本發(fā)明涉及一種材料切削加工性能的綜合評價方法。

背景技術(shù)：

隨著科技水平的飛速發(fā)展，各種新型、高性能的工程材料逐漸問世。如何將這些新型的工程材料合理、可靠且物盡其用的應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)上，則需要根據(jù)特定工程材料而制定合理的加工工藝。

工程材料的合理加工工藝的制定，是依賴于材料切削加工性能(即材料在切削加工時的難易程度)而實現(xiàn)的。也就是說，對一種新材料的合理加工工藝的制定，首先要正確地了解該新材料的切削加工性能，唯有根據(jù)其特定性能所制定出的加工工藝才是合理、正確、有效地。

材料切削加工性能的了解是以材料的各項指標(biāo)測定和對這些(個)指標(biāo)的綜合評析而實現(xiàn)的。目前，行業(yè)內(nèi)對材料切削加工性能的評價方法主要有兩種。

其一為單一指標(biāo)評定法。即用某單一指標(biāo)來對材料的切削加工性能的某一個或某一方面的屬性進行度量，進而評價材料的切削加工性能的優(yōu)劣，其使用簡單而方便；但是，它不能給出一個全面、綜合、準(zhǔn)確地確定性結(jié)論，可靠性和實用性差。

其二為相對切削分級法。即將某種材料的切削加工性能與另一種材料做對比，一般以正火狀態(tài)下的45鋼為基準(zhǔn)來評價其它材料的切削加工性能，其相對具有簡單、明了、方便、準(zhǔn)確的特點，也是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，可較好地考察材料切削加工性能的問題；但是，它不能很好地反映材料的總體切削加工性能和各項性能指標(biāo)之間的相互關(guān)系，最終所得結(jié)論不能從整體綜合性上反應(yīng)出材料的切削加工性能，也就是說，它還是不能給出一個綜合、全面、準(zhǔn)確地確定性結(jié)論，可靠性和實用性同樣欠缺。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)目的在于：針對上述材料切削加工性能了解作業(yè)的特殊性和現(xiàn)有評價技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)Σ牧锨邢骷庸ば阅軐崿F(xiàn)綜合、全面、準(zhǔn)確地綜合評價的方法。

本發(fā)明的技術(shù)目的采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)，一種材料切削加工性能綜合評價方法，所述材料為評價對象，所述評價方法包括下列步驟：

步驟1.確定評價對象的切削加工性能的評價指標(biāo)；

步驟2.測定評價對象的切削加工性能的評價指標(biāo)；

步驟3.根據(jù)評價對象的各指標(biāo)對切削加工性能影響的好壞，將評價對象的各指標(biāo)分為有益指標(biāo)和無益指標(biāo)；

步驟4.以如下計算模型(1)對評價對象的評價指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式(1)中，為評價對象的各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值；

x為評價對象的各指標(biāo)數(shù)值；

x_max為評價對象的各指標(biāo)數(shù)值中的最大值；

x_min為評價對象的各指標(biāo)數(shù)值中的最小值；

步驟5.將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的評價對象各指標(biāo)進行歸一化處理

評價對象的各有益指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值以如下計算模型(2)進行歸一化處理：

評價對象的各無益指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值以如下計算模型(3)進行歸一化處理：

式(2)、(3)中，y為經(jīng)過歸一化處理變換后的評價指標(biāo)數(shù)值；

步驟6.基于組合賦權(quán)法對評價對象的評價指標(biāo)進行賦權(quán)處理，具體包括：

1).以n×m矩陣作為評價對象的切削加工性能的綜合評估矩陣，其中n為評估指標(biāo)數(shù)量、m為考察樣本數(shù)量；

2).對評價對象的各評價指標(biāo)分別進行主、客觀賦權(quán)，得到主觀權(quán)值向量ω₁,ω₂,…,ω_q和客觀權(quán)值向量ω_q+1,ω_q+2,…,ω_q+p(q+p＝l)；其中，第k個權(quán)值向量為ω_k＝(ω_k1，ω_k2,…,ω_kn)，滿足關(guān)系式：

3).對權(quán)值向量進行預(yù)處理

以如下計算模型(4)得到主觀綜合權(quán)值向量：

以如下計算模型(5)得到客觀綜合權(quán)值向量：

式(4)、(5)中，u為主觀綜合權(quán)值向量；

E(ω)為期望值；

S(ω)為方差值；

q_k為主觀權(quán)值向量的均勻分布的概率，q_k＝1/q；

ω_k為第k個權(quán)值向量；

v為客觀綜合權(quán)值向量；

p_k為客觀權(quán)值向量的均勻分布的概率，p_k＝1/p；

4).計算組合權(quán)值

以如下計算模型(6)得到組合權(quán)值向量：

式(6)中，Q為組合權(quán)值；

ω₀為組合權(quán)值向量；

a為主觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

b為客觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

u為主觀綜合權(quán)值向量；

v為客觀綜合權(quán)值向量；

n為評估指標(biāo)數(shù)量；

i為指標(biāo)的順序號；

5).基于組合權(quán)值向量與原主、客觀綜合權(quán)值向量之間的離差平方和F最小的優(yōu)化思想，以如下計算模型(7)求得主、客觀綜合權(quán)值向量的概率系數(shù)a、b，再將概率系數(shù)a、b帶入計算模型(6)求得組合權(quán)值ω₀：

式(7)中，F(xiàn)為組合權(quán)值向量與原主、客觀綜合權(quán)值向量之間的離差平方和；

X_ij為歸一化考察矩陣的數(shù)值，對應(yīng)第j個樣本的第i個指標(biāo)；

a為主觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

b為客觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

u為主觀綜合權(quán)值向量；

v為客觀綜合權(quán)值向量；

n為評估指標(biāo)數(shù)量；

m為考察樣本數(shù)量；

i為指標(biāo)的順序號；

j為樣本的順序號；

步驟7.繪制評價對象的切削加工性能的雷達圖；

步驟8.根據(jù)雷達圖對評價對象的切削加工性能按如下計算模型(8)進行綜合評價：

式(8)中，K為綜合評價指數(shù)；

S為雷達圖對應(yīng)多邊形的面積；

L為雷達圖對應(yīng)多邊形各邊長的平方和；

S_c為雷達圖所在單位圓的面積；

L_c為雷達圖所在單位圓的周長的平方。

作為優(yōu)選方案，步驟6中主觀賦權(quán)的方法為專家打分法。步驟6中客觀賦權(quán)的方法為融合應(yīng)用模糊相容商空間理論和粗糙集理論的粒計算法。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：上述綜合評價方法針對材料切削加工性能了解作業(yè)的特殊性，以組合賦權(quán)法和雷達圖法實現(xiàn)；即本發(fā)明基于組合權(quán)值向量與原主、客觀權(quán)值向量之間的離差平方和最小優(yōu)化的方式，將單一的主、客觀權(quán)重優(yōu)化組合，從而充分吸收主、客觀賦權(quán)的特點，使材料切削加工性能的各評估指標(biāo)的權(quán)重更趨合理化，同時亦使計算過程簡更為簡便、易懂、可理解性強；基于組合賦權(quán)計算所得結(jié)果而繪制的雷達圖，能夠?qū)Σ牧锨邢骷庸ば阅艿木C合評價指數(shù)實現(xiàn)綜合、全面、準(zhǔn)確、直觀、簡潔地綜合評價分析，對材料切削加工性能所表達出的評價區(qū)分度明顯、易懂，具有使用方便、可靠性高、實用性強等特點。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的流程框圖。

圖2為以本發(fā)明對五種樣本材料的切削加工性能綜合評價得到的雷達圖。

具體實施方式：

本發(fā)明為材料(工程材料)切削加工性能的綜合評價方法。參見圖1所示，本發(fā)明包括下列步驟：

步驟1.確定評價對象(即本發(fā)明的評價材料，下同)的切削加工性能的評價指標(biāo)，這些評價指標(biāo)通常是對評價對象的切削加工性能影響最顯著、應(yīng)用也最廣泛的，包括但不限于硬度、抗拉強度σ_b、伸長率δ、沖擊韌性a_k、熱導(dǎo)率κ等；

步驟2.根據(jù)對評價對象所確定的評價指標(biāo)，測定評價對象的切削加工性能的評價指標(biāo)，例如抗拉強度σ_b和伸長率δ采用基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的拉伸試驗獲得，熱導(dǎo)率κ采用基于瞬態(tài)熱線法原理的熱導(dǎo)試驗測得，硬度采用較靈敏的維氏硬度表示，沖擊韌性a_k由夏比沖擊試驗測得；

步驟3.根據(jù)評價對象的各指標(biāo)對切削加工性能影響的好壞，將評價對象的各指標(biāo)分為有益指標(biāo)和無益指標(biāo)，例如熱導(dǎo)率κ為有益指標(biāo)，硬度、抗拉強度σ_b、伸長率δ和沖擊韌性a_k均為無益指標(biāo)；

步驟4.以如下計算模型(1)對評價對象的評價指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式(1)中，為評價對象的各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值；

x為評價對象的各指標(biāo)數(shù)值；

x_max為評價對象的各指標(biāo)數(shù)值中的最大值；

x_min為評價對象的各指標(biāo)數(shù)值中的最小值；

步驟5.將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的評價對象各指標(biāo)進行歸一化處理

評價對象的各有益指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值以如下計算模型(2)進行歸一化處理：

評價對象的各無益指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值以如下計算模型(3)進行歸一化處理：

式(2)、(3)中，y為經(jīng)過歸一化處理變換后的評價指標(biāo)數(shù)值；

e和1均為數(shù)學(xué)常數(shù)，無具體意義；

步驟6.基于組合賦權(quán)法對評價對象的評價指標(biāo)進行賦權(quán)處理，具體包括：

1).以n×m矩陣作為評價對象的切削加工性能的綜合評估矩陣，其中n為評估指標(biāo)數(shù)量、m為考察樣本數(shù)量；

2).對評價對象的各評價指標(biāo)分別進行主、客觀賦權(quán)

其中，主觀賦權(quán)的方法為專家打分法；客觀賦權(quán)的方法為融合應(yīng)用模糊相容商空間理論和粗糙集理論的粒計算法；

通過主、客觀賦權(quán)得到主觀權(quán)值向量ω₁,ω₂,…,ω_q和客觀權(quán)值向量ω_q+1,ω_q+2,…,ω_q+p(q+p＝l)；其中，第k個權(quán)值向量為ω_k＝(ω_k1,ω_k2,…,ω_kn)，滿足關(guān)系式：

3).對權(quán)值向量進行預(yù)處理

以如下計算模型(4)得到主觀綜合權(quán)值向量：

以如下計算模型(5)得到客觀綜合權(quán)值向量：

式(4)、(5)中，u為主觀綜合權(quán)值向量；

E(ω)為期望值；

S(ω)為方差值；

q_k為主觀權(quán)值向量的均勻分布的概率，q_k＝1/q；

ω_k為第k個權(quán)值向量；

v為客觀綜合權(quán)值向量；

p_k為客觀權(quán)值向量的均勻分布的概率，p_k＝1/p；

4).計算組合權(quán)值

以如下計算模型(6)得到組合權(quán)值向量：

式(6)中，Q為組合權(quán)值；

ω₀為組合權(quán)值向量；

a為主觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

b為客觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

u為主觀綜合權(quán)值向量；

v為客觀綜合權(quán)值向量；

n為評估指標(biāo)數(shù)量；

i為指標(biāo)的順序號；

5).基于組合權(quán)值向量與原主、客觀綜合權(quán)值向量之間的離差平方和F最小的優(yōu)化思想，以如下計算模型(7)求得主、客觀綜合權(quán)值向量的概率系數(shù)a、b，再將概率系數(shù)a、b帶入計算模型(6)求得組合權(quán)值ω₀：

式(7)中，F(xiàn)為組合權(quán)值向量與原主、客觀綜合權(quán)值向量之間的離差平方和；

X_ij為歸一化考察矩陣的數(shù)值，對應(yīng)第j個樣本的第i個指標(biāo)；

a為主觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

b為客觀綜合權(quán)值組合的概率系數(shù)；

u為主觀綜合權(quán)值向量；

v為客觀綜合權(quán)值向量；

n為評估指標(biāo)數(shù)量；

m為考察樣本數(shù)量；

i為指標(biāo)的順序號；

j為樣本的順序號；

步驟7.繪制評價對象的切削加工性能的雷達圖；

步驟8.根據(jù)雷達圖對評價對象的切削加工性能按如下計算模型(8)進行綜合評價：

式(8)中，K為綜合評價指數(shù)；

S為雷達圖對應(yīng)多邊形的面積；

L為雷達圖對應(yīng)多邊形各邊長的平方和；

S_c為雷達圖所在單位圓的面積；

L_c為雷達圖所在單位圓的周長的平方。

下面以如下材料：Ti6Al4V鈦合金、AISI316L不銹鋼、P20塑模鋼、20鋼和正火45鋼為例，對它們的切削加工性能進行綜合評價，以此對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容進行詳細、清楚、完整地說明，具體包括如下內(nèi)容：

--針對樣本材料，選取對材料切削加工性能影響最顯著、應(yīng)用也最廣泛的機械物理性能硬度、抗拉強度σ_b、伸長率δ、沖擊韌性a_k和熱導(dǎo)率κ作為評價指標(biāo)，其中κ是有益指標(biāo)外，硬度、σ_b、δ和a_k都是無益指標(biāo)；

--各樣本材料的抗拉強度σ_b和伸長率δ采用基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的拉伸試驗獲得，熱導(dǎo)率κ采用基于瞬態(tài)熱線法原理的熱導(dǎo)試驗測得，硬度采用較靈敏的維氏硬度表示，沖擊韌性a_k由夏比沖擊試驗測得；五種樣本材料的評價指標(biāo)數(shù)值如表1所示：

表1

--將五種樣本材料的評價指標(biāo)數(shù)值按照式(1)的計算模型進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值如表1所示，在標(biāo)準(zhǔn)化處理過程中，所采用的x_max和x_min數(shù)值如表2所示：

表2

--將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的樣本材料的各指標(biāo)，按照式(2)和式(3)的計算模型進行歸一化處理，歸一化處理后的數(shù)值如表1所示；

--按照專家打分法得到的主觀權(quán)值向量u＝[0.3,0.25,0.15,0.15,0.15]^T和按照粒計算法得到的客觀權(quán)值向量v＝[0.160,0.131,0.358,0.131,0.219]^T；按照式(7)的計算模型求得概率系數(shù)a＝0.51835，b＝0.48165；按照式(6)的計算模型求得組合權(quán)值ω₀＝[0.233,0.193,0.260,0.135,0.179]^T；

--雷達圖繪制，見圖2所示，具體步驟如下：

S1.根據(jù)得到的最終組合權(quán)值ω₀＝[0.233,0.193,0.260,0.135,0.179]^T作為分配各評估指標(biāo)扇形區(qū)域的依據(jù)，第i項指標(biāo)對應(yīng)雷達圖中扇形面積的角度θ_i＝2ω_iπ；

S2.做單位圓，從圓心O引射線OA，與圓交于點A，從OA出發(fā)，依次作相鄰角度θ_i＝2ω_iπ的其余4條射線，分別為OB、OC、OD、OE，依次做扇形AOB、BOC、…、EOA的對角線，與圓交于P1、P2、…、P5，以O(shè)P1、OP2、…、OP5為指標(biāo)軸；

S3.將表1中的各項指標(biāo)歸一化數(shù)值在指標(biāo)軸上標(biāo)出對應(yīng)點，依次得到點A’、B’、C’、D’、E’，連接五點得到多邊形雷達圖，用不同顏色線條表示不同材料(如圖2所示)，其中紅色、洋紅色、青色、藍色和黑色線條對應(yīng)的材料分別為Ti6Al4V鈦合金、AISI316L不銹鋼、P20塑模鋼、20鋼和正火45鋼；由圖2可以清晰地看出，五種樣本材料的雷達圖的面積不一，從而反映出各材料的切削加工性能之間存在著較大差異；各指標(biāo)發(fā)展不均衡，尤其是熱導(dǎo)率指標(biāo)偏小，使雷達圖趨圓形變差；

--基于圖2和式(8)的計算模型，計算出的五種樣本材料的綜合評價指數(shù)K值，五種材料的綜合評價指數(shù)K見表3所示；以及計算出目前應(yīng)用最廣泛的相對切削分級法的表征參數(shù)，相對切削加工性能K_r值已列入表3，亦見表3所示：

表3

需要特別說明的是：相關(guān)工藝手冊上提供的相對切削加工性K_r值為同類材料K_r的范圍值，而沒有特定牌號材料的K_r值；

通過表3中的綜合評價指數(shù)K和相對切削加工性K_r可知，五種材料的切削加工性能的排序為：20鋼＞正火45鋼＞P20塑模鋼＞AISI316L不銹鋼＞Ti6Al4V鈦合金，這說明根據(jù)K值能有效地比較不同材料的切削加工性能。

以上具體技術(shù)方案及具體示例僅用以說明本發(fā)明，而非對其限制；盡管參照上述具體示例和具體技術(shù)方案對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：本發(fā)明依然可以對上述具體技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明的精神和范圍。