三維工序模型切削載荷動(dòng)態(tài)變化的工藝優(yōu)化策略

趙　倩， 焦　黎， 譚方浩， 羅智文， 王西彬， 王　昭

(北京理工大學(xué)先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

三維工序模型切削載荷動(dòng)態(tài)變化的工藝優(yōu)化策略

趙倩， 焦黎， 譚方浩， 羅智文， 王西彬， 王昭

(北京理工大學(xué)先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

綜合零件的加工特征及約束條件并引入布爾差運(yùn)算，可以分解出零件典型面組并生成對(duì)應(yīng)的工藝路線譜系，達(dá)到零件加工工藝快速優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。通過(guò)分析三維工序模型典型面組加工時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，采用B樣條曲線插值參數(shù)化的方法構(gòu)建刀具-工件接觸區(qū)域動(dòng)態(tài)邊界的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)切削載荷動(dòng)態(tài)變化狀況，并進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化達(dá)到有效控制切削載荷的目的。最后以某零件的車(chē)削加工為例進(jìn)行分析，驗(yàn)證該工藝優(yōu)化策略的可行性。

三維工序模型；布爾差運(yùn)算；工藝路線譜系；切削力預(yù)測(cè)模型；工藝優(yōu)化

工藝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的橋梁，制造類(lèi)企業(yè)在產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中積累了大量的工藝數(shù)據(jù)，能否對(duì)其進(jìn)行充分的應(yīng)用成為目前待解決難題之一。機(jī)加工零件快速工藝規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)取決于對(duì)零件工序間模型與零件模型密切關(guān)系的正確提取[1]。對(duì)機(jī)加工而言，部分零件間往往具有整體結(jié)構(gòu)相似，局部結(jié)構(gòu)差異的特點(diǎn)，只需對(duì)工序間模型及工藝路線規(guī)劃進(jìn)行少量修改，對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期具有深刻的意義。

Marchetta和 Forradellas[2]指出特征是制造過(guò)程中至關(guān)重要的概念，并提出一種基于人工智能規(guī)劃的混合過(guò)程/知識(shí)的特征識(shí)別方法。Tost等[3]描述了一種用于表示加工工具邊界的計(jì)算方法，該方法執(zhí)行動(dòng)態(tài)布爾操作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工鉆井工具的模擬。Hoque等[4]基于與CAD/CAM軟件包緊密相連的制造特征庫(kù)提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造階段相關(guān)數(shù)據(jù)之間的智能接口設(shè)計(jì)，建立了集成于CAD/CAM的制造特征智能系統(tǒng)。Liu等[5]提出了應(yīng)用聚類(lèi)分析法獲取典型工藝路線的設(shè)想，解決了計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)從工藝數(shù)據(jù)中提取工藝知識(shí)的問(wèn)題。Xu等[6]依靠工藝知識(shí)與加工資源的集成，提出將工藝知識(shí)映射到加工資源并創(chuàng)建工序間模型，指導(dǎo)零件加工生產(chǎn)。鄒定國(guó)和朱心雄[7]提出一種基于特征設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)的零件模型，并將特征通過(guò)幾何信息與工程信息分開(kāi)表達(dá)。蔡立剛等[8]利用基于實(shí)例的推理方法、專(zhuān)家系統(tǒng)方法和特征技術(shù)，構(gòu)造了一套完整實(shí)用的基于實(shí)例的工藝路線決策方法，較好解決了工藝設(shè)計(jì)知識(shí)和相似工藝實(shí)例重用的問(wèn)題。金濤等[9]指出機(jī)械零件產(chǎn)品是按照具有確定的幾何約束關(guān)系特征設(shè)計(jì)制造的，在產(chǎn)品的模型重建過(guò)程中，一個(gè)重要的目標(biāo)即是還原其特征以及相互之間的約束，并基于特征約束建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。凌衛(wèi)青等[10-11]指出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中知識(shí)模型獲取是關(guān)鍵技術(shù)，采用設(shè)計(jì)實(shí)例的形式對(duì)已有設(shè)計(jì)進(jìn)行封裝和組織，定義了性能特征類(lèi)型，討論了由性能需求到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征和制造特征的映射研究。肖海燕等[12]提出基于 STEP應(yīng)用協(xié)議中零件特征庫(kù)的新的零件庫(kù)實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)對(duì)零件庫(kù)開(kāi)發(fā)工具的原理、實(shí)現(xiàn)方式的研究，豐富和發(fā)展了零件庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)的理論。張禹等[13]針對(duì)快速設(shè)計(jì)符合用戶需求產(chǎn)品的模塊組合方法，提出基于實(shí)例推理的數(shù)控車(chē)床智能模塊組合方法。胡淑慧等[14]根據(jù)工序模型的演變過(guò)程將工藝規(guī)程進(jìn)行分類(lèi)，提出以工序模型的變化作為工藝知識(shí)劃分的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)更精確的工藝知識(shí)分類(lèi)與重用。朱文博等[15]提出了基于形狀拆分的機(jī)械零件三維模型檢索方法，可實(shí)現(xiàn)零件三維模型之間快速準(zhǔn)確地匹配。

學(xué)者們針對(duì)加工特征、工序模型和工藝優(yōu)化開(kāi)展了大量探索研究，但卻忽略了在工藝優(yōu)化中不同工序模型加工時(shí)切削力變化對(duì)加工質(zhì)量的影響。本文通過(guò)布爾差運(yùn)算對(duì)零件毛坯進(jìn)行加工特征的識(shí)別，得到零件加工工序間模型，進(jìn)行典型面組的工序規(guī)劃，即得加工工藝路線，針對(duì)不同三維工序模型通過(guò)切削力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷預(yù)測(cè)，最后進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化得到最優(yōu)工藝路線并存入工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

1　面向三維工序模型的布爾差運(yùn)算

1.1加工特征定義

工藝路線譜系指對(duì)零件的加工類(lèi)型及加工特征進(jìn)行相似分類(lèi)，并針對(duì)加工特征所對(duì)應(yīng)的工序信息編碼進(jìn)行整合而成的加工方案。

在零件由毛坯向最終狀態(tài)的演變過(guò)程中，需經(jīng)過(guò)不同的加工工序模型，并通過(guò)逐步切除自身多余的材料而最終完成零件的加工。從上一道工序模型中去除部分材料就生成了下一道工序模型，而期間去除的材料即構(gòu)成加工特征。機(jī)加工零件模型由具有相互依賴關(guān)系的加工特征疊加而成，通過(guò)分析基本加工特征，將其歸納為凸、凹和修飾3類(lèi)特征。由圖1可以看出，凸特征主要包括凸臺(tái)及肋板，其中凸臺(tái)為主要特征；凹特征主要包括環(huán)、階梯、孔系和槽系；修飾特征主要包括倒邊、倒角及倒圓特征。特定曲面的形成即為加工特征與工序模型布爾操作的結(jié)果表達(dá)。

圖1　加工特征定義

1.2三維工序模型獲取步驟

零件完整的機(jī)加工工藝一般由多道工序組成，相應(yīng)地就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)工序模型及加工特征。獲取機(jī)加工零件毛坯模型的過(guò)程可以看作是完成一個(gè)工序模型和加工特征裝配的過(guò)程，其中，可將零件設(shè)計(jì)模型看作裝配的母體，所有的加工特征可以看作裝配零部件，由此裝配過(guò)程中形成的模型就組成了加工工序模型，最終形成的毛坯模型即為總裝配體。圖 2詳細(xì)描述了某零件機(jī)加工的工藝路線和工序模型、加工特征三者之間的關(guān)系，通過(guò)典型加工特征的識(shí)別與毛坯模型進(jìn)行布爾差運(yùn)算，得到工件加工工序間模型，工藝路線的形成即為工序路線的正確疊加重組。

圖2　三維工序模型獲取流程

由于零件加工工藝要求及加工條件的不同，零件的加工順序與零件從設(shè)計(jì)模型生成毛坯模型的順序可能不同，導(dǎo)致零件加工過(guò)程中獲得的工序模型與搭建裝配過(guò)程中的模型不同，因此需要根據(jù)加工要求對(duì)各工序的加工特征進(jìn)行調(diào)整重構(gòu)，運(yùn)用布爾差操作生成最佳的工序模型。

1.3三維工序模型獲取方法

零件基本模型特征是毛坯，零件加工過(guò)程可以認(rèn)為是對(duì)毛坯進(jìn)行的材料刪減工作。毛坯從加工的第一道工序起直到最后形成零件之前，每道工序會(huì)形成一個(gè)中間模型，該中間模型是通過(guò)對(duì)前一道工序零件形狀進(jìn)行布爾差操作而得。加工特征則是通過(guò)前后兩道工序模型之間幾何特征的改變而獲得的，因此需在工序間模型和加工特征之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。以車(chē)削加工為例，圖 3建立了零件車(chē)削加工過(guò)程中的工序模型及加工特征，通過(guò)布爾差運(yùn)算完成了毛坯到零件的實(shí)現(xiàn)。

圖3　基于加工特征的三維工序模型獲取

由以上關(guān)系可知，后一道工序模型由前一道工序模型與該道工序相應(yīng)的加工特征進(jìn)行布爾操作完成。因此，為實(shí)現(xiàn)機(jī)加工零件的快速工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)，要求根據(jù)加工特征與工序模型的依賴關(guān)系快速識(shí)別零件模型中的加工特征類(lèi)型，迅速還原加工特征及工序模型，在加工工藝要求的限制下，得到最佳的工序模型組合，通過(guò)布爾差操作得到相應(yīng)加工特征。

2　基于三維工序模型工藝優(yōu)化

2.1基于三維工序模型的切削力預(yù)測(cè)模型

零件在加工過(guò)程中，由于三維工序模型和加工面組的變化引起刀具-工件接觸區(qū)域動(dòng)態(tài)變化，從而產(chǎn)生切削載荷不穩(wěn)定、切削力急劇變化的現(xiàn)象，因此建立復(fù)雜型面切削力預(yù)測(cè)模型。本文采用 B樣條曲線插值參數(shù)化的方法進(jìn)行建模，首先將切削刃和待加工表面輪廓線按一定的間隔取點(diǎn)，運(yùn)用均勻三次B樣條曲線進(jìn)行插值，再運(yùn)用B樣條曲線反算法得到圓弧車(chē)削起點(diǎn)及終點(diǎn)坐標(biāo)，建立一套準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)切削力預(yù)測(cè)模型。

切削力是由被切削材料的變形和刀具-工件的摩擦產(chǎn)生，可分解為沿切削速度方向的切向力 Ft和刀具基平面上的摩擦力Ffr，其中Ffr可進(jìn)一步分解為基平面上相互垂直的軸向力Ff和徑向力Fr；摩擦力Ffr的方向角β即Ffr與X軸的夾角。由于刀尖圓弧半徑r的存在，以及切削時(shí)進(jìn)給f方向和切削深度 ap的不斷變化，使得切削厚度沿切削刃的每一接觸點(diǎn)分布均不相同，因此切削力也非均勻分布，如圖4所示，假設(shè)當(dāng)前(第j次)進(jìn)給的刀尖圓弧刃都是與前一次(第j–1次)進(jìn)給的刀尖圓弧刃相交。

圖4　刀具-工件接觸區(qū)域的切削力分布

針對(duì)刀具-工件接觸區(qū)域，引入切削刃和待加工表面輪廓線的插值B樣條曲線方程式(1)和(2)：

其中，P和Q分別為切削刃和待加工表面輪廓線的控制點(diǎn)矩陣。N(u)和N(t)為B樣條曲線遞推公式的方程表達(dá)式。

結(jié)合均勻三次B樣條曲線反算得出整個(gè)刀具-工件接觸區(qū)域的面積 At和接觸刃長(zhǎng)度 Lt，計(jì)算公式如下：

其中，BEKj–1為均勻三次B樣條曲線。

沿切削刃將刀具-工件接觸區(qū)域劃分成許多微元，切削力微元就可表示為所在微元的面積dA和局部切削刃接觸長(zhǎng)度dL的函數(shù)[16]：

其中，Ke(Kte和Kfre)和Kc(Ktc、Kfrc1和Kfrc2)分別為刃口摩擦系數(shù)和切削力系數(shù)，可以通過(guò)直線車(chē)削試驗(yàn)確定。對(duì)式(6)和(7)分別進(jìn)行積分后可得到每一次進(jìn)給瞬時(shí)的切削力計(jì)算公式，從而構(gòu)建復(fù)雜型面車(chē)削動(dòng)態(tài)切削力預(yù)測(cè)模型。

其中的 Ffr需要依據(jù)刀具-工件接觸區(qū)域的幾何劃分類(lèi)型區(qū)分計(jì)算Ffrc1和Ffrc2確定。

2.2面向工藝參數(shù)的優(yōu)化過(guò)程

針對(duì)零件加工過(guò)程中工序模型的識(shí)別和加工特征的獲取，需參考機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5992.1對(duì)工序進(jìn)行編碼設(shè)置。對(duì)于零件機(jī)加工實(shí)際存在的工序類(lèi)型，結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)及對(duì)應(yīng)的加工要求，對(duì)工序進(jìn)行更細(xì)致的分類(lèi)編碼。表 1所示為部分工序信息編碼表。

工藝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的前提，工藝規(guī)劃的優(yōu)劣直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。

表1　部分工序信息編碼表

針對(duì)復(fù)雜型面車(chē)削載荷動(dòng)態(tài)變化原因分析，若使用同一把刀具切削，如果不考慮切削熱和切削液等因素對(duì)切削力的影響，則其變化主要由切削參數(shù)變化引起。在某一道工序加工中，一般多個(gè)型面使用同一把刀具，甚至只能使用一把特定的刀具，所以重新選用刀具或者改變刀具幾何參數(shù)的方法并不可行，只能通過(guò)改變切削參數(shù)的方式控制切削載荷。本文主要以切削深度和切削速度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，以加工時(shí)間作為優(yōu)化目標(biāo)，以最大切削力作為主要約束進(jìn)行工藝優(yōu)化研究，其優(yōu)化流程圖見(jiàn)圖5。

3　切削載荷時(shí)不變工藝優(yōu)化實(shí)例

3.1車(chē)削工藝路線譜系獲得

對(duì)于車(chē)削加工來(lái)說(shuō)，其加工特征主要為回轉(zhuǎn)特征。工序模型是對(duì)加工表面外形具體的描述，關(guān)系到刀具的幾何參數(shù)選擇及加工工藝路徑的規(guī)劃，圖 6所示為某典型零件車(chē)削加工過(guò)程中一個(gè)三維工序模型，其對(duì)應(yīng)的典型面組包括：圓柱面、端面、凹型面和凸型面。

圖5　優(yōu)化流程圖

圖6　零件車(chē)削加工實(shí)例

由零件車(chē)削加工過(guò)程分析，并根據(jù)表 1所示的工序信息編碼表，可得實(shí)例零件的工藝路線譜系如表2所示。

表2　車(chē)削實(shí)例工藝路線譜系

圖7為依據(jù)表2所示車(chē)削工藝路線譜系進(jìn)行加工所得切削合力的變化曲線。其中，圓柱面及端面的車(chē)削加工工藝較簡(jiǎn)單，此處不再贅述。

由曲線走勢(shì)可看出，切削力在18 s左右達(dá)到了最大值，此時(shí)刀具處于工件凹型面與凸型面圓弧連接處，18 s以后進(jìn)入了凸型面圓弧切削。按照表 2所述工藝路線成功地完成了零件車(chē)削加工，但是切削力在15～20 s之間變化相對(duì)劇烈，容易導(dǎo)致刀具崩刃，為提高加工效率及刀具使用壽命，對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖7　工藝優(yōu)化前切削載荷變化曲線

3.2基于切削力預(yù)測(cè)模型的參數(shù)優(yōu)化

本例主要利用基于 B樣條的復(fù)雜型面統(tǒng)一切削力預(yù)測(cè)模型，通過(guò)離線變參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行工藝優(yōu)化研究。

切削深度的優(yōu)化通常在不改變毛坯尺寸和加工余量的前提下，通過(guò)改變瞬時(shí)切削深度得以實(shí)現(xiàn)。由于凹型面的切削力提升較快，且其較大的載荷對(duì)加工來(lái)說(shuō)比較危險(xiǎn)，因而凹型面的切削力控制是工藝設(shè)計(jì)人員較為關(guān)注的，通過(guò)預(yù)測(cè)模型可以看出切削力的變化范圍得到了有效控制，且載荷變化較為平緩。由于在高速切削過(guò)程中，金屬的流動(dòng)速度會(huì)大于塑性變形的速度，導(dǎo)致剪切角的增大，與此同時(shí)切削溫度也隨之提高，使得變形區(qū)的金屬層變形程度降低，又進(jìn)一步增大剪切角，從而降低了切削力。從某種程度上講，在一定范圍內(nèi)提高切削速度對(duì)控制切削力是有效的。圖 8為切削參數(shù)優(yōu)化后的切削力走勢(shì)，可以看出切削參數(shù)的優(yōu)化對(duì)載荷的動(dòng)態(tài)變化起到了有效控制。

圖8　工藝優(yōu)化后切削載荷變化曲線

3.3車(chē)削工藝優(yōu)化原型系統(tǒng)

智能車(chē)削數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)面向三維工序特征的車(chē)削力預(yù)測(cè)與工藝優(yōu)化，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用ExtJS作為前臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)運(yùn)用平臺(tái)移植性高、通用性強(qiáng)的Java語(yǔ)言作為后臺(tái)服務(wù)和數(shù)據(jù)管理的開(kāi)發(fā)工具。

該系統(tǒng)主要包括基于車(chē)削加工的特征推薦模塊、基于三維工序模型的刀具和切削參數(shù)推薦模塊、基于切削力預(yù)測(cè)模型加工工藝優(yōu)化模塊和加工結(jié)果預(yù)測(cè)模塊。首先能夠?qū)?chē)削加工特征進(jìn)行選擇確定，如圖 9所示；且能夠針對(duì)車(chē)削加工特征要求，形成車(chē)削工藝路線信息，實(shí)現(xiàn)刀具和切削參數(shù)的選擇推薦，如圖10所示。根據(jù)推薦的切削參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)切削力模型的預(yù)測(cè)和切削參數(shù)優(yōu)化，獲得較平穩(wěn)的切削載荷變化，切削參數(shù)優(yōu)化界面如圖11所示，顯示了優(yōu)化前后的切削載荷變化曲線。

圖9　基于三維工序模型的加工特征選擇界面

圖10　加工特征、刀具、切削參數(shù)選擇推薦界面

圖11　切削參數(shù)優(yōu)化界面

4　結(jié)　論

本文運(yùn)用布爾差運(yùn)算實(shí)現(xiàn)零件從毛坯到零件設(shè)計(jì)模型之間三維工序模型的提取，并對(duì)其進(jìn)行加工特征及典型面組的識(shí)別，通過(guò)對(duì)工序模型的疊加與重構(gòu)獲得工藝路線譜系。通過(guò)基于 B樣條曲線的復(fù)雜型面車(chē)削動(dòng)態(tài)切削力預(yù)測(cè)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷的預(yù)測(cè)，并通過(guò)切削參數(shù)的優(yōu)化得到平穩(wěn)的載荷變化趨勢(shì)，使得零件加工過(guò)程達(dá)到最佳狀態(tài)，從而縮短工藝設(shè)計(jì)周期、提高零件加工精度。

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The Process Optimization Strategy Based on Three-Dimensional Process Model Cut Load Dynamic Change

Zhao Qian,Jiao Li,Tan Fanghao,Luo Zhiwen,Wang Xibin,Wang Zhao

(Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Integrating parts machining feature as well as constraints of various aspects, the right classification of typical surface groups is obtained by using of Boolean difference calculation. The surface groups is needed to generate typical process line spectrum for the sake of speeding up process design and optimization. According to the analysis of dynamic characteristics on the cut-part contact from the machining of difference three-dimensional process model typical surface groups, the dynamic cutting force prediction model of complex surface machining based on B-spline curves is used to analyze the changes of dynamic load, and effective control of cutting load is achieved through the optimization of cutting parameters. Finally, the turning of a part is carried out as a verification of the feasibility of the process optimization strategy.

three-dimensional process model; Boolean difference calculation; process spectrum line; cutting forces prediction model; process optimization

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016010049

A

2095-302X(2016)01-0049-07

2015-06-24；定稿日期：2015-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105035)

趙倩(1990–)，女，河北河間人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榍邢鳈C(jī)理、切削數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝知識(shí)庫(kù)。E-mail：zhaoqianbit@sina.com