三維工序模型切削載荷動態變化的工藝優化策略

趙　倩， 焦　黎， 譚方浩， 羅智文， 王西彬， 王　昭

(北京理工大學先進加工技術國防重點學科實驗室，北京 100081)

三維工序模型切削載荷動態變化的工藝優化策略

趙倩， 焦黎， 譚方浩， 羅智文， 王西彬， 王昭

(北京理工大學先進加工技術國防重點學科實驗室，北京 100081)

綜合零件的加工特征及約束條件并引入布爾差運算，可以分解出零件典型面組并生成對應的工藝路線譜系，達到零件加工工藝快速優化設計的目的。通過分析三維工序模型典型面組加工時的動態特性，采用B樣條曲線插值參數化的方法構建刀具-工件接觸區域動態邊界的統一數學模型，預測切削載荷動態變化狀況，并進行切削參數優化達到有效控制切削載荷的目的。最后以某零件的車削加工為例進行分析，驗證該工藝優化策略的可行性。

三維工序模型；布爾差運算；工藝路線譜系；切削力預測模型；工藝優化

工藝設計是產品設計和產品制造的橋梁，制造類企業在產品的工藝設計過程中積累了大量的工藝數據，能否對其進行充分的應用成為目前待解決難題之一。機加工零件快速工藝規劃的實現取決于對零件工序間模型與零件模型密切關系的正確提取[1]。對機加工而言，部分零件間往往具有整體結構相似，局部結構差異的特點，只需對工序間模型及工藝路線規劃進行少量修改，對縮短設計周期具有深刻的意義。

Marchetta和 Forradellas[2]指出特征是制造過程中至關重要的概念，并提出一種基于人工智能規劃的混合過程/知識的特征識別方法。Tost等[3]描述了一種用于表示加工工具邊界的計算方法，該方法執行動態布爾操作，實現了數控加工鉆井工具的模擬。Hoque等[4]基于與CAD/CAM軟件包緊密相連的制造特征庫提供了產品設計及制造階段相關數據之間的智能接口設計，建立了集成于CAD/CAM的制造特征智能系統。Liu等[5]提出了應用聚類分析法獲取典型工藝路線的設想，解決了計算機輔助工藝設計系統從工藝數據中提取工藝知識的問題。Xu等[6]依靠工藝知識與加工資源的集成，提出將工藝知識映射到加工資源并創建工序間模型，指導零件加工生產。鄒定國和朱心雄[7]提出一種基于特征設計和參數設計的零件模型，并將特征通過幾何信息與工程信息分開表達。蔡立剛等[8]利用基于實例的推理方法、專家系統方法和特征技術，構造了一套完整實用的基于實例的工藝路線決策方法，較好解決了工藝設計知識和相似工藝實例重用的問題。金濤等[9]指出機械零件產品是按照具有確定的幾何約束關系特征設計制造的，在產品的模型重建過程中，一個重要的目標即是還原其特征以及相互之間的約束，并基于特征約束建立了優化數學模型。凌衛青等[10-11]指出產品設計中知識模型獲取是關鍵技術，采用設計實例的形式對已有設計進行封裝和組織，定義了性能特征類型，討論了由性能需求到產品結構特征和制造特征的映射研究。肖海燕等[12]提出基于 STEP應用協議中零件特征庫的新的零件庫實現方法，通過對零件庫開發工具的原理、實現方式的研究，豐富和發展了零件庫標準的理論。張禹等[13]針對快速設計符合用戶需求產品的模塊組合方法，提出基于實例推理的數控車床智能模塊組合方法。胡淑慧等[14]根據工序模型的演變過程將工藝規程進行分類，提出以工序模型的變化作為工藝知識劃分的依據，實現更精確的工藝知識分類與重用。朱文博等[15]提出了基于形狀拆分的機械零件三維模型檢索方法，可實現零件三維模型之間快速準確地匹配。

學者們針對加工特征、工序模型和工藝優化開展了大量探索研究，但卻忽略了在工藝優化中不同工序模型加工時切削力變化對加工質量的影響。本文通過布爾差運算對零件毛坯進行加工特征的識別，得到零件加工工序間模型，進行典型面組的工序規劃，即得加工工藝路線，針對不同三維工序模型通過切削力預測模型進行動態載荷預測，最后進行切削參數優化得到最優工藝路線并存入工藝數據庫。

1　面向三維工序模型的布爾差運算

1.1加工特征定義

工藝路線譜系指對零件的加工類型及加工特征進行相似分類，并針對加工特征所對應的工序信息編碼進行整合而成的加工方案。

在零件由毛坯向最終狀態的演變過程中，需經過不同的加工工序模型，并通過逐步切除自身多余的材料而最終完成零件的加工。從上一道工序模型中去除部分材料就生成了下一道工序模型，而期間去除的材料即構成加工特征。機加工零件模型由具有相互依賴關系的加工特征疊加而成，通過分析基本加工特征，將其歸納為凸、凹和修飾3類特征。由圖1可以看出，凸特征主要包括凸臺及肋板，其中凸臺為主要特征；凹特征主要包括環、階梯、孔系和槽系；修飾特征主要包括倒邊、倒角及倒圓特征。特定曲面的形成即為加工特征與工序模型布爾操作的結果表達。

圖1　加工特征定義

1.2三維工序模型獲取步驟

零件完整的機加工工藝一般由多道工序組成，相應地就會產生多個工序模型及加工特征。獲取機加工零件毛坯模型的過程可以看作是完成一個工序模型和加工特征裝配的過程，其中，可將零件設計模型看作裝配的母體，所有的加工特征可以看作裝配零部件，由此裝配過程中形成的模型就組成了加工工序模型，最終形成的毛坯模型即為總裝配體。圖 2詳細描述了某零件機加工的工藝路線和工序模型、加工特征三者之間的關系，通過典型加工特征的識別與毛坯模型進行布爾差運算，得到工件加工工序間模型，工藝路線的形成即為工序路線的正確疊加重組。

圖2　三維工序模型獲取流程

由于零件加工工藝要求及加工條件的不同，零件的加工順序與零件從設計模型生成毛坯模型的順序可能不同，導致零件加工過程中獲得的工序模型與搭建裝配過程中的模型不同，因此需要根據加工要求對各工序的加工特征進行調整重構，運用布爾差操作生成最佳的工序模型。

1.3三維工序模型獲取方法

零件基本模型特征是毛坯，零件加工過程可以認為是對毛坯進行的材料刪減工作。毛坯從加工的第一道工序起直到最后形成零件之前，每道工序會形成一個中間模型，該中間模型是通過對前一道工序零件形狀進行布爾差操作而得。加工特征則是通過前后兩道工序模型之間幾何特征的改變而獲得的，因此需在工序間模型和加工特征之間建立關聯關系。以車削加工為例，圖 3建立了零件車削加工過程中的工序模型及加工特征，通過布爾差運算完成了毛坯到零件的實現。

圖3　基于加工特征的三維工序模型獲取

由以上關系可知，后一道工序模型由前一道工序模型與該道工序相應的加工特征進行布爾操作完成。因此，為實現機加工零件的快速工藝規劃設計，要求根據加工特征與工序模型的依賴關系快速識別零件模型中的加工特征類型，迅速還原加工特征及工序模型，在加工工藝要求的限制下，得到最佳的工序模型組合，通過布爾差操作得到相應加工特征。

2　基于三維工序模型工藝優化

2.1基于三維工序模型的切削力預測模型

零件在加工過程中，由于三維工序模型和加工面組的變化引起刀具-工件接觸區域動態變化，從而產生切削載荷不穩定、切削力急劇變化的現象，因此建立復雜型面切削力預測模型。本文采用 B樣條曲線插值參數化的方法進行建模，首先將切削刃和待加工表面輪廓線按一定的間隔取點，運用均勻三次B樣條曲線進行插值，再運用B樣條曲線反算法得到圓弧車削起點及終點坐標，建立一套準確的動態切削力預測模型。

切削力是由被切削材料的變形和刀具-工件的摩擦產生，可分解為沿切削速度方向的切向力 Ft和刀具基平面上的摩擦力Ffr，其中Ffr可進一步分解為基平面上相互垂直的軸向力Ff和徑向力Fr；摩擦力Ffr的方向角β即Ffr與X軸的夾角。由于刀尖圓弧半徑r的存在，以及切削時進給f方向和切削深度 ap的不斷變化，使得切削厚度沿切削刃的每一接觸點分布均不相同，因此切削力也非均勻分布，如圖4所示，假設當前(第j次)進給的刀尖圓弧刃都是與前一次(第j–1次)進給的刀尖圓弧刃相交。

圖4　刀具-工件接觸區域的切削力分布

針對刀具-工件接觸區域，引入切削刃和待加工表面輪廓線的插值B樣條曲線方程式(1)和(2)：

其中，P和Q分別為切削刃和待加工表面輪廓線的控制點矩陣。N(u)和N(t)為B樣條曲線遞推公式的方程表達式。

結合均勻三次B樣條曲線反算得出整個刀具-工件接觸區域的面積 At和接觸刃長度 Lt，計算公式如下：

其中，BEKj–1為均勻三次B樣條曲線。

沿切削刃將刀具-工件接觸區域劃分成許多微元，切削力微元就可表示為所在微元的面積dA和局部切削刃接觸長度dL的函數[16]：

其中，Ke(Kte和Kfre)和Kc(Ktc、Kfrc1和Kfrc2)分別為刃口摩擦系數和切削力系數，可以通過直線車削試驗確定。對式(6)和(7)分別進行積分后可得到每一次進給瞬時的切削力計算公式，從而構建復雜型面車削動態切削力預測模型。

其中的 Ffr需要依據刀具-工件接觸區域的幾何劃分類型區分計算Ffrc1和Ffrc2確定。

2.2面向工藝參數的優化過程

針對零件加工過程中工序模型的識別和加工特征的獲取，需參考機械行業標準JB/T5992.1對工序進行編碼設置。對于零件機加工實際存在的工序類型，結合專家經驗及對應的加工要求，對工序進行更細致的分類編碼。表 1所示為部分工序信息編碼表。

工藝設計是產品開發的前提，工藝規劃的優劣直接影響著產品的質量。

表1　部分工序信息編碼表

針對復雜型面車削載荷動態變化原因分析，若使用同一把刀具切削，如果不考慮切削熱和切削液等因素對切削力的影響，則其變化主要由切削參數變化引起。在某一道工序加工中，一般多個型面使用同一把刀具，甚至只能使用一把特定的刀具，所以重新選用刀具或者改變刀具幾何參數的方法并不可行，只能通過改變切削參數的方式控制切削載荷。本文主要以切削深度和切削速度作為設計參數，以加工時間作為優化目標，以最大切削力作為主要約束進行工藝優化研究，其優化流程圖見圖5。

3　切削載荷時不變工藝優化實例

3.1車削工藝路線譜系獲得

對于車削加工來說，其加工特征主要為回轉特征。工序模型是對加工表面外形具體的描述，關系到刀具的幾何參數選擇及加工工藝路徑的規劃，圖 6所示為某典型零件車削加工過程中一個三維工序模型，其對應的典型面組包括：圓柱面、端面、凹型面和凸型面。

圖5　優化流程圖

圖6　零件車削加工實例

由零件車削加工過程分析，并根據表 1所示的工序信息編碼表，可得實例零件的工藝路線譜系如表2所示。

表2　車削實例工藝路線譜系

圖7為依據表2所示車削工藝路線譜系進行加工所得切削合力的變化曲線。其中，圓柱面及端面的車削加工工藝較簡單，此處不再贅述。

由曲線走勢可看出，切削力在18 s左右達到了最大值，此時刀具處于工件凹型面與凸型面圓弧連接處，18 s以后進入了凸型面圓弧切削。按照表 2所述工藝路線成功地完成了零件車削加工，但是切削力在15～20 s之間變化相對劇烈，容易導致刀具崩刃，為提高加工效率及刀具使用壽命，對其工藝參數進行優化。

圖7　工藝優化前切削載荷變化曲線

3.2基于切削力預測模型的參數優化

本例主要利用基于 B樣條的復雜型面統一切削力預測模型，通過離線變參數優化方法進行工藝優化研究。

切削深度的優化通常在不改變毛坯尺寸和加工余量的前提下，通過改變瞬時切削深度得以實現。由于凹型面的切削力提升較快，且其較大的載荷對加工來說比較危險，因而凹型面的切削力控制是工藝設計人員較為關注的，通過預測模型可以看出切削力的變化范圍得到了有效控制，且載荷變化較為平緩。由于在高速切削過程中，金屬的流動速度會大于塑性變形的速度，導致剪切角的增大，與此同時切削溫度也隨之提高，使得變形區的金屬層變形程度降低，又進一步增大剪切角，從而降低了切削力。從某種程度上講，在一定范圍內提高切削速度對控制切削力是有效的。圖 8為切削參數優化后的切削力走勢，可以看出切削參數的優化對載荷的動態變化起到了有效控制。

圖8　工藝優化后切削載荷變化曲線

3.3車削工藝優化原型系統

智能車削數據庫系統主要實現面向三維工序特征的車削力預測與工藝優化，系統的開發采用ExtJS作為前臺開發工具，同時運用平臺移植性高、通用性強的Java語言作為后臺服務和數據管理的開發工具。

該系統主要包括基于車削加工的特征推薦模塊、基于三維工序模型的刀具和切削參數推薦模塊、基于切削力預測模型加工工藝優化模塊和加工結果預測模塊。首先能夠對車削加工特征進行選擇確定，如圖 9所示；且能夠針對車削加工特征要求，形成車削工藝路線信息，實現刀具和切削參數的選擇推薦，如圖10所示。根據推薦的切削參數進行動態切削力模型的預測和切削參數優化，獲得較平穩的切削載荷變化，切削參數優化界面如圖11所示，顯示了優化前后的切削載荷變化曲線。

圖9　基于三維工序模型的加工特征選擇界面

圖10　加工特征、刀具、切削參數選擇推薦界面

圖11　切削參數優化界面

4　結　論

本文運用布爾差運算實現零件從毛坯到零件設計模型之間三維工序模型的提取，并對其進行加工特征及典型面組的識別，通過對工序模型的疊加與重構獲得工藝路線譜系。通過基于 B樣條曲線的復雜型面車削動態切削力預測模型進行動態載荷的預測，并通過切削參數的優化得到平穩的載荷變化趨勢，使得零件加工過程達到最佳狀態，從而縮短工藝設計周期、提高零件加工精度。

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The Process Optimization Strategy Based on Three-Dimensional Process Model Cut Load Dynamic Change

Zhao Qian,Jiao Li,Tan Fanghao,Luo Zhiwen,Wang Xibin,Wang Zhao

(Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Integrating parts machining feature as well as constraints of various aspects, the right classification of typical surface groups is obtained by using of Boolean difference calculation. The surface groups is needed to generate typical process line spectrum for the sake of speeding up process design and optimization. According to the analysis of dynamic characteristics on the cut-part contact from the machining of difference three-dimensional process model typical surface groups, the dynamic cutting force prediction model of complex surface machining based on B-spline curves is used to analyze the changes of dynamic load, and effective control of cutting load is achieved through the optimization of cutting parameters. Finally, the turning of a part is carried out as a verification of the feasibility of the process optimization strategy.

three-dimensional process model; Boolean difference calculation; process spectrum line; cutting forces prediction model; process optimization

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016010049

A

2095-302X(2016)01-0049-07

2015-06-24；定稿日期：2015-09-10

國家自然科學基金項目(51105035)

趙倩(1990–)，女，河北河間人，碩士研究生。主要研究方向為切削機理、切削數據庫、工藝知識庫。E-mail：zhaoqianbit@sina.com