復(fù)雜曲面的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化的研究

潘平盛 黃小娣

（廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動(dòng)化系，肇慶 526040）

復(fù)雜曲面由諸多自由曲面組成，無(wú)法準(zhǔn)確表示結(jié)構(gòu)形式，對(duì)銑削技術(shù)的加工精度有極高的要求。選取數(shù)控工藝時(shí)，如果加工參數(shù)不恰當(dāng)，易加工出超差工件，不僅無(wú)法完成生產(chǎn)任務(wù)，還會(huì)提高加工成本。

1 現(xiàn)有銑削參數(shù)確定的情況

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中涉及到大量復(fù)雜曲面，導(dǎo)致銑削處理技術(shù)的要求標(biāo)準(zhǔn)較高。如何保障加工效率及品質(zhì)，逐漸成為數(shù)控加工研究的熱點(diǎn)。影響銑削精度的因素主要有切削參數(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作材料和刀具等，其中切削參數(shù)最重要。目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控加工運(yùn)用潛力和優(yōu)勢(shì)尚未完全突顯。如果選擇運(yùn)用傳統(tǒng)處理經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)，會(huì)引發(fā)諸多問(wèn)題。因此，需探究銑削加工的參數(shù)，保障此工序的落實(shí)成效。若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，會(huì)影響機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)效率和零件成品質(zhì)量。第一，空走刀頻率增加，零件的有效加工時(shí)間短，使得制造時(shí)間長(zhǎng)。第二，機(jī)床及刀具會(huì)發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)，導(dǎo)致零件成品表面精度低。第三，零件轉(zhuǎn)角位置容易拉刀，從而造成過(guò)切的問(wèn)題。第四，刀具容易受損，出現(xiàn)磨損明顯、刀具使用壽命縮短等問(wèn)題。第五，工時(shí)設(shè)定不準(zhǔn)確，無(wú)法提升零件制作管理效果[1]。

2 銑削加工的參數(shù)優(yōu)化方式

2.1 Mastercam軟件

該軟件在數(shù)控加工中有較好的應(yīng)用效果，對(duì)所用硬件的品質(zhì)要求偏低，易于操作和使用，且能和較多規(guī)格的機(jī)床搭配使用。復(fù)雜曲面加工是數(shù)控加工處理的特殊功能，有極高的實(shí)用性特征。Mastercam可模擬刀具的行進(jìn)軌跡進(jìn)行仿真加工。因?yàn)樵撥浖涌谝?guī)格較多，所以具有顯著的兼容效果。它利用自身?yè)碛械慕涌诔绦颍芎椭T多軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Mastercam軟件的運(yùn)用給粗加工提供了較多的改良技術(shù)，優(yōu)化了工件加工速度與品質(zhì)。同時(shí)，Mastercam還能提供諸多曲面的精加工程序，技術(shù)員能直接選出最優(yōu)制作方式，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體工件的復(fù)雜化加工。

Mastercam主要有5項(xiàng)功能。第一，設(shè)計(jì)制造。使用該軟件能夠生成平面及立體圖形，可進(jìn)行多種復(fù)雜曲面制作，如舉升曲面、直紋曲面等，且其能提供球形和圓錐等實(shí)體造型，還能夠?qū)^為復(fù)雜的形體進(jìn)行擠壓和旋轉(zhuǎn)等操作。第二，機(jī)械加工。Mastercam可進(jìn)行銑削及線切割等工作，并可分別給出多個(gè)加工方式。第三，仿真模擬。技術(shù)員可在操作屏幕中模擬切削加工情景，生成仿真結(jié)果報(bào)告。第四，和數(shù)控機(jī)組通信，輸出數(shù)控代碼，并通過(guò)接口把數(shù)據(jù)傳到數(shù)控機(jī)組中，以完成自動(dòng)編程，繼而簡(jiǎn)化編寫及錄入程序環(huán)節(jié)的流程。第五，管理及交換數(shù)據(jù)信息。操作者能實(shí)現(xiàn)各類規(guī)格文件資料與Mastercam數(shù)據(jù)庫(kù)信息的互相轉(zhuǎn)化，且該軟件自帶刀具與材料信息庫(kù)，有利于提高數(shù)控加工的便利性[2]。

該軟件的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)需構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，設(shè)置變量x、目標(biāo)函數(shù)f(x)以及約束函數(shù)g(x)，借助數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容改進(jìn)工藝參數(shù)。

2.1.1 優(yōu)化變量

在改進(jìn)設(shè)計(jì)變量中，科學(xué)確定參數(shù)變量是保證工藝設(shè)計(jì)得以優(yōu)化的重要前提。復(fù)雜曲面工件制作加工任務(wù)，數(shù)控機(jī)床不能按照加工訴求在加工期間不斷改變加工參數(shù)。在加工處理期間，切削條件一般會(huì)有明顯波動(dòng)。特定走向段中，切削條件出現(xiàn)波動(dòng)的區(qū)間偏小。為降低優(yōu)化處理過(guò)程的復(fù)雜性，在恰當(dāng)切削范疇中，能以某點(diǎn)位的切削加工狀態(tài)代表其他位置的狀態(tài)。因此，加工期間可先設(shè)置典型走刀路徑，同時(shí)設(shè)置對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)，得出加工參數(shù)矢量x：

式中：ap是指背吃刀量；ae是切削的步距；n是路徑的數(shù)量。

2.1.2 目標(biāo)函數(shù)

在數(shù)控加工中，采用高效的加工方式是為了獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益。所以，在優(yōu)化參數(shù)時(shí)，需要考慮經(jīng)濟(jì)效益，合理化調(diào)整目標(biāo)函數(shù)，生成有關(guān)切削處理參數(shù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。相關(guān)參數(shù)包括生產(chǎn)率最大值、成本最小值以及加工利潤(rùn)最大值等。

加工利潤(rùn)的目標(biāo)函數(shù)Pr為：

式中：S表示加工工件的單件利潤(rùn)值；C表示加工工件的成本；t表示加工時(shí)間[3]。

基于加權(quán)計(jì)算方式，綜合3個(gè)目標(biāo)函數(shù)在具體加工項(xiàng)目中所起的作用設(shè)置加權(quán)值，以組成最終的目標(biāo)函數(shù)。

2.1.3 約束條件

在優(yōu)化加工參數(shù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)的制作條件和加工標(biāo)準(zhǔn)，梳理切削加工的約束條件。數(shù)控機(jī)床加工機(jī)組的約束變量為進(jìn)給速度、切削力及切削速度，工件品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的約束變量為切削速度、進(jìn)給量及切削力的最大值，刀具的約束變量為切削力、切削速度與進(jìn)給量，夾具的約束變量為切削力。

2.2 KEB技術(shù)

基于知識(shí)的工程（Knowledge Based Engineering，KEB）技術(shù)是借助知識(shí)驅(qū)動(dòng)和繁衍確定加工任務(wù)最優(yōu)處理方案的一種集成化處理方式。由于此項(xiàng)技術(shù)具備顯著開(kāi)放化的特點(diǎn)，目前還未產(chǎn)生較為完整統(tǒng)一的界定。綜合現(xiàn)有界定成果，KEB技術(shù)概括為是對(duì)于行業(yè)專家知識(shí)的集成、運(yùn)用創(chuàng)新及管理，整合多種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（Computer Aided X，CAX）和 人 工 智 能（Artificial Intelligence，AI）科技的一項(xiàng)綜合技術(shù)。運(yùn)用KEB技術(shù)能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用多種形式描述知識(shí)及規(guī)則，把數(shù)控專家所積累的經(jīng)驗(yàn)編入系統(tǒng)，借助系統(tǒng)指示實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。在設(shè)定規(guī)則環(huán)境中，若操作人員手動(dòng)設(shè)置參數(shù)異常，系統(tǒng)會(huì)直接發(fā)出提醒并提供修改方向參考。應(yīng)用KEB技術(shù)主要包括以下過(guò)程。

2.2.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)

應(yīng)用KBE技術(shù)需先設(shè)置參數(shù)信息庫(kù)。由于各項(xiàng)參數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)性，要選出主軸轉(zhuǎn)速、切削深度等參數(shù)，需先確定機(jī)床信息、零件材料等已知條件。構(gòu)建已知條件數(shù)據(jù)庫(kù)后，需設(shè)置技術(shù)參數(shù)庫(kù)。二者是有聯(lián)系的，具備推理關(guān)系，即已知條件與工藝參數(shù)相對(duì)應(yīng)。此處形成的聯(lián)系是基于專家經(jīng)驗(yàn)確定的[4]。

2.2.2 設(shè)置規(guī)則條件

設(shè)置規(guī)則條件包括推理和檢驗(yàn)兩項(xiàng)。推理?xiàng)l件是指已知條件與參數(shù)之間原有的推理聯(lián)系，如數(shù)控機(jī)床的最快轉(zhuǎn)速不能小于工藝主軸轉(zhuǎn)速，刀具與切削參數(shù)之間關(guān)系到刀具耐磨程度及溫度等。檢驗(yàn)條件是用來(lái)驗(yàn)算設(shè)置參數(shù)是否在規(guī)則限定區(qū)間內(nèi)的條件，如切削力和加工時(shí)長(zhǎng)等[5]。

2.2.3 選定加工參數(shù)

在選定加工參數(shù)的過(guò)程中，需要確定刀具和檢驗(yàn)規(guī)則等參數(shù)。其中：刀具參數(shù)包括直徑和材料，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇；檢驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置需要滿足機(jī)床與刀具的工作需求，注重安全值與制造精度標(biāo)準(zhǔn)。首先，計(jì)算切削力。此參數(shù)在切削期間會(huì)出現(xiàn)變化，在參數(shù)優(yōu)化中通常表示最大的切削力值。其次，確定切削溫度。切削作業(yè)中，變形及摩擦耗用的功絕大部分會(huì)變成熱能。在確定溫度參數(shù)時(shí)，需計(jì)算剪切溫升和摩擦面溫升得到溫升均值。再次，選擇耐用性合適的刀具。該參數(shù)表示從刀具開(kāi)始使用直至摩鈍的時(shí)長(zhǎng)，與切削速度、切削材料及進(jìn)給量有關(guān)。最后，估算粗糙度。一般曲面加工包含粗加工、半精加工以及精加工。成品粗糙度參數(shù)與刀具軌跡相關(guān)，需按照走刀方式確定估算思路。例如，環(huán)形走刀會(huì)形成橫縱兩個(gè)方向的粗糙度，其中縱向粗糙度難以預(yù)測(cè)且影響不大，實(shí)際優(yōu)化中可僅考慮橫向參數(shù)[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜全面的銑削參數(shù)以主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量等相關(guān)數(shù)據(jù)為主，借助Mastercam仿真模擬和KBE技術(shù)，能夠達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)、保障加工產(chǎn)品質(zhì)量的目的。本文提出的優(yōu)化方式已通過(guò)細(xì)化分析驗(yàn)證了此種改進(jìn)方式的可行性，結(jié)果顯示該方式的優(yōu)化效果良好。