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钻削加工的优化策略研究.pdf钻削加工的优化策略研究.pdf -- 1 元

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中国机械工程第卷第期年月下半月文章编号一一一钻削加工的优化策略研究魏小鹏张建明摘要研究了数控机床钻削加工切肖用量的计算机辅助优化。以最大生产率或最低加工成本为目标,进给量和切削速度为变量,建立了数学优化模型。采用数学分析与图形表达相结合的确定性方法,开发了优化策略及相应的软件。试验验证了该优化策略的有效性和经济性。关键词优化策略钻削加工数控机床中图分类号,文献标识码魏小鹏教授加工过程中,合理切削用量的选择不仅能保证加工质量,还能提高生产率和降低生产成本。尽管人们很早就认识到切削用量优化的重要性,但至今其选择还大多依赖于经验和手册。这虽然能保证加工任务的有效完成,但却远不能达到最优。因而切削用量优化具有非常重要的意义。近年来,一种数学分析与图形表达相结合的确定性优化策略被应用于车削与铣削加工。一〕。与其它数学规划方法一〕相比,这种方法不仅易于获得全局最优解,且优化时间较短,非常适合的在线生产。针对数控机床钻削加工,本文运用数学分析和图形表达结合的确定性方法,开发了相应的优化策略,并通过试验验证了该策略的有效性。优化策略。依据钻削加工中切削速度计算公式,可导出刀具寿命计算公式为,八。,、式中,为钻头直径为切削速度为每转进给量、、,和为常数。加工孔深的切削时间。可近似表示为。、,。脚式中,产气将式和式代人式得,,,,,一汤录一一,,一一式中,和假定为最小,和则给定,优化变量为每转进给量与切削速度。钻削加工优化数学模型目标函数以最大生产率和最低加工成本为目标,分别建立钻削加工目标函数,一,,。,冬约束函数主要考虑机床性能约束和钻头强度约束。其中,机床性能约束包括切削速度和进给量边界约束、最大轴向力约束、最大扭矩与功率约束。切月纽方兔度边界约来。。,二动、式中,为每孔加工的平均总耗时为工件装卸时间汰为每孔钻削时间为换刀时间。为每孔有效钻削时间为刀具使用寿命。式中,。和为所给钻头的切削速度边界。和为机床主轴转速边界。进给登边界约来几。爪,式中,几。和二为由机床进给量限定的进给量边界值。一,令最大轴向刀约来乙十式中,为平均每孔加工成本为单位工时劳力和管理成本为刀具成本。优化过程中、、和均假定为最小,因此,最大生产率和最低加工成本目标可以采用相同的收稿日期一一修回日期一一基金项目国家自然科学基金资助项目高等学校骨干教师资助计划资助项目一一一介一气式中,介为轴向力许可的最大进给量为机床最大轴向力、和夕,为常数。最大扭拒与书力韦约洲民当切削速度比较小时,为避免主轴扭矩过大,需限定扭矩在一范围内,镇。。此时,对于任一切削速度值,相应功率也受到约束,即尸成尸。。尸,随着切削速度线性增加,当达到临界值。时有钻削加工的优化策略研究魏小鹏张建明。一、。因此,在低速范围。内,扭矩约束可表示为尸一乃儿尸,一川一式中,尸为切削功率。为低速区机床最大功率为主轴转速、、、刀和为常数。功率为尸。、时的临界切削速度。。可表示为。式中,尸、二为机床最大功率。考虑切削速度。时,最大功率约束为广口镇二变换式得决面一上随值的增大而减小,而在曲线决,了一。上随值的减小而减小,如图中箭头所示。因此,最优解,。位于曲线决,而与决万附近的高低区域中。切削速度与进给量边界约束分析毋扩一〕而图一图蕊九口钻贬强度约束当切削力和扭矩过大时,会使钻头折断,因此,切削用量必须限定在钻头强度的许可范围内。依据扭矩计算公式闭,切削力、扭矩与切削速度无关。因此,钻头强度只限定进给量的取值几式中,九为钻头强度许可的最大进给量阂。式、式和式可合并表示为镇介,人,几分析文献中的经验数据可得,召刀妻,,优化分析目标函数分析对式求偏导得〕,尸,、,嚣一茄称寸言一,一一,分析切削速度和进给量边界约束,发现变量,二的取值范围被限定在图所示的由直线一。、一二、一、。和一、围成的矩形区域中。图描述了在切削速度与进给量边界约束下最优解确定的五种类型,图中黑点表示最优解,箭头表示,的减小方向。由于直线一补劝角一。二,几,二,议议孺瑞岁加几刀,。公刀。二、几、。介。。钱二几瑞巨瑞孺刀皿刀皿耐一妞玉万脚户仁牛生一一一。刀由式、式可导出最佳刀具寿命公式为介毛。几。、介。〕汀二〕面二图包含切削速度与进给边界的约束的一。图,一上一,一上一。一,,,由于界,,式和式或者式和式不能同时成立,因此,没有唯一最优解,见图,曲线决,加一。和无扩一。没有交点。对于确定的或,在曲线决加二或决。万一。上可以确定一个局部最优解。将式和式分别代人式得,十一苏产八一一户一,一,一,。与产分析式念,一一一一,、一踢二与曲线次万二的交点以及直线一。、一、、与曲线决加一的交点都是局部最优解,因此,在图中的矩形边界上,箭头均指向了这些交点。轴向力、转矩、功率与钻头强度约束分析分析式和式,最大轴向力、最大转矩、最大功率和钻头强度共同限定了变量,取值的可行区域。图给出了不同条件下变量的可行区域分布,图中的非阴影部分为变量的可行域,黑点表示最优解,箭头仍表示的减小方向。替换式中的尸为尸二,并代人式得和式,由于,,在曲线一户一呢款月一弓宁一十一不不离下二了二下产二尸八中国机械工程第卷第期年月下半月丈鳖丈竺表各种限制条件下的最优解又,丫刃刃,、沙而一图包含轴向力、转矩、功率与钻头强度约束的井图,一、一内一一凡由于,,在曲线、上,随值的增大而减小。对于直线一人,其与曲线决,加的交点确定了局部最优解。分析曲线决加一与曲线、的位置关系,最优解的确定包含如下两种情况①当听听时,最优解为人,,如图所示②当。时,最优解为九,,如图所示。其中,二和人,分别是直线一人与决加一、。、曲线的交点限限制条件件最优解解。、簇阶。。蕊几。、,。、,、、、、毛肠。。飞。、成成几。二,。二二。、,。、,。、簇人吕二。。,二成成、,。、、,。。、二。簇。二簇左,,弘。、,二。。。。二。簇人,二介二。。,。簇、。成几几,巧。簇人。吕二。、簇,,二,人,二二二二儿。簇儿几际。镇镇几,人。人,,,、簇几镇镇二,介。,二。簇吕二。二镇镇几,人二,、回回回人,无最优解解妈匕丁万下下一下谈几不万万八刀一少子。一、八乃口几厂月佗下丁二。卜习一叫卜几几优化策略全局最优解的确定必须同时考虑所有的约束。随着约束值的大小、钻头直径、孔深及加工性能数据的变化,一图中的曲线相对位置关系也发生变化,从而使最优解的位置发生改变。因此,必须确定所有可能的最优解位置分布情况及其相应的限定条件。综合考虑所有约束,最优解应位于图的矩形边界上或图的直线一人上。依据一图中曲线的不同位置关系,共可确定种最优解情况,对应有种限制条件,表列出了所有的种限制条件及其最优解,其中二和人表示当一二和一二时在曲线上确定的值、和人表示当一、和人时在曲线决而一。上确定的值、。和二。表示当。时在曲线决而一。和曲线决,丫一上确定的值。图给出了前种限制条件下的一图,图中黑点仍表示最优解,箭头表示的减小方向。在类限制条件中,包含一类没有最优解的情况,此时,至少一个约束不能满足,因此,需要更换机床。依据一图能够确定不同限定条件下的有效约束,如限制条件下的有效约束为主轴最大转速约束与最大进给量约束,而限制条件下的有效约束则为最大进给量约束。况刀飞飞限制条件、、阵五,湘限制条件人编刀耐刀二刀〔川限制条件限制条件。、么万一么加一图包含所有约束的一。图优化软件开发依据上述优化策略,开发了数控机床钻削加工优化软件模块。图是该软件模块的流程图。软件输人包括机床参数。、。,。,、、。,。。,二,。、、钻头直径、加工孔深、时间,「以及进给力、转矩、功率、刀具寿命公式要求的加工性能信息。输出包括最优解,。、最优目标值。以及有效约束。钻削加工的优化策略研究魏小鹏张建明对于具体的输人信息,通过判定所属的限制条件,能够确定最优解位置以及有效约束,从而减小约束函数的规模,缩短优化时间。「纂。。眨盲之垫乏试验分析确确定最优解位置置及及有效约束束装卸时间比例之机床为普通立式钻床,图优化软件流程图其参数见表钻头为高速钢麻花钻工件为碳素结构钢,。一。为模拟数控机床,不考虑机床进给量与主轴转速的级数。图最大平均最小手册推荐值对优化值的增加比例图表普通立式钻床参数最最大钻孔直径最最大轴向力尸日传传动效率率最最大功率主主轴转速。,。,二主主轴进给量。,。二试验选用三个不同直径、、的钻头,要求每个钻头、加工三个不同深度的孔,并在不同的装卸时间、、和换刀时间、、下进行。表列出了直径为钻头、加工深度为孔时的优化结果以及相应的手册推荐值。表、一时的优化解与手册推荐值结论针对数控机床钻削加工,以最大生产率或最低加工成本为目标,进给量和切削速度为变量,采用数学分析和图形的确定性方法,开发了相应的优化策略和软件。通过试验对该优化策略进行了验证,与手册数据比较发现,该优化策略具有较好的经济性。随着装卸时间在总加工时间中所占比例的减小,经济性将更加突出。这对于以数控和柔性加工为特征的现代制造业来说,具有更为重要的意义。换换刀时间最优解解手册推荐值值刀八。下式可定量比较参考文献」中推荐数据得到的加工时间和本文优化策略得到的加工时间箫一呀丛一件矛三一知式中,叭,为手册推荐数据得到的每孔加工时间。为优化策略得到的每孔加工时间沉为一时的每孔加工时间。依据试验结果绘出的增加比例图见图。可以看出,随着工件装卸时间在加工总时间中所占比例的减小,对。的增加比例将增大。当时,对。的增加比例达到最大,平均增加比例为,增加范围为写。以最低加工成本为目标进行了相同的试验分析,结果发现,手册数据得到的最低成本对优化结果的增加比例最大达到。当时,平均增加比例达到,增加范围为。参考文献〕一一,,〔〕〕,〔,,,仁〕,,一,,,,,,一,,
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zhike上传于2013-11-16

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