（农业机械化工程专业论文）基于遗传算法的车削用量优化研究.pdf

摘要 正确合理的选择切削用量，对保证加工质量，提高生产率和经济效益具有重要意 义。 本文首先从研究金属切削理论入手，以硬质合金车刀切削中碳钢材料进行试验研 究，分析切削用量对表面粗糙度的影响关系：进给量对表面粗糙度影响的最大，其次 是切削速度，再次是切削深度。进给量增大，表面粗糙度增大，转速增大，表面粗糙 度减小，这与切削用量对车削过程中的影响规律基本一致。 采用多元线性回归的方法，建立表面粗糙度指数模型，并验证该模型具有显著性。 以生产效率，表面粗糙度为优化目标，通过机床、工件、刀具对车削用量选择约 束的研究，建立车削用量优化数学模型。 在基于遗传算法的车削用量单、双目标优化研究的基础上，采用m a t l a b 的g a d s 遗传算法工具箱进行编程，开发建立了切削用量的优化系统。 通过切削实验对优化结果进行验证，结果表明：在稳态车削条件下，获得较满意 的优化结果，验证了基于遗传算法的车削用量优化系统在提高生产效率和改善表面粗 糙度方面，具有较强的可靠性和实用性。 关键词：车削用量；表面粗糙度；遗传算法 s t u d yo fc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni nt u r n i n g b a s eo ng e n e t i ca l g o r i t h m a b s t ra c t ，i 毫i ec 。r f e c 蓬a 魏dr e a s o 魏a b l ec h o i c ec u t t i n gp a r a m e t e r si so ff e a ts i g i f i c a n c e t o g u a r a n t e et h ep r o c e s s i n gq u a l i t y , r a i s e st h ep r o d u c t i v i t ya n d t h ee c o n o m l ce f f i c i e n c y t h i sp a p e rf i f s to b t a i n sf r o mt h er e s e a r c hm e t a lc u t t i n gt h e o r y ；t h r o u g ht h eb r a z i n g c a r b i d el a t h et o o lc u t t i n gt h em e d i u m c a r b o ns t e e le x p e r i m e n t ，r e s e a r c hi n f l u e n c er u l eo ft h e c u t t i n gp a r a m e t e r st ot h es u r f a c er o u 醇n e s s t h ef e e dh a st h e m o s tt r e m e n d o u si n f l u e n c et o t h es u r f a e er o u g h n e s s , n e x ti st h ec u t t i n gs p e e d ，t h el a s ti st h et u r n i n gd e p t h t h ef e e d i n c r e a s e s t h es u r f a c er o u g h n e s si n c r e a s e s ，t h ec u t t i n gs p e e di n c r e a s e s ，t h es u r f a c e r o u g h n e s sr e d u c e s 。t h i sb a s i ci d e n t i c a l l yw i t hc u t t i n gs p e c i f i c a t i o n s t ot u r n i n gp r o c e s s i n f l u e n c er u l e u s e sm 驻l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d ，h a se s t a b l i s h e dt h e s u r f a c er o u 8 = ) l q n e s sr e t u m h a se s t a b l i s h e dt h es u r f a c er o u g h n e s sr e t u r ne x p o n e n t i a lm o d e lm o d e l ，a n dc a r r i e so nt h e s i 磬i f i c a n c ee x a m i n a t i o n t ot h em o d e l 。 t a k ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n d t h es u r f a c er o u g h n e s sa so p t i m i z a t i o ng o a l t h er e s e a r c h o ft h ec u t t i n gp a r a m e t e r sc h o i c e do nt h ec u t t i n g ，t h ew o r k p i e c e ，t h ec u t t i n gt 0 0 1 e s t a b l i s h m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ec u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n - i nb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m st u r n i n gp a r a m e t e r ss i n g l eo rd o u b l e g o a lo p t i m i z a t i o n ，u s e dm a t l a bt h eg a d sg e n e t i ca l g o r i t h m t o o l b o xt oc a r r yo nt h e p r o g r a m m i n g ，t h ed e v e l o p m e n th a se s t a b l i s h e dt h ec u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z e d s y s t e m c o 藏基l 嚣l a t i n gt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l tt h r o u g ht h ec u t t i n ge x p e r i m e n t ，i n d i c a t e df i n a l l y ： u n d e rs t e a d vs t a t ec u t t i n gc o n d i t i o n ，o b t a i n st h es t a t i s f a c t o r yo p t i m i t e dr e s u l t i th a st h e s t r o n g 羚l i a b i l i t va n dt h ea c c u r a c yb a s e do nc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns y s t e m o ft h e g e n e t i ca l g o r i t h m k e y w o r d s ：c u t t i n g p a r a m e t e r s ；t h es u r f a c er o u g h n e s s ；g e n e t i ca l g o r i t h m d i r e c t e db y ：a p l il i n 焱p piic a n t f o rm a s t e rd e g r e e ：z h a n go in g x u ( a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o n e n g i n e e r i n g ) ( c o i l e 萨o fm e c h a n i c a la n de 1 e c t f i c a le n g i n e e r i n g , l n n c rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , h u h h o t 0 1 0 0 1 8 ，q i n a ) 肉蒙吉农韭大学研究生学位论文独剖声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研死 工作及取得的研究成罘。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书丽使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：幺! 垒立垒 墨 期。曼受- 重：! 疹 导师指导研究生学位论文的承诺 本人承诺：我的研究生益坠瑟迫丝_ 所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定氐处 罚处理并承担相应导师连带责任。 指导教师签名：金垒 日 期：之竺乞：生：! ! 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阑。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手 论文作者签名：鍪叠垫指导教师签名： 甚 期：幽：量：! ! 内蒙吉农业大学硕士学位论文 1 1 引言 随着国家一系列惠农政策的相继出台，我国的农机行业呈现出快速、健康的发 疑态势。农视铡造企业生产规模迅速扩大，并对企业产罴的薪技术和高质量提出了 斩的要求，特别是精确农业、信息化和数字化等先进技术在农机应用上的使用，对 农枫生产质量和制造水平的要求也越来越离，农机零件加工质量也就显得更为突出。 农业机械中的许多关键零件，同时也是易损件，比如：传动轴、液压机构的柱 塞偶件、杆件等回转体零件，制造加工要求较高，配合间隙小，表面质量差会降低 使用性能，甚至报废；因此，提高切削加工中农业机械的加工质量和生产效率对子 更好满足用户需求、降低易损件故障的发生、提高产品的可靠性等具有重要的意义。 切削用量的优化选择同时也是实现农机生产加工中c a p p ( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ) 的必要环节，如何合理选择切削用量的问题是金属切削加工中 不可忽视的重要环节，对于保证加工质量、降低加工成本和提高生产效率都具有重 要的意义。切削用量指：切削速度v 、进给量f 和切削深度a 口，该三要素是切削加工 中非常活跃的因素，所使用的机床、刀具和被加工零件等离身条件的多变性，实际 的切削结果却困人而异，差别也很大，若切削用量选的低，生产效率会降低；若切 削用量选的较高，加速刀具的磨损，这样会增加生产成本。因此搜索切削用量的选 择翦最优组合是满足生产实际酶需要，充分发挥机床的生产潜力，提高生产效率和 保证加工质量的有效途径。如果要同时兼顾所有想达到的优化目标也是很难实现， 传统的优化方法也往往只侧重某个方面“3 。传统的优化算法以数学模型和算法为基 础的优化方法复杂、低效，容易收敛于局部最优解豫3 ，遗传算法作为一种在思路和 方法上具有创新的优化算法以其很强的解决问题的能力和广泛的适应性，芷迅速渗 透到研究与工程的各个领域，将为解决切削用量复杂的优化问题找到了一条新的优 化途径。也为农业机械生产和制造水平的提高提供了理论依据和技术手段。 1 1 国内外研究状况综述 。 。1 国内研究现状 我国在切削加工优化表面质量，提高生产效率方面做了大量的工作。2 0 世纪8 0 年代在切削数据库方蕊开展了一些研究工作，目前，国内有成都工具研究所、南京 航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、哈尔滨理工大学和天津大学等单位， 建立了多种切削数据库，多用于车削、铣削和磨削加工中提供切削用量、刀具选择 等信息。王雅红珏1 研究的切鸯l 用量优化是采用的以最大生产率为墨标函数的优纯方 法，通过分析切削速度与加工成本、切削速度与刀具耐用度的函数曲线，来确定较 佳的切海l 速度熬范围，从而优化切巍速度。燕山大学贾春玉秘1 探讨了人工神经网络 a n n 在车削加工过程中的优化应用，利用a n n 能有效的进行车削用量的优化，为合 理选择车削用量提供了理论依据。王素玉、艾兴等瞄1 采用多元回归萨交试验法对4 5 # 2 基于遗传算法的霉遘l 用量优化磺究 中碳钢进行了高速铣肖试验研究，基于概率统计和回归分析原理，建立了表面籽 糙 度预测与控制模型。通过对表面糖糙度值的预测来控制切削用量的选择。通过分析 讵交试验直观图，为合理选择铳削参数提供了可纛的依据。张雷潜进行了影响高速 铣削表面粗糙度的主要切削加工参数的试验研究。在切削参数优化方面，哈尔滨理 工大学姜彬等挣3 通过研究数控车削加工刀具切削运动轨迹及切毒l 参数特点，实现对 切削力和切削功率的预报，建立了数控车削用量优化的切削力约束条件数学模型。 哈尔滨王业大学王洪祥等蚺：通过合理选择切嵩l 参数，控制振动对超糟密加工表瑟质 量的影响，并将浚研究成果应用于铝合金的超精密加工中，使加工工件的表面籽i 糙度 大大降低。天津大学汪文津等= 9 。通过建立数控铣削用量多目标决策优化的数学模型， 应用遗传算法进行优化，并在数控加工动态仿真系统上验证了该方法的正确性和实 用性。内蒙古工业大学迟露鑫”磨料水射流的理论分析与实验研究，采用理论分 析、i j l 嬲试验和b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络工具建立切割表面质量的预测 模型，同时获取切割参数的较优组台。 1 1 。2 国外研究现状 迄今已有德国、美国、瑞典、英国、同本、挪威、比利时和匈牙利等1 2 个国家 建立了3 0 多个金属切削数据库，提供多种切蠢l 条件下的信息服务。d a e k y u n b a e k 等= 1 l 提出了用于平面铣削加工的表面粗糙度模型，在给定的表面粗糙度限制下， 以最大材料切除量为优化量标，应用二分法优纯铣鸯l 参数( 表面粮糙度帮送给量是 非线性关系) ，但是，其工作是在假设“机床一刀具”系统是线性的，与实际的加 工过程不完全相符。 a n e zk o p a c “奠等人则是透过优化切凑l 参数，获得想得到的表 面粗糙度值，优化效果在低碳钢加工过程中加以验证。f r a n c ic u s h 朝等提出了基于 遗传算法的加工过程中切削用量的优化选择方法，实验结果表明，基于遗传算法的 切 l i 参数优化是种有效的方法，其有嵩效性、实用性，可以用于在生产制造系 统中解决复杂的优化问题。 1 2 存在的问题及研究意义 l 。目前切削数据库中的数据来源于实验室、生产车间及切巍归三掰等文献，由于 市场需求的多样化，工件的外形越来越趋予复杂，新型材料的不断涌现，数据库必 须要适时更新与补充，否则会数据库数据缺乏，丽各个工厂的技术水平和生产习惯 不同，具体至l 每个工件的切削条件更是千差万别，所以，狠难焉一个在特定条件下 建立切削数据库来覆盖所有的生产场合。 2 生产中还主要依靠以往的经验或进行大量的“试切”来确定工艺参数的方法， 具有很大的盲目性，耗费了大量的时间和材料，在信息量和方法的先进性上都非常 不足，换一个工厂甚至另一台机床往往就不适用了。机床操作者嬲经验和水平有很 内蒙古农韭大掌硕学位论文 3 大的局限性，由于我国技术素质较高的工人和技术人员相对缺乏，因此相同的设备 不同人使用的情况下，生产效率和加工质量会相差几倍甚至几十倍。 3 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现机床设备动作控制 的技术。也就是说数控机床通过程序代码控制刀具的加工行走路径，从而代替人工 搡作，在数控编程的过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切涛用量， 编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则。因此，数控机床和普通 机床一样，都要求操作者正确合理选择切测用量来控制切鸯l 表蟊质量，并没有宣身 的表面质量的控制系统，对于精度很高的数控机床，只有在对数控操作人员的操作 技术要求较高的条件下才能发挥出数控机床皇身的高效率、高质量的优势。 4 对于典型的金属切削加工来说，农业机械零部件中，精密件也很多，比如： 农用柴油机的汽缸活塞偶件，为了保证工作效率，其配合间隙较小，表面质量要求 很高。丽在农业机械的加工制造企业中，缺少一些先进的制造系统f 如计算机辅助设 计、柔性生产系统等) ，优化切削用量的科学方法很少能够得以应用，农用机械使用 实践中配套动力都件及传动机构、液压系统等易损件均故障仍较多。 5 传统的优化算法考虑的优化模型的影响因素较少的情况下进行建模的，如果 多种因素考意会使计算量或数量级增加，优化效率大大降低，还会导致计算精度的 降低。而遗传算法处理的对象不是变量的本身，而是利用编码技术把这些编了码的 数串组成基因个体，再利用计算机技术模拟生物进化的过程。对于变量繁多的优化 问题，只需增加编码的位数( 长度) ，而计算效率影响不大；许多传统的搜索方法都 是单点搜索，这种点对点的搜索方法，对于多峰分布的搜索空间常常会陷于局部的 某个萃峰的极篷点，相反，遗传算法采震豹是同时处理群体中多个个体的方法，随 机产生初始群体，通过遗传操作迭代出下一代更优种群，所以能够避免搜索局部最 优解。 基于以上存在的问题，所以切削用量的优选是切削加工理论与实践的重要课题， 如何优化选择切削用量已成为提高机械加工质量的关键。在农业机械加工中开发切 削用量优化研究更是我们亟待解决的问题。随着精确农业、信息化和数字化等先进 技术在农机应用上的使用，提高农机生产质量和制造水平的要求越来越迫切，农机 零件加工质量也就显得更为突出。 机械零件加工过程中，切削用量的选择恰当与否将直接影 i j j n 成品质量、加工 效率、加工成本等，然露凌予影响切毒l 用量的毽素繁多，影响因素之间又相互交叉， 相互制约，因而确定最佳切削用量较为困难。因此进行切削用量的合理优化对于充 分地利用现有的生产资料与设备条件，实现切肖0 效益最优化具有十分重要的实用性。 在优化理论和计算机技术迅速应用的今天，我们可以利用计算机智能、迅速、高效 等优势，解决切削用量优化这一难题，而遗传算法以其独有的解决问题的特点，可 以解决传统优化不能实现的问题，所以是甥削耀量优化的一条有效途径。 4 基子遗传算法的车削用曼饶亿研究 1 3 研究内容 针对上述的国内外研究的现状和存在的问题，本文从研究切毒l 效率手毽表面质量 两优化指标入手，开发基于m a t l a b 的遗传算法的车削用量优化系统，论文的主要研 究内容如下： ( 1 ) 针对金属车削加工特点，分丰厅研究表面糈糙度的成因及其影响因素等理论。 ( 2 ) 通过硬质合金切削中碳钢材料的表面孝 1 糙度试验，采用单因素和正交试验 方法，获取确立耀糙度方程的调练数据及优化模型验证性数据，并分柝切剿因素对 生产率和表面质量影h 向规律。 ( 3 ) 采用多元线性遐归的方法，确立表面獠糙度指数回归方程，并对其进行f 检验和杠杆残差图验证模型的显著性，此回归方程为优化模型提供最小表面粗糙度 目标的优化目标函数。 ( 4 ) 优化模型变量，确定最大生产效率晷标函数，分析在机床、刀具、工件等 工艺条件限制下，确立其对切削用量选择的约束条件，建立切削用量优化的数学模 型。 ( 5 ) 遗传算法原理及关键因素的理论概述，遗传算法的适应度函数与目标函数 的 进行转换，并采用罚函数法对目标函数的约束条件进行处理。 ( 6 ) m a t l a b 及遗传算法g a d s 工具箱调用方法概述，介绍本研究优化模型的结 构形式及所能实现的优化功能，郎遗传算法的车削用量优化系统的m a t l a b 7 。4 实现。 ( 7 ) 实现以单、双目标进行优化，以切削加工实例对切削用量优化系统的实用 性和准确性进行验证，对遗传算法优化结果与传统切削焉量选择组合进行对比分析 得出结论。 ( 8 ) 总结全文豹研究内容，指童研究的主要结论，并对未来的研究工作进行震 颦。 2 表面粗糙度理论研究 表面粗糙度是机械零件的表面质量是除加工精度之外很重要的个衡量指标。 任何机械加工所得的表面，实际上不可能是理想的光滑表面，总是存在一定的微蕊 几何形状误差，它主要是由机械加工中切削刀具的运动轨迹所形成，表面粗糙度是 加工表面上具有的较小间距的峰谷所组成的微观几何形状特征。 2 1 表瓦粗糙度对零件使用性能的影响 ( 1 ) 对零件耐磨性的影响 机械零件经济价值很大程度在于自身的使片j 寿命，而寿命在很大程度上取决于 零件的耐磨性，耐磨性除了和材质有关，瓤糙嫂对其影响也不容忽享凳。当两个相配 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 合的零件相接触时，表面的凸峰部分首先接触，这样接触面积将远远小于理论上的 接触面积，在零件受力压紧时，表面很容易磨损导致间隙变大。 ( 2 ) 对配合质量的影响 表面粗糙度对于零件的配合精度有较大的影响。过盈配合时，在装配时表面粗 糙的凸峰将会被碾平，因此过盈配合要转为过渡配合甚至是间隙配合，表面越粗糙 越容易磨损，不平度高度会降低，值大会使初期磨损严重，因此应根据零件配台精 度的要求选取适当的表面粗糙度值。 ( 3 ) 对零件抗疲劳强度的影响 零件在交变载荷的作用下，微观观察零件的表面切削加工形成的纹理的低凹处， 容易产生细小的疲劳裂纹，这是由于应力集中造成零件疲劳破坏，所以说表面粗糙 度零件的抗疲劳强度也有着一定的影响。 ( 4 ) 对其它方面的影响 另外，许多有特殊要求的机械零件有必要考虑工作运动的灵活性、密封性、耐 腐蚀性、润滑性、外观上的美感等方面，表面粗糙度值的大小也对它们有相当的作 用影响3 。 总之，提高) m - r 表面的质量，适当的表面粗糙度控制，在产品的实际生产加工 中是非常重要的，不容忽视的。 2 2 表面粗糙度的成因 ( 1 ) 理论粗糙度是刀具几何形状和切削运动引起的表面不平度，也就是几何因 素产生的粗糙度。要保证零件的表面质量，必须研究已加工表面的形成过程，在车 削加工中，刀具相对于工件作螺旋运动，由于刀具的几何形状的原因，切削时，由 于刀具与工件相对运动，有一极少部分的金属未被切削下来，残留在己加工表面上， 那么就在相邻的刀具轮廓之间形成了残留面积，如图1 ，h m a x 是由刀尖为圆弧过渡 刃形成的残留面积高度，其计算公式： 日一一瓦f 2 式中：f 车削轴向进给量( m m r ) ： r 广车刀刀尖圆弧( m m ) 公式( 1 ) 6 基于遗传算法的车削用量优化研究 图1表面残留咖积 ( 2 )除了考虑残留面积的表面粗糙度的基本成因之外，我们在实际生产中所 得到的实际表面粗糙度为什么会比理论表面粗糙度大很多昵? 这是因为切削过程还 有不稳定因素所产生的粗糙度。i ：l m ：积屑瘤。当切削塑性材料时，常在靠近切削 刃的前刀面上处形成积屑瘤，积屑瘤的硬度很高，可以代替切削刃切削，由于它会 引起过切，并且自身不规则，且处于不稳定状态，不断生长和破碎，导致各处的过 切量不一致，导致切削力的波动，容易引起振动。这些都会造成表面粗糙度增大。 又如：鳞刺。就是己加工表面上出现的鳞片状毛刺，常发生于中低速、大进给量切 削韧性较大的金属时，它的出现也会使表面粗糙度增大，磷刺对表面质量有严重的 影响，所以表面粗糙度的形成和切削用量的选取有着紧密的联系。 2 3 表面粗糙度的影响因素 1 ) 切削用量的影响n 5 3 ( 1 ) 进给量f ，由公式( 1 ) 可以看出进给量f 与残留面积的关系。进给量增大， 残留面积也会增大( 特别是残留面积高度增加) ，同时切屑变形大，容易产生磷刺，从 而增大工件表面粗糙度。 ( 2 ) 切削速度v ，对于塑性材料来说，低速和高速切削时不易产生积屑瘤，因此 表面粗糙度值较小：在中等或较低切削速度下，容易产生积屑瘤和鳞刺，并且塑性变 形较大，此时d n - r - 表面的粗糙度会变大，对于脆性材料表面粗糙度与切削速度的关 系较小。 ( 3 ) 背吃刀量a p ，对于加工表面粗糙度的影响并不很大，但是a p 如果过小，而 切削刃不够锋利，那么刀具将与己加工表面产生剧烈摩擦，这样也会导致加工表面 粗糙度值增大 2 ) 刀具参数的影响 ( 1 ) 刀具前角丫o ，增加刀具前角，切削变形减小，并能有效抑制积屑瘤和鳞刺的 产生，并且刀具易于切入工件，切 较薄，有利于减小表面粗糙度值。但是如果前 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 角过大，可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃，刀具耐用度也下降，刀刃就 会有切入工件的倾向，反而会增大表面粗糙度值。 ( 2 ) 藉角a o ，增大后角可以减小屠刀面与过渡表面的瘁擦和挤压，导致越易切 入工件，切削刃越锋利。这样就可以减小表面粗糙度值。如果后角过大，容易使积 盾瘤流到后刀面，瑟且容易产生振动，反褥不利予表面凝糙度值的减小，也会降低 刀具的使用寿命，因此后角不易取过大值。 ( 3 ) 主偏角k r 、副偏角k r ，从图l 可以看出k r 和k r 减小，可以减小表面残 留面积高度，从两使已加工表面粗糙度减小。工艺系统刚性不足时，不宣减小主偏 角，副偏角也是在不引起振动时，宜取较小值。 ( 4 ) 刀尖圆弧半径r 。，根据图l 可以看出，增加刀尖圆弧半径，可以提高刀具耐 用度，减小表面粗糙度值。但取值过大，易引起振动。 3 ) 被加工材料的影响 一般情况来说，韧性材料加工后的表丽粗糙度值较大，而脆性材料容易得到较 小的表露粮糙度值。细密的晶粒组织和较高的硬度容易获得较小表丽粗糙度值，因 此，可以选择在切削加工前对材料进行调质或正火等热处理。 4 ) 切削液的影响 切毒i 液的使用可降低切削力以及刃具与工件之间的摩擦，及时带走切削区内产 生的热量，降低切削温度，减少刀具磨损，减小工件热变形，抑制积屑瘤和磷刺的 产生，从焉提高效率，改善工件表嚣粗糙度，合理选择切削液对实际生产具有重要 的意义。 墨) 机床方匿的影响 机床的运动精度及刚度对加工表面的粗糙度也有影响。由于切削力是变化的， 机床的刚度越低，对切削力的变化反映的越敏感，因此刀尖的径向的相对位移也就 越大，加工表面粗糙度值就越大。机床主轴的回转精度也会影响表面质量及形状精 度。 3 车削加工表面粗糙度试验研究 试验前提：在机床和刀具确定的条件下：在稳态切削条件下；切削材料结构均 匀一致的条件下。 试验目的：采用试验研究的方法，通过改变切削用量，测量不同参数组合所得 的工件表面粗糙度，以反映切奇l 用量对表面粮糙度的影响规律，并为建立赋合生产 实际的粗糙度目标函数提供源数据，因为各个车床出厂的自身精度不同，车床的磨 损程度不同对加工精度也会造成影嚷，不能把在某台车床的车毒l 试验数据覆盖所有 车削加工场合。 加工方式：辨圆车削，鸯 l 装最顶尖，无冷却液。 8基于遗传算法的车削用量优化研究 3 1 试验条件 3 1 1 车床 试验机床为内蒙古农业大学机械厂机床实验室c 6 2 0 1 型车床，机床参数如提l ： 表1c 6 2 0 - 1 型卧式车床的主要规格 名称土要规格 床身1 ：最人回转直径( m m ) 横滑板上最大_ 件吲转直径( 唧) 可车削工件最人长度( m m ) 主轴通孔直径( m m ) 主轴前端锥孔锥度 顶尖锥度 主轴转速( r 7 r a i n ) 正传 主轴转速( r 7 m i n ) 反转 纵进给量( m m r ) 横进给量( m m r ) 可车米制螺纹螺距( m m ) 英制螺纹( n i n ) 模数螺纹 径节螺纹 主电机功率( k w ) 4 0 0 2 1 0 6 5 0 ，9 0 0 ，1 4 0 0 3 8 葜氏5 号 焚氏4 弓 1 2 、1 5 、1 9 、2 4 、3 0 、3 8 、4 6 、j 8 、7 6 、9 6 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 5 、2 3 0 、 3 0 5 ，3 8 0 ，4 8 0 ，6 0 0 ，3 7 0 ，4 6 0 、6 j 0 ，7 6 5 ，9 5 5 ，1 2 0 0 1 8 、3 0 、4 8 、7 3 、1 2 1 、1 9 0 、2 9 5 、4 8 5 、5 9 0 、7 6 0 、9 7 0 、1 5 2 0 0 0 8 21 5 9 0 0 2 7 0 j 2 1 1 9 2 2 4 2 o 5 4 8 1 9 6 ，0 3 1 2 工件 本试验选用工件材料为优质碳素结构钢4 5 号钢，该种材料广泛用于机械制造， 钢中硫、磷含量较小，硬度不高，切削加工性能较好，经热处理后可获得良好的综 合力学性能。调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结 构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。 表2 工件材料参数表 热处理硬度 ob 几何尺寸 名称 牌1 1 直径d ( m m ) 状态h r c( m p a )( m m x 姗) 优质碳素结构钢4 5潲质2 0 3 07 5 03 50 3 4 1 0 0 内蒙吉农业大学硕士学位论文 9 3 1 。3 刃具 选用材料为硬质合金焊接式车刀，由予硬质合金中含有大量的金属碳化物( w c 、 t i c 、t a c ) ，这些碳化物具有熔点高、硬度嵩、化学稳定性好、热稳定性好等特点， 特别具有高的耐热性，抗粘结和抗氧化能力，故加工钢时，刀具磨损较小，刀具耐 用度高，其切削性能优良，具有广泛的使用性n 引。 袭3 刀具参数表【7 牌抗弯强度硬度7 ：j 杆尺寸前角后角刃倾角主偏角剐偏角刀尖厕绝 号 ( g p a )饼r a ) ( m m m m( 。)a d 。) b ( 。) l o ( 。)k r ( 。) “m m ) y t l 51 1 39 11 6 2 51 5707 58o 。5 3 。4 双管显徽镜 本试验选取j s g 一1 型双管显微镜u 刚测量加工表面的粗糙度的微观不平度r z 参 数。双管显徽镜又称光切显徽镜，光切法是利震“光切原理”n 班测量表面糇糙度豹 方法，光切法显微镜如图2 、图3 所示，该仪器适宜于测量用车、铣、刨等加工方 法所加工的金属零件的平面或外鼷表面。光切法主要用于测量r z 值，测量范围为表 面糈糙度r z ( o 8 1 2 5 ) g m 。 表面粗糙度r z 的测量操作具体步骤如下： 圭准备工佟。根据表面粗糙度样块估计被测表面的r z 篷，选择合适的物镜， 安装在观察管的下方。接通电源，擦净工件，将圆柱形工件放在v 型块工作台上， 调整工作台上的横、缴方向的手分尺，使要测量的王件乡| 、圆柱表面的最高点移到观 察镜的下方。 2 粗调焦。松开支臂7 上的锁紧螺钉9 ，缓慢旋转升降螺母l o ，支臂上下移动 时同时观察目镜，当观场中可看到较清晰的工件表面加工痕迹时，停止旋转，拧紧 螺钉9 ，略转目镜4 上的滚花环，调整视场中的十字线直到最清晰为止。 3 。精调焦。转动微调手轮6 ，使视场中绿色光带最窄，边界最清晰。 4 测量和读数。用目镜的十字线的横线瞄准轮廓，转动目镜的刻度筒，使横线 与轮癣影像的清晰边界在敢样长度l 的范圈内与五个最高点( 波峰 依次楣切，记 录数值h p l 、h p 2 、h p 5 ，再移到横线与同一轮廓影像的五个最低点( 波谷) 依次 楣切，记录数值联v l 、h v 2 、h v s ，应移动工作台，使被测工件测量部位顺次移入 视场依次进行测量。代入公式( 2 ) ： r 。争掣 0 基于遗传算法的车削用量优化研究 式中：c 一测量目镜套筒千分尺的刻度值( j 物镜段j 、倍数有关 目2r 管b 微镜图3m 管徽镜镕构图 & r 2 一i 口3 琳察也管4h 键m 。紧州螺钉6 一m * 轮 、t 臀8 - t 拄9 土苗戢紧 l o 一“目 1 1 投影光管 32 试验设计 321 单因素试验设计 对影响表面粗糙度的因素转速和进给量分别采取单因素试验，单因素试验可以 直观地反映出切削参数对粗糙度的影响趋势和变化规律。 表4 是在5 种不同的转速下测得的3 组己加工表面的表面粗糙度r z 值，切削 长度为2 0 r n m 时的切削时司的现场测量值。 表5 是在5 种不同的进给量，测得3 组已加工表面粗糙度r z 值，切削长度为 2 0 m m 时的切削时间的现场测量值 表4 机库转速对i 件a 箍度影散 内蒙古农业大学硕士学位论文 蠹。 垂2 0 。 表5 进蛤量对i 件粗箍度影响数 0 i 0d s0s w m t f - m ，r ) 目5a 瑚5 = 6 0 0 r m ln 时进给对租鞋度白勺* !=e# 基于遗传算法的车削用量优化研究 围6 单目摩验i 件车削衰面 目i 方是转十i q w w l 糙度彤响的车削i 件圈下方是进给蕾t f 目对树髓度彬响的车削工件 单因素试验的最大优点在于通过改变某一影响参数，可以直观的反映该参数对 所考察目标的影响趋势和变化规律，但该方法存在的主要缺点则是试验量大，不能 进行归纳、统计得出预报、控制模型。因此，本试验主要考察主轴转速和进给量对 粗糙度及切削时间的影口自规律。从图4 和可以看出：随着车床转速的增大，工件加 工表面粗糙度的值减小：从圈j 中可以看出，随着进给量的增大，加工表面的表面 半日糙度的值增大。进给量影响因素要明显于转速的影响，这与理论残留高度公式( 1 ) 相符。所以相同条件下，改变进给量对改善表面粗糙度要优于改变转速，切削时间 则明显随转速及进给量增加而减小，这在优化切削用量时对实际加工生产中具有重 要的指导意义。 321 正交多项式回归试验设计 所谓正交多项式回归设计，在寻求各指标间的各种非线性定量关系时，根据选 定的因素水平选用正交表编制试验方案。列配计算格式表，求取需要的回归方程的 设计方法“。本试验选用k ( 3 4 ) 正交表，进行部分正交多项式回归试验，因素水平 表如表6 ，要求同一因素水平间隔相等，可以减少试验次数，合理有效的获取需要 的试验信息。试验数据如表7 ，试验切削长度为5 0 哪。 表6 因囊水平表 转速( r m i n ) f 进蛩正( 哪r ) “切h i 深度( 阻) 内蒙吉农监大学硕士学位论文 3 l ( 4 0 0 ) l 2 ( 6 0 0 ) 9 3 ( 8 0 0 ) 毫 3 2 5 。0 兮 2 2 。2 6 2 1 ? 7 3 3 2 根据对硬质合金车刀车娄l 中碳钢的正交回蜗试验分誊厅可知： 1 硬质合金车刀车削中碳钢时切削用壁对表面粗糙度的影响程度各不相同。进 给量对表西粗糙度影响的最大，其次是切凑速度，再次是切削深度，这与切削属量 对车削过程中的影响规律基本一致。减小进给量，切削效率降低，表面粗糙度值减 小，表面质量高，增大转速，切削效率提高，表面粗糙度减小，表面质量越离。这 也就是实际生产中生产效率与加工质量之间存在的矛盾的原因之一。 2 增大转速( 可转化为切削速度v ) 和进给量f ，单位时间金属切除量增大，即 切削时间减少。这为后续数学建模中的最大生产率目标函数的确立提供理论依据。 3 以上结论虽然是从切削中碳钢材料工件中得出，但同样适用于其它不同的切 涛l j 材料。 鹃 融 撼 熊 毗 秘 鹃 一 融 n 跪 弛 强 扭 孤 蝮 蛾 一 一 酲 眈 塔 粥 昭 m 髭 踞 。 抵 撙 瓣 m 憾 i 5 ； 鹕 m 7 l 4 ； 3 2 2 3 o 爱 瑟 丛 毖 n ? 6 8 l 2 3 ， 2 3 巧 “ 心 。 菇 ：2 暂 盟 ； 2 3 4 5 6 7 s 9 龇 神 鄙 隧 均 均 均 榜 基于遗传算法的车削用量优化研究 目7 都# z 女试验i 件车削表面 4 基于回归分析的表面粗糙度模型的研究 回归分析法是种常用的数学方法，它不仅可“揭示各自变量对因变量的影响 ，：小，还可以根据回归方程，当自变量变化时对因变量进行预测和控制。回归分析 方法的引入，在表面粗糙度预测应用中可以取得良好的效果。车削加工过程比较复 杂，从科学的意义上来讲，应该建立表面粗糙度的解析计算模型。但是，对粗糙度 的影响因素难以从量化的角度来分析，这是由于需要控制的参数太多，不同工况下 的切削条件很难与实际工况完全吻合，为此，应通过具体的切削试验，应用多元回 归分析方法构建贴合实际的表面粗糙度经验模型，为台理选择车削用量提供可靠 的依据。 41 回归分析模型的建立 切削过程中切削用量参数主要有主轴转速( 切削速度) 、进给量、切削深度。 在机床特征和刀具几何参数确定的前提下，稳定切削条件下，材料均匀一致条件下 应用表面粗糙度与切削用量之间的指数关系式。”： r = h “，6 2 。 公式( 3 ) 式中：k 决定于加工材料、切削条件的修正系数 n 主轴转速，r r a i n f 进给量，m 州r a d 切削深度，m m b 1 、u 2 、bb 指数 该模型的系数和指数决定于切削条件，通过前述的车削试验，对切削数据采用 回归分析的方法，确定上述指数方程的系数和指数。将非线性方程转化为线性方程。 所以，在公式( 3 ) 两边分别取对数得： 内蒙古农业大学硕士学位论文 15 l g r ：一l g k 刍ll g n 刍2l gf b 3l g a ， 令y l g r = ，z l ；l g n ，z ：；i g 厂，x 3 一i g a 。b o l g k9 1 0 ： y b 8 + 务l x l + 6 ：x ：+ b 3 x 3 建立多元线性回归方程： fy l 墨o + 芦l 工1 l + 声l x l 2 + 芦l 工：3 + l | y = = o + i x ：l + 声l 茗：+ 多l x 笃s 2 1 i | y 9 ；夕o4 - 声l x 9 l 多l 苫9 ：多l 菇9 3 + # 9 其中，s ；为实验随机变量误差。公式( 5 ) 矩阵形式表示为： ytx 8 y - t y 1 y 2 ： y 9 o 3 l ： 。 xt l 一 ： 9 1 x l l 1 x ：l 1 工9 1 x 1 2 z 1 3 x ：x 2 3 x 9 2x 9 3 公式( 4 ) 公式( 5 ) 公式( 6 ) 为了估计参数，我们采用最小二乘法。 b o , b ，b ：，b 。分别是声。，热，夕：，3 3 的最小 二乘估计，则隧归方程为： 夕= b o + b l x l + 6 ：工：+ 6 3 并3 式中：萝为统计变量；b o , b ，b ：，b ，为回翔系数，可计算求褥。 bm ( x x ) 以xy 公式( 7 ) 公式( 8 ) 4 2 回归模型的求解及检验 4 。2 。1 回归模型求解 基本回归方程楚：萝t b o + 6 l 石l + 务：x ：+ 参3 为，下面根据表7 正交回归试验数据， 采用m a t l a b 统计工具箱中多元回归工具的r e g r e s s 命令加进行求解，使用格式为： 【b , b i n t ，r , r i n t ，s t a t s 】嚣r e g r e s s ( y , x ，a l p h a ) 其中： y 输入模型中y 的数据( r l l 的列向量) ； a i p h a 簧信水平，即a ( 缺省时a = o 0 5 ) ； x 一个n x ( k + 1 ) 的矩阵，其中第列是全1 向量( 本文n = 9 ，k = 3 ) ： b 输出b 为的估计值，b i n t 为b 的置信区间； r 参差向量，r i n t 为r 的胃信区问： 6 基于遗传算法的车削用量优化研究 s t a t s 叫归模型的检验统计量，r ( 相关系数) 魁回归方程的决定系数，f 是统 计量值r 是与f 统计量值对应的概率值。 经程序运算得到如下结果： 表8m a t l a & 序计算# 果 山表8 的回归系数可以确定回归方棵即表面粗糙度与切削用量的函数关系式 为： r 二= 1 0 ：8 , 1 - o 2 8 2 9 ，。9 ”口。“3 公式( 9 ) 4 22 回归模型检验 我们分析其杠杆残差图，如图8 所示： 从图8 中看出，所有的残差都在0 点附近随机均匀分柿几乎都位于 一o1 ，0 l 区间，没有发现高杠杆点。也就是说，数据中没有强影响点、异常观测点。 在实际问题中，一般不能事先断定园变量y 与自变量x ，o ：，x 之间是否确有线 性关系，在建立了多元线性回归方程之后还必须对因变量与多个自变量问的线性关 系的假设进行显著性检验，或者说对多元线性回归方程进行显著性检验。 雹雹田墨墨盱磁 o 日m 口 目e 轩硅差田# 析 内蒙丧农盟大学硕士学位论文 7 相关系数法：一般地，若相关系数r 的绝对值在0 8 l 范围内，可断定回归变 量之闻具有较强麴线性相关性。可出翼2