數控加工切削參數優化探討與實踐

任德寶

（甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207）

在現代自動化、柔性化、數字化的加工模式之中，數控加工是一項重要的智能制造技術。要促進加工行業的發展，就要積極研究和優化數控加工技術，利用計算機CAD/CAM技術，對切削參數進行優化，進而改善生產效率，同時控制生產成本。在數控加工技術應用的過程中，尤其是曲面加工，其切削條件會發生變化，如果持續采用傳統的切削參數，并長久不變，會影響機床生產效率，也會降低刀具的使用壽命。所以，要根據實際加工需求，對數控加工切削參數進行優化和改進。

1 數控加工特點

目前，我國經濟水平在不斷提升，智能化、自動化、數字化等技術也在飛速發展。其中，數字化技術廣泛應用在各個領域之中，尤其在生產加工行業中的應用表現十分突出。數字化生產技術的應用，不僅改善了生產效率，還解決了各類生產難題，并且提升了產品質量、生產精確度等，進而滿足了自動化的發展要求，同時減少了生產成本的大規模投入。在數字化技術中，數控加工作為智能制造的重要加工方法，以計算機CAD/CAM技術為基礎，引入人工智能和工業機器人，實現了加工生產的自動化。利用自動化的生產技術，可以縮減生產所用時間，提高加工精度和生產質量。當然數控編程、數控機床加工等方面只有結合跟多的新技術新工藝才可以改善零件加工質量，提升機床性能，進而促進我國加工行業的進步與發展。

2 切削參數優化必要性

在我國經濟發展過程中，國內各大企業對先進制造技術的需求在不斷增加，利用CAD/CAPP/CAM等技術，可以改善生產效率，提升加工精度，進而增加企業競爭力，加大企業在國際市場中的地位。但是，大規模CAD/CAM集成系統需要較高的運行成本，設備和高素質的高技能人才的引進都是中小型企業無法承受的。在生產實踐中我們發現，針對數控加工切削參數優化進行研究，不僅可以充分發揮加工系統的優勢，還能建立相應的數據庫，為后續工作提供更多參考依據。

此外，利用CAD/CAM技術，可以構建自動編程系統的切削參數體系，進而實現加工工序的優化依據。也就是用優化參數替換人工輸入的經驗參數，進而實現提升效率、控制成本、改善質量的優化目標，為中小型企業的發展提供更多技術支持[1]。在切削參數優化的同時，結合刀具管理數據庫，開發特定產品的加工切削參數系統，該系統可以減少新勞動力的投入，并使切削參數更加合理和規范，進而為企業帶來更大的經濟效益。

3 數控加工切削參數優化的措施

（1）建立優化模型。要實現模型的優化，可以先進行模型的轉換，將其從物理模型轉化為數學模型，進而利用數學算法來解決參數優化的問題。具體設計內容可以根據目標函數進行計算，明確各個設計條件并建立函數。同時，明確變量和控制條件，進而實現模型的建立。在模型建立的過程中，首先要明確機床參數、應用工具，然后明確速度、深度、寬度等變量參數對切削效率的影響情況。然后通過實驗測試的方式，針對不同刀具的切削寬度、切削深度來進行定位。隨之，變量只剩下切削速度和進給量兩項，在明確目標函數之前，要先明確變量，并根據變量和相應條件建立模型，可以將最大效率作為目標，建立已知量和變量函數。函數確認之后，明確約束條件。

限制機床的因素并不單一，所以加工應滿足以下幾個方面：第一，主軸轉速應與切削速度相符；第二，保證進給量符合要求；第三，機床主軸的最大進給力應該大于切削進給力；第四，機床有效功率要大于切削功率；第五，加工零件的表面粗糙程度應該符合要求[2]。

（2）優化方法。在實際生產的過程中，工藝編程人員和技術水平都會影響方案的優化與設計，對制約因素無法全面而周全的進行設想。所以在對切削過程進行優化時，需要對工藝條件以及各項參數進行考慮，分析這些原因對切削過程和過程優化的限制。通常，可以從以下是三個方面進行考慮，分別是：機床特性、刀具、夾具。這三個是比較主要的約束限制因素。例如，機床切削速度、速度大小范圍、零件和刀具的剛度、可用最大切削力、教具最大夾緊力等都會產生一定的限制作用[3]。在面對實際的優化問題時，不需要對每一個約束條件進行考慮，技術人員可以采取因地制宜的原則，根據實際的優化要求和設計條件，篩選需要考慮的約束因素，影響不大的因素可以忽略不計。

在設計切削參數優化方案時，首先要掌握生活中比較常見的機械設計問題，并根據這些問題建立相應的物理模型，然后利用相應的計算公式將這些物理模型轉化為數學模型。然后根據實際優化要求，明確設計目標，建立目標函數，最后對約束條件、函數表達形式等進行明確。在設計的過程中，要根據要求選擇切削參數，并將其看作設計的變量。此外，了解數學模型的具體性質，并根據其性質選擇最恰當的計算方法，根據所用計算方法，編程人員進行計算程序的編制，采用計算機運算的方式，獲取最優解。得到結果之后，變成設計人員再對結果進行分析和判斷，并在實際的應用中檢驗數值是否準確可靠。如果在應用的過程中出現問題，可以逐步拆解分析，明確出現失誤的步驟，并根據上述方式進行重新設計和優化。

（3）遺傳迭代計算。遺傳迭代計算的具體優化過程如下：首先，輸入基礎參數，然后對參數進行優化處理，再對基礎參數進行隨機選擇；其次，評價函數，選擇操作內容，然后進行交叉和變異操作，如果操作結果大于迭代次數則輸出最優解，并結束運算過程。如果其小于最優解，則返回評價函數階段，重新操作計算，直至獲取最優解。根據本文所述優化方式進行試驗測試，對比優化前后的參數，可以看出，優化后既可以提升機床利用率，也能縮減切削時間，同時增加工件的精度和質量。在粗加工階段，可以節約0.96s的切削時間，半精加工階段則可以節約3.6s的時間。在某個特征試驗件加工的過程中，其需要12道交叉工序，按照同樣的方法優化，零件單體加工時間可以節約112s左右。參數優化之后，加工單體零件僅需要8min34s。如果批量生產10萬工件，則可以節約3111h的加工時間。

4 結語

綜上所述，對數控加工切削參數進行優化，既可以改善加工精度，還能提升加工質量，并減少人工投入，進而加大工件生產加工帶來的經濟效益，推動我國智能制造業的發展。