優化機械加工工藝的技術路徑研究

摘要：隨著我國機械制造行業的迅速發展，機械加工工藝水平在逐漸提升，機械加工工藝質量能對于機械設備零件的精準度與質量產生直接影響。通過對相關文獻進行查閱，對機械加工工藝及其一般流程進行了闡述，并分析了機械加工工藝存在的一般問題，最后從節能方面著手，確定了機械加工工藝優化的技術路徑。研究內容能夠為我國機械加工工業的健康發展提供一定理論支持。

關鍵詞：機械加工；優化模型；遺傳算法

中圖分類號：U466 收稿日期：2023-04-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.027

1 汽車機械加工概述

1.1 機械加工工藝及其一般流程

機械加工工藝指的是利用特定機械對車間的毛坯材料進行加工，進而改變其外形與結構，使其能夠真正滿足相關單位對于毛坯材料質量的基本要求，屬于機械工業生產中的一項基礎技術。在實際工作情境中，機械加工工藝的精良程度越高，零件的加工活動就會越順利，其質量也更能夠滿足工程需要。

機械加工是一項比較繁雜的系統工程，需要通過一系列步驟的實施才能實現，在加工完成之后，還存在一個專門的質檢環節，對產品的質量進行檢驗，如果產品不能通過檢驗，則證明加工環節沒有完成應有的任務目標。機械加工工藝的一般流程為：a.相關工作人員對本單位一年內的生產任務進行總結，在此基礎上確定最基本的生產方向以及產品內容。b.對零件本身的生產細節圖進行分析，確定最基本的工藝類型。c.按照確定的工藝類型選擇恰當的備用毛坯，并在上述基礎上擬定一條具體的工藝路線。d.對工序加工剩余進行精準計算，對其實際尺寸以及誤差進行精確計算。e.確定各種工具設備的型號以及類型，主要包括測量工具、裁剪工具等。f.確定零件用量、工程強度、技術規范、檢測方法等內容。g.完成工藝流程的文件總結[1]。

1.2 汽車零部件機械加工技術的特點

汽車零部件機械加工技術主要存在以下特點：a.工藝要求高。隨著經濟水平的不斷提升，消費者對于汽車性能的要求也在逐漸增加，對于乘用車市場而言，出色的機床加工精度以及加工效率是非常必要的，只有這樣才能制作出高水平的汽車零部件。b.信息系統復雜。在汽車零部件機械加工過程中，信息系統是承載數據處理、遠程監控等多種工作任務的核心結構，屬于生產線的大腦，其在實踐中需要對大量信息、數據進行有效處理，并在此基礎上提出特定優化策略，如更換刀具、自動補償等，因此，良好的信息系統是汽車零部件機械加工質量的重要保障。c.新技術不斷涌現。近年來，全世界的機械制造工業一直處在不斷發展的背景下，為了提升汽車制造質量，相關學者不斷研發各種新技術，并將其應用于汽車零部件機械加工領域。在實踐中，常見的新技術主要包括高速加工技術、工序集中化以及流程便捷化、珩磨新技術、柔性制造技術、高速刀具技術、無切削液干式切削技術、半干式切削技術。

汽車零部件機械加工主要包括三個系統：

a.工藝系統。汽車制造工藝系統主要指的是以汽車機床為核心的零部件加工系統，在當前技術背景下，工藝系統已經發展到了柔性化時代，主要組成部分包括數控機床、智能工具等。當前，相關領域的設備通常具有較強的先進性，例如發動機主軸的最高轉速已經能夠達到15 000 r/min。

b.物流系統。該系統主要包括原材料貯存及處理、機床間傳輸裝置、上下料裝置，三者共同構成物流系統的柔性制造單元。

c.信息系統。該系統的核心設備為中央處理器，通過物聯網系統實現設備調節功能，在實踐中能夠完成刀具更換、工件調度、自動監控、質量控制、自動補償、自動報警、自動編程等工作任務，同時還應具有CAM、CAD等功能。

2 機械加工工藝存在的一般問題

2.1 機械加工誤差

在進行機械加工的過程中，肯定會存在不同程度的加工誤差，工藝優化必須首先對工藝誤差進行分析。在實踐中，常見的工藝誤差類型包括以下幾種：

a.定位誤差。該誤差主要表現為定位加工時的定位不準、基準不重合，這會對加工精度造成影響。

b.機床制造誤差。根據誤差根源構件不同一般可以將其分為傳動鏈誤差、主軸回轉誤差、導軌誤差等，這幾種誤差均會對零件加工精度產生比較明顯的影響。

c.工具幾何誤差。在機械加工過程中，除了需要完整、全面的加工裝置以外，還需要利用輔助工具，這些輔助工具的質量以及應用策略也會對零件的加工質量造成影響，如夾具安裝位置不合理，就可能會導致零件加工外形無法符合規范標準[2]。

2.2 機械加工成本

機械加工成本是需要著重考量的重要內容之一，具體而言，機械加工需要消耗能源、材料損耗、機械設備等成本。在實踐中，良好的機械加工工藝能夠極大降低加工成本，進而提升企業的經濟效益，而不良的機械加工工藝則會導致加工成本顯著增加，進而對企業發展產生嚴重影響。

3 機械加工工藝優化的技術路徑

加工中心工藝路線指的是機械加工過程中，零件從原材料到制作完成后需要經歷的多個步驟的有機結合，該工藝路線的優化與機械加工工藝優化具有相當強的一致性，是整個機械加工工藝的核心內容，能夠直接應當工件的加工能耗，合理的工步規劃能夠有效降低機械加工成本。

工步規劃設計工作也是比較復雜的，在實踐中，待加工零件通常存在結構復雜、生產工序少、工步規模大等特點，采取傳統的人工經驗規劃的方式通常很難得出最優的工序排序，即使能夠獲取滿足加工約束條件的工藝路線，也可能由于決策人員原因導致工序存在較大的差異性[3]。

3.1 優化問題確定

優化問題描述與確定是最核心的工作內容，零件的加工排序是一項非常復雜的工藝內容，受到工藝特征、加工方法、刀具類型等多方面因素的影響，為了便于后期研究，本文首先對加工零件特征進行描述。

零件的加工過程、機床完成一連串工步的加工操作定義為該工步的工步元，并確定其具體組成部分，即工步號、加工特征、加工方法以及刀具、加工面所在方位幾個重要組成部分，并提出表示方法：[Sti=Ni，Fi，Pi，Ti，Di]，其中，[Sti]表示工件的第i個工步元，Ni表示工步編號，Fi表示加工特征，Pi表示加工方法，Ti表示加工刀具，Di表示工步所在的方位面。

同時，在排序過程中，相關技術人員不能完全按照自己的思路進行優化，必須遵守一定原則，具體而言，對于工序排序具有重要影響的工步，其彼此之間應當滿足一定的優先關系[4]。

3.2 優化模型建立

優化模型建立在實際工作情境中十分常見，是解決工藝設計問題的核心手段，在本次工作中，需要遵循特定流程完成該任務，具體內容如下。

a.約束的描述。在機械零件加工工藝路線設計過程中，需要遵循一定的科學原理，即對于不同的零件而言，其結構特點、制造方法均存在比較明顯的差異，相關技術人員應當根據零件的特點，對其加工面、加工方式之間的約束關系進行分析，一般分為強制性約束、優先約束兩個主要種類。其中，強制性約束指的是在排序過程中必須遵守的一些約束條件，如先粗后精，優先性約束指的是在排序過程中非必須遵守的一些約束條件，如盡量減少工作臺轉為次數等。在實踐中，需要在遵循上述約束原則的基礎上，進行加工工序設計[5]。

b.設計工步鏈智能生成算法。在上述原則的基礎上，為了得到符合條件的加工工步排序鏈，需要設計一種基于約束分析的工步智能生成算法。工件通過約束分析構造工步優先關系表，其具體內容如表1所示。

在對構造向量進行約束的過程中，相關技術人員也可以根據工件本身的特點，添加一些額外的約束向量內容，并通過工步鏈智能生成算法獲取可行性較強的加工工步排序鏈。工步鏈智能生成算法的操作流程為：生成N個加工工步排序鏈，排序方式為自由排序，并將其定義為[Sn]，并依次從中抽取向量，并將向量中的元素同約束向量群中的約束向量元素進行比較與判斷，如果下標向量群中每一個向量的第一列元素均為該下標向量的最小值，則證明，該工步向量滿足約束條件，如果不滿足，則應當對N的數值進行調整，至到其滿足要求即可，最終輸出[6]。

需要建立優化目標函數，具體公式內容為[E=Ec+Eu+Ea+Ed+Et+Es+Eo]，其中，[Ec]代表機床切削能，[Eu]代表機床空載能耗，[Ea]代表附加載荷能耗，[Ed]代表換刀系統能耗，[Et]代表工作臺轉位能耗，[Es]代表機床廣義儲能，[Eo]代表輔助能耗。以上諸多能耗之和即為總能耗，通過基于特定算法的優化模型求解即可計算出最佳能耗。

3.3 基于特定算法的優化模型求解

為了計算出最優能耗，本文決定引進遺傳算法，遺傳算法屬于當前技術背景下誕生一種比較先進的自適應搜索算法，在非線性優化問題的解決方面較為出色，在組合優化等領域被廣泛應用，并發揮出相當重要作用。基于遺傳算法的優化模型求解思路如下。

a.基因編碼。即采取二進制編碼、自然數鏈編碼的方式進行基因編碼，是遺傳算法的首要作業流程，在實踐中，二進制編碼主要適用于變量為數值的情況，而本文所研究的內容為工步排序問題，其適用性相對較差，本文選擇采用自然數字鏈編碼解決該問題。在實踐中，零件的加工由多個工步排序組成，因此，在基因編碼過程中，筆者將染色體的基因分為工步編號、刀具編號、加工特征所在方位面編號。

b.產生初始種群。初始種群指的是一組包含待加工零件工步原信息的隨機工步鏈群，采取直接生成的方式僅僅能夠獲取滿足約束條件的工步排序。為了獲得信息完備的初始種群，需要確定可行的初始種群數目，并建立相應信息，實現種群初始化。具體方法為：①工步鏈智能生成算法；②N個可行的工步排序序列；③抽取第i個工步排序序列；④依次遍歷序列i的個工步，并為其匹配可行刀具以及所在方位面；⑤完成序列初始化；⑥儲存序列i；⑦判斷i、n的具體數值，即i是否小于n，如果結果為是，則初始化結束，如果否，則重新抽取第i個工步排序序列，并進行后續流程[7]。

c.適應函數確定。即確定優化方向，在本次研究中，其目的在于優化能耗，因此，適應函數取優化目標函數的最小值。

d.復制、交叉、變異。即根據遺傳算法的基本方法對其進行全面處理，得到新的且滿足約束條件的子代。

e.運行參數以及終止條件。具體參數應當包括算法的迭代次數、初始種群數、交叉概率、變異率。在對優化問題進行求解時，需要選擇合適的終止條件，在實踐中，遺傳算法的終止條件包括按照預先設定迭代次數終止、個體適應度變化很小時終止兩個基本類型。本文所研究的是工藝路線優化問題，更適合選擇“按照預先設定迭代次數終止”這一終止條件。

4 結語

在當前，我國的機械行業快速發展，機械加工工藝不斷創新，但是在部分機械加工領域中的加工工藝落后，進而導致其零件加工質量以及零件加工成本受到嚴重影響。本文通過對相關文獻進行查閱，結合優化模型、遺傳算法對機械加工工藝中加工中心工藝路線的節能優化方法進行了全面研究與分析，并得出了一定結論。同時，隨著時代的發展，一些新型工藝也在不斷涌現，例如特種加工等，相關技術人員必須充分結合時代變化特征，對工藝技術流程進行針對性優化，只有這樣才能提升工藝的應用質量，進而提升零件加工的精良程度。

參考文獻：

[1]顧芳.機械加工工藝對汽車零部件精度的影響及完善措施[J].時代汽車，2023（7）：162-164.

[2]周思吉.基于改進粒子群算法的機械加工工藝參數優化研究[J].自動化與儀器儀表，2023（3）：130-133.

[3]軒卉.機械加工工藝技術的誤差分析及策略分析[J].輕工科技，2023，39（1）：77-79.

[4]唐迎東，馬建偉.機械加工工藝對零件加工精度的影響研究[J].造紙裝備及材料，2023，52（1）：111-113.

[5]董文龍，曹壯，徐鑫秋，等.機械加工工藝對零件加工精度的影響分析[J].現代工業經濟和信息化，2022，12（12）：252-254.

[6]印劉峰，王兵兵，郭偉.高端液壓支架機械加工工藝分析[J].中國設備工程，2022（24）：109-111.

[7]楊揚.機械加工工藝對零件加工精度的影響研究[J].造紙裝備及材料，2022，51（12）：123-125.

作者簡介：

張真海，男，1983年生，講師，研究方向為汽車機械。