所示。通过权重比例系数可以看出，陶瓷表面微观裂纹对加工表面 完整性影响程度最大，且超过其它参数影响比例之和。表面微观裂纹主要影响工程陶瓷零 部件的强度、高温性能和气流阻力，表面微观裂纹越多，零部件强度下降；在高温工作环境 下，裂纹尖端应力场强度降低，裂纹扩展能力增强，从而对高温性能造成影响;裂纹分形密 度增大，也增大了气体流动阻力。而强度、高温性能和气流阻力是评价加工表面完整性的重 要准则，因此微观裂纹分形密度权重最大。
[0088] 表 3
[0089]
[0090] 其次对陶瓷加工表面完整性影响较大的为表面残余应力，主要影响陶瓷零部件的 强度和高温性能，轴转子工作温度高于1000°c，在此工作温度下，陶瓷表面将形成新的残余 拉应力，与加工表面残余压应力复合，从而影响陶瓷零部件高温性能参数变化。
[0091] 相对而言，加工表面微观形貌和三维表面粗糙度对加工表面完整性影响程度较 小，权重比例系数只有0.1533和0.1002。但是，它们仍是工程陶瓷加工表面完整性评价的不 可分割一部分，对陶瓷零部件的耐摩擦、耐腐蚀以及减小气流阻力起到重要作用。
[0092] (2)加工表面完整性综合评价因子结果分析
[0093]根据加工表面完整性综合评价数学模型，以表面均一性、表面等方性、分形均方 根、微观裂纹分形密度和表面残余应力最大值等5个参数作为指标，所有方案的原始指标构 成如下矩阵： 關
(15)
[0095]通过对大量试验结果及数据分析，最优指标集设为:X〇k= [X0l，X02，X03，X04，X()5]= [0.5，1，0.25，0，-300 ]，其中由于轴转子在高温工作环境下零件表面将产生残余拉应力，促 进表面微观裂纹扩展，为了降低热作用残余拉应力影响，加工表面残余压应力应越大越好。
[0096]将指标进行规范化处理后，得到的规范化矩阵为： _
(16)
[0098] 根据关联度系数计算公式，可以计算出关联度系数矩阵，同时将该矩阵与各评价 参数在加工表面完整性评价体系中权重比例系数所组成的数列相乘，得到各个方案所组成 的关联度值数列R，最终得出4种陶瓷加工表面完整性综合评价因子值如图3所示。从图中可 以看出，对于以上4种工程陶瓷材料，在相同加工工艺参数下，其加工表面完整性综合评价 因子值并不相同，其中自增韧Si 3N4加工表面完整性综合评价因子值为1，与最优指标集关联 度最高，即在四种加工材料中，加工表面完整性综合评价最优，而Al 2〇3陶瓷加工表面完整性 综合评价因子值最小，只有〇. 5242，即加工表面完整性综合评价最差。
[0099] 经分析，陶瓷材料加工表面完整性综合评价因子与材料断裂韧性值变化相关，其 影响规律如图4所示。对于工程陶瓷超声旋转磨削加工，在相同加工工艺参数下，当材料断 裂韧性值介于2.08MPa/m V2~3.64MPa/mV2之间时，材料断裂韧性值越大，加工表面完整性 综合评价因子越大，加工表面完整性综合评价越优。
[0100] (3)加工表面完整性综合评价技术应用分析
[0101] 自增韧Si3N4陶瓷由于具有良好的抗弯强度、抗疲劳性和加工表面完整性，成为陶 瓷基轴转子制造的理想材料。因此，采用自增韧Si3N4陶瓷研制陶瓷基轴转子，该轴转子包 括30个直纹面叶片，在精加工过程中，分别采用不同工艺参数旋转超声磨削加工叶片，对每 个叶片标号，并进彳丁加工表面完整性综合评价，所米用的最优指标集仍为X〇k= [X0l，X02，X03， X04，X05] = [0.5，1，0.25，0，一300];最后将陶瓷基轴转子与涡轮栗其它零部件装配进行地 面试验，转动速度为50，000r/min，工作温度高于1100 °C，出口压强1 IMPa，叶片断裂数目与 加工表面完整性综合评价因子统计如表4所示。
[0102] 表4
[0103]
[0104] 通过表4可以看出，当叶片加工表面完整性综合评价因子低于0.65时，发生了叶片 断裂，不能满足使用要求;且当表面完整性综合评价因子低于0.6时，断裂率达到100%。为 了使叶片满足工作要求，必须要求其加工表面完整性综合评价因子大于0.65。基于层次分 析-灰色关联度理论的工程陶瓷加工表面完整性综合评价方法为解决工程陶瓷零部件应用 可靠性评估提供了一种解决途径。
【主权项】
1. 一种工程陶瓷旋转超声磨削加工表面完整性综合评价方法，其特征在于包括W下步 骤： 第一步、建立基于灰色关联度理论的加工表面完整性综合评价数学模型； 进行加工表面完整性评价灰色关联度分析，利用工程陶瓷加工表面完整性评价的五个 特征参数，确定一个最优指标集;通过最优指标集规范化处理公式对最优指标集内的原始 指标数值进行处理获得新的指标集矩阵;将处理后的原始指标数值进行关联计算，获得关 联度系数矩阵;通过关联度系数矩阵计算出各个方案中加工表面完整性评价参数与最优加 工表面完整性评价参数的关联程度大小数学表达式。 第二步、基于层次分析的加工表面完整性评价参数权重比例系数确定； 建立加工表面完整性综合评价层次分析结构，将其主要工作性能作为准则层，加工表 面完整性特征评价参数作为指标层，建立加工表面完整性评价层次分析结构，然后对准则 层和指标层元素进行两两分析，判断两元素分别对目标层和准则层的重要影响程度，从而 构造判断矩阵，采用层次分析法，分别构造出W目标层为对象的准则层元素间判断矩阵，W 及W准则层为对象的指标层元素间的判断矩阵，将工程陶瓷加工表面完整性评价转化为二 级矩阵数学模型。 第=步、工程陶瓷加工表面完整性综合评价实验结果分析 对工程陶瓷加工表面完整性权重比例系数结果和加工表面完整性综合评价因子结果 进行分析。2. 根据权利要求1所述的一种工程陶瓷旋转超声磨削加工表面完整性综合评价方法， 其特征在于:第一步对最优指标集内的原始指标数值进行处理所采用的最优指标集规范化 处理公式为：其中、k表示第i个方案中第k个指标规范化后数值；Zfn表示所有方案中第k个指标最 小值；表示所有方案中第k个指标最大值。3. 根据权利要求1所述的一种工程陶瓷旋转超声磨削加工表面完整性综合评价方法， 其特征在于:第一步中通过关联度系数矩阵计算出各个方案中加工表面完整性评价参数与 最优加工表面完整性评价参数的关联程度大小数学表达式为： 及二钟 其中：P为各评价参数在加工表面完整性评价体系中权重比例系数所组成的数列；C为 关联度系数，R为关联程度值。4. 根据权利要求1所述的一种工程陶瓷旋转超声磨削加工表面完整性综合评价方法， 其特征在于:第一步所述的工程陶瓷加工表面完整性评价的五个特征参数包括面均一性、 表面等方性、分形均方根、微观裂纹分形密度和表面残余应力置信公差。5. 根据权利要求2所述的一种工程陶瓷旋转超声磨削加工表面完整性综合评价方法， 其特征在于:第二步所述的加工表面完整性综合评价层次分析结构模型分为=层，最高一 层为目标层，即为要达到的最终目的，实现陶瓷基零部件加工表面完整性综合评价;第二层 为准则层，即实现工程陶瓷加工表面完整性综合评价所遵循的准则;第=层为指标层，即利
【专利摘要】一种工程陶瓷旋转超声磨削加工表面完整性综合评价方法，具体涉及工程陶瓷旋转超声磨削加工表面完整性的各项评定参数和评价准则。本发明为了解决用现有用于评价工程陶瓷加工表面完整性的方法在实施过程存在评价效果差，输出的评价结果与评价目的相差大等问题。本发明包括第一步、建立基于灰色关联度理论的加工表面完整性综合评价数学模型；第二步、基于层次分析的加工表面完整性评价参数权重比例系数确定；第三步、工程陶瓷加工表面完整性综合评价实验结果分析。本发明实现工程陶瓷加工表面完整性综合评价，为航空航天精密制造领域典型陶瓷材料零部件加工和质量评价提供技术支撑。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105653891
【申请号】
【发明人】赵鸿, 魏士亮, 荆君涛, 刘运凤
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年4月19日