（测试计量技术及仪器专业论文）高精度复杂曲面的数控铣削加工工艺参数的优化.pdf

硕士学位论文 摘要 当今社会中，复杂曲面在机械产品中应用广泛，在对其进行加工时，数控铣 床切削参数的合理选择关系到铣床加工系统的加工生产率、生产成本以及产品的 加工质量，是现代制造技术中一个迫切需要解决的重要课题。通过建立铣床切削 参数优化模型，采用一定的优化算法进行参数寻优，得到切削参数的最优解，是 合理选择切削参数的一种有效的方法。 研究切削参数和加工策略的优化问题时，在数控铣削加工参数选择方面，绝 大多数数控技术人员通常是根据自己的经验来确定，导致选择的铣削参数过于保 守，铣床加工效率低，从而难于充分发挥数控铣床特别是高速数控铣床所具有的 优势；如果选择的切削参数过高或搭配不合理时，往往又容易导致切削过程中产 生颤震，导致工件尺寸超差、表面质量差，严重的还会造成刀具甚至主轴的损坏。 因此，对数控铣削加工参数进行优化是提高生产效率、降低生产成本的重要手段 之一。 本文建立数控铣削加工参数优化的数学模型，通过对铣削过程中的主要影响 因素进行分析，得到优化函数和相应的约束函数。通过m a t l a b 软件对参数进行 约束性优化。得到理论优化结果。然后使用m a s t e r c a m 软件，对计算出的将理论 优化结构在该软件中模拟加工，因为，该软件可以实现自动编程。其自动编程过 程是在三维绘图软件的控制下，以人一机对话的形式，在图形终端上绘制出加工 零件及其毛坯，选择相应的机床和制定加工工艺，可以在计算机上显示刀具加工 轨迹，然后由机床的后处理器自动生成n c 代码。编程人员可以对此模式过程进 行实时观察，及时地发现不合理的地方和错误的参数，并对其进行修改，因此， 最后生成的n c 代码是符合实际的。尤其对于三维的复杂曲面零件，只要对n c 代 码作适当的修改，就能产生新的n c 代码，因此，m a s t c r c a m 具有相当大的柔性， 这样它为提高生产率、缩短新产品研制周期、保证产品产量、降低成本提供有力 条件。 最后将o m a t 自适应控制中的优铣控制器与数控铣床连接，可以监测实际的 铣削条件，并对每一步走刀的情况自动地调节到最合适的数值，即对前面得到的 优化参数进一步的优化。由于优铣控制器的自动报警功能，最终避免了加工时铣 削参数的不合理，刀具的破坏，加工效率的降低。 关键词：复杂曲面：数控铣床；铣削参数；多目标优化模型；在线优化 高精度复杂曲面的数控铣削加工工艺参数的优化 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec o m p l e xs u r f a c ei sw i d e l yu s e di nm a c h i n e r yp r o d u c t s ，i nt h e p r o c e s s i n go fc n cm i l l i n g ，h o wt or e a s o n a b lyg e tt h ec u t t i n gp a r a m e t e r so fc n c m i l l i n gm a c h i n ei si m p o r t a n tt oi t sp r o c e s s i n gp r o d u c t i v i t y ，c o s to fp r o d u c t i o na n d q u a l i t yo fp r o c e s s i n g a n di t i sa l s oa nu r g e n ti s s u en e e dt os o l v ei nm o d e r n m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，b yc o n s t r u c t i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n du s i n gac e r t a i np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt oo b t a i n t h eo p t i m a ls o l u t i o n o fc u t t i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hi sa ne f f e c t i v ew a yt oa c q u i r e r e a s o n a b l ec u t t i n gp a r a m e t e r s t h er e s e a r c ho nt h es t r a t e g yo fc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dp r o c e s so p t i m i z a t i o n p r o b l e m si nt h es e l e c t i o no fc n cm i l l i n gp a r a m e t e r s ，m o s to fc n c m a c h i n i s t ss e l e c t t h e m i l l i n gp a r a m e t e r sr e l yo n t h e i re x p e r i e n c e ，h o w e v e r , i tc a nl e a dt os e l e c t p a r a m e t e r sc o n s e r v a t i v e l ya n dm a k et h ee f f e c t i v e n e s so fm a c h i n ed e c l i n e t h u si ti s d i f f i c u l tt om a k eu s eo ft h ea d v a n t a g e so fc n c m a c h i n e ，e s p e c i a l l yf o rh i g h s p e e d m a c h i n e s i fc u t t i n gp a r a m e t e r sa r es e l e c t e do v e rt h er e a s o n a b l eo ru n r e a s o n a b l e ，i t l e a d st ot r e m b l ei nt h ep r o c e s s i n go fc u t t i n g ，o rm a n u f a c t u r ep o o r e rw o r kp i e c e d i m e n s i o na n ds u r f a c e ，i ta l s od e s t r o y sc u t t e r sa n ds p i n d l e s i no r d e rt oi m p r o v e e f f e c t i v e n e s so fm a c h i n ea n dr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t si nt h ep r o c e s s i n go fm i l l i n g ， o n eo fs i g n i f i c a n tw a y si st oo p t i m i z ec n c m i l l i n gp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h em a i nf a c t o r si nt h em i l l i n gp r o c e s so fc n c m i l l i n gm a c h i n i n g ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu pi nt h ep r o c e s so fs o l v i n gt h i s p r a c t i c a lo p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，a t t h et i m e o p t i m i z a t i o n f u n c t i o na n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o n s t r a i n tf u n c t i o na r eo b t a i n e d b yu s i n gm a t l a bs o f t w a r et o c a l c u l a t et h i sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dg e tt h et h e o r e t i c a lo p t i m i z a t i o nr e s u l t s t h e n ， s i m u l a t i n g t h ew o r k p i e c ei nm a s t e r c a ms o f t w a r ea n dm a k i n gu s eo ff o r m e r t h e o r e t i c a lo p t i m i z a t i o nr e s u l t s b e c a u s et h es o f t w a r ec a na u t o m a t i c a l l yi m p l e m e n t i t sa u t o m a t i c p r o g r a m m i n gp r o c e s su n d e rt h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s s o f t w a r e c o n t r o li nt h ef o r mo fh u m a n m a c h i n ed i a l o g u e ，a n dd r a wt h eg r a p h i c sa n dr o u g h m a c h i n i n gp a r t sf i n a l l y ，s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t em a c h i n ea n dp r o c e s sm a yd i s p l a y c u t t i n gt o o lp a t hi nc o r n p u t e r , t h e np o s t p r o c e s s o ro ft h i sm a c h i n ea u t o m a t i c a l l y g e n e r a t en cc o d e p r o g r a m m e r so b s e r v et h i sp r o c e s so n t h er e a l t i m e ，f i n d i l 硕士学位论文 u n r e a s o n a b l ea n dw r o n gp a r a m e t e r st i m e l y , a n dm o d i f yt h e m ，s ot h el a s tg e n e r a t i o n o fn cc o d ei sf e a s i b l e e s p e c i a l l yw h e nt h r e e d i m e n s i o n a lc o m p l e xs u r f a c ep a r t sa r e p r o c e s s e d ，p r o g r a m m e r so n l ya p p r o p r i a t e l yc h a n g et h i sn cc o d ec a ng e n e r a t ean e w n cc o d e t h e r e f o r e ，m a s t e r c a ms o f ti sh e l p f u li ni m p r o v i n gp r o d u c t i v i t y ，r e d u c i n g n e wp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l ee n s u r i n gt h ep r o d u c tq u a l i t ya n dr e d u c i n gt h ec o s to f p r o d u c t s a tl a s t ，c n cm i l l i n gm a c h i n ei sc o n n e c t e dt oo p t i m i l lm o n i t o ro fo m ， w h i c hm o n i t o r sa c t u a l m i l l i n g c o n d i t i o na n d a u t o m a t i c a l l yr e g u l a t e s t h e o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s o f e v e r ys t e p o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s a r ef u r t h e r o p t i m i z e d o p t i m i l lm o n i t o ro fo m a tm a k e st h ec u s t o m e rs u b s c r i b e ru s et h e c u t t i n gp a r a m e t e r sf r e e l y b e c a u s eo fa u t o m a t i ca l a r mf u n c t i o no fo m a t , i tc a n a v o i dt h eu n r e a s o n a b l ec u t t i n gp a r a m e t e r sd e s t r u c t i o no ft o o l s ，a n dd e c l i n i n g p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c o m p l e xs u r f a c e s ；c n cm i l l i n g ；m i l l i n gp a r a m e t e r s ；m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nm o d e l ；o n l i n eo p t i m i z a t i o n 1 1 1 高精度复杂曲面的数控铣削加t t 艺参数的优化 插图索引 1 1 数控铣削加工工艺参数优化流程图8 1 2 复杂曲面示意图9 3 1m a s t e r c a m 软件系统的c a d c a m 数控编程加工流程2 3 3 2m a s t e r c a m 系统的工作流程2 6 3 3 后置处理流程2 9 4 1 复杂曲面数控加工工艺流程图3 1 4 2 烟灰缸曲面建模图3 2 4 3 工件设定对话框3 2 4 4 粗加工时刀具参数“3 3 4 5 外形铣削参数3 3 4 6 走刀路径选项卡3 4 4 7 精加工刀具参数选项卡3 4 4 8 精加工挖槽参数选项卡3 5 4 9 公差设置3 5 4 1 0 控制管理器对话框。3 6 4 1 l 数控加工仿真图形3 6 4 1 2 烟灰缸零件n c 加工程序。3 7 5 1 优铣控制器4 0 5 2 数控铣床与优铣控制器连接示意图4 3 i v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕士学位论文 附表索引 表6 1 约束条件中用到的极限条件4 5 表6 2 由切削量手册得到刀具的相关系数4 5 表6 3 加工参数优化前铣削参数4 6 表6 4 加工参数优化后铣削参数。4 6 表6 5 工艺参数优化结果数优化结果4 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 苍较 日期：2 。p 年占月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：2 。f 口年多月中日 日期：夕驴，汐年易月g 曰 硕士学位论文 第1 章绪论 数控力n - r _ 技术经过多年的发展已成为制造业的主流技术，尤其是信息技术的 发展，为数控技术的高效化、集成化提供良好的技术基础，同时，数控加工的核 心要素之一切削参数已经成为影响数控加工效率的主要瓶颈。国内外对此已经进 行了长期的研究，并且取得了一些成果，建立了多种切削参数计算经验模型和切 削数据库。但是由于企业需求多样化，产品结构复杂化，并且更新加快，新材料 不断涌现，而各个企业的技术水平与生产状况不同，具体到每个产品的切削环境 更是千差万别，于是很难用一个在特定条件下建立的模型或切削数据库来覆盖所 有的企业应用。在大多数企业实际应用时，数控技术人员往往是凭借自身经验 和切削知识来判定主要的切削参数，而数控切削参数是个相当复杂的数据信息， 取决于数控加工环境中各种信息，这就使得数控技术人员难以准确并有效地进行 选择和分析，最终严重制约了企业的生产。 1 1 切削参数地选择对数控铣削加工的影响 数控切削参数是数控加工过程中的决定性因素，其主要取决于数控加工环境 中各个相关信息资源，如产品设计信息、数控机床设备、加工工艺信息、数控切 削刀具、加工材料等诸多因素。正确、高效地选择数控切削参数机制，对整个数 控生产过程是十分关键的。首先，对于数控编程过程来说，高效、规范的切削参 数选择机制，会使得数控程序编制过程快捷、简单，并且减少反复的更改，数控 程序编制要求的降低，对数控加工经验少的技术人员也能完成高质量的数控加工 程序。其次，对虚拟加工过程来说，会具有更高的效率和更真实的模拟效果。最 后，对于实际数控机床来说，合理的切削参数能有效地保护机床、加工刀具，并 且具有更好的切削效果和加工效率。在航空、航天、汽车等机械制造工业部门中， 切削加工占有极其重要的地位，目前切削加工约占整个机械加工工作量的9 4 。随 着切削加工设备的不断发展，例如数控机床、加工中心等设备的普及使用，最大 限度地提高利用这些设备的生产效率已成为机械加工中的重要问题。目前数控加 工效率低下已严重制约了制造业的发展，并且会造成巨大的经济损失和资源浪费。 高精度复杂曲面的数控铣削加工工艺参数的优化 1 2 铣削加工工艺参数优化的意义 数控加工技术是当今世界先进加工技术之一，随着数控加工技术在复杂曲面 加工中的应用越来越广泛而深入，在汽车、飞机、模具、造船等部门中许多零件 外形，如飞机机翼或汽车车身、各种叶轮或涡轮的叶片、汽车外覆盖件的冲压模 具、内饰件的注塑模具等都是复杂曲面，这些形状复杂的零件越来越多，加工精 度要求也越来越高叨。数控加工的实际应用水平却相对很低，其综合效应和优势远 远没有发挥出来，就拿数控切削机床的加工效率而言，我国平均数控切削加工效 率仅有国外的1 4 左右，甚至更低，造成这种局面的主要原因是缺乏合理优化的数 控加工切削参数及其有效的选择方法。在数控加工切削参数选择方面，我国各企 业的绝大多数数控技术人员通常是根据自己的经验来确定，这较容易导致许多不 利结果。一方面，如果选择的切削参数过于保守，机床加工效率会很低，从而难 于充分发挥数控机床特别是高速机床所具有的优势；另一方面，如果选择的切削 参数过高或搭配不合理时，往往容易导致切削过程中产生颤震，导致工件尺寸超 差、表面质量差，严重时还会造成刀具甚至主轴的损坏。这种凭经验选取数控加 工切削参数的方式，造成后果就是要么加工效率极低，要么废品率高、加工成本 高。 因此，对数控加工切削参数进行优化是提高生产效率、降低生产成本的重要 手段之一。由于数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，数 控铣削加工工艺参数是数控铣削加工过程的基本控制量，对数控铣削加工工艺参 数的优化是数控铣削加工过程优化的基础，它不仅决定着数控加工技术的水平和 效率，而且也决定着产品的制造质量和使用效果。以提高数控铣削加工效率，降 低加工成本，获得高质量的产品为目的，进行数控铣削加工工艺参数方面的研究， 对于提高数控加工的效率、降低成本、提高产品的加工质量有着相当重要的意义。 1 3 铣削加工工艺参数优化的国内外研究现状 随着计算机技术的高速发展，传统制造业发生了根本性变革，各工业发达国 家投入巨资对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造 系统中，数控技术是关键技术，它是集微电子、计算机、信息处理、自动检测、 自动控制等高新技术于一体，具有高精度、柔性自动化、高效率等特点，对制造 业实现柔性自动化、智能化、集成化、起着举足轻重的作用。由于人工智能、神 经网络等、模糊控制等新技术的发展，数控技术正朝着高速度、高柔性、高精度 和智能化的方向发展。数控技术已经应用在各种各样的机床上，形成了数控车床、 2 硕士学位论文 数控铣床、数控磨床等，并发展了工序集中的复合数控机床，如加工中心，开发 出了柔性制造单元( f m c ) ，从而为柔性制造系统任( f m s ) 与集成制造系统( c m i s ) 奠定了基础。数控技术广泛地应用在制造业的各种部门，已经成为先进加工技术 的基础。 2 0 世纪4 0 年代，数控加工技术为适应加工复杂外形零件而发展起来的动化加 工技术，它是指高效、优质地实现产品零件，特别是复杂形状零件加工的有关理 论、方法与实现技术，是自动化、敏捷化、柔性化和数字化制造加工的基础与关 键技术。数控加工过程是根据给定的零件加工要求进行数控加工的全过程，一般 来说，数控加工技术涉及数控机床技术和数控编程技术两方面。数控加工非常适 用于产品形状复杂、改型频繁、多品种、小批量生产的制造业嘲。其主要优点是： 工艺装备数量减少、结构简化、扩大平行作业程度、缩短新产品研制周期，这样 可以提高加工精度和协调性，特别是重复精度。最终产品质量较稳定，自动化程 度高，生产效率高，能快速适应产品的改型，技术经济效益明显。尤其近年来随 着c a d c a p p c a m 等技术的发展及应用，更能体现出数控加工技术的优越性。 早期各国切削数据通常依据切削手册、生产实践资料和切削试验来确定。切 削手册上的数据来源最广泛，条理性一般较强，但针对性和准确性较差，通过查 阅切削手册来获得数据，在信息量和方法的先进性上都非常不足；生产实践资料 对具体应用企业而言，针对性较强，但数据太分散，缺乏规律性；通过切削试验 获得的数据，最有针对性，但受到试验条件等多方面的限制，数据量极为有限， 而且试验条件与生产现场条件往往差别较大。按照这种方法选用的切削参数虽然 是可行的，而且也具有一定的优化性，但往往由于不是最佳数值而导致资源浪费 和生产效率不高阅。为了解决加工系统的经济效益问题，提高机床的利用效率，各 种加工参数优化的方法相继提出。 1 3 1 国内研究动态 1 9 9 7 年，李益民在铣削加工中，根据机床、刀具、工件等有关加工信息，对 切削用量进行优化设计，并建立起相应的切削用量优化设计数学模型哺1 。经采用 f o r t r a n 7 7 语言编程，并在微机上进行实例计算，获得了铣削用量的最佳组合。对 于复杂曲面的加工，整体叶轮作为透平( t u r b i n e ) 机械的核心部件，己经被广泛地 用于航空、航天及其他工业领域。整体叶轮是一类具有代表性且造型比较规范的、 典型的通道类复杂零件，其形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、 流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能都 有很大的影响。 3 高精度复杂曲面的数控铣削加t 工艺参数的优化 2 0 0 1 年，山东理工大学的高军进行了自由曲面数控刀具轨迹优化算法方面的 研究，对数控自由曲面加工的刀具轨迹进行了优化，提出了一种数控加工刀具轨 迹排列优化算法，使相邻加工轨迹间的残留高度都等于最大允许值，在保证精度 的前提下，刀具轨迹排列更加合理，轨迹条数和轨迹长度大大减少，加工效率明 显提高哺1 。 同年，南京航空航天大学的高雷等人对数控铣削刀具参数进行了优化，利用 基因算法成功实现了自动选出现有条件下的最佳铣削参数，从而能提高数控加工 的生产率，降低加工的生产成本h ，。 2 0 0 2 年，哈尔滨理工大学的姜彬、郑敏利、徐鹿眉等人进行了数控铣削加工 用量多目标优化方面的研究，基于数控铣削加工特征，采用线形加权和法，运用 直接寻优算法，对数控铣削加工实例进行了优化，采用的优化方法不仅节省运算 时间，而且使优化结果更符合实际，为实现数控切削加工工艺过程的优化奠定了 基础引。 2 0 0 4 年，梁欣使用u g n x l 0 软件对鼠标上盖凸模、可乐瓶底凸模的数控加工 工艺参数优选阳1 。在加工中心上，进行了鼠标上盖凸模和可乐瓶底凹模的铣削加 工实验。实验表明，曲面造型方法是可行的，数控铣削工艺参数优选程序选择的 工艺参数是合理的。 2 0 0 5 年，华中科技大学的林东从动力学角度出发，以数控铣削加工过程为研 究对象，研究了加工过程中涉及到的机床、刀具、工件等在切削力、位移、加速 度等因素之间的相互关系，借助计算机仿真、信号处理、自动控制、系统建模、 模态分析等理论、方法和技术，对数控铣削加工过程进行了动力学建模、仿真、 优化方面的研究，并在此基础上开发了一套数控行铣削加工过程动力学仿真优化 系统，将其产生的切削参数应用于工程实际n 们。 2 0 0 6 年，孟令锋、罗红波、邹云、雷勇等人使用实数编码遗传算法( r g a ) 实现 了铣削加工切削参数多目标优化1 。保证了全局寻优与收敛，大大提高了运算效 率，在不同生产条件下均能快速找到合理的切削参数切削速度 ，、每齿进给量口。、 铣削深度a 要满足机床转速、被加工表面质量、机床切削功率、机床实有进给量 和主轴转数的限制。在这些限制下，需要优化三个目标：生产效率、生产成本和 产品利润。利用r g a 进行参数优化设计时，需解决切削参数的编码和解码、对基 因适用度的评价以及基因的交叉、变异等问题。研究针对铣削加工切削参数优化 问题，利用实数编码遗传算法( r g a ) ，完成了基于最高生产率、最低成本、最大利 润率的多目标优化。与二进制编码遗传算法相比，实数编码遗传算法可大大缩短 编码和解码时间，提高搜寻速度和优化过程的运算效率，并保证了全局寻优与收 敛。 4 硕士学位论文 同年，党新安、劳庆海用m a s t e r c a m 对复杂曲面加工参数的优化进行选择由于 m a s t e r c a m 进行复杂曲面加工编程时，曲面主要加工参数的选择差异对加工质量及 加工效率均有影响n 引。在符合加工工艺要求的前提下，合理选取及优化m a s t e r c a m 的曲面加工参数，既能满足加工精度，又能提高加工效率。 2 0 0 7 年，张臣、周来水、安鲁陵、周儒荣针对数控铣削加工参数优化问题， 通过加工仿真，计算每一走刀步的切削深度和切削宽度并划分区间n 副。在每一个 由组合划分区间内所有刀步构成的一个加工特征组合段上建立了多目标优化模 型，模型采用遗传算法对每一加工特征组合段的加工参数进行优化，自动修改n c 程序中的加工参数并反映优化结果。 2 0 0 8 年，姜丽萍系统介绍了m a s t e r c a m 软件的特点和使用方法，重点介绍了 m a s t e r c a m 软件在数控铣削加工的步骤n4 1 。m a s t e r c a m 是数控领域和机械产品及模 具设计制造中广泛使用的c a d c a m 软件，运用m a s t e r c a m 可以模拟加工过程，且 能自动生成n c 数控代码，这些代码可用在数控加工中。 1 3 2 国外研究动态 早在1 9 0 0 年，t a i l o r 就将影响工件材料最大去除率的主轴速度作为优化目标。 这是最初建立的切削参数优化模型，说明采用建立切削参数模型的方法进行参数 优化在理论上是可行的。在此后相当长的一段时间内，由于金属切削加工过程本 身的复杂性，切削参数寻优方法的发展较为缓慢。目前，以切削加工过程优化为 目标的仿真技术得到一定的研究和发展。l w a n g 以刀具运动的切削负载和平均切 削力为约束，以最大生产率为目标，联合使用计算机辅助数学规划技术和数字搜 索技术对机床的进给速度进行优化，同时研究了用于多次走刀端铣的优化软件， 并且一些实验证明了多次走刀比单次走刀的优越性n 引。y a z a r 等开发了一个3 d 自由 曲面铣削加工铣削力仿真和进给速度优化程序f e d o p t ，w e i n e r t 提出了由于仿真 切削力引起的工件轮廓的偏差，并以此为约束来优化刀具路径和进给速度，a l t i n t a s 和t l u s t y 等人则以工件与刀具系统颤振的稳定域为约束，选择合理的进给速度和轴 向切深。e j a a r m a r e g o 等人以最大生产率为标准，采用数学优化分析和有限数字 搜索技术相结合的优化算法来实现对多次螺旋齿铣削过程的计算机辅助参数寻 优。 l c g u o 等应用有限元法，仿真应力和温度的分布，以满足加工率和刀具使用 寿命，优选切削参数以实现最小的切削力和切削力产生温度n 们。这种方法无法预 料加工过程的干扰因素带来的影响，因此在线实时监控的方法被后人所重视。 奥地利的c e r a t i z i t 公司也推出了大型切削参数数据库仿真系统，它主要通 5 高精度复杂曲面的数控铣削加r t - 下艺参数的优化 过数据库图表为用户选择切削参数提供依据，但是系统局限于对“机床刀具 ， 第一个优化自适应系统( a c o ) 是美国本迪克斯公司于1 9 6 4 年在美国空军技术监督 下研制开发成功的。该系统由一台型靠模铣床、控制器、传感器及自适应控制器 组成，传感器测量切削力矩、刀具温度及机械振动，自适应控制器利用这些数据 可获得最优进给速度，并使规定的性能指标达到最优化。但该系统并未得到推广 应用，其主要原因是系统要求对刀具磨损进行在线测量，而迄今为止还没有工业 界广泛接受的直接测量刀具磨损的方法。 一些国家为了对数控切削参数的参数进行研究，建立了切削参数数据库。虽 然这些参数的优化需要涉及广泛的基础技术工作和大量的切削优化实验，其工作 来量大，内容繁杂，一般需要几年甚至更长时间，但是对各个国家基础技术建设 有重要的意义。1 9 6 4 年，美国成立了世界上第一个金属切削数据库，该数据库是 美国技术联合研究公司和美国材料实验室联合建立的，名为美国空军切削加工性 数据中心( m d c ) 。据报道，美国的金属切削加工性数据中心( m d c ) 在建库初期就 为生产部门节约了1 6 亿美元，其中车削效率提高了5 0 ，铣削效率提高了一倍以 上17 1 。 1 9 7 0 年，德国西门子公司研制成一台可控制x 、y 轴方向进给速度的约束自适 应控制车床，该车床可在加工过程中利用传感器直接测量力矩信号。日本公司、 意大利公司和研究所也都相继研制出公约数自适应控制机床，以实现恒力矩加工， 但由于在力矩信号的处理和转换方面都做了不同程度的条件假设，因此限制了机 床的实用性。 2 0 世纪九十年代末，以色列分别研制出了适用于数控车床和数控铣床( o m a t 优铣装置) 的金属切削自适应优化系统，该系统降低生产成本最高可达4 0 ，还具 有自学习功能，可以说是数控加工中的一项革命性突破。该系统已经实现了市场 化。目前，我们国家某些工厂的数控设备上就使用了该产品并且效果很好。o m a t 技术在全国已得到了一定程度的推广，受到了客户的好评。 概括的说，数控铣削加工技术存在以下的问题： ( 1 ) 对数控加工人员的综合素质要求高。 ( 2 ) 力n tt 艺参数的选择直接影响到成品的质量、生产率、加工成本等。 ( 3 ) 大多数工厂在生产中凭经验或参考切削参数手册来选择加工工艺参数，这 往往达不到加工工艺参数的最优选降低了对机床的利用率。 所以加工工艺参数的合理选择与优化，直接关系到能否合理地使用刀具与机 床，对提高生产率，提高加工精度及表面质量，降低生产成本都有重要作用，是 实现整个切削过程优化的关键。 6 硕士学位论文 1 4 铣削参数选择存在的问题 数控加工技术的应用水平极不平衡，数控加工技术的综合效益远没有发挥， 即使在大量采用数控加工技术的航空制造技术领域，也存在着工艺水平不高，缺 乏数控加工工艺指导文件等一些问题，其中一个很大的问题就是数控加工切削参 数的选择。目前由于切削参数选择不当而影响零件的加工质量和加工效率的情况 还较严重，而更加严重的是，切削参数选择不当常常会造成的零件超差报废。相 对于传统的加工来说，数控加工的加工费用比较高，并且加工的工件价格相对比 较昂贵，零件的超差报废会造成巨大的损失。因此选择合理的数控切削参数，在 保证加工质量情况下，使得切削时间相对较短、加工成本又相对较低，从而获得 较大的经济效益，变成一个越来越突出的问题。从已经出版的文献资料来看，在 切削参数优化方面，虽然已经作了大量的工作，但是这些工作主要集中在车削和 其它的加工上。本文主要介绍数控铣削加工切削参数的优化问题。目前由于铣削 参数选择不当而影响零件的加工质量和加工效率的情况还较严重，其中常见的有 以下这些情况n 8 1 ： ( 1 ) 空走刀过多，零件有效切削的时间较少，从而延长了零件的加工周期； ( 2 ) 加剧了机床和刀具的振动，降低了零件的表面质量； ( 3 ) 在零件转角处拉刀，造成零件过切； ( 4 ) 在加工零件缘条或轮廓时，由于拉刀或让刀造成厚度尺寸和轮廓形状不准 确； ( 5 ) 切削力过大，造成零件变形或定位状态改变； ( 6 ) 刀具磨损剧烈，从而降低了刀具耐用度； ( 7 ) 工时定额不准，使得数控加工的管理水平难以进一步提高。 在数控加工中，由于切削参数选择不当而造成的零件超差报废现象相当普遍， 导致目前大多数工艺人员仍然依靠工作经验，或是通过查询有关的资料来选择加 工参数。 基于上述原因，本文进行数控铣削加工切削工艺参数的研究。拟采用方法如 图1 1 所示： 7 高精度复杂曲面的数控铣削加工工艺参数的优化 分析影响数控铣削加工工艺的参数 选择其中主要的影响参数 建立最优化数学模型 在约束条件下求解数学模型 在m a s t e r c a m 软件中模拟加工 否 优化结果输入数控铣床 优铣控制器与数控铣床连接 优铣控制器 是否无报警 、百 记录并保存此次数据 图1 1 数控铣削加工工艺参数优化流程图 1 5 课题内容和主要工作 复杂曲面( 如图1 2 所示) 加工是机械制造工程中最复杂而又常见的问题，复 杂曲面是由大量的自由曲面构成的，所谓自由曲面指的是，不能用明确的数学表 达式表示，在图纸上往往只给出一些离散信息( 定义点、切矢、三阶导矢等) 的 曲面，如汽车的车身、飞机的机身、船体等外形曲面，以及涡轮的叶片等。由于 它的设计越来越复杂，精度要求高且难以用数学表达式精确表示，因此带有自由 曲面复杂零件的加工一直是生产中的难题，而市场竞争日益激烈，要求加工周期 越来越短，如何提高自由曲面的加工效率和质量己经成为数控加工技术的一个重 要课题。同时，由于这类曲面设计和刀具轨迹的设计是分开的，使得加工曲面与 设计曲面不一致。虽然新的加工方法和先进的加工手段使这类曲面的加工精度和 加工效率大大提高，但远未达到人们满意的程度。在复杂曲面加工中采用c a m 技 术也就成为必然。自由曲面的设计与制造相对于常规机械零件复杂得多，设计指 标能否得到满足，需要制造环节来保证，如果制造技术薄弱，曲面的整体性能必 将受到影响。 8 硕士学位论文 图1 2 复杂曲面示惹图 基于以上原因论文的主要研究内容及工作为： ( 1 ) 通过对国内外大量文献的查阅研究， 对数控铣削加工的现状进行分析， 提出优化铣削加工参数的必要性。 ( 2 ) 以生产率、加工成本、利润为目标，以切削转速n ，进给速度v ，被吃刀 量口。，切削宽度口。为设计变量，建立相应的多目标优化函数。 ( 3 ) 充分考虑到生产中的各项约束条件，建立切削过程的优化数学模型。 ( 4 ) 采用相应的优化算法对数学模型进行优化运算，编制出优化程序，借助计 算机进行优化运算，得到最佳切削参数组合。用各段的最佳切削参数来修正相应 刀位文件的切削参数，从而实现对整个加工过程的参数优化。 ( 5 ) 使用m a s t e r c a m 软件，对计算出的将理论优化结果在该软件中模拟加工， 实现自动编程，机床的后处理器自动生成n c 代码。在实际的生产加工中，编程人 员只需对才生成的n c 代码进行修改，就可以用于实际生产。此方法尤其适合对三 维的复杂曲面零件的加工。 ( 6 ) 最后将o m a t 自适应控制中的优铣控制器与数控铣床连接，可以监测实际 的铣削条件，并对每一步走刀的情况自动地调节到最合适的数值，即对前面得到 的优化参数进一步的优化。 1 6 本章小结 本章首先对目前数控加工切削参数优化在国内外的发展进行综述，同时分析 了目前数控加工切削参数优化存在的问题，其次对影响数控加工切削参数选择的 主要因素和数控加工切削参数优化研究的主要内容，进行了说明和叙述，又概括 了本文中研究数控加工切削参数优化的意义。 9 高精度复杂曲面的数控铣削加下工艺参数的优化 第2 章数控铣削加工工艺参数优化方法的研究 数控加工优化问题主要包括加工路径的优化和加工参数的优化。关于加工路 径的生成和优化，已经做过大量的研究并取得了大量成果，出现了多种刀具路径 规划方法。然而在数控实际加工过程中，铣削加工的条件是不断变化的，而在数 控编程时，各种铣削参数大多数是在假想最不利的条件下取的值。即使存在最不 利加工的区域，相对于整个加工曲面来说也是局部的，因此这些参数的设定趋向 于保守，大大的降低了机床的加工效率。铣削参数优化的目的正是为了解决加工 参数过于保守问题，使加工参数能够根据加工刀具路径的具体情况而进行调整， 以提高加工效率。 2 1 优化方法介绍 在传统的机械设计中，很早就有了“优选 的思想，设计人员可以同时提出 集中不同的设计方案，通过分析评价后，选出较好的加以采用。这种优选的方案， 在很大程度上带有经验性，也有一定的局限性。传统的优选思想，受到了时间、 条件( 经费等) 和经验的限制。这种优选的方案，只能称之为认可的方案。 在计算机应用之前，人们曾用经典的函数最小化概念，处理简单结构的优化 设计问题。由于工程问题的复杂性，这种理论在实际上的应用受到了限制。1 9 4 6 年，第一台计算机的问世后，机械设计从传统的设计方法，走上了优化设计方法。 概括的说，优化设计就是以数学规划理论为基础，以计算机为工具，优选设计参 数的一种设计方法。 完整的规格化的优化数学模型，包括三个内容，即数学模型三要素：设计变 量x 、目标函数f ( x ) 、约束函数g ( x ) 。其中设计变量是一组实数集合，每一个分量 都是相互独立的。设计变量的个数，称为自由度，自由度越大。优化的效果越好， 但是计算相对复杂。目标函数f ( x ) 是x 的函数，是优化设计好坏的一个衡量指标。 约束函数是设计变量选取的限制条件。 2 2 数控铣削加工切削参数 通常所说的铣削参数是指铣削运动参数，它主要包括：切削速度、进给量或 进给速度、背吃刀量、切削宽度。 ( 1 ) 铣削速度心 1 0 硕士学位论文 铣削速度指主运动速度，是刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主运 动方向上的线速度的瞬时速度。为方便对数控切削加工过程中机床主轴的控制和 计算，数控加工通常以机床主轴转速t l 来描述刀具相对于工件的主运动。切削速 度，。与主轴转速以有下列关系式： ，ca 丽m r 而d o ( 2 1 ) 公式中： 屹一切削速度，单位为m s ； d 。一刀具直径，单位为m m ； 万一主轴转速，单位为r m i n 。 ( 2 ) 进给量厂和进给速度y ， 进给量，是刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量。 进给速度 ，是指刀具上的基准点沿着刀具轨迹相对于工件移动时的速度，即 单位时间内工件或刀具沿进给方向移动的距离。进给速度1