基于模糊綜合評判高速鋼立銑刀切削用量優化選擇*

唐　培，田建平，黃玉春，孟思棟，謝亮亮

(四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢　643000)

?

基于模糊綜合評判高速鋼立銑刀切削用量優化選擇*

唐培，田建平，黃玉春，孟思棟，謝亮亮

(四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢643000)

摘要：針對高速鋼立銑刀銑削過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的基礎上，結合現有銑刀切削用量選擇方法，提出一種基于加權平均模型的模糊綜合評判方法。通過綜合考慮影響銑刀切削用量選擇的因素，建立以單個工序加工時間、加工成本以及刀具耐用度為目標優化模型。結合具體加工對象分析表明：基于加權平均模型的模糊綜合評判方法，能夠實現高速鋼立銑刀在銑削過程中切削用量的優化，評判結果準確、適用。

關鍵詞：模糊綜合評判；高速鋼立銑刀；切削用量優化

0引言

高速鋼立銑刀是銑削中最常見的一類銑刀，在銑削加工過程中，加工條件、機床性能、生產環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、加工成本、刀具耐用度以及銑床綜合性能等。生產過程中，切削用量的選取一般可通過切削手冊給定參數或實際經驗確定，但切削手冊的參數值通常為給定范圍，需根據實際經驗確定數值，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函數的方法優化了切削用量，周慎等人[2]使用優化設計的數學模型對高速銑削切削用量進行了優化，上述對銑削過程中切削用量的優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程中的重要性，以加工成本、加工工時、刀具耐用度最優為目標采用加權平均模型對切削用量進行模糊綜合評判，實現了切削用量的最優選用。

1切削用量優化原則

1.1切削用量選擇原則

合理地選擇切削用量對保證加工質量、提高生產效率和降低加工成本有非常重要的影響，然而，隨著機床、刀具和工件等對象的變化，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揮刀具、機床的綜合性能、提高機械加工效率、降低加工成本。

1.2切削用量優化評價指標

在滿足工件加工質量的前提下，切削用量優化主要考慮加工的經濟性，使用以下三個指標來評價：

(1)成本最低原則：單個加工工序成本最低，在交貨時間充足的前提下，可以提高此項指標的權重，經驗公式為：

(1)

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

(2)時間最短原則：單個工序所消耗的時間，它是生產效率的保證，產品交貨時間迫切時顯得非常重要，此時，在保證加工質量的前提下提高此項指標。經驗公式為：

(2)

其中：L代表切削長度，fz代表每齒進給量，l代表附加進給長度，z為銑刀齒數，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的生產成本，主觀觀點是刀具耐用度越久越好，但是在計算刀具壽命的同時還得考慮工件質量、加工成本以及生產效率等因素，刀具耐用度經驗公式：

(3)

其中：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。X,Y,Z與加工條件有關。

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，利用模糊集理論進行評判。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。銑削過程中影響銑削用量優選的因素比較復雜，綜合分析各種情況，選擇加工工時、加工成本和刀具耐用度為銑刀切削用量優化綜合評判的因素量。

2.2模糊綜合評判步驟

③單因素評判.

f:U→ζ(V)，

由模糊函數引導出模糊關系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(·,+)計算得綜合評判：

B=A·R

3應用實例

加工機床：X5032立式銑床；

加工刀具：直徑φ25mm，齒數為4的高速鋼立銑刀；

加工工序：粗銑平面；

工件材料：45#(HB220，熱軋，調質處理，σb=650MPa)。

根據實際加工工序查文獻[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[15]得：C0=2，m=0.5,n0=0.5,m0=1。

根據高速鋼立銑刀粗銑時切削用量推薦表1可知。

表1　高速鋼立銑刀粗銑切削用量推薦表

計算步驟：

根據上述三個綜合評判原則選擇不同切削深度、不同的切削速度(區間數據以整數1為等差進行選擇)以及不同的進給量可計算出加工成本、加工時間以及刀具耐用度，并選擇同一種切削深度中最優的一個方案進行模糊綜合評判，方案如表2所示。

表2　銑削用量優化方案表

表3　評價等級表

(2)建立評價集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)建立因素評判矩陣。可通過各個因素和方案之間的聯系確定對應的隸屬函數，用R=(rij)3×4表示。

(4)隸屬函數確定

采用指派隸屬函數的方法，依據表3可知，各因素之間關系比較簡單，在區域上成線性函數。則加工時間的隸屬函數為：

加工成本的隸屬函數為:

刀具耐用度的隸屬函數為:

將方案中數據帶入上述3個公式中，得出對應隸屬度：

甲方案加工時間為0.948，隸屬度為:

加工成本為1.75則:

刀具耐用度為52.737則:

相應地可得到乙、丙、丁種方案的3項優化指標的隸屬度，可確定單因素評價矩陣：

(5)綜合評判，利用平均加權模型M(·,+)計算得：

B=A·R=(0.7310.7470.5430.445)，

進行歸一化處理，得B=(0.296,0.303,0.220，0.181)，

B為方案的最終評判結果，可知乙為最佳方案，其次是方案甲、丙，丁方案為最差。

4結論

通過基于實例的模糊綜合評判方法對銑削過程中切削用量進行優化選擇以及采用實例進行驗證，可知模糊綜合推理方法在機械加工中有良好的應用。確定了在滿足加工質量的前提下采用最少加工時間、最小加工成本以及最大刀具耐用度為切削用量優化準則的合理性。采用平均加權的模糊評判完成優化方案的選擇，實現了銑削用量的優選。不足之處：因素權重的確定采用專家估測法存在一定的誤差，評價等級區間的劃分采用等間距法使得樣本分布不均。

[參考文獻]

[1] 李濤，陳世平.銑削加工中切削用量的優化[J].工具技術,2009,43(12)：59-61.

[2] 周慎.高速銑削切削用量的合理選擇[J].機械設計與制造,2006(5):95-96.

[3] 王剛，韋勇福.基于模糊綜合評判的工藝加工路線研究[J].制造業自動化,2013,35(2):66-70.

[4] Tiwari MK, Ram a Kotaiah, Bhanagar S. A Case_ based Computer_ Aided Process_ Planning System for Machining Prismatic Components[J]. Advanced Manufacturing Technology,2001,17:400-411.

[5] 頡潭成，徐彥偉，李慶軍，等.基于模糊綜合評判的零件特征加工方法決策研究[J].農業機械學報,2005,36(8):129-131.

[6] 王國勇.基于模糊綜合評判的CAPP系統工藝決策過程研究[J].中國科技信息,2011(9):137-147.

[7] 曾盛綽，韋勇福，馬俊燕，等.基于約束矩陣與遺傳算法的工藝加工順序決策研究[J]. 機械設計與制造,2012(7):205-207.

[8] 叢琳，李志民，潘明惠，等.基于模糊綜合評判法的電力系統信息安全評估[J].電力系統自動化,2004,28(12)：65-69.

[9] 邵暉，胡寶清，王瑜.基于模糊綜合評判的耕地整理潛力評價[J].資源科學,2007,29(4):146-151.

[10] 田建平，張旭，米長富，等．集成產品特征映射與可制造性分析[J]．組合機床與自動化加工技術,2010(7):109-112.

[11] 李慶軍,劉軍,張永明.CAPP開發工具智能組件的研究[J]. 現代制造工程,2003(6): 39-40.

[12] 謝勝利，黃強，林蘭芬.基于實例的智能工藝設計系統[J].計算機應用研究，2002(9):97-103.

[13] 黃永生.基于PDM的CAPP系統的開發研究[M].武漢:武漢科技大學，2003.

[14] 陳家芳.實用機械工人切削手冊[M].南京:江蘇科學技術出版社，2007.

[15] 徐鴻本，姜全新.銑削工藝手冊[M].北京:機械工業出版社，2012.

(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：TH16；TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：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)15692913242@163.com。

*基金項目：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)

收稿日期：2015-04-16；修回日期：2015-05-13

文章編號：1001-2265(2016)02-0030-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.009