船用柴油機關鍵零部件數控加工工藝參數優(yōu)化及仿真研究

周宏根，景旭文，謝巍，賈永鵬，李磊

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

我國船用柴油機制造企業(yè)在制造柴油機關鍵零部件時，所選用的切削參數以及機床的轉速等都比較保守，這些工藝參數的選取還是依據相關工藝手冊數據或經驗數據，這種傳統(tǒng)的加工制造現狀嚴重阻礙了我國船用柴油機制造水平的發(fā)展和提高［1］。20世紀70年代國外對數控加工切削參數優(yōu)化問題的研究主要集中在建立切削參數數據庫方面［2－3］。伴隨著計算機技術、人工智能技術和有限元分析技術的迅速發(fā)展，各種切削參數優(yōu)化方法陸續(xù)提出，主要包含在線切削參數優(yōu)化和離線切削參數優(yōu)化［4－5］。文中以此為背景，為改善我國船用柴油機加工制造水平，提出了一種數控加工工藝參數優(yōu)化及仿真驗證的思路。

1 數控加工工藝參數優(yōu)化及仿真方法設計

數控加工工藝參數不但是數控加工過程當中最重要的因素，同時也是數控加工工藝優(yōu)化的根本。文中提出的數控加工工藝參數優(yōu)化及仿真驗證思路如圖1所示，首先建立數控加工工藝參數優(yōu)化的數學模型，其中目標函數可以是最大生產率、最低生產成本、最高利潤或多目標優(yōu)化幾個方面;設計變量包括主軸轉速、每齒進給量、軸向切深、徑向切深等;約束條件包括機床約束、刀具約束及零件約束等;然后通過數控銑削加工切削參數優(yōu)化系統(tǒng)對工藝工程師設計的工藝參數進行優(yōu)化。由于優(yōu)化后工藝參數的有效性有待于驗證，因此優(yōu)化結束后，借助工藝仿真有限元軟件，建立工件和刀具模型，定義各環(huán)境屬性及設置運動關系，通過有限元分析，獲得加工過程中刀具的各物理變量值，經過合理的分析從而驗證優(yōu)化后的工藝參數是否符合要求，如果不符合要求，則重新進行優(yōu)化與仿真，反之即為最優(yōu)工藝參數。

圖1 工藝參數優(yōu)化及仿真流程設計

2 工藝參數優(yōu)化數學模型建立

建立數學模型是進行優(yōu)化設計的首要關鍵任務，優(yōu)化設計問題的數學模型包括目標函數、約束條件和設計變量［6］。

2.1 目標函數

在優(yōu)化問題中，可以用設計變量的函數來描述的設計目標稱為目標函數。當給定一組設計變量值時，就可計算出相應的目標函數值。文中以數控銑削加工為例進行分析，其工藝參數優(yōu)化的目標可以從最高生產率、最低加工成本、最高利潤和多目標等方向進行選取。

材料去除速率MRR(Material Removal Rate)可以表示為軸向切深ap、徑向切深ae、主軸轉速n、每齒進給量ft和銑刀齒數N之間的關系函數:

2.2 設計變量

在銑削加工優(yōu)化過程中，工藝參數主要包含n、ft、進給速度vf、fr、切削速度vc、ap以及ae。其中，當銑刀直徑為D時，切削速度vc和主軸轉速n之間有如下的關系:

進給速度vf、每齒進給量ft、每轉進給量fr之間有如下關系:

由式(2)、式(3)可知:銑削加工中，相互獨立的設計變量分別是n、ft、ap以及ae。

2.3 約束條件

銑削加工過程中切削參數優(yōu)化的約束條件包括機床約束、刀具約束、零件約束等幾大類約束條件。機床約束包含主軸轉速、進給速度、主軸功率、主軸轉矩、進給抗力等;刀具約束包含軸向切深、徑向切寬、刀具壽命、切削速度等;零件約束包含粗糙度、零件變形等。

(1)切削功率約束

作用在主軸上的瞬時銑削功率Pc需要通過切削力Ft由下式計算，其取值必須小于機床能夠提供的功率。切削功率約束條件可以表示為:

其中:Pe為機床主軸電機能夠提供的功率;ηs為機床效率。

(2)切削速度約束

切削速度受機床和刀具與工件材料限制，其約束條件可以表示為:

其中:nmin、nmax分別為機床最低、最高允許主軸轉速;

vtmin、vtmax分別為特定刀具切削特定工件材料時的最小和最大允許切削速度。

(3)表面粗糙度約束

根據經驗公式，立銑時零件的表面粗糙度約束條件可以表示為:

其中:Ra，Ramax分別為粗糙度和最大許用粗糙度值，μm;ft為每齒進給量值，mm;D為銑刀直徑。

3 工藝參數優(yōu)化

3.1 優(yōu)化原理概述

數控銑削加工切削參數優(yōu)化系統(tǒng)以銑削加工力學仿真為基礎，對數控加工過程中的主軸功率，主軸扭矩，X向、Y向、Z向銑削力，刀尖變形量等進行加工仿真預測。從優(yōu)化目標、設置各方面的約束、優(yōu)化變量的選取3 方面建立工藝參數優(yōu)化模型，通過仿真計算獲得滿足約束條件下的最優(yōu)工藝參數［7］。

3.2 工藝參數優(yōu)化求解

以船用柴油機缸蓋為研究對象，其材料為QT500-7GB/T1348-1988。工廠原用切削參數為:n=3 000 r/min、vf=150 mm/min、ae=2.5 mm、ap=10.0 mm。數控加工機床為臥式加工中心THM6380，轉速范圍20～8 000 r/min，進給速度范圍0～15 m/min。

(1)確定優(yōu)化目標及選擇優(yōu)化變量

考慮到加工效率能夠有效改善企業(yè)的生產現狀，同時效率提高了，相對成本也就降低了，因此這里選擇材料去除速率作為優(yōu)化目標。選取設計變量并賦初始值，同時根據機床的相關參數要求，給定設計變量的取值范圍，如圖2所示。

(2)約束條件設置

參數優(yōu)化的約束條件可以分為3 類:機床約束、刀具約束、工件約束。機床約束主要包括機床的主軸轉速、進給速度、主軸功率、扭矩等的約束，其設置如圖3所示。同時設置刀具約束及工件約束。

圖2 設計變量、優(yōu)化目標設置

圖3 機床約束設置

(3)優(yōu)化結果

優(yōu)化前后的切削參數以及材料去除速率如表1所示。可以看出:優(yōu)化前材料的去除速率為3.75 cm3/min，優(yōu)化后材料的去除速率為14.04 cm3/min。通過優(yōu)化，在刀具、機床允許的進給速度范圍內和工件約束的前提下，通過提高進給速度，使加工的切削效率提高了2.74 倍，顯著提高了企業(yè)的加工效率，同時也降低了企業(yè)的相對成本。

表1 優(yōu)化結果對比

4 數控切削過程仿真分析

DEFROM-3D 軟件以金屬切削理論、彈塑性力學、剛塑性力學、熱學等學科為理論基礎，實現對金屬各種加工過程的物理仿真，所以選擇DEFROM-3D來驗證優(yōu)化后的工藝參數［8］。

4.1 工藝仿真過程分析

(1)建立刀具和工件模型

DEFORM 軟件不具備三維建模功能，在構建模型時一定要借助別的三維建模軟件。為了減少計算規(guī)模并提高運算效率，導入模型之前需要對工件模型進行簡化，作者在SolidWorks 軟件中建立部分毛坯模型和銑刀模型，并保存成STL 格式。

(2)輸入材料數據

研究對象船用柴油機缸蓋零件所使用的材料是QT500-7，加工缸蓋所用的銑刀材料為WC 硬質合金，查詢機械加工工藝設計手冊可知，其材料屬性值見表2—3。

表2 QT500-7 材料屬性

表3 WC 硬質合金銑刀屬性

(3)網格劃分

采用絕對網格設置，可以提高仿真模擬的準確性。為了避免不合格單元的產生和提高計算精度，選擇絕對網格劃分方法對缸蓋和立銑刀進行網格劃分，設計刀具和缸蓋的網格劃分數量均為25 000。

(4)運動關系設置

在銑刀加工缸蓋過程中，缸蓋是固定不動的，所以應約束缸蓋在X、Y、Z三個方向運動。銑刀進行銑削加工時，除了自身要轉動之外，還要具有－Z方向的進給速度;其轉速設置為3 000 r/min，進給量設置為351 mm/min，切削深度為4 mm。

(5)仿真設置

設置仿真步數等基本信息，到此仿真前的準備工作就完成了。

4.2 仿真結果分析

銑削加工仿真完成后，主要觀察銑削力、銑削溫度場等，對這些參數進行分析，并且比較優(yōu)化前后銑削力、銑削溫度的情況。

(1)銑削力分析

銑削力是研究銑削加工過程最關鍵的物理因素之一，銑削力的大小直接決定切削熱、零件表面質量以及刀具的使用壽命。DEFORM-3D 仿真可以得到X、Y和Z三個方向的銑削力。優(yōu)化前后的三向銑削力如圖4、圖5所示。

圖4 優(yōu)化前X、Y、Z 方向的銑削力

圖5 優(yōu)化后X、Y、Z 方向的銑削力

圖6 優(yōu)化前切削區(qū)溫度

圖7 優(yōu)化后切削區(qū)溫度

加工過程中，X、Y和Z方向銑削力曲線總體變化趨勢一致。優(yōu)化前X方向的銑削力在700 N 上下波動，而且上下波動比較大;優(yōu)化后，由于切削深度增加了，銑削力略有上升，但上下波動不明顯。優(yōu)化后Y、Z方向的銑削力都有明顯的下降，而且相對優(yōu)化前波動不大。切削力的預測為實際切削過程提供一定的參考。

(2)銑削過程溫度場分析

銑削加工過程中，由于缸蓋材料發(fā)生塑性變形、彈性變形、立銑刀前刀面跟切屑之間的擠壓摩擦以及缸蓋已加工表面跟立銑刀后刀面之間的摩擦，導致切削熱的產生，主要集中在缸蓋和立銑刀的接觸區(qū)域。優(yōu)化前后切削區(qū)溫度如圖6 和圖7所示。

由圖6—7 可知:缸蓋的溫度變化均集中在缸蓋外表面，內部的溫度基本不變化;立銑刀的最高溫度集中在主切削刃的區(qū)域。對比兩圖可知:優(yōu)化前最高溫度在1 530 ℃，優(yōu)化后最高溫度在1 360 ℃，優(yōu)化后的銑削溫度明顯降低，達到了優(yōu)化的效果。

5 結論

提出了數控加工工藝參數優(yōu)化及仿真驗證的思路，詳細闡明了工藝參數優(yōu)化模型的建立、優(yōu)化的求解以及工藝仿真分析。結合船用柴油機缸蓋零件的工藝參數優(yōu)化和仿真，通過優(yōu)化和仿真提高了缸蓋加工過程中的材料去除率，從而提高了數控加工效率、降低了生產成本，對零件的表面質量及加工精度具有十分重要的意義;更重要的是不僅驗證了文中思路的可行性，同時也改變了柴油機制造企業(yè)落后的技術水平和傳統(tǒng)觀念，為更大發(fā)揮現有數控機床的潛能提供了一條新路，對實際加工過程具有重要的指導意義。

［1］劉洋，蘭天旭，張勝文，等.船用柴油機關鍵件銑削加工參數優(yōu)化的研究［J］.機械設計與制造，2011(1):178－180.

［2］RIBERO M V，COPPINI N L.An Applied Database System for the Optimization of Cutting Conditions and Tool Selection［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，92/93:372－376.

［3］BLACK I，LIVINGSTONE S A J，CHUA K L.A Laser Beam Machining(LBM)Database for Ceramictile［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，84:45－58.

［4］程偉，梁萍.基于Web 的數控加工切削參數優(yōu)化系統(tǒng)的研究［J］.新技術新工藝，2006(5):36－40.

［5］ALTINTAS Y，MERDOL S.Virtual High Performance Milling［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2007，56(1):78－86.

［6］劉強，李忠群.數控銑削加工過程仿真與優(yōu)化:建模、算法與工程應用［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2011:134－148.

［7］劉強，尹力.一種面向數控工藝參數優(yōu)化的銑削過程動力學仿真系統(tǒng)研究［J］.中國機械工程，2005，16(13):1146－1150.

［8］宋健.基于DEFORM-3D 的發(fā)動機缸體鉆削仿真及切削參數優(yōu)化［D］.大連:大連理工大學，2012:33－41.