基于模糊綜合評(píng)判高速鋼立銑刀切削用量?jī)?yōu)化選擇*

唐　培，田建平，黃玉春，孟思棟，謝亮亮

(四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢　643000)

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基于模糊綜合評(píng)判高速鋼立銑刀切削用量?jī)?yōu)化選擇*

唐培，田建平，黃玉春，孟思棟，謝亮亮

(四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢643000)

摘要：針對(duì)高速鋼立銑刀銑削過(guò)程中切削用量選擇的模糊性，在分析高速鋼立銑刀加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有銑刀切削用量選擇方法，提出一種基于加權(quán)平均模型的模糊綜合評(píng)判方法。通過(guò)綜合考慮影響銑刀切削用量選擇的因素，建立以單個(gè)工序加工時(shí)間、加工成本以及刀具耐用度為目標(biāo)優(yōu)化模型。結(jié)合具體加工對(duì)象分析表明：基于加權(quán)平均模型的模糊綜合評(píng)判方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高速鋼立銑刀在銑削過(guò)程中切削用量的優(yōu)化，評(píng)判結(jié)果準(zhǔn)確、適用。

關(guān)鍵詞：模糊綜合評(píng)判；高速鋼立銑刀；切削用量?jī)?yōu)化

0引言

高速鋼立銑刀是銑削中最常見(jiàn)的一類銑刀，在銑削加工過(guò)程中，加工條件、機(jī)床性能、生產(chǎn)環(huán)境等因素都影響著切削用量的選擇。切削用量選擇的合理性直接影響到零件加工工時(shí)、加工成本、刀具耐用度以及銑床綜合性能等。生產(chǎn)過(guò)程中，切削用量的選取一般可通過(guò)切削手冊(cè)給定參數(shù)或?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)確定，但切削手冊(cè)的參數(shù)值通常為給定范圍，需根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定數(shù)值，但難以獲得合理的確定值。

李濤等人[1]使用約束條件建立目標(biāo)函數(shù)的方法優(yōu)化了切削用量，周慎等人[2]使用優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型對(duì)高速銑削切削用量進(jìn)行了優(yōu)化，上述對(duì)銑削過(guò)程中切削用量的優(yōu)化只做了定性的研究。因此，本文考慮切削用量的選擇在銑削過(guò)程中的重要性，以加工成本、加工工時(shí)、刀具耐用度最優(yōu)為目標(biāo)采用加權(quán)平均模型對(duì)切削用量進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，實(shí)現(xiàn)了切削用量的最優(yōu)選用。

1切削用量?jī)?yōu)化原則

1.1切削用量選擇原則

合理地選擇切削用量對(duì)保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低加工成本有非常重要的影響，然而，隨著機(jī)床、刀具和工件等對(duì)象的變化，切削用量合理值有較大的差別。在保證加工精度前提下，合理的切削用量可充分發(fā)揮刀具、機(jī)床的綜合性能、提高機(jī)械加工效率、降低加工成本。

1.2切削用量?jī)?yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

在滿足工件加工質(zhì)量的前提下，切削用量?jī)?yōu)化主要考慮加工的經(jīng)濟(jì)性，使用以下三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)：

(1)成本最低原則：?jiǎn)蝹€(gè)加工工序成本最低，在交貨時(shí)間充足的前提下，可以提高此項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，經(jīng)驗(yàn)公式為：

(1)

其中：C1為單位時(shí)間費(fèi)用，C2為刀具費(fèi)用(C1，C2以元為單位)，tm為銑削時(shí)間，T為刀具使用壽命，tp為輔助時(shí)間，tc為換刀時(shí)間C0,m0,n0為常數(shù)與加工條件有關(guān)。對(duì)于銑削n0=m,V表示切削速度，f表示進(jìn)給量，ap表示切削深度。

(2)時(shí)間最短原則：?jiǎn)蝹€(gè)工序所消耗的時(shí)間，它是生產(chǎn)效率的保證，產(chǎn)品交貨時(shí)間迫切時(shí)顯得非常重要，此時(shí)，在保證加工質(zhì)量的前提下提高此項(xiàng)指標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)公式為：

(2)

其中：L代表切削長(zhǎng)度，fz代表每齒進(jìn)給量，l代表附加進(jìn)給長(zhǎng)度，z為銑刀齒數(shù)，a為加工余量。

(3)刀具耐用度最久原則：刀具耐用度主要影響企業(yè)的生產(chǎn)成本，主觀觀點(diǎn)是刀具耐用度越久越好，但是在計(jì)算刀具壽命的同時(shí)還得考慮工件質(zhì)量、加工成本以及生產(chǎn)效率等因素，刀具耐用度經(jīng)驗(yàn)公式：

(3)

其中：Cr表示耐用度系數(shù)，與工件材料、刀具類型以及銑削加工條件等因素有關(guān)。X,Y,Z與加工條件有關(guān)。

2模糊綜合評(píng)判技術(shù)模型

2.1模糊綜合評(píng)判技術(shù)原理

模糊評(píng)判技術(shù)以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用模糊集理論進(jìn)行評(píng)判。綜合評(píng)判是對(duì)影響事物諸多因素的總體做出模糊評(píng)判的方法，不僅可根據(jù)模糊評(píng)價(jià)集上的值按給定原則評(píng)定對(duì)象不同的等級(jí)，還可根據(jù)不同分值對(duì)評(píng)價(jià)方案進(jìn)行排序。通過(guò)因素之間的模糊關(guān)系，采用加工對(duì)象評(píng)價(jià)集對(duì)不同因素的隸屬度進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用傳統(tǒng)方式無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確分析時(shí)，模糊綜合評(píng)判技術(shù)有一定的優(yōu)越性。銑削過(guò)程中影響銑削用量?jī)?yōu)選的因素比較復(fù)雜，綜合分析各種情況，選擇加工工時(shí)、加工成本和刀具耐用度為銑刀切削用量?jī)?yōu)化綜合評(píng)判的因素量。

2.2模糊綜合評(píng)判步驟

③單因素評(píng)判.

f:U→ζ(V)，

由模糊函數(shù)引導(dǎo)出模糊關(guān)系Rf∈ζ(V),即：

Rf(ui,vj)=f(ui)(vi)=rij

因此Rf可由模糊矩陣R∈un×m表示為：

其中R為單因素評(píng)判矩陣。

④綜合評(píng)判.根據(jù)權(quán)重A=(a1,a2,…,an),采用平均加權(quán)模型M(·,+)計(jì)算得綜合評(píng)判：

B=A·R

3應(yīng)用實(shí)例

加工機(jī)床：X5032立式銑床；

加工刀具：直徑φ25mm，齒數(shù)為4的高速鋼立銑刀；

加工工序：粗銑平面；

工件材料：45#(HB220，熱軋，調(diào)質(zhì)處理，σb=650MPa)。

根據(jù)實(shí)際加工工序查文獻(xiàn)[14]可確定：

C1=2,C2=5,tc=0.5min,tp=1min,X=5,Y=2.25,Z=0.75,l=10mm,L=100mm,a=5mm,n=150r/min。

查銑削工藝手冊(cè)[15]得：C0=2，m=0.5,n0=0.5,m0=1。

根據(jù)高速鋼立銑刀粗銑時(shí)切削用量推薦表1可知。

表1　高速鋼立銑刀粗銑切削用量推薦表

計(jì)算步驟：

根據(jù)上述三個(gè)綜合評(píng)判原則選擇不同切削深度、不同的切削速度(區(qū)間數(shù)據(jù)以整數(shù)1為等差進(jìn)行選擇)以及不同的進(jìn)給量可計(jì)算出加工成本、加工時(shí)間以及刀具耐用度，并選擇同一種切削深度中最優(yōu)的一個(gè)方案進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，方案如表2所示。

表2　銑削用量?jī)?yōu)化方案表

表3　評(píng)價(jià)等級(jí)表

(2)建立評(píng)價(jià)集V={V1，V2，V3，V4}，其中，V1代表甲種方案，V2代表乙種方案，V3代表丙種方案，V4代表丁種方案。

(3)建立因素評(píng)判矩陣。可通過(guò)各個(gè)因素和方案之間的聯(lián)系確定對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)，用R=(rij)3×4表示。

(4)隸屬函數(shù)確定

采用指派隸屬函數(shù)的方法，依據(jù)表3可知，各因素之間關(guān)系比較簡(jiǎn)單，在區(qū)域上成線性函數(shù)。則加工時(shí)間的隸屬函數(shù)為：

加工成本的隸屬函數(shù)為:

刀具耐用度的隸屬函數(shù)為:

將方案中數(shù)據(jù)帶入上述3個(gè)公式中，得出對(duì)應(yīng)隸屬度：

甲方案加工時(shí)間為0.948，隸屬度為:

加工成本為1.75則:

刀具耐用度為52.737則:

相應(yīng)地可得到乙、丙、丁種方案的3項(xiàng)優(yōu)化指標(biāo)的隸屬度，可確定單因素評(píng)價(jià)矩陣：

(5)綜合評(píng)判，利用平均加權(quán)模型M(·,+)計(jì)算得：

B=A·R=(0.7310.7470.5430.445)，

進(jìn)行歸一化處理，得B=(0.296,0.303,0.220，0.181)，

B為方案的最終評(píng)判結(jié)果，可知乙為最佳方案，其次是方案甲、丙，丁方案為最差。

4結(jié)論

通過(guò)基于實(shí)例的模糊綜合評(píng)判方法對(duì)銑削過(guò)程中切削用量進(jìn)行優(yōu)化選擇以及采用實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，可知模糊綜合推理方法在機(jī)械加工中有良好的應(yīng)用。確定了在滿足加工質(zhì)量的前提下采用最少加工時(shí)間、最小加工成本以及最大刀具耐用度為切削用量?jī)?yōu)化準(zhǔn)則的合理性。采用平均加權(quán)的模糊評(píng)判完成優(yōu)化方案的選擇，實(shí)現(xiàn)了銑削用量的優(yōu)選。不足之處：因素權(quán)重的確定采用專家估測(cè)法存在一定的誤差，評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間的劃分采用等間距法使得樣本分布不均。

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(編輯趙蓉)

Optimal Selection of Cutting Parameter for High-speed Steel End Mill Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

TANG Pei, TIAN Jian-ping, HUANG Yu-chun, MENG Si-dong, XIE Liang-liang

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong Sichuan 643000, China)

Abstract：For the fuzziness of the selection of cutting parameter for high-speed steel end mill in milling process, a method of fuzzy comprehensive evaluation on the basis of the weighted average model was proposed based on the analysis of the processing characteristic of high-speed steel end mill. Through a comprehensive consideration of the influence of every factor on the optimal selection of cutting parameter，objective optimization model were set up with the processing time of operation, processing costs, cutting tool life. Combined with specific processing object, on the above method are verified that fuzzy comprehensive evaluation on the basis of the weighted average model can realize optimal selection of cutting parameter for high-speed steel end mill in milling process, the evaluation results was accurate and apply.

Key words：fuzzy comprehensive evaluation；high-speed steel end mill；optimal selection of cutting parameter

中圖分類號(hào)：TH16；TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：唐培(1991—)，男，四川遂寧人，四川理工學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)镃APP工藝管理系統(tǒng),(E-mail)15692913242@163.com。

*基金項(xiàng)目：四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZA0209)；四川理工學(xué)院培育項(xiàng)目(2012PY07)；四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金(y2014031)

收稿日期：2015-04-16；修回日期：2015-05-13

文章編號(hào)：1001-2265(2016)02-0030-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.009