数控车削加工切削参数优化

2 0 1 3年 9月 第 4 1卷 第 1 7期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p 2 0 1 3 Vo l 41 No 1 7 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 7 0 2 1 数控车削加工切削参数优化 范有雄 吴元祥 陈金牛 1 武汉软件工程职业学院 湖北武汉 4 2 0 0 2 0 5 2 武汉东风楚凯汽车零部件有限公司 湖北武汉 4 3 0 0 1 5 摘要 汽车零件的大批量生产中 零件装配互换性高 加工质量要求严格 利润薄 在保证产品质量的前提下 提高 加工效率是提高企业效益的有效途径 采用基于 C B N刀具的硬车削加工新工艺 优化工艺参数 可降低工序加工时间 提 高零件单班产量 降低工艺成本 提高综合经济效益 关键词 数控车削 切削参数 优化 中图分类号 T H1 6 1 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 7 0 8 1 4 Opt i mi z a tio n o f Cut tin g Pa r a me t e r s i n NC Tur n i ng F AN Yo u x i o n g WU Yu a n x i a n g C HEN J i n n i u 1 Wu h a n S o f t w a r e V o c a t i o n C o l l e g e Wu h a n Hu b e i 4 2 0 0 2 0 5 C h i n a 2 Wu h a n D o n g f e n g C h u k a i A u t o m o t i v e C o m p o n e n t s C o L t d Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 1 5 C h i n a Abs t r ac t Du rin g l a r g e qu a nt i t i e s p r o du c t i o n o f a ut o pa r t s t he r e are h i g h i nt e reh a n g e a b i l i t y i n p a r t s as s e mbl y s t ric t q u a l i t y r e q u i r e me n t s i n ma c h i n i n g a n d thi n p r o fi t On the p r e mi s e o f e n s u ri n g t h e qu a l i t y o f p rod u c t s i mp r o v i n g ma c h i n i n g e ff i c i e n c y i s an e ff e c t i v e w a y t o i mp rov e e n t e r p r i s e e ffi c i e n c y Ne w h a r d t u rn i n g t e c h n o l o g y w a s a d o p t e d b a s e d o n t h e C BN t o o l p roc e s s p ara me t e r s we r e o p t i mi z e d the p r o c e s s i n g t i me W as red u c e d an d p a r t s o f s i n g l e c l a s s p rod u c t i o n w e r e i mp rov e d S o the p r o c e s s i n g c o s t i s red u c e d a n d the c o mp r e h e n s i v e e c o n o mi c b e n e fi t i s i mp rov e d Ke y wo r d s NC t u rni n g C u t t i n g p a r a me t e r s Op t i mi z a t i o n 汽车产业不 断壮 大 汽车零件 的生产加工企业 间 的竞争也 日益激烈 图 1 所示零件是小型汽车用于转 向部的后悬臂轴零件 生产批量大 外圆表面硬度 H R C 5 9 几何形状精度要求高 通过工艺论证 并进 行工艺试验 探讨了使用基于 C B N刀具的硬车削加 工工艺替代传统的磨削加工工艺过程 l 工 3 8 4 1 6 二 二 一 1 l 卜 毫 二 二 二 c H5 1 5 C H 1 5 0 2 I I f C H 1 4 5 士0 4 3 MAXI t l 0 7 l 十 看 圆 H R 1 E P l 们 l 2 2 8 土0 5 图 1 后悬臂轴 l 2 0 1 收稿日期 2 0 1 2 0 8 2 1 基金项 目 武汉市教育局2 0 1 0年市属高校科研课题 2 0 1 0 2 3 作者简介 范有雄 1 9 6 7 一 男 学士 高级工程师 研究方向为数控技术应用 E m a i l w h n e f y x 1 6 3 c o rn 8 2 机床与液压 第 4 1卷 基于 C B N刀具 的硬 态车 削加工在 机械加 工应 用 中一直处于探索试用阶段 没有全面取代传统的工艺 方法 一方面是 由于产 品质量 的控制与稳定 另一方 面 加工效率是否能比传统的磨削加工效率高 生产 效率能提高的幅度有多大 因此应用硬态车削加工技 术需要做好工艺分析 论证 与试验 工作 在确保产 品 质量 的前 提 下 优 化数控 车 削加 工参 数 提 高 生产 率 降低工艺成本 1 优化 目标确定 产品零件加工制造系统是由与生产相关的各子系 统组成 生产制造系统的优化是按 照整个 系统设定 的 目标 函数为最优来确定各子系统参 数 这样 的系统称 为最优化 系统 对于金属切削机械制造系统 金 属切 削加工各 个环节对 整个 系统有着密切影响 所 以应力 求产 品的整个制造过程 的优化 也就是从 毛坯制 造 零件加工到产品装配的全过程优化 但是由于技术上 的困难 建立产 品制造全过程全环节的优化理论模 型 比较复杂 另一方 面要进行整体优化分析需要企业产 品制造及管理中的大量数据 同时实现整体优化需要 过高 的费用 周期较长 因此对机械加工 系统 的优化 分析重点放放各个子 系统 的优化而达到整个系统的优 化 机械加工系统的优化通常分为5级 第 1 级为单 工序 即每台机床构成 的工艺系统 加工条件的优 化 第 2级为多工序加工条件的优化 这两级是一个 优化值 的计算 问题 是整 个机 械加 工 系统 优化 的基 础 第 3级是各台机床负荷的优化 第 4级是使用机 床种类和数量的优化 第 5级为各种零件加工序排列 的优化 后 3级属于管锂范围 1 5级构成了整个 加 工系统 的最优 化 当然 对 于产 品制造企 业来说 优 化的对 象还包 括其他方 面的子 系统 如产 品批量投 放等其他管理系统的优化 根据不同的需求 机械加工系统的优化 目标不 同 评价系统优化的指标有产品切削加工时间 产品 质量 零件加工工艺成本 产品利润等 系统的优化 是 以产 品质量 为前提 高效为 目标 以达到产品制造 的优质 高效 低成本 的 目标 工序 的优 化是基 础 切削加工时间是工序优化的主要 目标值 加工时间影 响着生产率 产品制造工艺成本等 因此确定数控车 削加工工序优化的目标即为工序加工时间 2 数学模型的建立 2 1 优化 参数 的确 定 经过前面的分析 确定了以数控车削工序加工时 间作为优化的目标 因此需要建立一个与工序加工时 间相关 的 目标 函数 对 于金属切 削加 工工 艺 系统 在确 定 了加 工 对 象 刀具 装夹 机床的前提下 决定工序加工时间 的一般参数为切削用量三要素 即切削速度 进给 量 切削深 a 在实践 中 不同的加工阶段选择不 同的控制参数 粗加工阶段 以提高加工效率为主要 目的 通常对只控制一个参数 a 或 精加工阶 段 主要考虑加工质量下的高效率 需要同时控制两 个参数 和 或 3个参数 a 数控车削加工工序的优化还会受到其他因素的影 响 如材料性能的变化 工艺系统 的动态 特性 刀具 磨损 热变形等 这些随机因素往往会影响最优工作 的条件 为此 加工过程 中还要采取实时监控的方 式 及时调整 保持系统的稳定性 2 2 基本数学模型的建立 确定最优车削用量三要素的最佳组合 必须建立 以 a 为 函数 形 式 的 目标 函 数 t g f r a 工序时间是研究机械加工效率 生产成本的基 本要素 因此确立工序单件加工时间与三要素的关 系 从而分析满足目标要求的最佳数控加工参数 1 单件生产时间 m i n 件 7 1 1 式中 为工序时间 m i n 件 切除金属余量所耗 费的机 动时间 T k 为空行程时 间 m i n 件 为刀 具磨 钝 后 更 换 刀 具 调 整 对 刀 所 需 时 间 m i n 次 T为刀具耐用度 m i n T q 为切 削加工所 需 的 辅助时 间 如 卸刀 装 刀 对 刀 切 削 过程 中的换 刀时间 加工准备时间 操作者生理需要时 间等 m i n 件 在数控车削加工中 设定工件的切削走刀长度为 Z m m 切 入 切 出 行 程 f n m m 主 轴 转 速 n r m i n 工 件 直 径d m m 每 转 进 给 量 m m r 快速走刀量 m m m i n 平均每刀切削 深度 a m m 工件余量为 m m 因此可得切除当前工序余量所需机动时间 一旦一 r 一 n p 一 1 O O O v f n p 式 中 z 一 在加工对象确定的条件下 切削长度 加工直径 是确定值 令 I A r d A o 而 单件基本时间可表示成 V a 的函数式 本 A o v a 3 切削加工中空行程时间与数控车床设定快速移动 速度 G O 0 及退刀行程有关 一般来说 退刀行程 与切削行程相差 Z 5 1 0 m m 因而工序空行程 时 间 为 第 l 7期 范有雄 等 数控车削加工切削参数优化 8 3 一 尘 一 0 令 卢 变换后可写为 鲁 4 根据切削原理 广义 的刀具 耐用度可 以用下式表 述 1 1 1 T v o f 一 0 C 5 式 中 Y o C 为 常数 与 刀具 工件 材料 及 工序切削加工条件有关 将式 3 一 5 代入式 1 得 11 n 1 6 令 一 1 1 y 则 式 6 可 改写为 去 7 式 7 表明TT序时间是 的函数 将式 7 分别对 求偏导 并令其等于 零 可求出函数式在无约束条件下的最小值 即时问 最短下的切削用量三要素 一 即 1 8 一 n P 即 O L o y x I y l z J 1 9 一 A o B o P 0 O a p 一 一 2 r 即 x l y l z 1a p 1 0 l U J 式 8 一 1 0 显示 f r a p 时 值 将无限减小 因而利用式 7 在无约束条件下不可 能求出一组具有实际生产意义的切削用量三要素 所 以切削加工工序参数的优化需要考虑工艺系统的具体 制造约束条件 2 3 约束条件 机械车削加工工艺系统在实际实施中受到较多条 件的限制 如机床主轴的最高转速 刀具能承受的最 高切削速 度 工艺系统的刚性 加 工工件 的表 面粗糙 度要求等 1 速度约束条件 mi Umi n和 分别是由工件直径和机床上最低 最高 主轴转速决定的最低和最高切削速度 2 进给速度约束条件 m 1 1 和 分别是车削加工过程中限定 的最低和 最高进给速度 3 工件表面粗糙度约束条件 1 i 式中 为刀具 的刀尖 圆弧半径 m m 为工件允许的表面最大不平度 m m 由上式 可求得一个满足表面粗糙度 的最小进给量 2 r 口 1 2 根据约束条件 1 1 和 1 2 得 mi n 4 功率约束条件 按切削力经验公式计算出切削功率 P 式中 C 化 Y 分别为主切削力经验系数与指 数 与切削材料等有关系 卵为材料的单位切削抗力 N ra m P为机床主 电机功率 k W 为说明问题方便 假设 0 V 0 a 0 6 m i n c a p N 则上述约束条件可归纳为 0 C 1 3 0 6 1 4 n 1 5 0 n 1 6 因此由式 7 及约束条件 1 3 一 1 6 建立 了以车削加工工序 时间为 目标 的优化切削参数模型 3 参数优化计算方法 在有约束最优化 问题 中 通常要将该问题转换为 更简单的子问题 这些子问题可以求解并作为迭代过 程 的基础 除了早期 的方法通常是通过构造惩罚 函数 等来将有约束的最优化问题转换为无约束最优化问题 进行求解外 现在 由于计算技术及软件技术的发 展 专家 提 出 了更 有 效 的基 于 K T K u h n T u c k e r 方程解的方法 模拟生物进化的变搜索域遗传算法 模拟退火算法 粒子群优化算法等计算方法 变搜索域遗传算法 即在每代中 求得优化参数 的各变量 及其在群体中适应值 0的区域 8 4 机床与液压 第 4 1 卷 解码后再根据此区域进行编码 由于 群体在整体上朝着最优的方向发展 使群体集中到适 应值高的区域 因而 不断缩小 搜索 区域缩小则算法很快得到最优解 模拟退火算法起源于对固体退火过程的模拟 是 局部搜索算 法的扩展 它不 同于局部搜索之处是 以一 定的概率选择领域 中费用值大的状态 从理论上分 析 它是一个全局最优算法 主要通过采用 M e t m p o l i s 接受准则 并用一组冷却进度表的参数控制算法 进程 使算法在多项式时间里给出一个近似优化解 是一种适合于求解混合离散化问题和目标函数不可微 的复杂非线性问题的随机性方法 不仅接受使 目标函 数值 变 好 的点 而且还能够 以一定概率接受使 目 标函数值变 差 的点 这种计算方法有利于避免搜 索过程 陷大局部最优解 可以有效地搜 索到全局最优 解 进化算法是一类模仿生物进化的优化算法 主要 包括遗传算法 G A 遗传编程法 G P 进化规划 法 E P 进 化 策 略法 E S 和模 拟 退火 法 S A 等 其运算过程与生物进化过程相仿 对优化问题无 可微性和连续性要求 具有全局收敛性 通用性及鲁 棒性强等优点 粒子群算法是一种进化算法 粒子群算法的优点 是收敛速度快 但存在算法精度较低 易发散等缺 点 和其他的优化算法相比 粒子群算法不仅具有全 局寻优能力 而且编程简单 易于推广使用 建立的 切削参数优化模型不一样 相应地就有不同的优化方 法 如在前 面所 提及 的基 于模 糊 粗糙集 理 论优 化 方 法 极值法等 具体的算法请参考有关专著 4 结束语 大批量汽 车零 件加 工 生产 中 零 件 装 配互 换性 高 质量稳定性要求高 采用基于 C B N刀具的硬车 削加工新工艺技术 通过合理优化切削加工参数 3 o 降低工序加工时间 提高零件加工单班产量 降低工艺成本 优化工艺参数 能综合提高综合经济 效益 参考文献 1 王爱玲 数控加工理论与使用技术 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 9 2 周泽华 金属切 削原理 M 上海 上海科技出版社 1 98 4 3 顾崇衔 机械制造工艺学 M 西安 陕西科学技术出版 社 1 9 8 6 4 何献忠 优化技术及其应用 M 北京 I L 京工业学院出 版社 1 9 8 6 5 应锦春 现代设计方法 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 0 6 秦建华 李智 改进型粒子算法在数控加工参数优化中 的应用 J 组合机床及 自动化加工 2 0 0 5 5 9 1 1 7 张双德 基于改进型模拟退火算法的数控加工切削参数 优化 J 煤矿机械 2 0 0 4 6 7 6 7 8 8 武美萍 翟建军 廖文和 数控加工参数优化研究 J 中国机械工程 2 0 0 4 3 2 3 5 2 3 7 9 申丽国 韩至骏 张昆 应用生物遗传算法规划切削参数 J 中国机械工程 1 9 9 4 6 3 4 3 5 上接 第 1 2 2页 对 昂贵 4 结束语 对高速电主轴主轴支撑方案进行了分析 提出在 高转速 大负荷工况要求下 水润滑动静压滑动轴承 是一种可行的主轴支撑解决方案 并从提高主轴刚 度 阻尼和回转精度等角度出发 选择了两种可用于 水润滑的轴承的匹配材质 为