考虑功率和效率的钻孔工艺参数优化方法

高历 陈冰 肖敏

摘  要：文章针对航空发动机燃油控制系统壳体零件油路深孔钻削过程中易断刀、加工能耗高、加工时间长的问题，根据钻削过程中的切削功耗与排屑力功耗构建了钻削加工功耗模型，并以最小功耗和最大材料去除率为目标，基于NSGA-II的方法对钻削主轴转速和进给进行了优化，通过实验验证，达到了降低加工功耗、提高加工效率的目的。

关键词：功率;效率;钻孔;参数优化;能耗模型

中图分类号：TH13 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）04-0113-05

Abstract： In this paper， aiming at the problems of easy to break cutter， high machining energy consumption and long machining time in the process of deep hole drilling for shell parts of aero-engine fuel control system， a drilling power consumption model is constructed according to the cutting power consumption and chip removal force power consumption in the drilling process. With the goal of minimum power consumption and maximum material removal rate， the speed and feed of the drilling spindle are optimized based on the NSGA-II method， which is verified by experiments. It achieves the goal of reducing the processing power consumption and improving the machining efficiency.

Keywords： power; efficiency; drilling; parameter optimization; energy consumption model

1 概述

随着经济社会的发展，日益增长的能源需求和不断上涨的能源价格以及日趋严重的环境问题迫使制造业寻求高能效和低成本的解决方案。壳体类零件是航空发动机燃油控制系统中典型的结构件和关键件，壳体零件的显著特点是结构复杂、孔系众多，其内部具有数量众多纵横交错的各种深孔，孔径小、深径比大、直径从几毫米到几十毫米不等。其加工难度大、能耗高、效率低、易断刀。目前我国航空制造业中复杂壳体深孔加工普遍存在加工周期长、生产效率低以及加工能耗高等问题，而造成上述问题的根本原因在于针对航空发动机壳体零件的加工能耗特性研究不够深入，导致不能准确预测与控制机械加工系统的能量消耗，进一步造成机床能耗偏高和能效偏低。

目前，相关学者做了大量的研究工作，Gutowski等[1]，首次提出了加工过程中能耗与材料去除率之间的函数关系。Kara和Li[2]等提出了一种类似的经验模型，其中功率与材料去除率成反比。该模型已在车床和铣床上得到验证。Hae-SungYoon等[3]还在铣削机床的能耗模型中的引入了刀具磨损，发现材料去除率随着刀具磨损量的增加而增加。Rajemi等[4]以能耗最低为目标进行了车削条件优化选择，得到了满足最小能耗要求的经济刀具寿命。Yan[5]提出了一种基于加权灰色关联分析和响应面法（RSM）的多目标优化方法。

2 加工能耗数学模型构建

钻削过程中的加工能耗主要包括切削功耗Pcutting与排屑功耗Peva两部分构成，故总功耗P如式（2-1）所示：

现分别针对切削功耗Pcutting与排屑功耗Peva分别进行建模分析。

2.1 深孔钻削切削功耗模型的构建

在钻削加工过程中，由切削力及在相应切削力方向上的运动共同产生能耗。分析钻削过程可知，钻削加工主要分为沿钻头轴向的进给运动和主轴的旋转运动。因此将钻削能耗Pcutting分为进给能耗Pfeed和旋转能耗Protation，如式（2-2）所示：

（1）旋转能耗Protation

设Ft、Fr、Ff分别为加工过程中的切向、径向以及轴向切削力。在旋转运动中，由于dFf和dFr均垂直于切削速度方向不產生功耗，此时切削刃具有切向进给速度，因此切向、径向以及轴向功耗微元如式（2-3）、（2-4）与（2-5）所示：

（4）钻头强度约束

根据材料力学分析，轴类材料的临界破坏扭矩为：T=Wt[τ]（Wt和[τ]分别为抗扭截面系数和最大许用应力）。由于钻头截面不是整圆，故可根据钻型截面近似计算临界破坏扭矩。对于不同钻型截面其具有不同的临界破坏扭矩：普通类型钻头的临界破坏扭矩为：Mc=3.04d3;横刃型的临界破坏扭矩为：Mc=4.65d3。

为了防止钻头因扭矩过大而发生剪切破坏，钻削扭矩M不得超过钻头的临界破坏扭矩Mc，即：

在壳体钻削粗加工过程中，表面粗糙度主要受进给量的影响，一般情况下钻削粗加工完成后的表面质量都能满足设计要求，因此，在这里可不考虑钻孔表面粗糙度。

本文采用非支配遗传算法对加工工艺进行优化，通过NSGA-II算法得到一组Pareto front解集获得的加工参数的推荐范围。可以在这些参数组中进行选择以实现加工效率提升、功耗降低和负载波动减小的目的。基于非支配遗传算法NSGA2的多目标（加工能耗与材料去除率）的工艺参数优化Pareto front解集如表5所示：

基于NSGA-Ⅱ的兩目标（加工能耗与材料去除率）优化的Pareto前端和个体距离如图3，图4所示。

4 实验验证

针对前述所得预测模型，现通过实际壳体深孔加工实验，得到实际功耗数据，从而得出预测模型数据与实际数据的误差，进行适应性分析。采用标准麻花钻钻削加工6061铝合金壳体件，钻头直径4mm、钻削深度40mm、长径比20，实验预设刀具及工件详情如表6所示。

实验采用的铝合金壳体件简化模型如图5所示。

结合前文所构建的切削功耗模型Pcutting如式（2-19）以及排屑力功耗模型Peva如式（2-30），将两者代回式（2-1）可得到预测功耗模型P。可根据实验和实证分析来评估预测模型的精确度，本验证实验根据不同工艺参数水平设计了两因素三水平实验，因本文所构建的功耗模型是基于瞬时力，故只要实测力精度满足要求，就能够保证不同工艺参数条件下的功耗预测准确性。

在表7中，实测功耗数据与预测功耗数据对比分析，相对误差最大16.1%，最小6.5%。相比之下，在低转速低进给时相应的加工功耗模型预测精度偏差略大，这是由于不同机床具有特异性，本实验用机床在低速区间的性能表现不稳定所造成的。考虑到小直径钻孔加工中的钻削加工功耗本身较小，因而可以认为在常用转速进给区间，预测模型精度均能达到较好的效果。

本文构建了钻削加工的指数功耗模型，以最小功耗和最大材料去除率为目标，基于NSGA-II的方法对钻削主轴转速和进给进行了优化，通过实验验证，达到了降低加工功耗，提高加工效率的目的，从而为实现高端制造业低碳生产提供了借鉴。

参考文献：

[1]Gutowski， T G， Dahmus， J， Thiriez， A， 2006. Electrical energy requirements for manufacturing processes. In： Proceedings of 13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering. Leuven， Belgium， pp. 5-11.

[2]Zhou L， Li J， Li F， etal. Energy consumption model and energy efficiency of machine tools： a comprehensive literature review[J]. Journal of Cleaner Production， 2016，112：3721-3734.

[3]Yoon H S， Moon J S， Pham M Q， etal. Control of machining parameters for energy and cost savings in micro-scale drilling of PCBs[J]. Journal of Cleaner Production， 2013，54（9）：41-48.

[4]Rajemi M F， Mativenga P T， Aramcharoen A. Sustainable machining： selection of optimum turning conditions based on minimum energy considerations[J]. Journal of Cleaner Production， 2010，18（10）：1059-1065.

[5]Yan J， Li L. Multi-objective optimization of milling parameters - the trade-offs between energy， production rate and cutting quality[J]. Journal of Cleaner Production， 2013，52（4）：462-471.

[6]Ce H， Dinghua Z， Ming L， etal. Chip evacuation force modelling for deep hole drilling with twist drills[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，98（9-12）：3091-3103.