一種基于切削穩定性分析的高能效銑削參數優化方法

趙平

（重慶工業職業技術學院機械工程學院，重慶 401120）

一種基于切削穩定性分析的高能效銑削參數優化方法

趙平

（重慶工業職業技術學院機械工程學院，重慶 401120）

在保證加工質量的基礎上實現高能效加工是機械加工追求的目標，而無顫振切削是保證加工質量的必要條件。本文首先分析機床的能耗特性，提出高速無顫振銑削參數優化模型，使機床的能量利用率最大化。然后提出一種基于切削穩定域上的切削參數優化快速求解方法。結果表明，能量利用率提高了154.5%，總能耗降低了61.5%，加工時間縮短了74.8%。

高速銑削；能耗；穩定域；切削參數優化

在模具的制造過程中，都要用到數控銑削加工，而數控銑床能耗特性復雜，能耗總量大能效低，如何降低機床能耗提高能效是實施綠色制造的重要內容。在優化切削參數提高機床能耗方面，李聰波等［1］使用基于經驗力學模型優化模型，未考慮穩定切削條件，不適合高速加工；李堯等［2］考慮了切削穩定條件，建立了銑削過程利潤與銑削碳排放量為目標的優化模型，但計算過程較為復雜。

切削參數的經驗值或機床（或刀具）手冊推薦的切削參數值都較為保守，使得機床的能量利用率較低。選擇激進的加工參數在加工過程中極易出現切削顫振現象，會導致出現斷刀，質量下降，甚至損壞機床的嚴重后果。本文提出一種確保不發生顫振現象的高能效加工參數優化方法。

1 基于切削穩定性條件的高能效銑削參數優化模型

1.1 切削穩定性條件

在銑削過程中，不合理或者過分激進的切削參數會出現顫振現象，將直接影響工件的加工表面質量，縮短機床和刀具的壽命，甚至造成機床損壞。根據切削穩定性理論［3］，只要轉速和切削深度滿足公式（1）就可以獲得穩定切削條件。

式（1）中，各參數意義見文獻［3］。

1.2 銑床的能耗方程

根據機床的各耗能部件消耗特征，可以將機床的能耗分為3類，即切削能耗Ecut、變化能耗Evar及固定能耗Econt。

1.3 基于切削穩定性的高能效銑削優化模型

綜上分析，能量利用率是包含效率，能耗是相關切削參數等變量的復雜函數，所以能量利用率作為高速銑削參數優化指標的問題，實際上是一個典型多約束條件多優化目標的問題，其數學模型如下：

表1 優化結果

表2 3種優化方法的結果比較

2 面向高能效的高速無顫振銑削參數優化策略

如前所述，面向節能的高速銑削參數優化是典型約束條件下的參數優化問題。本文提出一種基于切削穩定圖的切削參數快速求解方法，優化流程按照如下步驟：錘擊法獲取機床→刀具模態參數→畫出銑削加工穩定域圖→選擇主瓣對應的主軸轉速區間→獲取對應轉速的軸向切削深度區間→依照其他約束條件優化其余參數。下面對其中的關鍵步驟進行說明。

①根據穩定域方程（式1）可以得到穩定域圖，可知曲線以下為穩定切削區，以上為切削顫振區。據此可以確定主軸轉速區間，一般選擇2個穩定域最寬主瓣區作為參數優化區間，曲線最高點對應的轉速為最佳主軸轉速中心值，即：

②徑向切削深度ae的優化區間：粗加工時，ae∈[0.5×D，0.9×D]（D為刀具直徑）；精加工時，ae=0.1×D或者ae=ξ（ξ為加工余量，且滿足ξ≤0.1D）。

③軸向切削深度ap的優化區間：ap≤λ×aplim[i][j（]λ≤0.9），其中，aplim[i][j]表示轉速i級和切削深度j級的最大深度，由穩定域方程（式1）確定。

④在優化過程中需要根據計算精度來選擇優化步長：切削寬度為Δae=0.1×D，主軸轉速為Δn=min(0.1×Δ1，0.1Δ2)，切削深度為

⑤確定進給速度Vf。在滿足切削力、功率、扭矩、切削速度等條件下盡量選擇大的Vf，以減少加工時間。

3 優化案例及實驗驗證

實驗以在北京精雕CNC500型機床銑削平面為研究對象，機床、刀具、工件及材料的具體參數，測量設備與文獻［1］相同。實驗任務是將45#鋼件300mm（L）×80mm （W）×30mm（H）銑削至23mm（H）。

結果如表1所示，基于穩定域的參數優化主要通過在穩定域上選擇合適主軸速度n，切削寬度ae，切削深度ap來尋找參數組合，適當減小了切削寬度和每齒進給量。通過3種優化方法的實驗結果對比（見表2）可以得出如下結論：①與文獻［1］的經驗法優化結果比較，總能耗Ein降低32.2%，切削時間T降低20.3%，能量利用率U提高至307.3%，而每齒切削量fz降低至72.6%，進給速度卻提高至182.7%；②和文獻［2］的SEC&Tp為優化目的優化結果比較，總能耗Ein降低38.5%，切削時間T降低25.2%，能量利用率U提高了254.5%，而每齒切削量fz降低76.6%，進給速度提高了157.7%。

4 結論

本文利用機床-刀具的動態特性建立高速銑削穩定域，然后高速銑削穩定域合理選擇主軸轉速、切削寬度、切削深度的優化區間，并通過一個簡單的迭代算法優化了銑削參數，實現了節能高效的銑削加工。

［1］李聰波，朱巖濤，李麗，等.面向能量效率的數控銑削加工參數多目標優化模型［J］.機械工程學報，2016（21）：120-129.

［2］李堯，劉強.面向服務的綠色高效銑削優化方法研究［J］.機械工程學報，2015（11）：89-98.

［3］劉強，李忠群.數控銑削加工過程仿真與優化：建模、算法與工程應用［M］.北京：航空工業出版社，2011.

Milling Parameter Optimization based on Steady State Domain for High Energy Efficiency

Zhao Ping
（College of Mechanical Engineering，Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 401120）

It is the goal of mechanical machining to achieve high energy efficiency machining with ensuring processing quality,and no chatter cutting is the necessary condition to ensure the quality of machining.Firstly,this paper analysed the energy consumption characteristics of machine tool,and high speed chatter-free milling parameter optimization model was proposed to maximize energy utilization.Then,a fast iterative algorithm was proposed to optimize milling parameters based on cutting stability lobe.The experiment results showed that the energy utilization rate was increased by 154.5%,totalenergyconsumptionwasreducedby 61.5%,andtheprocessingtimewasreducedby 74.8%,respectively.

high speed milling；energy consumption；steady state domain；cutting parameter optimization

TH16；TG54

A

1003-5168（2017）04-0110-02

2017-03-03

趙平（1962-），男，副教授，高級工程師，研究方向：模具設計制造、數控技術及數字化設計制造。