UG中導入的信息將顯示在TFCDS軟件界面相應的輸入框中，其中刀具結構信息為只讀信息。其它未從UG中讀取的信息需要用戶進行填寫。其中標注（*）的為必填項，其余為選填項。

經TFCDS軟件系統計算后的切削數據可通過單擊“寫入工藝參數”按鈕，將參數寫入UG中創建的操作，如圖6所示。

圖4 與CAM系統集成的工藝特征切削數據庫軟件

圖5 與CAM系統的數據交換與錄入

圖6 軟件系統輸出

此后可以繼續UG CAM的后續工作，進行后置處理等，所生成程序已包含經軟件計算的工藝參數。

TFCDS軟件在默認狀態下按最低刀具成本目標提供在中等進給量條件下的切削用量組合。用戶還可以對切削用量進行更為靈活的優化選擇，如圖7所示。

圖7 優化設置

優化設置對話框可通過滑動條或輸入框對切削速度、進給量和材料去除率單獨進行設置。在進行調整時，可以對切削速度、進給量和材料去除率中的一項進行約束。

三、基于工藝特征動態切削數據庫的生產應用和驗證

TFCDS軟件在具備典型工藝特征的盤、軸頸、機匣、葉片和葉盤等航空發動機零件上進行了廣泛的應用和生產驗證。經統計，切削效率平均提高30%～60%左右。