優(yōu)化機(jī)械加工工藝的技術(shù)路徑研究

摘要：隨著我國機(jī)械制造行業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)械加工工藝水平在逐漸提升，機(jī)械加工工藝質(zhì)量能對(duì)于機(jī)械設(shè)備零件的精準(zhǔn)度與質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行查閱，對(duì)機(jī)械加工工藝及其一般流程進(jìn)行了闡述，并分析了機(jī)械加工工藝存在的一般問題，最后從節(jié)能方面著手，確定了機(jī)械加工工藝優(yōu)化的技術(shù)路徑。研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)槲覈鴻C(jī)械加工工業(yè)的健康發(fā)展提供一定理論支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；優(yōu)化模型；遺傳算法

中圖分類號(hào)：U466 收稿日期：2023-04-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.027

1 汽車機(jī)械加工概述

1.1 機(jī)械加工工藝及其一般流程

機(jī)械加工工藝指的是利用特定機(jī)械對(duì)車間的毛坯材料進(jìn)行加工，進(jìn)而改變其外形與結(jié)構(gòu)，使其能夠真正滿足相關(guān)單位對(duì)于毛坯材料質(zhì)量的基本要求，屬于機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。在實(shí)際工作情境中，機(jī)械加工工藝的精良程度越高，零件的加工活動(dòng)就會(huì)越順利，其質(zhì)量也更能夠滿足工程需要。

機(jī)械加工是一項(xiàng)比較繁雜的系統(tǒng)工程，需要通過一系列步驟的實(shí)施才能實(shí)現(xiàn)，在加工完成之后，還存在一個(gè)專門的質(zhì)檢環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，如果產(chǎn)品不能通過檢驗(yàn)，則證明加工環(huán)節(jié)沒有完成應(yīng)有的任務(wù)目標(biāo)。機(jī)械加工工藝的一般流程為：a.相關(guān)工作人員對(duì)本單位一年內(nèi)的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行總結(jié)，在此基礎(chǔ)上確定最基本的生產(chǎn)方向以及產(chǎn)品內(nèi)容。b.對(duì)零件本身的生產(chǎn)細(xì)節(jié)圖進(jìn)行分析，確定最基本的工藝類型。c.按照確定的工藝類型選擇恰當(dāng)?shù)膫溆妹鳎⒃谏鲜龌A(chǔ)上擬定一條具體的工藝路線。d.對(duì)工序加工剩余進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，對(duì)其實(shí)際尺寸以及誤差進(jìn)行精確計(jì)算。e.確定各種工具設(shè)備的型號(hào)以及類型，主要包括測(cè)量工具、裁剪工具等。f.確定零件用量、工程強(qiáng)度、技術(shù)規(guī)范、檢測(cè)方法等內(nèi)容。g.完成工藝流程的文件總結(jié)[1]。

1.2 汽車零部件機(jī)械加工技術(shù)的特點(diǎn)

汽車零部件機(jī)械加工技術(shù)主要存在以下特點(diǎn)：a.工藝要求高。隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，消費(fèi)者對(duì)于汽車性能的要求也在逐漸增加，對(duì)于乘用車市場(chǎng)而言，出色的機(jī)床加工精度以及加工效率是非常必要的，只有這樣才能制作出高水平的汽車零部件。b.信息系統(tǒng)復(fù)雜。在汽車零部件機(jī)械加工過程中，信息系統(tǒng)是承載數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種工作任務(wù)的核心結(jié)構(gòu)，屬于生產(chǎn)線的大腦，其在實(shí)踐中需要對(duì)大量信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，并在此基礎(chǔ)上提出特定優(yōu)化策略，如更換刀具、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)龋虼?，良好的信息系統(tǒng)是汽車零部件機(jī)械加工質(zhì)量的重要保障。c.新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。近年來，全世界的機(jī)械制造工業(yè)一直處在不斷發(fā)展的背景下，為了提升汽車制造質(zhì)量，相關(guān)學(xué)者不斷研發(fā)各種新技術(shù)，并將其應(yīng)用于汽車零部件機(jī)械加工領(lǐng)域。在實(shí)踐中，常見的新技術(shù)主要包括高速加工技術(shù)、工序集中化以及流程便捷化、珩磨新技術(shù)、柔性制造技術(shù)、高速刀具技術(shù)、無切削液干式切削技術(shù)、半干式切削技術(shù)。

汽車零部件機(jī)械加工主要包括三個(gè)系統(tǒng)：

a.工藝系統(tǒng)。汽車制造工藝系統(tǒng)主要指的是以汽車機(jī)床為核心的零部件加工系統(tǒng)，在當(dāng)前技術(shù)背景下，工藝系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了柔性化時(shí)代，主要組成部分包括數(shù)控機(jī)床、智能工具等。當(dāng)前，相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)備通常具有較強(qiáng)的先進(jìn)性，例如發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的最高轉(zhuǎn)速已經(jīng)能夠達(dá)到15 000 r/min。

b.物流系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括原材料貯存及處理、機(jī)床間傳輸裝置、上下料裝置，三者共同構(gòu)成物流系統(tǒng)的柔性制造單元。

c.信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心設(shè)備為中央處理器，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)節(jié)功能，在實(shí)踐中能夠完成刀具更換、工件調(diào)度、自動(dòng)監(jiān)控、質(zhì)量控制、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)編程等工作任務(wù)，同時(shí)還應(yīng)具有CAM、CAD等功能。

2 機(jī)械加工工藝存在的一般問題

2.1 機(jī)械加工誤差

在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，肯定會(huì)存在不同程度的加工誤差，工藝優(yōu)化必須首先對(duì)工藝誤差進(jìn)行分析。在實(shí)踐中，常見的工藝誤差類型包括以下幾種：

a.定位誤差。該誤差主要表現(xiàn)為定位加工時(shí)的定位不準(zhǔn)、基準(zhǔn)不重合，這會(huì)對(duì)加工精度造成影響。

b.機(jī)床制造誤差。根據(jù)誤差根源構(gòu)件不同一般可以將其分為傳動(dòng)鏈誤差、主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差等，這幾種誤差均會(huì)對(duì)零件加工精度產(chǎn)生比較明顯的影響。

c.工具幾何誤差。在機(jī)械加工過程中，除了需要完整、全面的加工裝置以外，還需要利用輔助工具，這些輔助工具的質(zhì)量以及應(yīng)用策略也會(huì)對(duì)零件的加工質(zhì)量造成影響，如夾具安裝位置不合理，就可能會(huì)導(dǎo)致零件加工外形無法符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2 機(jī)械加工成本

機(jī)械加工成本是需要著重考量的重要內(nèi)容之一，具體而言，機(jī)械加工需要消耗能源、材料損耗、機(jī)械設(shè)備等成本。在實(shí)踐中，良好的機(jī)械加工工藝能夠極大降低加工成本，進(jìn)而提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而不良的機(jī)械加工工藝則會(huì)導(dǎo)致加工成本顯著增加，進(jìn)而對(duì)企業(yè)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3 機(jī)械加工工藝優(yōu)化的技術(shù)路徑

加工中心工藝路線指的是機(jī)械加工過程中，零件從原材料到制作完成后需要經(jīng)歷的多個(gè)步驟的有機(jī)結(jié)合，該工藝路線的優(yōu)化與機(jī)械加工工藝優(yōu)化具有相當(dāng)強(qiáng)的一致性，是整個(gè)機(jī)械加工工藝的核心內(nèi)容，能夠直接應(yīng)當(dāng)工件的加工能耗，合理的工步規(guī)劃能夠有效降低機(jī)械加工成本。

工步規(guī)劃設(shè)計(jì)工作也是比較復(fù)雜的，在實(shí)踐中，待加工零件通常存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)工序少、工步規(guī)模大等特點(diǎn)，采取傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃的方式通常很難得出最優(yōu)的工序排序，即使能夠獲取滿足加工約束條件的工藝路線，也可能由于決策人員原因?qū)е鹿ば虼嬖谳^大的差異性[3]。

3.1 優(yōu)化問題確定

優(yōu)化問題描述與確定是最核心的工作內(nèi)容，零件的加工排序是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工藝內(nèi)容，受到工藝特征、加工方法、刀具類型等多方面因素的影響，為了便于后期研究，本文首先對(duì)加工零件特征進(jìn)行描述。

零件的加工過程、機(jī)床完成一連串工步的加工操作定義為該工步的工步元，并確定其具體組成部分，即工步號(hào)、加工特征、加工方法以及刀具、加工面所在方位幾個(gè)重要組成部分，并提出表示方法：[Sti=Ni，F(xiàn)i，Pi，Ti，Di]，其中，[Sti]表示工件的第i個(gè)工步元，Ni表示工步編號(hào)，F(xiàn)i表示加工特征，Pi表示加工方法，Ti表示加工刀具，Di表示工步所在的方位面。

同時(shí)，在排序過程中，相關(guān)技術(shù)人員不能完全按照自己的思路進(jìn)行優(yōu)化，必須遵守一定原則，具體而言，對(duì)于工序排序具有重要影響的工步，其彼此之間應(yīng)當(dāng)滿足一定的優(yōu)先關(guān)系[4]。

3.2 優(yōu)化模型建立

優(yōu)化模型建立在實(shí)際工作情境中十分常見，是解決工藝設(shè)計(jì)問題的核心手段，在本次工作中，需要遵循特定流程完成該任務(wù)，具體內(nèi)容如下。

a.約束的描述。在機(jī)械零件加工工藝路線設(shè)計(jì)過程中，需要遵循一定的科學(xué)原理，即對(duì)于不同的零件而言，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造方法均存在比較明顯的差異，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)零件的特點(diǎn)，對(duì)其加工面、加工方式之間的約束關(guān)系進(jìn)行分析，一般分為強(qiáng)制性約束、優(yōu)先約束兩個(gè)主要種類。其中，強(qiáng)制性約束指的是在排序過程中必須遵守的一些約束條件，如先粗后精，優(yōu)先性約束指的是在排序過程中非必須遵守的一些約束條件，如盡量減少工作臺(tái)轉(zhuǎn)為次數(shù)等。在實(shí)踐中，需要在遵循上述約束原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加工工序設(shè)計(jì)[5]。

b.設(shè)計(jì)工步鏈智能生成算法。在上述原則的基礎(chǔ)上，為了得到符合條件的加工工步排序鏈，需要設(shè)計(jì)一種基于約束分析的工步智能生成算法。工件通過約束分析構(gòu)造工步優(yōu)先關(guān)系表，其具體內(nèi)容如表1所示。

在對(duì)構(gòu)造向量進(jìn)行約束的過程中，相關(guān)技術(shù)人員也可以根據(jù)工件本身的特點(diǎn)，添加一些額外的約束向量?jī)?nèi)容，并通過工步鏈智能生成算法獲取可行性較強(qiáng)的加工工步排序鏈。工步鏈智能生成算法的操作流程為：生成N個(gè)加工工步排序鏈，排序方式為自由排序，并將其定義為[Sn]，并依次從中抽取向量，并將向量中的元素同約束向量群中的約束向量元素進(jìn)行比較與判斷，如果下標(biāo)向量群中每一個(gè)向量的第一列元素均為該下標(biāo)向量的最小值，則證明，該工步向量滿足約束條件，如果不滿足，則應(yīng)當(dāng)對(duì)N的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，至到其滿足要求即可，最終輸出[6]。

需要建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，具體公式內(nèi)容為[E=Ec+Eu+Ea+Ed+Et+Es+Eo]，其中，[Ec]代表機(jī)床切削能，[Eu]代表機(jī)床空載能耗，[Ea]代表附加載荷能耗，[Ed]代表換刀系統(tǒng)能耗，[Et]代表工作臺(tái)轉(zhuǎn)位能耗，[Es]代表機(jī)床廣義儲(chǔ)能，[Eo]代表輔助能耗。以上諸多能耗之和即為總能耗，通過基于特定算法的優(yōu)化模型求解即可計(jì)算出最佳能耗。

3.3 基于特定算法的優(yōu)化模型求解

為了計(jì)算出最優(yōu)能耗，本文決定引進(jìn)遺傳算法，遺傳算法屬于當(dāng)前技術(shù)背景下誕生一種比較先進(jìn)的自適應(yīng)搜索算法，在非線性優(yōu)化問題的解決方面較為出色，在組合優(yōu)化等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮出相當(dāng)重要作用。基于遺傳算法的優(yōu)化模型求解思路如下。

a.基因編碼。即采取二進(jìn)制編碼、自然數(shù)鏈編碼的方式進(jìn)行基因編碼，是遺傳算法的首要作業(yè)流程，在實(shí)踐中，二進(jìn)制編碼主要適用于變量為數(shù)值的情況，而本文所研究的內(nèi)容為工步排序問題，其適用性相對(duì)較差，本文選擇采用自然數(shù)字鏈編碼解決該問題。在實(shí)踐中，零件的加工由多個(gè)工步排序組成，因此，在基因編碼過程中，筆者將染色體的基因分為工步編號(hào)、刀具編號(hào)、加工特征所在方位面編號(hào)。

b.產(chǎn)生初始種群。初始種群指的是一組包含待加工零件工步原信息的隨機(jī)工步鏈群，采取直接生成的方式僅僅能夠獲取滿足約束條件的工步排序。為了獲得信息完備的初始種群，需要確定可行的初始種群數(shù)目，并建立相應(yīng)信息，實(shí)現(xiàn)種群初始化。具體方法為：①工步鏈智能生成算法；②N個(gè)可行的工步排序序列；③抽取第i個(gè)工步排序序列；④依次遍歷序列i的個(gè)工步，并為其匹配可行刀具以及所在方位面；⑤完成序列初始化；⑥儲(chǔ)存序列i；⑦判斷i、n的具體數(shù)值，即i是否小于n，如果結(jié)果為是，則初始化結(jié)束，如果否，則重新抽取第i個(gè)工步排序序列，并進(jìn)行后續(xù)流程[7]。

c.適應(yīng)函數(shù)確定。即確定優(yōu)化方向，在本次研究中，其目的在于優(yōu)化能耗，因此，適應(yīng)函數(shù)取優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最小值。

d.復(fù)制、交叉、變異。即根據(jù)遺傳算法的基本方法對(duì)其進(jìn)行全面處理，得到新的且滿足約束條件的子代。

e.運(yùn)行參數(shù)以及終止條件。具體參數(shù)應(yīng)當(dāng)包括算法的迭代次數(shù)、初始種群數(shù)、交叉概率、變異率。在對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行求解時(shí)，需要選擇合適的終止條件，在實(shí)踐中，遺傳算法的終止條件包括按照預(yù)先設(shè)定迭代次數(shù)終止、個(gè)體適應(yīng)度變化很小時(shí)終止兩個(gè)基本類型。本文所研究的是工藝路線優(yōu)化問題，更適合選擇“按照預(yù)先設(shè)定迭代次數(shù)終止”這一終止條件。

4 結(jié)語

在當(dāng)前，我國的機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展，機(jī)械加工工藝不斷創(chuàng)新，但是在部分機(jī)械加工領(lǐng)域中的加工工藝落后，進(jìn)而導(dǎo)致其零件加工質(zhì)量以及零件加工成本受到嚴(yán)重影響。本文通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行查閱，結(jié)合優(yōu)化模型、遺傳算法對(duì)機(jī)械加工工藝中加工中心工藝路線的節(jié)能優(yōu)化方法進(jìn)行了全面研究與分析，并得出了一定結(jié)論。同時(shí)，隨著時(shí)代的發(fā)展，一些新型工藝也在不斷涌現(xiàn)，例如特種加工等，相關(guān)技術(shù)人員必須充分結(jié)合時(shí)代變化特征，對(duì)工藝技術(shù)流程進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，只有這樣才能提升工藝的應(yīng)用質(zhì)量，進(jìn)而提升零件加工的精良程度。

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作者簡(jiǎn)介：

張真海，男，1983年生，講師，研究方向?yàn)槠嚈C(jī)械。