【正文】 .............. 21 球頭銑刀切削加工的微元法分析 ..................................... 23 球頭銑刀切削微元的切削層參數(shù) ..................................... 25 切削層厚度 ................................................. 25 切削層寬度 Db ............................................... 26 切削面積 .................................................... 26 銑削力的一般計(jì)算方法 ....................................... 27 4 數(shù)控切削加工工藝 參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)的研究 .................................... 29 單目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 29 單件平均生產(chǎn)時(shí)間的計(jì)算 wt ................................... 29 單件平均加工成本 ((C)的計(jì) 算 ................................. 30 優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系及其合理選擇 ............................. 31 多目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 32 主要目標(biāo)法多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立 .......................... 32 基于線性加權(quán)法的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 ......................... 33 數(shù)控銑削、車(chē)削目標(biāo)函數(shù)的建立 ..................................... 33 5 數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化約束的研究 .................................... 36 約束的來(lái)源 ....................................................... 36 制約條件函數(shù) ..................................................... 36 6 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例 .......................................... 39 切削參數(shù)單目標(biāo)優(yōu)化 ............................................... 39 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立 ..................................... 39 基于 MATLAB 優(yōu)化工具箱實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型求解 ...................... 41 7 結(jié)論 .................................................................. 48 致 謝 ................................................................... 49 參考文獻(xiàn) ................................................................ 50 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 1 1 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變 化，各種先進(jìn)制造技術(shù)正逐漸地應(yīng)用于制造系統(tǒng)中。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控加工設(shè)備是制造系統(tǒng)的核心設(shè)備，是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的重要組成部分。因此，數(shù)控技術(shù)的水準(zhǔn)、擁有和普及程度，己經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。數(shù)控加工的不斷變革和創(chuàng)新，將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的效益。數(shù)控加工切削參數(shù)規(guī)優(yōu)化是數(shù)控切削加工工藝過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)，它不僅決定著數(shù)控加工技術(shù)水平和效率，也決定著產(chǎn)品的制造質(zhì)量和使用效果。 本文選題目的及意義 傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)往往需要工藝編程人員手工選擇切削速度、進(jìn)給速度等加工切削參數(shù)，才 能自動(dòng)生成數(shù)控加工程序，加工程序的質(zhì)量較大地依賴于工藝編程人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。所以切削參數(shù)的合理選擇與優(yōu)化，直接關(guān)系到能否合理地使用刀具與機(jī)床，對(duì)提高生產(chǎn)率，提高加工精度及表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本 都有重要作用，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)切削過(guò)程優(yōu)化的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)工廠在生產(chǎn)中憑經(jīng)驗(yàn)或參考切削參數(shù)手冊(cè)來(lái)選擇切削參數(shù)，這往往達(dá)不到切削參數(shù)的最優(yōu)選。隨著各種新型加工材料的不斷涌現(xiàn)，以及數(shù)控加工機(jī)床、加工中心和柔性 制造系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用，僅依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定切削參數(shù) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 2 己遠(yuǎn)不能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。 金屬切削加工切削參數(shù)中包括三要素 :切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量，該三要素是切削加工中最活躍的因素，它們是數(shù)控切削加工的基本控制量。 切削加工中，優(yōu)化選擇切削參數(shù)的問(wèn)題己成為現(xiàn)代化機(jī)械制造業(yè)中極為重要的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題 之一。本課題在數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化方面主要進(jìn)行了基于數(shù)控切削加工參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程及方法的研究。由于目前生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的方法是沿刀具運(yùn)動(dòng)軌跡采用不變速率，它不能滿足沿雕塑曲面所要求的速度， Chincling Lo提出了一種生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的新方法。 Yong Seok Suhand Kunwoo Lee 提出以雕塑曲面為約束面的任意型腔數(shù)控銑削加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法。王知行等詳細(xì)分析了一種新的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法一自適應(yīng)等參數(shù)曲線。 logo YJ. Lin, T. S. Lee 提出了一種用于自由曲面零件精加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成算法。 D. C. H. Yang, Z. Han 結(jié)合干涉檢查和刀具優(yōu)選提出了適合于自由曲面三軸數(shù) 控加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法 。楊光友等針對(duì)數(shù)控車(chē)削加工的特點(diǎn)，結(jié)合被加工零件的特征，提出了數(shù)控車(chē)削加工刀具運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)生成的算法。 工藝參數(shù)優(yōu)化的研究 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 3 為了解決加工系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，提高機(jī)床的利用效率，各種加工參數(shù)優(yōu)化的方法相繼提出，主要包括在線和離線參數(shù)優(yōu)化方法兩大類。通過(guò)在加工過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)切削力、刀具溫度或機(jī)床主軸扭矩等變量，根據(jù)反饋的信息來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)切削參數(shù)，以獲得最優(yōu)的切削效率，提高加工質(zhì)量。第一個(gè)優(yōu)化自適應(yīng)系統(tǒng) ((ACD)是美國(guó)本迪克斯公司于 1964 年在美國(guó)空軍技術(shù)監(jiān)督下研制開(kāi)發(fā)成功的。但該系統(tǒng)并未得到推廣應(yīng)用，其主要原因是系統(tǒng)要求對(duì)刀具磨損進(jìn)行在線測(cè)量，而迄今為止還沒(méi)有工業(yè)界廣泛接受的直接測(cè)量刀具磨損的方法?？诒竟?司、意大利公司的研究所也都相繼研制出公約數(shù)自適應(yīng)控制機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)恒力矩加工，但由于在力矩信號(hào)的處理和轉(zhuǎn)換方面都做了不同程度的條件假設(shè)，因此限制了機(jī)床的實(shí)用性。 1979 年清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先對(duì)銑削過(guò)程的功率約束自適應(yīng)控制進(jìn)行了試驗(yàn)性研究。 1983 年北京航空航天大學(xué)研制出銑床的微機(jī)自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)測(cè)的主軸電機(jī)電樞電流來(lái)確定主軸力矩。 1993 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)鉆床和銑床的恒功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析，并研制出一套實(shí)用的功率檢測(cè)系統(tǒng)。但對(duì)于非線性的數(shù)控加工過(guò)程，其工程近似度畢竟有限，這一點(diǎn)是該系統(tǒng)目前還不能推廣應(yīng)用的主要原因。但該研究成果目前還存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即測(cè)力傳感器對(duì)加工工件尺寸及切削力的要求十分嚴(yán)格，而且所用的測(cè)力傳感器造價(jià)昂貴，使得該系統(tǒng)目前還難以達(dá)到完全實(shí)用化。該系統(tǒng)己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)化。 OMAT 技術(shù)在 全國(guó)己得到了一定程度的推廣，受到了客戶的好評(píng)。如果我們能夠建立起一個(gè)基于產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)與分析的數(shù)控仿真系統(tǒng)，一方面它既可以對(duì)工件及刀具做出精確的幾何描述，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行驗(yàn)證 。根據(jù)數(shù)控加工過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型 ，對(duì)影響加工質(zhì)量的刀具、夾具及工件的彎曲、疲勞、振動(dòng)及溫升進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)來(lái)獲得優(yōu)化的加工過(guò)程參數(shù) (如合適的刀具進(jìn)給量等 )。只有這樣，數(shù)控仿真系統(tǒng)才會(huì)發(fā)揮更大的作用，才能成為完善的、真正意義上的仿真系統(tǒng)。美國(guó) Mayland 大學(xué)開(kāi)發(fā)了用于培訓(xùn)數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機(jī)床仿真器 。韓國(guó) TurboTEK 公司開(kāi)發(fā)出面向培訓(xùn)的虛擬數(shù)控車(chē)削及銑削加工環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工的幾何仿真并配有聲音信息 。意大利 Bologn,大學(xué)用 B 樣條曲面建立端銑刀與工作臺(tái)模型，采用真實(shí)感圖形顯示銑床精加工過(guò)程。迄今為止，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)己開(kāi)發(fā)研制出的數(shù)控仿真系統(tǒng)只能稱為一個(gè)幾何仿真系統(tǒng)。 在數(shù)控加工在線參數(shù)優(yōu)化發(fā)展的同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的口趨成熟，離線加工過(guò)程參數(shù)優(yōu)化的方法近年來(lái)也在迅速發(fā)展。離線的參數(shù)優(yōu)化又可分為定參數(shù)優(yōu)化及變參數(shù)優(yōu)化，所謂定參數(shù)優(yōu)化是指設(shè)計(jì)參數(shù) 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化分析 5 在一道工序中保持不變，反之稱為變參數(shù)優(yōu)化。定參數(shù)優(yōu)化研究?jī)?nèi)容主要是利用己有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以加工效率、加工成本和加工質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，然后選用合適的尋優(yōu)算法為特定零件的某一道工序選擇一組固定的最佳參數(shù)，主要包括進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等等。目前，變參數(shù)優(yōu)化研究?jī)?nèi)容主要是以最短加工時(shí)間為目標(biāo)、以切削力為約束的進(jìn)給量的優(yōu)化。 本文研究的主要內(nèi)容 由于在數(shù)控加工過(guò)程中，切削條件不是一成不變的，但在現(xiàn)在的數(shù)控加工中還大都是人為的選擇保守的切削參數(shù)，并且在加工過(guò)程中這些參數(shù)保持不變，從而大大降低了數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率。 (a)基于加工工藝參數(shù)的刀具選擇。 (b)確定加工工藝參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。 (c)建立正確的數(shù)學(xué)模型和恰當(dāng)?shù)募s束條件。包括用 MATLAB 求解的數(shù)控車(chē)削切削參數(shù)單目標(biāo)優(yōu)化。應(yīng)根據(jù)機(jī)床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相關(guān)因素正確選用刀具及刀柄。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。 數(shù)控銑削刀具優(yōu)選 現(xiàn)代銑削是種非常普遍的加工方式。銑削主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)的多切削刃 刀具，沿著工件在幾乎任何方向上執(zhí)行可編程的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而完成金屬切削。 數(shù)控銑削刀具應(yīng)用十分廣泛，各種平面輪廓和立體輪廓的零件，如凸輪、模具等都采用數(shù)控銑床加工 。數(shù)控銑削常用刀具的種類有面銑刀 (采用在盤(pán)狀刀體上機(jī)夾刀片或刀頭組成 )、立銑刀、成形銑刀、球頭銑刀和玉米銑 刀等，它們的選用是根據(jù)加工的對(duì)象的情況來(lái)進(jìn)行選擇的。一般而言，平面類的零件廣泛采用立銑刀，也常用面銑刀銑較大的平面 。總的來(lái)講，面銑刀常用于端銑較大的平面 。球頭銑刀適用于加工空間曲面零件，有時(shí)也用于平面類零件較大的轉(zhuǎn)角或圓弧的差補(bǔ)加工 。 銑刀刀片的選擇 某些加工場(chǎng)合選用壓制刀片是比較合適的，有時(shí)也需要選擇磨制的刀片。壓制刀片的尺寸精度及刃口鋒利程度比磨制刀片差，但是壓制刀片的刃口強(qiáng)度較好，粗加工時(shí)耐沖擊并能承受較大的切深和進(jìn)給量。但是壓制的刀片 表面不像磨制刀片那么緊密，尺寸精度較差，在銑刀刀體上各刀尖高度相差較多。 對(duì)于精銑，最好選用磨制刀片。另外，精加工所用的磨制銑刀片發(fā)展趨勢(shì)是磨出卷屑槽，形成大的正前角切削刃，允許刀片在小進(jìn)給、小切深上切削。磨過(guò)的大前角刀片，可以用來(lái)銑削粘性的材料 (如不銹鋼 )。 作為另一種組合，可以將壓制刀片裝在大多數(shù)銑刀的刀片座內(nèi)，再配置一磨制的刮光刀片 。而應(yīng)用刮光刀片可減小循環(huán)時(shí)間、降 低成本。例如直徑為 100mm 的粗齒銑刀只有 6 個(gè)齒，而直徑為 100mm 的密齒銑刀卻可有 8個(gè)齒。每個(gè)銑刀生產(chǎn)廠 家都有它自己的粗齒、密齒銑刀系列。這種振顫會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀片的崩刃，從而縮短刀具壽命。 粗齒銑刀多用于粗加工，因?yàn)樗休^大的容屑槽。在同樣進(jìn)給速度下，粗齒銑刀每齒切削負(fù)荷較密齒銑刀要大。由于精銑中金屬切除率總是有限，密齒銑刀容屑槽小些也無(wú)妨。由于密齒銑刀同時(shí)有較多的齒參與切削，當(dāng)用較大切削深度 (～ 5mm)時(shí)，要注意機(jī)床功率和剛性是否足夠，銑刀容屑槽是否夠大。 切削時(shí)冷卻和涂層的選擇 平面銑削是否要冷卻，存在爭(zhēng)議。特別是銑削屬于斷續(xù)加工，刀片在頻繁地切入、切出，實(shí)際上冷卻液達(dá)不到刀尖，而是刀尖切入時(shí)被加熱，切出時(shí)被冷卻。如果刀片出現(xiàn)裂紋，并且在切削時(shí)從刀片座中落下，刀體還將會(huì)受到嚴(yán)重的損壞。因?yàn)楫?dāng)切入金屬時(shí)，切削的熱量使 TiAlN 表面發(fā)生化學(xué)變化，使表明硬度更高。當(dāng)速度進(jìn)一步提高，褐色切屑將變成藍(lán)色。 不銹鋼的導(dǎo)熱率較低，其熱量不能很好地傳至切屑，所以加工不銹鋼應(yīng)選用適當(dāng)?shù)那邢魉俣?，使切屑帶有淡淡的棕褐色。有時(shí)，為避免刀瘤，加工不銹鋼的切削熱又是需要的。過(guò)高的進(jìn)給量會(huì)引起材料的堆積，而進(jìn)給量 過(guò)低又會(huì)使刀具與工件發(fā)生摩擦，也會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱。因此，應(yīng)避免使用冷卻液，以便觀察飛濺的切屑，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整切削速度和進(jìn)給量。但當(dāng)加工易燃性的材料 (如鎂和欽 )時(shí)，應(yīng)注意冷卻并備好滅火設(shè)施。 順銑和逆 銑的選擇 在進(jìn)行逆銑時(shí)，刀片從零切削厚度處開(kāi)始切削，這會(huì)產(chǎn)生很高的切削力，從而推動(dòng)銑刀和工件彼此遠(yuǎn)離。切削力也更容易將工件從工作臺(tái)上抬起。此舉可通過(guò)降低熱量和減弱加工淬硬趨勢(shì)來(lái)避免拋光效果。 在進(jìn)行銑削時(shí)，斷屑有時(shí)會(huì)粘接或焊接到切削刃上，并且會(huì) 聚集到下一刃切削的起始周?chē)?。而進(jìn)行順銑時(shí)，同樣的斷屑會(huì)一分為二，從而不會(huì)損壞切