本發(fā)明涉及一種切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化方法，屬于金屬切削加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近些年，高溫合金發(fā)展非常迅速，因?yàn)槠鋼碛辛己玫奈锢砹W(xué)性能，材料中加入的鈷、鎢等元素提高了合金的穩(wěn)定性；較多的金屬化合物使高溫合金在800℃的高溫環(huán)境中仍能保持很高的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度可達(dá)800mpa；穩(wěn)固的原子結(jié)構(gòu)使高溫合金塑性較好。高溫合金大量應(yīng)用在航空制造、船舶工程、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域，隨著我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展，目前對(duì)高溫合金的工藝加工提出了更高的要求。

高溫合金加工問題是制造業(yè)難點(diǎn)，材料中彌散分布的強(qiáng)化相造成嚴(yán)重的加工硬化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原子要求很大的切削力，幾乎達(dá)到鋼材的2～3倍，常規(guī)切削不能很好的完成高溫合金加工要求，高壓冷卻加工卻能有效保證刀具切削時(shí)間并顯著提高加工效率，但是高壓冷卻下切削高溫合金振動(dòng)和沖擊等因素非線性影響仍然較大，直接干擾到切削力信號(hào)采集，而現(xiàn)有切削力測(cè)量裝置還不能夠克服上述缺陷。

切削力是引起切削熱的重要原因，并造成刀具磨損和破壞，最終影響到工件已加工表面質(zhì)量；實(shí)際生產(chǎn)中切削力又是計(jì)算切削功率、設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、夾具的依據(jù)。因此如何有效減小采集到的切削力誤差是研究高溫合金切削加工的有效途徑，對(duì)高壓冷卻下切削力進(jìn)行研究可以探究高溫合金切削層特性及表面形成機(jī)理等，最終為高效加工高溫合金提供參考和借鑒，對(duì)切削力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析和優(yōu)化將有助于分析切削機(jī)理和提高實(shí)際生產(chǎn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問題，提出了一種高壓冷卻下切削高溫合金切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化方法，基于殘差診斷分析，從模型參數(shù)空間的全局最優(yōu)出發(fā)，考慮振動(dòng)和沖擊等因素造成的切削環(huán)境復(fù)雜性，有效剔除切削力異常值并相應(yīng)地減小誤差，滿足試驗(yàn)值與優(yōu)化值最佳擬合度且在試驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證保證預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，為高效切削難加工材料加工工藝提供參考，為高壓冷卻下高溫合金切削機(jī)理研究奠定一定的基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種高壓冷卻下切削高溫合金切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化方法，所述的優(yōu)化方法包括如下步驟：

步驟一：合理選取vc、f、ap范圍，在高壓冷卻下切削高溫合金試驗(yàn)基礎(chǔ)上采集不同切削力fx、fy、fz信號(hào)；所述的切削力fx、fy、fz分別為進(jìn)給抗力、切深抗力、主切削力；

其中，所述的vc、f、ap分別為切削速度、進(jìn)給量、切削深度，參考高速切削加工技術(shù)和難加工材料切削特點(diǎn)，選取范圍須滿足下述關(guān)系：

所述的高壓冷卻下切削高溫合金試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)兩部分(所述的單因素試驗(yàn)探究pcbn刀具倒棱對(duì)切削力影響狀況，了解其作用顯著范圍，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選最佳倒棱寬度、角度，進(jìn)行多因素多水平的正交試驗(yàn))，所述的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中vc、f、ap分別滿足下述關(guān)系：

其中，vi為vc的具體取值情況，vi+1與vi關(guān)系用上式表示，n^*為正整數(shù)，fi+1與f關(guān)系、ai+1與ap關(guān)系同理，vc、f、ap單位分別是m/min、mm、mm/r；

所述的進(jìn)給抗力fx、切深抗力fy、主切削力fz與切削力f關(guān)系滿足以下條件：

步驟二：基于所述的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，構(gòu)建切削力預(yù)測(cè)模型；

所述的切削力f預(yù)測(cè)模型通過回歸分析遴選最優(yōu)組合共同來預(yù)測(cè)或估計(jì)切削力，滿足以下條件：

其中，cf表示加工系數(shù)，其取值取決于加工條件；vc表示切削速度，m/min；ap表示切削深度，mm；f表示進(jìn)給量mm/r；x^f、y^f、z^f分別表示切削速度、進(jìn)給量、切削深度的指數(shù)；

所述的試驗(yàn)獲取的切削力f(f1，f2，…f16)具體表現(xiàn)形式滿足以下條件：

其中，y＝lgf，y包括y1～y16；x1＝lgvc，x1包括x0101～x0116，x2＝lgap，x2包括x0201～x0216；x3＝lgf，x3包括x0301～x0316；b0＝lgcp；b1＝x^f；b2＝y(tǒng)^f；b3＝z^f；

步驟三：基于所述的切削力預(yù)測(cè)模型和殘差診斷方法，求取殘差；

所述殘差ei滿足如下關(guān)系式：

其中，yi表示所述正交試驗(yàn)采集到的切削力數(shù)據(jù)，且i∈[1,16]，表示切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化值，

步驟四：根據(jù)采集的切削力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；

所述的第i個(gè)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為：

其中，hii表示第i個(gè)切削力觀測(cè)值的杠桿率，n為所述正交試驗(yàn)樣本容量，yi為正交試驗(yàn)第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)切削力數(shù)據(jù)，為所有切削力觀測(cè)值平均值，表示切削力預(yù)測(cè)模型的回歸標(biāo)準(zhǔn)差；是第i個(gè)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差；

步驟五：根據(jù)切削環(huán)境和殘差變化率設(shè)置閾值對(duì)切削力異常值進(jìn)行判斷和剔除，所述的閾值大小為0.1。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

本發(fā)明基于殘差診斷分析，從模型參數(shù)空間的全局最優(yōu)出發(fā)，考慮振動(dòng)和沖擊等因素造成的切削環(huán)境復(fù)雜性，有效剔除切削力異常值并相應(yīng)地減小誤差，滿足試驗(yàn)值與優(yōu)化值最佳擬合度且在試驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證保證預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，以上方法為高效切削難加工材料加工工藝提供參考，為高溫合金切削機(jī)理研究奠定一定的基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1中切削力測(cè)量和采集裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1中預(yù)測(cè)模型的殘差杠桿圖；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1中預(yù)測(cè)模型優(yōu)化結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所示的一種高壓冷卻下切削高溫合金切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化方法作詳細(xì)闡述，但本發(fā)明并不僅僅局限于以下的具體實(shí)施方式。

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式披露了一種高壓冷卻下切削高溫合金切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化方法，所述的優(yōu)化方法包括如下步驟：

步驟一：合理選取vc、f、ap范圍，在高壓(70-110bar)冷卻下切削高溫(1000-1500℃)合金試驗(yàn)基礎(chǔ)上采集不同切削力fx、fy、fz信號(hào)；所述的切削力fx、fy、fz分別為進(jìn)給抗力、切深抗力、主切削力；

其中，所述的vc、f、ap分別為切削速度、進(jìn)給量、切削深度，參考高速切削加工技術(shù)和難加工材料切削特點(diǎn)，選取范圍須滿足下述關(guān)系：

所述的高壓冷卻下切削高溫合金試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)兩部分(所述的單因素試驗(yàn)探究pcbn刀具倒棱對(duì)切削力影響狀況，了解其作用顯著范圍，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選最佳倒棱寬度、角度，進(jìn)行多因素多水平的正交試驗(yàn))，所述的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中vc、f、ap分別滿足下述關(guān)系：

其中，vi為vc的具體取值情況，vi+1與vi關(guān)系用上式表示，n^*為正整數(shù)，fi+1與f關(guān)系、ai+1與ap關(guān)系同理，vc、f、ap單位分別是m/min、mm、mm/r；

所述的進(jìn)給抗力fx、切深抗力fy、主切削力fz與切削力f關(guān)系滿足以下條件：

步驟二：基于所述的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，構(gòu)建切削力預(yù)測(cè)模型；

所述的切削力f預(yù)測(cè)模型通過回歸分析遴選最優(yōu)組合共同來預(yù)測(cè)或估計(jì)切削力，滿足以下條件：

其中，cf表示加工系數(shù)，其取值取決于加工條件；vc表示切削速度，m/min；ap表示切削深度，mm；f表示進(jìn)給量mm/r；x^f、y^f、z^f分別表示切削速度、進(jìn)給量、切削深度的指數(shù)；

所述的試驗(yàn)獲取的切削力f(f1，f2，…f16)具體表現(xiàn)形式滿足以下條件：

其中，y＝lgf，y包括y1～y16；x1＝lgvc，x1包括x0101～x0116，x2＝lgap，x2包括x0201～x0216；x3＝lgf，x3包括x0301～x0316；b0＝lgcp；b1＝x^f；b2＝y(tǒng)^f；b3＝z^f；

步驟三：基于所述的切削力預(yù)測(cè)模型和殘差診斷方法，求取殘差；

所述殘差ei滿足如下關(guān)系式：

其中，yi表示所述正交試驗(yàn)采集到的切削力數(shù)據(jù)，且i∈[1,16]，表示切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化值，

步驟四：根據(jù)采集的切削力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；

所述的第i個(gè)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為：

其中，hii表示第i個(gè)切削力觀測(cè)值的杠桿率，n為所述正交試驗(yàn)樣本容量，yi為正交試驗(yàn)第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)切削力數(shù)據(jù)，為所有切削力觀測(cè)值平均值，表示切削力預(yù)測(cè)模型的回歸標(biāo)準(zhǔn)差；是第i個(gè)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差；

步驟五：根據(jù)切削環(huán)境和殘差變化率設(shè)置閾值對(duì)切削力異常值進(jìn)行判斷和剔除，所述的閾值大小為0.1。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例披露了一種高壓冷卻下切削高溫合金切削力預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化方法，所述的優(yōu)化方法包括如下步驟：

步驟一：

合理選取vc、f、ap范圍，在高壓冷卻下切削高溫合金試件6試驗(yàn)基礎(chǔ)上采集不同切削力fx、fy、fz信號(hào)；

如圖1所示，所述的切削力fx、fy、fz信號(hào)采集由固定在刀片1上的測(cè)力儀2以及電荷放大器3、數(shù)采系統(tǒng)4及計(jì)算機(jī)5實(shí)現(xiàn)；

所述的vc、f、ap分別為切削速度、進(jìn)給量、切削深度，參考高速切削加工技術(shù)和難加工材料切削特點(diǎn)，選取范圍須滿足下述關(guān)系：

所述的高壓冷卻下切削高溫合金試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)兩部分，最大壓力可達(dá)110bar，單因素試驗(yàn)探究pcbn刀具倒棱對(duì)切削力影響狀況，了解其作用顯著范圍，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選最佳倒棱寬度、角度，進(jìn)行多因素多水平的正交試驗(yàn)，所述的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中vc、f、ap分別滿足下述關(guān)系：

其中，vi為vc的具體取值情況，vi+1與vi關(guān)系用上式表示，n^*為正整數(shù)，fi+1與f關(guān)系、ai+1與ap關(guān)系同理，vc、f、ap單位分別是m/min、mm、mm/r；

所述的切削力fx、fy、fz分別為進(jìn)給抗力、切深抗力、主切削力，與切削力f關(guān)系滿足以下條件：

如表1所示，所述的單因素試驗(yàn)包括1～15組，vc依次改變，分別為v1、v2、v3、v4、v5；f依次改變，分別為f1、f2、f3、f4、f5；ap依次改變，分別為a1、a2、a3、a4、a5；如表2所示，所述的正交試驗(yàn)包括1～16組，vc、f、ap對(duì)應(yīng)取值情況已經(jīng)列出，所述單因素試驗(yàn)探究pcbn刀具倒棱對(duì)切削力影響狀況，了解其作用顯著范圍，優(yōu)選最佳倒棱寬度、角度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多因素多水平的正交試驗(yàn)，所述的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)中vc、f、ap分別滿足下述關(guān)系，需要說明的是下述關(guān)系僅僅是本發(fā)明優(yōu)選的一種情況：

經(jīng)測(cè)力儀2(三向)、電荷放大器3，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量在計(jì)算機(jī)5中保存、處理、打印，所述的進(jìn)給抗力fx、切深抗力fy、主切削力fz與切削力f關(guān)系滿足以下條件：

步驟二：基于所述的單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，構(gòu)建切削力預(yù)測(cè)模型，如何在切削試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定所述的預(yù)測(cè)模型是能夠?qū)崿F(xiàn)模型優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)；

所述的切削力f預(yù)測(cè)模型通過回歸分析遴選最優(yōu)組合共同來預(yù)測(cè)或估計(jì)切削力，滿足以下條件：

其中，cf表示加工系數(shù)，其取值取決于加工條件，vc表示切削速度m/min；ap表示切削深度，mm；f表示進(jìn)給量，mm/r；x^f、y^f、z^f分別表示切削速度、進(jìn)給量、切削深度的指數(shù)；

所述的試驗(yàn)獲取的切削力f(f1，f2，…f16)具體表現(xiàn)形式滿足以下條件：

其中，y＝lgf，y包括y1～y16；x1＝lgvc，x1包括x0101～x0116，x2＝lgap，x2包括x0201～x0216；x3＝lgf，x3包括x0301～x0316；b0＝lgcp；b1＝x^f；b2＝y(tǒng)^f；b3＝z^f；

步驟三：基于所述的切削力預(yù)測(cè)模型和殘差診斷方法，求取殘差；

所述的殘差ei滿足如下關(guān)系式：

其中，yi表示所述正交試驗(yàn)切削力數(shù)據(jù)，且i∈[1,16]，表示切削力預(yù)測(cè)模型優(yōu)化值；

步驟四：根據(jù)采集的切削力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；

所述的第i個(gè)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為：

其中，hii表示第i個(gè)切削力觀測(cè)值的杠桿率，n為正交試驗(yàn)的切削力樣本容量，yi為所述的正交試驗(yàn)第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)切削力數(shù)據(jù)，為所有切削力觀測(cè)值的平均值，表示所述切削力預(yù)測(cè)模型的回歸標(biāo)準(zhǔn)差，是第i個(gè)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差；

步驟五：根據(jù)切削環(huán)境和殘差變化率設(shè)置閾值對(duì)切削力異常值進(jìn)行判斷和剔除，如圖2所示，所述切削力觀測(cè)值中第六點(diǎn)數(shù)據(jù)大于閾值，需要剔除，其它點(diǎn)符合要求；剔除振動(dòng)和沖擊等干擾因素造成的異常值來實(shí)現(xiàn)高壓冷卻下切削高溫合金切削力預(yù)測(cè)模型優(yōu)化所述閾值設(shè)定為0.1；

步驟六：為了對(duì)所述的預(yù)測(cè)模型更直觀地進(jìn)行表示，對(duì)切削力試驗(yàn)值、模型值、優(yōu)化值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如圖3所示，優(yōu)化值相對(duì)模型值而言比試驗(yàn)值誤差整體要小，優(yōu)化效果較好。

表1單因素試驗(yàn)方案

表2正交試驗(yàn)方案