數控機床加工工藝參數優化及試驗

(江蘇省江陰中等專業學校,江蘇 江陰 214433)

0 引言

隨著制造業的快速發展和自動化程度的提高,數控機床作為現代制造業的重要設備之一,已經被廣泛應用于各個領域[1]。數控機床可以通過數字控制技術對工件進行高精度、高效率的加工,極大地提高了生產效率和加工精度,同時也減少了人工操作的誤差和勞動強度[2-3]。然而,加工工藝參數作為數控機床加工過程中的重要因素,直接影響加工效果和質量。因此,如何優化加工工藝參數,提高數控機床的加工效率和質量,成為了制造業領域的重要研究方向之一。

在目前的研究中,一些優化方法已經被提出,例如試驗設計法、響應面法、人工智能等。但是,這些方法也存在一些不足,如難以考慮多目標優化問題、優化效果難以保證等。因此,本文提出一種基于遺傳算法的加工工藝參數優化方法,并通過實驗驗證其有效性[4]。同時,本文介紹數控機床的基本結構和加工工藝流程,以及加工工藝參數的種類和影響因素。希望能夠對數控機床加工工藝參數優化和實驗研究的相關領域提供一定的理論和實踐指導。

1 數控機床的基本結構和加工工藝流程

1.1 基本結構

數控機床是一種基于數字控制技術的高精度自動化機床。它由機床主體、數控裝置、電器控制系統和輔助設備等組成。數控機床的基本結構主要包括以下幾個部分[5-6]。

1)機床主體。數控機床的機床主體通常由床身、工作臺、立柱和橫梁等組成。床身是機床主體的主要承載部件,其承載工件及刀具的力和轉矩。工作臺是床身上的移動工作臺,用于夾緊和定位工件,并與刀具一起完成加工。立柱和橫梁分別位于工作臺的兩側和頂部,用于支撐刀具和主軸的移動。

2)數控裝置。數控裝置是數控機床的核心部件,由數控系統、編程裝置和輸入設備等組成。數控系統是數控機床的控制中心,根據預先編寫好的加工程序,控制各個動力部件的運動,實現工件的精確加工。編程裝置用于編寫加工程序;輸入設備則用于將程序輸入到數控系統中。

3)電器控制系統。電器控制系統是數控機床的動力來源,由伺服電機、變頻器、控制器等組成。伺服電機是數控機床的驅動部件,通過變頻器實現轉速和轉矩的調節。控制器則負責將數控系統發出的指令轉化為電信號,控制伺服電機和變頻器的運行。

4)輔助設備。輔助設備包括冷卻液系統、夾具和工件測量系統等。冷卻液系統用于降低切削溫度,減少刀具磨損和工件變形。夾具用于固定和定位工件,保證加工精度。工件測量系統則用于檢測工件的尺寸和形狀,以便實時調整加工參數并提高加工精度。

1.2 加工流程

數控機床的加工工藝流程通常包括以下幾個步驟:

1)設計加工工藝。在進行數控加工前,需要進行工藝設計,包括選擇合適的加工方式、刀具、切削參數等。設計合理的加工工藝能夠提高加工效率和加工質量。

2)編寫加工程序。加工程序是數控機床加工的指令集,編寫加工程序需要根據工藝設計選擇合適的切削參數和加工路徑,并根據加工過程中所需的各項功能進行編寫。

3)加工前的準備工作。加工前,需要進行機床的檢查和保養,檢查數控裝置和電器控制系統是否正常運行,檢查刀具和工件夾具是否安裝正確,確定切削參數等。

4)加工過程中的監控與控制。加工過程中需要對機床、刀具和工件等進行實時監控和控制,以確保加工質量和安全。數控機床可以通過數控系統自動控制加工過程中的各項參數,例如轉速、進給速度、加工深度等。

5)加工后的處理。加工完成后,需要對加工件進行檢查和處理。檢查加工件的尺寸、形狀、表面粗糙度等指標是否符合要求,對加工件進行清潔和包裝,以便進行下一步工序。

2 加工工藝參數的種類和影響因素

加工工藝參數是指在數控加工中,影響切削過程的各項參數,包括切削速度、進給速度、切削深度、切削寬度、切削力、切削溫度等[7]。這些參數會直接影響加工件的表面質量、尺寸精度、加工效率、刀具壽命等指標。不同材料和工件的加工特性不同,因此加工工藝參數的選擇也會受到多種因素的影響,加工工藝參數的種類和影響因素較為復雜,需要綜合考慮多個因素來選擇合適的參數,以達到最佳的加工效果。

2.1 工件材料

不同材料的加工特性差異很大,對應的加工工藝參數也會有所不同。例如,硬度高的材料通常需要較低的切削速度和較小的切削深度,而軟性較強的材料則可以選擇較高的切削速度和較大的切削深度。

2.2 刀具材料和形狀

不同材質和形狀的刀具也會對加工工藝參數產生影響。例如,硬質合金刀具通常具有較高的硬度和耐磨性,可以使用較高的切削速度和較大的切削深度,而鉆頭等細長形狀的刀具則需要選擇較小的切削寬度和切削深度。

2.3 加工件形狀和尺寸

加工件的形狀和尺寸也會影響加工工藝參數的選擇。例如,對于長而細的工件,需要減小切削深度和切削寬度,以避免刀具振動和加工過程中的變形。同時,對于大型工件,需要選擇較低的進給速度和較大的切削深度,以提高加工效率和降低加工成本[8]。

2.4 加工精度和表面質量要求

不同工件需要不同加工精度和表面質量,因此需要選擇適當的加工工藝參數。例如,高精度加工需要較小的切削深度和較小的切削寬度,以提高加工精度和表面質量,而對于一般加工要求的工件,可以適當增加切削深度和切削寬度,以提高加工效率。

3 基于遺傳算法下加工工藝參數優化

為了獲得最佳的加工效果,需要對加工工藝參數進行優化。遺傳算法是一種基于自然選擇和遺傳進化思想的優化算法,已被廣泛應用于工程和科學領域。本章節將介紹基于遺傳算法進行加工工藝參數優化的原理和方法。

3.1 遺傳算法原理

遺傳算法是一種模擬自然進化過程的優化算法,其基本原理是模擬生物進化中的“選擇—交叉—變異”過程。在遺傳算法中,將待優化的問題看作一個個體,通過交叉和變異來產生新的個體,并使用適應度函數來評估每個個體的優劣程度,最終選擇適應度最好的個體作為最終的優化結果,工作原理如圖1所示。

圖1 遺傳算法流程圖

3.2 加工工藝參數優化方法

基于遺傳算法的加工工藝參數優化方法一般包括以下步驟:

1)確定優化目標和限制條件。需要明確優化目標和限制條件,例如最小化加工成本、最大化加工效率或最優化加工質量等。

2)選擇變量和編碼方式。選擇需要優化的加工工藝參數,并將其編碼成一個個體。

3)設計適應度函數。需要設計適應度函數來評估每個個體的優劣程度,一般將加工目標作為適應度函數的輸入。

4)初始化種群。需要隨機生成一組個體作為初始種群。

5)選擇操作。使用選擇算子選擇適應度較高的個體,以保留更好的個體。

6)交叉操作。將不同個體的編碼進行交叉,以產生新的個體。

7)變異操作。對個體進行變異,以增加種群的多樣性。

8)重復以上步驟。不斷重復以上步驟,直到達到預設的停止條件。

9)輸出優化結果。選擇適應度最好的個體作為優化結果,輸出最優的加工工藝參數組合。

4 結果與分析

通過對數控車削加工中的切削速度、進給速度和刀具半徑三個參數進行遺傳算法優化,可以得到最佳的加工工藝參數組合,以達到最小化加工成本、最大化加工效率或最優化加工質量等優化目標。試驗結果如表1所示,通過對加工工藝參數進行遺傳算法優化,得到了不同加工工藝參數組合,并計算了相應加工效率和加工質量。可以看出,不同加工工藝參數組合對加工效率和加工質量有不同影響。通過對試驗數據的分析,可以得出最佳加工工藝參數組合,以達到最優化的加工效率和加工質量。

表1 基于遺傳算法下數控機床加工工藝參數優化

5 結語

本文通過研究數控機床加工工藝參數優化及實驗研究,結合遺傳算法優化加工工藝參數,得出以下結論:

1)加工工藝參數對數控機床加工效率和加工質量具有顯著影響。

2)在加工工藝參數優化方面,遺傳算法具有較高的優化效果,可以有效提高加工效率和加工質量。

3)經過試驗分析,確定了最優加工工藝參數組合,以達到最佳的加工效率和加工質量。

因此,在實際生產中,應根據不同的加工工件和加工要求,合理選擇加工工藝參數,并利用遺傳算法等優化方法對其進行優化,以提高數控機床的加工效率和加工質量。

6 展望

盡管本文在數控機床加工工藝參數優化方面取得了一定的成果,但仍存在一些不足之處。未來的研究方向可以有以下幾點展望:

1)進一步探究加工工藝參數對加工效率和加工質量的影響規律,深入研究各種加工工藝參數之間的關系,以提高優化效果。

2)開發更加高效和精準的加工工藝參數優化算法,如基于人工神經網絡的優化算法、遺傳算法與模擬退火算法的混合優化算法等。

3)考慮多目標優化問題,以加工效率和加工質量為優化目標,構建多目標優化模型,并研究相應優化算法。

4)探究數控機床加工工藝參數與環境因素的關系,如溫度、濕度等,以便更加準確地控制加工過程,并提高加工質量和穩定性。

總之,數控機床加工工藝參數優化是一個不斷深入和發展的領域,未來的研究需要綜合運用各種理論和方法,進一步提高加工效率和加工質量,以滿足不斷增長的生產需求。