孫智杰

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，乳山 255000）

切削參數(shù)在數(shù)控加工中的優(yōu)化分析

孫智杰

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，乳山 255000）

數(shù)控加工中切削參數(shù)對(duì)加工系統(tǒng)的工作效率和質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，對(duì)切削參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化對(duì)于促進(jìn)加工制造業(yè)發(fā)展具有重要作用。本文主要對(duì)數(shù)控加工中切削參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了分析，對(duì)其優(yōu)化方法進(jìn)行了探討，以其能夠?yàn)閿?shù)控加工優(yōu)化提供有益參考。

切削參數(shù) 數(shù)控加工 優(yōu)化

在現(xiàn)代數(shù)控加工中，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化主要依靠?jī)?yōu)化模型，通過優(yōu)化算法尋找最優(yōu)參數(shù)，以此來(lái)得到切削參數(shù)中最為優(yōu)化的指標(biāo)，為數(shù)控加工系統(tǒng)選擇合理參數(shù)提供參考數(shù)值，提供切削加工相應(yīng)科學(xué)合理模型，促進(jìn)數(shù)控加工系統(tǒng)效率的不斷提升，推動(dòng)數(shù)控加工的不斷發(fā)展。

1 優(yōu)化理論在數(shù)控加工中的應(yīng)用

優(yōu)化理論是在微積分誕生年代便已出現(xiàn)的優(yōu)化方法，但之前一直應(yīng)用于航天、軍事等方面，在制造業(yè)中很少得到應(yīng)用，而隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的誕生，優(yōu)化方法費(fèi)用大大下降，優(yōu)化效率大大提升，促使很多包括單純形法、罰函數(shù)法以及共軛方向法等誕生，使得優(yōu)化方法在工業(yè)領(lǐng)域得到了進(jìn)一步推廣應(yīng)用。計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，使得優(yōu)化理論能夠不斷和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，將優(yōu)化理論推廣到更多領(lǐng)域當(dāng)中，使得優(yōu)化理論在現(xiàn)代社會(huì)中創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，也得到了更多工業(yè)界的重視，從上個(gè)世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助等技術(shù)不斷在制造行業(yè)中得到推廣，優(yōu)化理論也在制造業(yè)中得到了更大的應(yīng)用發(fā)展，尤其是在數(shù)控加工系統(tǒng)當(dāng)中，優(yōu)化理論的應(yīng)用使得數(shù)控加工系統(tǒng)效率得到質(zhì)的提升，數(shù)控加工質(zhì)量不斷得到提高，成為制造業(yè)發(fā)展的重要助力。

2 切削參數(shù)優(yōu)化分析

（1）建立切削參數(shù)優(yōu)化模型。建立優(yōu)化模型是將機(jī)械設(shè)計(jì)問題從物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，使得能夠利用數(shù)學(xué)算法對(duì)模型中的各項(xiàng)參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，具體步驟包括根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，確定設(shè)計(jì)約束條件，根據(jù)條件建立相應(yīng)函數(shù)，決定相應(yīng)變量和控制條件，完成模型的建立。在建立切削參數(shù)模型時(shí)，當(dāng)將固定的機(jī)床參數(shù)、刀具和工件都確定之后，會(huì)對(duì)切削效率產(chǎn)生影響的就是切削的速度、深度、寬度以及進(jìn)給量這幾個(gè)變量，然后根據(jù)各個(gè)機(jī)床在生產(chǎn)過程中所用的刀具不同，通過不斷試切來(lái)確定相應(yīng)合理的切削寬度以及切削深度，并將這兩個(gè)量定位已知量，這樣，變量就只剩下進(jìn)給量和切削速度兩個(gè)。

在確定變量之后，確定目標(biāo)函數(shù)，并以此來(lái)建議模型，其中將最大生產(chǎn)率定為目標(biāo)，根據(jù)已知量和變量建立相應(yīng)的函數(shù)在確定出相應(yīng)函數(shù)之后，確定相應(yīng)約束條件。由于機(jī)床在加工過程中受主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給力、進(jìn)給量、機(jī)床功率、切削扭矩和工件質(zhì)量等限制，因而在進(jìn)行加工過程中，應(yīng)該滿足以下幾項(xiàng)約束條件：一是機(jī)床切削速度應(yīng)該滿足主軸轉(zhuǎn)速的約束條件；二是進(jìn)給量應(yīng)該滿足每齒進(jìn)給量的約束條件；三是切削進(jìn)給力應(yīng)該要小于機(jī)床主軸的最大進(jìn)給力；四是機(jī)床切削功率應(yīng)該要小于機(jī)床的有效功率；五是零件加工應(yīng)該要達(dá)到表面粗糙度的要求。

（2）選擇合適優(yōu)化算法。根據(jù)已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型，選擇相應(yīng)的優(yōu)化算法，將其編制成計(jì)算程序輸入計(jì)算機(jī)當(dāng)中，這樣系統(tǒng)能夠根據(jù)計(jì)算來(lái)求得最優(yōu)的參數(shù)值。在本次研究中，選擇遺傳算法作為優(yōu)化算法，這種算法是基于自然選擇理論以及自然遺傳機(jī)制來(lái)進(jìn)行尋找最優(yōu)值的一種計(jì)算方法，對(duì)于非線性函數(shù)的計(jì)算是非常適合的算法。遺傳算法的具體流程包括，首先隨機(jī)產(chǎn)生初始種群，在個(gè)體數(shù)目一定的情況下，對(duì)每個(gè)個(gè)體染色體進(jìn)行編碼。然后計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度，接著根據(jù)適應(yīng)度再來(lái)選擇再生個(gè)體，其中高適應(yīng)度的個(gè)體其選擇的概率也高，低適應(yīng)度的個(gè)體其選擇的概率也低。然后按照交叉概率和方法來(lái)生成新的個(gè)體，最后新的個(gè)體所產(chǎn)生的新種群，然后重復(fù)第二步的過程。

將遺傳算法應(yīng)用到切削參數(shù)中，將優(yōu)化參數(shù)的各個(gè)變量和在群體中適應(yīng)值區(qū)域計(jì)算出來(lái)，解碼后再進(jìn)行編碼，這樣不斷重復(fù)這個(gè)階段就能夠?qū)⒆畲笊a(chǎn)率的范圍不斷縮小，使算法能夠很快得到相應(yīng)的最優(yōu)值。在變化搜索區(qū)域時(shí)，對(duì)于適應(yīng)值在零以上的個(gè)體進(jìn)行解碼然后再編碼，對(duì)于適應(yīng)值在零以下的個(gè)體則繼續(xù)保持字符串編碼，因?yàn)樵谧儞Q搜索區(qū)域之后，對(duì)字符串編碼進(jìn)行變異操作，讓個(gè)體能夠重新復(fù)活，這樣適應(yīng)值也會(huì)隨著提高，這樣隨著適應(yīng)度的不斷提高，被選中的概率也在隨之變大，而適應(yīng)度低的個(gè)體就會(huì)被淘汰，這樣不斷重復(fù)這個(gè)選擇過程，就會(huì)最終將適應(yīng)值最高的數(shù)值選擇出來(lái)，也就是最合適的切削參數(shù)。在得出計(jì)算結(jié)果之后，運(yùn)用相應(yīng)模型對(duì)其進(jìn)行分析判斷，以此為根據(jù)來(lái)制定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

（3）對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行判斷分析。在通過模型將優(yōu)化結(jié)果計(jì)算出來(lái)之后，還要對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行判斷分析，將以前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的切削參數(shù)與優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較，分析優(yōu)化結(jié)果是否真的取得了優(yōu)化效果，是否符合各項(xiàng)約束條件，是否滿足切削加工系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求。而經(jīng)過比較可以看出，采用優(yōu)化結(jié)果能夠顯著提高機(jī)床的利用效率，而且能夠大大減少機(jī)床切削的時(shí)間，提高單個(gè)工件生產(chǎn)效率，這樣也能夠提高工件加工質(zhì)量。這也說(shuō)明對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于提高切削加工系統(tǒng)效率確實(shí)起著重要作用。有試驗(yàn)表明，在對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，單道工序優(yōu)化能夠減少0.96s切削時(shí)間，而在半精加工工序上則能夠顯著減少3.6s切削時(shí)間，每個(gè)零件加工時(shí)間能夠減少112s以上。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算功能不斷完善，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加工實(shí)際工藝進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)切削條件來(lái)選擇最合適的切削參數(shù)，這樣能夠保證數(shù)控系統(tǒng)保持在最佳的加工狀態(tài)中。而自控系統(tǒng)在切削加工中的應(yīng)用，也使得加工系統(tǒng)能夠根據(jù)切削熱度、硬度、材料以及磨損狀況等來(lái)對(duì)進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使切削加工系統(tǒng)能夠不斷獲得最大材料切除率。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)集成技術(shù)的發(fā)展，也興起來(lái)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，使得切削工藝更加優(yōu)化，朝著更加規(guī)范的方向發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析對(duì)于提高數(shù)控加工效率，促進(jìn)加工質(zhì)量不斷提升具有重要價(jià)值，而通過建立切削參數(shù)優(yōu)化模型，采用相關(guān)算法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化則是目前進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化的常用方法，利用此方法能夠通過概率搜索的技術(shù)來(lái)對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)處理，找到最合理科學(xué)的切削參數(shù)值，既科學(xué)合理又方便易操作，值得在數(shù)控加工系統(tǒng)中進(jìn)行推廣。

[1]于華,隋杰,焦建彬,毛明智.基于遺傳算法的模具異地制造的優(yōu)化調(diào)度[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008(01).

[2]熊勇剛,譚建平,毛明智,肖世剛.“基因遺傳算法+懲罰函數(shù)法”在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械傳動(dòng)，2008(02).

[3]趙緒平.數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化的研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2006.

[4]董世鋼.數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化的研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué), 2009.

[5]蘇仲文.數(shù)控銑削工藝參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)的研究[D].太原理工大學(xué),2013.

CNC Machining Cutting Parameters Optimization Analysis

SUN Zhijie
（Shandong Industrial Vocational College,Rushan 255000）

CNC machining cutting parameters is essential for the efficiency and quality of the processing system,which has the effect on the ongoing optimization of cutting parameters for the promotion of the development of processing industry.This paper focuses on the optimization of CNC machining cutting parameters which were analyzed, discussed their optimization methods,and provides a useful reference for its CNC machining optimization.

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