復雜曲面的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化的研究

潘平盛 黃小娣

（廣東理工學院 工業(yè)自動化系，肇慶 526040）

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

1 現(xiàn)有銑削參數(shù)確定的情況

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中涉及到大量復雜曲面，導致銑削處理技術(shù)的要求標準較高。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。影響銑削精度的因素主要有切削參數(shù)、產(chǎn)品設計、制作材料和刀具等，其中切削參數(shù)最重要。目前，國內(nèi)數(shù)控加工運用潛力和優(yōu)勢尚未完全突顯。如果選擇運用傳統(tǒng)處理經(jīng)驗確定參數(shù)，會引發(fā)諸多問題。因此，需探究銑削加工的參數(shù)，保障此工序的落實成效。若參數(shù)設置不當，會影響機組運轉(zhuǎn)效率和零件成品質(zhì)量。第一，空走刀頻率增加，零件的有效加工時間短，使得制造時間長。第二，機床及刀具會發(fā)生嚴重振動，導致零件成品表面精度低。第三，零件轉(zhuǎn)角位置容易拉刀，從而造成過切的問題。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題。第五，工時設定不準確，無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用效果，對所用硬件的品質(zhì)要求偏低，易于操作和使用，且能和較多規(guī)格的機床搭配使用。復雜曲面加工是數(shù)控加工處理的特殊功能，有極高的實用性特征。Mastercam可模擬刀具的行進軌跡進行仿真加工。因為該軟件接口規(guī)格較多，所以具有顯著的兼容效果。它利用自身擁有的接口程序，能和諸多軟件程序進行數(shù)據(jù)傳輸。Mastercam軟件的運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，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，從而實現(xiàn)實體工件的復雜化加工。

Mastercam主要有5項功能。第一，設計制造。使用該軟件能夠生成平面及立體圖形，可進行多種復雜曲面制作，如舉升曲面、直紋曲面等，且其能提供球形和圓錐等實體造型，還能夠?qū)^為復雜的形體進行擠壓和旋轉(zhuǎn)等操作。第二，機械加工。Mastercam可進行銑削及線切割等工作，并可分別給出多個加工方式。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)果報告。第四，和數(shù)控機組通信，輸出數(shù)控代碼，并通過接口把數(shù)據(jù)傳到數(shù)控機組中，以完成自動編程，繼而簡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。操作者能實現(xiàn)各類規(guī)格文件資料與Mastercam數(shù)據(jù)庫信息的互相轉(zhuǎn)化，且該軟件自帶刀具與材料信息庫，有利于提高數(shù)控加工的便利性[2]。

該軟件的參數(shù)優(yōu)化設計需構(gòu)建數(shù)學模型，設置變量x、目標函數(shù)f(x)以及約束函數(shù)g(x)，借助數(shù)學設計內(nèi)容改進工藝參數(shù)。

2.1.1 優(yōu)化變量

在改進設計變量中，科學確定參數(shù)變量是保證工藝設計得以優(yōu)化的重要前提。復雜曲面工件制作加工任務，數(shù)控機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，切削條件一般會有明顯波動。特定走向段中，切削條件出現(xiàn)波動的區(qū)間偏小。為降低優(yōu)化處理過程的復雜性，在恰當切削范疇中，能以某點位的切削加工狀態(tài)代表其他位置的狀態(tài)。因此，加工期間可先設置典型走刀路徑，同時設置對應的工藝參數(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)濟效益。所以，在優(yōu)化參數(shù)時，需要考慮經(jīng)濟效益，合理化調(diào)整目標函數(shù)，生成有關(guān)切削處理參數(shù)對應的目標函數(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最大值等。

加工利潤的目標函數(shù)Pr為：

式中：S表示加工工件的單件利潤值；C表示加工工件的成本；t表示加工時間[3]。

基于加權(quán)計算方式，綜合3個目標函數(shù)在具體加工項目中所起的作用設置加權(quán)值，以組成最終的目標函數(shù)。

2.1.3 約束條件

在優(yōu)化加工參數(shù)時，應結(jié)合現(xiàn)實的制作條件和加工標準，梳理切削加工的約束條件。數(shù)控機床加工機組的約束變量為進給速度、切削力及切削速度，工件品質(zhì)標準的約束變量為切削速度、進給量及切削力的最大值，刀具的約束變量為切削力、切削速度與進給量，夾具的約束變量為切削力。

2.2 KEB技術(shù)

基于知識的工程（Knowledge Based Engineering，KEB）技術(shù)是借助知識驅(qū)動和繁衍確定加工任務最優(yōu)處理方案的一種集成化處理方式。由于此項技術(shù)具備顯著開放化的特點，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)概括為是對于行業(yè)專家知識的集成、運用創(chuàng)新及管理，整合多種計算機輔助技術(shù)（Computer Aided X，CAX）和 人 工 智 能（Artificial Intelligence，AI）科技的一項綜合技術(shù)。運用KEB技術(shù)能實現(xiàn)應用多種形式描述知識及規(guī)則，把數(shù)控專家所積累的經(jīng)驗編入系統(tǒng)，借助系統(tǒng)指示實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。在設定規(guī)則環(huán)境中，若操作人員手動設置參數(shù)異常，系統(tǒng)會直接發(fā)出提醒并提供修改方向參考。應用KEB技術(shù)主要包括以下過程。

2.2.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫

應用KBE技術(shù)需先設置參數(shù)信息庫。由于各項參數(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)，需先確定機床信息、零件材料等已知條件。構(gòu)建已知條件數(shù)據(jù)庫后，需設置技術(shù)參數(shù)庫。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)相對應。此處形成的聯(lián)系是基于專家經(jīng)驗確定的[4]。

2.2.2 設置規(guī)則條件

設置規(guī)則條件包括推理和檢驗兩項。推理條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。檢驗條件是用來驗算設置參數(shù)是否在規(guī)則限定區(qū)間內(nèi)的條件，如切削力和加工時長等[5]。

2.2.3 選定加工參數(shù)

在選定加工參數(shù)的過程中，需要確定刀具和檢驗規(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)具體情況進行選擇；檢驗參數(shù)的設置需要滿足機床與刀具的工作需求，注重安全值與制造精度標準。首先，計算切削力。此參數(shù)在切削期間會出現(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變成熱能。在確定溫度參數(shù)時，需計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)表示從刀具開始使用直至摩鈍的時長，與切削速度、切削材料及進給量有關(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)形走刀會形成橫縱兩個方向的粗糙度，其中縱向粗糙度難以預測且影響不大，實際優(yōu)化中可僅考慮橫向參數(shù)[6]。

3 結(jié)語

復雜全面的銑削參數(shù)以主軸轉(zhuǎn)速和進給量等相關(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)化方式已通過細化分析驗證了此種改進方式的可行性，結(jié)果顯示該方式的優(yōu)化效果良好。