基于知识的高速硬铣削工艺专家系统
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本文提出一种新的高速硬铣削工艺专家系统的设计思路,该系统具有处理新的硬切削变量、模糊数组的建立、自动生成优化和预测规则库、解决对立规则的冲突问题以及保持界面的自动更新等功能。
超高强度钢(sb≥1380MPa)具有极高的比强度和良好的韧性,是航空航天领域常用的关键结构材料,用于航空航天结构的重要承力件,如飞机结构中的各种高负荷承力构件,包括起落架、作动筒、连接件、大梁以及战术导弹固体火箭发动机壳体等。低合金超高强度钢30CrMnSiNi2A、300M,中合金超高强度钢H11mod、H13以及高合金超高强度钢AF1410、Aermet100、15-5PH、17-7PH、PH13-8Mo等材料是飞机结构中主要的超高强度钢,在热处理后的强度和硬度很高,切削加工极为困难。
超高强度钢飞机零件不仅形状复杂,而且加工精度高,同时对加工表面完整性也有很高的要求,生产中常采用磨削作为热处理后精加工的最终手段。如典型的超高强度300M钢起落架的制造工艺为:锻造成形-正火-回火-粗加工外形-回火-热处理(淬火+回火)-精加工(磨削)-光整-表面强化。由于淬火后的钢硬度较高(>50HRC),生产中采用磨削工序加工效率低、砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重,而且对于复杂型面磨削困难;此外由于超高强度钢的切削力和切削热较常规材料大得多,在磨削和光整打磨阶段极易产生磨削烧伤和表层裂纹,为避免上述问题,只能采用小余量磨削,导致工艺周期长,加工质量难以控制。同时超高强度钢磨削表面常有白层出现,表层为残余拉应力状态,对起落架等飞机主承力结构的疲劳性能具有很大的影响。由此可见,磨削烧伤和表层裂纹一直是生产中难以控制的主要问题。
硬铣削是近年来在模具制造业中广泛应用的技术,此项工艺基于高速铣削(HSM),以小切深、高切削速度为特征,应用于淬火后的钢(硬度>35HRC)的加工。随着聚晶立方氮化硼(PCBN)性能的提高和价格的调整,使得精密切削加工淬硬钢己更经济,采用陶瓷和PCBN刀具直接切削硬度大于HRC50的淬硬钢,可获得4~10µm的尺寸精度和Ra0.3µm的表面粗糙度,从而有效地减少淬硬钢的精磨工序,采用高速硬切削工艺,实现“以切代磨”,是加工超高强度钢复杂零件的主要发展方向。与采用陶瓷和PCBN刀具进行传统“硬车削”的工艺相比,在加工复杂曲面零件时,采用涂层硬质合金进行硬铣削是近年来在模具制造业广泛应用的技术,其基于高速铣削(HSM),以小切深、高切削速度为特征,直接应用于淬火后的钢(硬度>35HRC)的加工,实现高硬度钢的以切代磨,并在很大程度上取代了电火花加工。硬铣削技术有很多优点,如减小切削力,获得更好的尺寸精度,已加工表面为残余压应力且金相变化小,等等。另一方面,硬铣削也有一个很大的缺点,那就是刀具耐用度短。
目前硬铣削技术面临的问题主要有以下方面:(1)寻求能够抑制刀具磨损的铣削条件;(2)寻求能够获得较好的工件加工表面完整性,特别是较好的表面粗糙度的铣削条件;(3)在刀具耐用度、表面粗糙度和材料去除率3个互相矛盾的目标之间寻求亚优解。
由于硬铣削技术在应用中,易受各种不确定的工艺参数的干扰,生产中迫切需求一种能够快速提供有关硬铣削刀具材料选择、刀具设计、工艺参数优化等信息的工具,同时能够在实际加工过程之前对加工结果进行较为精确的预测。
为此我们针对高速硬铣削工艺技术开展了全面的研究,以提高刀具耐用度、加工表面质量和材料去除率为目标,全面系统研究了高速硬铣削工艺参数优化,在大量试验研究的基础上,开发出一种基于知识的高速硬铣削工艺专家系统,可为用户提供刀具角度选择、工艺参数优化和加工效果预测等功能,并能根据用户的数据反馈,自动调整优化策略和推理规则。

图1 硬铣削专家系统结构(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 硬铣削工艺专家系统流程
表1 铣削参数优化试验设计表
试件切削速度Vc
(m/min)
每齿进给量fz
(mm/z)
本文作者:南京航空航天大学机电学院 李亮 何宁 赵威
原载:航空制造网
上载于:2009-6-11 9:18:56

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