數控加工中切削參數的意義與優化方法

樊金民

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

數控加工技術是現代自動化、 數字化以及柔性化生產加工技術的基礎技術。 通過對系統進行優化，自動優化出切削參數，使整個制造系統朝著數字化、集成化以及網絡化的方向發展。 本文將切削速度作為設計變量，建立相應的目標數學優化模型，再編寫出相應的優化程序，由計算機自動生成，確定出最佳的切削參數，促進數控加工系統的整體優化。

1 數控加工切削參數及其意義

當前數控加工技術是將普通金屬切削加工、 計算機數控以及計算機輔助制造綜合在一起的加工制造行業，它主要涉及數控機床加工工藝和數控編程技術兩個方面。 然而零件加工程序的編制是實現數控加工的重要環節，它對于產品質量的控制有著重要作用。 數控加工的基本原理是： 機床上的刀具和工件的相對運動屬于一種切削運動，在確定好切削參數之后，數控機床按照數控程序所確定的軌跡進行表面成形運動， 實現對產品的表面形狀的加工。 數控加工技術是機械加工實現現代化的重要基礎，同時提高了制造業的生產效率，穩定了加工質量，在合理的加工周期中增強了生產柔性， 促進對各種復雜精密零件的自動化加工。 數控加工制造業水平的提高能夠實現零件的計算機輔助設計、 計算機輔助工藝規劃以及計算機輔助制造， 促進整個機械加工的柔性自動化水平，因此確定好數控加工切削參數十分重要，只有正確確定參數，才能保證加工精確性以及科學性。

機械制造業中，切削參數是指切削運動參數，主要包括切削速度、進給量或者進給速度、背吃刀量、切削寬度。其中切削速度是指主運動的速度， 表示在單位時間內工件和刀具沿著主運動方向相對移動的距離， 它與主軸轉速有關。 進給量和進給速度，是指單位時間內，刀具或者工件進給方向移動的距離； 背吃刀量是指工件上已經加工表面和待加工表面之間的垂直距離。 而切削寬度是用來確定切削步距的，表示的是走刀的行距。 因此在數控加工制造業中，切削參數主要是用來調整整個機床運動，使刀具和工件在科學合理的參數關系中，實施具體加工，提高工件加工的質量以及生產效率。 然而在對金屬進行切削的過程中， 刀具在切入工件時產生的切削力仍然是切削參數的重要因素，是保證數控加工質量的關鍵，這就要求在切削中要根據不同工件材料、不同刀具，采取不同切削力，提高數控加工的精確性。

2 數控加工中切削參數的優化

隨著計算機軟件以及科學技術的不斷創新， 計算機輔助設計、計算機仿真、計算機控制和人工智能等技術在制造業中進一步發展，為了實現產品制造的高質量，就需要對制造業進行優化。 在數控加工中切削參數的優化方法是： 一是針對具體的機械設計問題建立數學模型或物理模型，在確定好具體的目標函數以及約束條件之后，利用函數的形式表示。 確定合理的參數， 將其作為設計變量。 二是根據具體的模型，選擇合適的優化算法，編制計算機程序，然后自動生成求得最終的解。 三是對計算結果進行科學判斷，得出最優的設計方案。 整個優化方式是通過仿真的手段預測加工過程的一些重要數據， 將此作為約束范圍內尋找特定目標的最優化加工參數。 具體的切削參數優化過程中，首先要確定切削參數。 對零件進行工藝編制時，需要確定合理的切削參數，選擇參數時要考慮的因素包括工序加工類型、工件材料、加工要求、刀具材料以及切削液等[2]。 然后進行優化設計，確定出合理的設計參數， 加工時要根據各個刀位點的切削條件的變化來選擇不同的加工參數。 在具體的數控加工控制過程中，切削是不斷變化的， 其中某一刀位點的切削條件是控制優化的重要問題。 之后建立優化目標函數，在切削優化過程中目標函數有以下幾個：

2.1 最高生產率目標優化函數。 單位平均生產時間t 表示為其中，t0——輔助時間；tm——切削時間；tc——每次換刀時間；T——刀具的耐用度。 這些變量的單位時間是分鐘， 最終得到最高生產率優化目標函數為：

其他變量均為常值系數，d0——刀具直徑，Z——刀具齒數。

2.2 最低成本目標優化函數：

其中，Ct——每次換刀所需要的刀具成本和磨刀費用；M——該工序單位時間的費用率，M·tm——切削時間內所需要的費用。 最終得到最低成本優化目標函數為：

2.3 約束目標函數。 在進行切削過程最優化時，必須考慮對工藝參數選擇的限制，其約束限制表現在：機床特性對切削參數的選擇，確定機床切削速度和進給速度的范圍，并且包括機床主軸所允許的最大扭矩對最大切削力的限制、機床功率所允許的最大切削力與切削速度。 工件質量要求對工藝參數選擇進行限制，它包括對工件表面粗糙度以及尺寸精度的限制；刀具對切削參數的限制；夾具對切削參數的限制。之后根據主切削力、機床輸出功率、進給速度、主軸轉速、表面粗糙度來確定約束目標函數。

另外還研究了基于人工神經網絡的遺傳算法對切削參數的優化，遺傳算法是用相當數量的染色體組成集團，進行大量目標函數值計算，與神經網絡語遺傳算法結合，通過初始實驗的樣本集合， 利用神經網絡學習算法來建立切削的參數與加工精度和時間的非線性全局映射關系，最終獲得目標函數[3]。 其設計理論的步驟是：首先對相同的被加工零件多次進行參數確定， 再測出加工零件的形位公差， 根據表面粗糙度以及加工所用的時間來確定具體的參數數據； 根據得到的加工參數和加工后零件的數據建立神經網絡， 獲得不同的加工參數和被加工后零件的形位公差以及非線性全局映射關系； 確定具體的加工參數后，建立優化模型，利用神經網絡建立映射關系來計算出目標函數值，最后根據遺傳算法進行最優求解。

3 總結

分析數控加工參數優化過程， 在確定好切削參數后實現了整個切削加工的高效性，提高了生產加工效率，降低了生產成本，改善了加工質量。 切削參數的確定是根據切削條件變化的，具體對刀位、刀具、材料以及加工表面的粗糙程度確定之后實施加工。 在優化過程中根據最大目標函數、 約束條件函數以及基于人工神經網絡的遺傳算法對切削參數進行優化設計，最終達到提高加工效率、降低加工成本、獲取高質量產品的目的。 數控加工參數優化的分析與實現對于全面提高我國數控加工制造業水平有著重要的推動意義，改善了機械制造業的加工現狀，為機械制造業朝著科學化、集成化、合理化以及規范化的方向發展奠定了基礎，為企業創造了良好的經濟效益。

［1］劉長青，胡明華，董高嵩，等.基于工況的數控加工熱誤差與切削振動預測方法研究［J］.加工制造業，2013（26）：71-74.

［2］雷小寶，董士剛，王文錦，等.數控雕銑曲面復雜度計算機切削參數選擇方法研究［J］.數控加工技術，2013（05）：11-13.

［3］李忠群，謝科磊，林勇，等.復雜切削條件高速銑削加工動力學建模、仿真與切削參數優化研究［J］.數控銑削加工，2013（14）：112-117.