基于模糊綜合評判粗加工過程中銑刀的優選

田建平，唐 培，謝亮亮

(四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000)

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基于模糊綜合評判粗加工過程中銑刀的優選

田建平，唐 培，謝亮亮

(四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000)

針對粗加工過程中銑刀選型的多因素性，在分析機床加工特點的基礎上，結合已有刀具選型方法，提出一種基于層次分析的模糊綜合評判的方法，構建刀具模糊評判模型。通過綜合考慮銑刀選型因素，建立以切削效率、加工時間以及加工成本作為優化目標的銑刀選型模型。結合具體加工實例對以上方法進行驗證，表明基于層次分析的模糊綜合評判方法在銑刀選型系統中有較好的作用，判斷結果能夠實現粗銑加工過程中刀具的優選。

模糊綜合評判；銑刀選型；層次分析法

0 引言

銑床是金屬切削加工過程中必不可少的設備，它能完成各種復雜的平面、曲面、鍵槽以及曲線等零件加工。隨著信息化技術的發展，智能化生產成為企業發展的重要手段，這對加工刀具的選型及規格尺寸的準確選擇提出了更高的要求。針對不同的加工要求、不同的加工對象，選擇合適的刀具成為工程技術人員必須進行的工作。銑刀的選擇一般通過查詢專業的手冊或加工者的實際經驗確定，但是手冊推薦的是一系列銑刀，難以保證選刀的準確性，加工者經驗的不同也影響了選擇的準確性，影響加工質量，定量分析是解決這一問題的唯一途徑。徐和國[1]等人以實體模型的方法設計了計算機輔助刀具選型系統,張魁偉[2]等人以綠色制造為目的，建立了以綜合加工時間、加工質量、資源消耗等為目標的優化模型，上述文章對刀具優選只做了定性研究。文中提出基于模糊綜合評判銑刀選型的方法。建立影響銑刀選型因素的模糊關系，結合加權相似系數對銑刀選型進行綜合性評判。以切削效率、加工時間、加工成本為優化目標，實現了粗加工過程中銑刀的優選。

1 刀具優化原則

刀具的選擇一般根據被加工零件的材料、幾何形狀、表面質量要求、熱處理狀態、材料切削性能、加工效率要求等方面綜合考慮。在粗加工過程中應盡可能減少走刀次數，工件的加工質量不是重點考慮對象，應盡可能在短的時間內完成更多材料的切除。粗加工過程中刀具的選擇應該首先考慮高效率。選擇合適的刀具對保證工件加工質量、生產效率以及減少加工成本影響非常大，然而，隨著機床、加工對象等變化，刀具的選擇又是不同的。在滿足保證工件質量的前提下，刀具優選主要考慮下面三個指標：

(1)切削效率最高，切削量大是高效率的保障。為了綜合考慮切削余量、切削時間以及切削剩余量的影響，引入一個綜合參數優化效率值s，s計算公式如下：

s=TG1(1-m)

(1)

其中，G1為粗加工后切削剩余量，T為加工時間(min)，m為G1與G(總切削量)的百分比，由公式可知s越小，切削效率越高。

(2)加工時間最短，為了對切削量進行具體的描述，我們引入切削效率公式：P=kDapnfz。其中，k為切削部分的刀具直徑與刀具直徑之比，D為刀具直徑(mm)，fz為每齒進給量(mm/z)，ap為切削深度(mm)，n為主軸轉速(r/min)。又有：n=1000v/(πD),可以得出：P=1000kapvfz/π。

則單個工序加工時間為：

(2)

當切削量G一定時，刀具直徑D增大，那么P就增大，時間T就減小。

(3)成本最低，加工成本經驗公式

(3)

其中，C1為單位時間成本(元)，C2為刀具成本(元)，tm為切削加工時間(min)，tp為輔助加工時間(min)，tc為換刀時間(min)，C0,m0,n0,X,Y,Z為常數與加工條件有關。在銑削加工中n0=m，Cr表示耐用度系數，與工件材料、刀具類型以及銑削加工條件等因素有關。

2 模糊綜合評判技術模型

2.1 模糊綜合評判技術原理

模糊評判技術以模糊數學為理論基礎，利用模糊集理論對事物進行評價。綜合評判是對影響事物諸多因素的總體做出模糊評判的方法，不僅可根據模糊評價集上的值按給定原則評定對象不同的等級，還可根據不同分值對評價方案進行排序。通過因素之間的模糊關系，采用加工對象評價集對不同因素的隸屬度進行評價，采用傳統方式無法進行準確分析時，模糊綜合評判技術有一定的優越性。粗銑加工過程中影響銑刀選擇的因素比較復雜，分析各種因素，選擇切削效率、加工時間和加工成本為銑刀優選的關鍵的因素量。

模糊綜合評判是事物的多個因素進行綜合評判，設U={u1u2…un}為n種指標，V={v1v2…vm}為m種評判，它們中各個指標的個數是根據具體問題的具體情況來確定。每一個指標作用不一樣，它們的重要性也不同，因此評判結果也會出現差異，綜合評判應該是評價集的子集B={b1b2…bn}∈ζ(V)，且b1+b2+…+bn=1。其中bj(j=1,2,…,m)反應j種評判在綜合評判中的所占的地位，一旦確定權重A就能得到對應的評判集B。 在銑刀選型過程中，某評判因數對刀具選型的影響用定義為B的權重函數表示，即B={b1,b2…bm},且權重集滿足b1+b2+…+bm=1和bm>0。設D={d1,d2,…dn}為評價集，它對B中每一層每個因素進行評判，得到評判矩陣F=(fij)n

2.2 模糊綜合評判步驟

(1)確定因素集U={u1u2…un}。

(2)評判集V={v1v2…vm}。

(3)單因素評判f:U→ζ(V)，ui∣→f(ui)=(ri1ri2…rim)∈ζ(V)，由模糊函數f引導出模糊關系Rf∈ζ(U×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為單因素評判矩陣。

(4)綜合評判.根據權重A=(a1,a2,…,an),采用平均加權模型M(·,+)計算得出綜合評判矩陣：B=A·R

3 應用實例

本例零件的底面與側面垂直，主要有6個槽，槽的深度都是一致的。零件的長為250mm，寬為200mm，高為36mm，槽的深度為8mm，長為15mm寬度為15mm。零件材料為45鋼(HB175，調質處理，σb=550MPa)。采用立銑刀對零件進行粗銑槽加工。

根據實例的數據以及查實用《機械工人切削手冊》可以得知：C1=2.5,C2=4,tc=0.5,tp=1,X=5,Y=2.25,Z=0.75 ,n=200r/min，C0=1，m=0.25,n0=0.25,m0=1根據《銑工實用手冊》可以查出可以用的立銑刀如表1所示。

表1 可用立銑刀的種類

為了簡化計算，我們把表中數據分成4組，直徑φ3、φ4為甲組，φ5、φ6為乙組，依次可得到丙組和丁組。計算數據時以直徑最大的一個來計算，可以得出參數表2。

表2 優化方案參數表

優化步驟：

(1)建立以切削效率、加工時間以及加工成本為因子的因素集U={x1x2x3}，根據長期加工的經驗以及實例的需求確定三個因素的權重矩陣為A=(0.45 0.2 0.35)。根據公式(1)～公式(3)計算四組數據值，利用等間距法將結果建立五級評價集，評價表如表3所示。

表3 因數評價等級表

(2)隸屬函數的確定，隸屬函數選取的準確性直接影響到刀具選型的結果，根據表3可知，各因素在單位區間上市線性分布。采用隸屬函數指派法可以得到 切削效率綜合優化參數s的隸屬函數為：

加工時間的隸屬函數為：

加工成本的隸屬函數為：

將表2數據帶入上述公式中可以得出：

甲組切削效率綜合優化參數、加工時間、加工成本的隸屬度分別為：

依次可以計算出另外三組各指標的隸屬度并確定出模糊矩陣F。

由此可以得到綜合評判矩陣B：

進行歸一化得：

因此可以知道在本次加工中選擇丙組刀具更合理。

4 結論

本文通過研究基于層次分析的模糊綜合評判法，在分析銑床選刀系統實際要求的基礎上，建立了模糊綜合評判銑刀選型模型，確定了以切削效率、加工時間以及加工成本為評判因素的隸屬函數，并采用等間距法確定評價集。結合具體銑削加工實例，揭示了在粗銑過程中采用模糊綜合評判技術銑刀選型的過程，完成了銑刀的優選，為刀具自動選型系統提供了一種方法。

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(編輯 李秀敏)

Research on Type Optimal Selection of Milling Cutter Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation for the Rough Machining

TIAN Jian-ping, TANG Pei, XIE Liang-liang

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

For the multivariate of the selection of milling cutter,Analysising on the basis of the processing characteristic of NC milling machine,combining the existing method, a method of fuzzy comprehensive evaluation on the basis of the analytic hierarchy process,Fuzzy Evaluation Model of milling cutter be constructed.Through a comprehensive consideration of the influence of every factor on the optimal selection of milling cutter,Selection model were set up with the structure of cutting efficiency, the processing time of operation, processing costs.Combined with specific object,the above method are verified that fuzzy comprehensive evaluation on the basis of the analytic hierarchy process was effectient,the results was applied with type selection of milling cutter.

fuzzy comprehensive evaluation; type selection of milling cutter; analytic hierarchy process

1001-2265(2016)10-0154-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.042

2015-11-17

四川省教育廳重點項目(14ZA0209)；四川理工學院培育項目(2012PY07)；四川理工學院研究生創新基金(y2014031)

田建平(1965—)男，四川自貢人，四川理工學院教授，研究方向為CAPP集成化等；通訊作者：唐培(1991—)，男，四川遂寧人，四川理工學院碩士研究生，研究方向為CAPP工藝管理系統，(E-mail)490703980@qq.com。

TH16；TG547

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