基于數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化研究

孫釗 周東

摘 要：結(jié)合數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化問題，本文提出了數(shù)控加工切削參數(shù)的優(yōu)化模型，并對(duì)優(yōu)化算法的選擇方法進(jìn)行了探討，提出了優(yōu)化結(jié)果的分析判斷方法，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；切削工藝；參數(shù)優(yōu)化

在數(shù)控加工的過程中，切削速度、深度、寬度和進(jìn)給量等都屬于切削參數(shù)，將對(duì)切削工藝質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，從而給零件加工質(zhì)量、效率和成本帶來影響。通過對(duì)數(shù)控加工切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，則能得到更好的工藝路線和裝備，繼而使零件加工質(zhì)量得到提高。

1 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化問題

在零件數(shù)控加工方面，通常采用車削、銑削、鉆削等切削加工工藝，設(shè)計(jì)到的切削參數(shù)有較多，如切削功率、切削速度、切削深度、切削寬度和進(jìn)給量等。在眾多參數(shù)中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度為三要素，需要以刀具合理耐用度為限制條件進(jìn)行要素提高。根據(jù)背吃刀量的最大值，可以確定切削用量。結(jié)合數(shù)控加工機(jī)床動(dòng)力和剛性條件，同時(shí)考慮零件加工表面粗糙度要求，可以確定進(jìn)給量大小。但在實(shí)際加工中，各工序加工參數(shù)有擁有較寬選擇空間，采用查表法將導(dǎo)致加工效率過低，也難以確保零件加工質(zhì)量符合要求。因此，還要采取科學(xué)的切削參數(shù)優(yōu)化方法，以便結(jié)合相關(guān)規(guī)則直接從實(shí)際工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中完成切削參數(shù)最優(yōu)組合提取，促使數(shù)控加工質(zhì)量和效率同時(shí)得到提高。

2 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化方法

2.1 建立優(yōu)化模型

結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)問題，還要通過將物理模型簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)模型完成優(yōu)化模型的構(gòu)建。針對(duì)模型參數(shù)，還要利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法完成參數(shù)簡(jiǎn)單有效計(jì)算，以便得到最優(yōu)的模型參數(shù)數(shù)值。在實(shí)際操作過程中，結(jié)合設(shè)計(jì)要求確定對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)，可以結(jié)合零件設(shè)計(jì)的具體約束要求完成函數(shù)關(guān)系的構(gòu)建，從而使變量與控制等條件得到準(zhǔn)確反映，得到相應(yīng)的參數(shù)對(duì)照優(yōu)化模型。具體來講，就是要先確定機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)和加工條件等基礎(chǔ)條件，然后對(duì)影響切削加工效率的因素展開分析，如切削寬度、切削速度等。結(jié)合刀具選用的差異性，通過多次試切，則能對(duì)刀具切削寬度和深度等變量進(jìn)行確定。[1]將兩個(gè)變量假定為已知量，可以對(duì)切削速度、進(jìn)給量等變量數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。在具體變量確定后，需要結(jié)合目標(biāo)函數(shù)完成具體參數(shù)優(yōu)化模型的構(gòu)建。以最大生產(chǎn)率為目標(biāo)，可以得到已知量與變量的關(guān)系。完成模型建立后，需要結(jié)合約束條件進(jìn)行求解。在數(shù)控加工過程中，切削工藝將受到進(jìn)給力、切削扭矩、主軸轉(zhuǎn)速、工件質(zhì)量和機(jī)床功率等因素的限制。確保切削速度滿足主軸轉(zhuǎn)速約束條件，進(jìn)給量滿足齒進(jìn)給量約束條件，進(jìn)給力不大于主軸能夠承受的最大進(jìn)給力，切削功率不超出機(jī)床承受有效功率，并且滿足零件加工表面粗糙度要求，則能進(jìn)行模型求解。

2.2 選擇優(yōu)化算法

在模型求解過程中，還要選擇合適的優(yōu)化算法。通過對(duì)計(jì)算程序進(jìn)行編程，并將程序輸入到控制計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，則能按照確定的算法完成最優(yōu)參數(shù)值的求取。就目前來看，相較于其他算法，遺傳算法可以通過隨機(jī)方法得到初始種群，按照規(guī)定個(gè)體數(shù)目標(biāo)準(zhǔn)對(duì)個(gè)體染色體進(jìn)行編碼。通過對(duì)個(gè)體適應(yīng)度進(jìn)行計(jì)算，并按照得到的數(shù)值的高低完成排列，則能得到對(duì)應(yīng)的再生個(gè)體。如果個(gè)體適應(yīng)度較高，則有較高的概率被選擇。在新個(gè)體生成上，需要采用交叉概率方法。得到的新個(gè)體將構(gòu)成新的種群，通過迭代，可以彎沉參數(shù)優(yōu)化。而對(duì)參數(shù)對(duì)應(yīng)變量的適應(yīng)值區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，可以進(jìn)行參數(shù)解碼和再次編碼，然后通過重復(fù)操作確定最大生產(chǎn)率范圍，得到多個(gè)最優(yōu)參數(shù)組合。[2]在區(qū)域搜索的過程中，還要對(duì)適應(yīng)值達(dá)到0以上的個(gè)體進(jìn)行重新解碼和編碼，0以下的則保持字符串編碼，以確保個(gè)體能夠在變異操作后重新復(fù)活，得到適應(yīng)值的提升。多次迭代后，適應(yīng)度低的個(gè)體將被淘汰，最高數(shù)值也將被篩選出來。

2.3 判斷優(yōu)化結(jié)果

得到模型優(yōu)化結(jié)果后，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，確定參數(shù)最優(yōu)組合。在分析和判斷過程中，還要結(jié)合以往加工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)切削參數(shù)和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較，確定優(yōu)化結(jié)果能否符合數(shù)控加工要求和切削工藝的各項(xiàng)約束條件。在此基礎(chǔ)上，要考慮優(yōu)化結(jié)果能否起到提升數(shù)控機(jī)床工作效率的作用，同時(shí)能否保證單個(gè)零件的加工質(zhì)量。通過仿真分析，可以確定數(shù)控加工的切削路徑是否得到了優(yōu)化。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知，在半精加工的切削工藝中，單道工序切削時(shí)間能夠達(dá)到3.6s，可以達(dá)到較高的加工效率。因此結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得知優(yōu)化結(jié)果能否推動(dòng)數(shù)控加工水平的提升，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的科學(xué)判斷。

3 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在數(shù)控加工過程中，結(jié)合工藝參數(shù)條件建立切削參數(shù)優(yōu)化模型，然后選擇適合的優(yōu)化算法，則能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化。而針對(duì)得到的參數(shù)組合，則能通過合理判斷完成最優(yōu)組合的篩選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工工藝的合理調(diào)整，實(shí)現(xiàn)零件的高質(zhì)量、高效率加工。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱海兵.基于正交試驗(yàn)的車削參數(shù)優(yōu)化研究[J].機(jī)電信息，2016，（27）：127130.

[2]羅育果，王鵬程，高濤.低速銑削中表面粗糙度影響因素及切削參數(shù)優(yōu)化研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2017，（7）：3536.

基金項(xiàng)目：陜西高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目：校企共建互聯(lián)網(wǎng)+生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地的研究與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：17GY050）

作者簡(jiǎn)介：孫釗（1982），男，陜西人，本科，講師，研究方向：機(jī)械制造數(shù)控加工；周東（1982），男，陜西人，研究方向：機(jī)械制造數(shù)控加工。