徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224051）

高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量?jī)?yōu)化研究

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224051）

介紹了超聲振動(dòng)切削原理，研究了振幅對(duì)刀具壽命的影響。采用MATLAB語言編程，對(duì)高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量進(jìn)行優(yōu)化，通過實(shí)例對(duì)高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量?jī)?yōu)化進(jìn)行了驗(yàn)證。

高錳鋼；超聲振動(dòng)車削；振幅；測(cè)試研究

0 引言

高錳鋼超聲振動(dòng)車削中，我們?nèi)绻麑?duì)其車削用量進(jìn)改善優(yōu)化，可以得出更好的理論依據(jù)，從而指導(dǎo)高錳鋼的超聲振動(dòng)車削。此外，對(duì)高錳鋼生產(chǎn)加工水平的提高，也可提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 超聲振動(dòng)切削原理的闡述

普通的切削過程中，在刀具上會(huì)產(chǎn)生超聲波的脈沖，使其有一種振動(dòng)變化，且這種變化很有規(guī)律性，此時(shí)切削量也在變化，而且也是有規(guī)律的，這就是超聲振動(dòng)切削的原理。超聲振動(dòng)切削自身有很多的優(yōu)點(diǎn)，即：低溫度，削力小，較容易掌握加工的精度。因此較普通的切削，是一種新的切削的方法。在目前大多數(shù)的生產(chǎn)加工中，都被廣泛運(yùn)用。在實(shí)質(zhì)上，超聲振動(dòng)切削就是一種脈沖切削。

1.1 超聲振動(dòng)切削的加工原理

1）減少切削摩擦的原理。超聲波被加載在刀具上后，反復(fù)的振動(dòng)對(duì)夾緊的車削工件不停地切削，脫離時(shí)，切削力變化著，切屑與刀具的摩擦從內(nèi)部轉(zhuǎn)向外部，降低了摩擦因數(shù)，這一因數(shù)只是原先的1/10，也就是所謂的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。因此，大大降低了切割摩擦表面，這樣，材料被加工的質(zhì)量提升是顯而易見的。

2）切削液發(fā)揮作用原理。因?yàn)橛幸?guī)則的振動(dòng)，空氣就作用于切削液，造成了油和水這個(gè)本不會(huì)融合的物質(zhì)產(chǎn)生了融合，同時(shí)形成了較大能量，切削區(qū)域的深處由此注入了切削液，讓切削液的作用得到了充分的發(fā)揮，切削效率大幅度得到提升。

3）應(yīng)力和能量集中原理。周而復(fù)始的振動(dòng)，受其作用的刀具，根據(jù)該加工件的沖擊力，只是在局部受到影響，最易出現(xiàn)問題的刀刃受到其作用力的影響只是在一個(gè)小范圍內(nèi)，這樣，原先容易發(fā)生變化的材料晶格結(jié)構(gòu)，其變化極小，出現(xiàn)加工硬化的可能性大幅降低。材料的可切削性得到了保證。

4）切削時(shí)間短原理。超聲波是周期性的，在振動(dòng)周期內(nèi)屬于切削作用力切削的只是1/3，與普通切削時(shí)間相比，超聲波切削時(shí)間更短，切削力比普通切削小得多。

1.2 超聲振動(dòng)切削的特點(diǎn)

和普通切削相比較，超聲振動(dòng)切削的特點(diǎn)是：切削力只有普通切削的1/3～1/10；切削溫度低，表面粗糙度值低，加工精度高，提高了切削液的潤(rùn)滑、冷卻效果；刀具的使用壽命長(zhǎng)，振動(dòng)切削鑄成了切削時(shí)比較高的剛性，采用振動(dòng)切削后，可以在工件表面見到非常明顯的七彩狀，其耐磨損性和耐腐蝕得到了明顯的提高。

1.3 超聲振動(dòng)切削的運(yùn)用

在實(shí)際的工作生活中，和普通的切削進(jìn)行比較，超聲振動(dòng)切削自身有很多的優(yōu)勢(shì)，因而被較多地運(yùn)用在制造業(yè)和通訊業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)。有些材料非常難加工，是機(jī)械、通訊加工業(yè)的難題。但是，這些難加工的材料使用超聲切削的方法，問題就會(huì)得到解決。通常，超聲振動(dòng)切削主要加工以下材料：冷硬鑄鐵、不銹鋼、高錳鋼屬于比較難加工的材料，此外，還有工程陶瓷、鈦合金、耐熱鋼、高溫合金等；使用超聲振動(dòng)切削加工硬度極高的工件，可使加工精度更高，表面質(zhì)量更好，如加工高速鋼等。

2 優(yōu)化高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量

2.1 超聲振動(dòng)車削高錳鋼用量的優(yōu)化

高速鐵路中的鐵軌材料使用的就是高錳鋼。因此高錳鋼越來越廣泛的被應(yīng)用。MATLAB語言編程，可以將超聲振動(dòng)車削高錳鋼用量程序直觀地顯示出來，圖1就是運(yùn)用這一語言編程。

圖1 超聲振動(dòng)車削高錳鋼用量MATLAB語言優(yōu)化程序界面

2.2 優(yōu)化高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量的例證

本文以CF6140機(jī)床為例，對(duì)優(yōu)化高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量的結(jié)果進(jìn)行闡述。

CF6140機(jī)床基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。刀具壽命公式系數(shù)如表2所示。主切削力經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)如表3所示。

表1 基礎(chǔ)參數(shù)

表2 刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)

表3 主切削力經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)

將表1～表3中的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將數(shù)據(jù)代到程序中，將高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量進(jìn)行具體的運(yùn)算。因?yàn)檩斎氩煌哪繕?biāo)函數(shù)，由此也得出不同的優(yōu)化結(jié)果。本文選定設(shè)置了幾個(gè)優(yōu)化對(duì)象，即最大生產(chǎn)率、最小生產(chǎn)成本、多目標(biāo)函數(shù)等，在優(yōu)化程序的友好界面將具體數(shù)據(jù)輸入，就會(huì)出現(xiàn)不同的優(yōu)化結(jié)果。

1）最大生產(chǎn)率。將目標(biāo)函數(shù)選擇設(shè)置為最大生產(chǎn)率，設(shè)定超聲振動(dòng)車削高錳鋼用量的具體數(shù)據(jù)，并代入到目標(biāo)函數(shù)和約束條件里面，剩余因素均不考慮，可以選擇遺傳運(yùn)算法，交叉、變異運(yùn)算，最終將優(yōu)化結(jié)果得出，如圖2所示。

圖2 最大生產(chǎn)率優(yōu)化結(jié)果

2）最小生產(chǎn)成本。將目標(biāo)函數(shù)選擇設(shè)置為最小生產(chǎn)成本，設(shè)定超聲振動(dòng)車削高錳鋼用量的具體數(shù)據(jù)，并代入目標(biāo)函數(shù)和約束條件里面，剩余因素均不考慮，可以選擇遺傳運(yùn)算法，交叉、變異運(yùn)算，最終將優(yōu)化結(jié)果得出。如果目標(biāo)函數(shù)是以最小生產(chǎn)成本對(duì)應(yīng)高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量，此結(jié)果就是我們最終獲得的優(yōu)化參數(shù)，如圖3所示。

3）多目標(biāo)函數(shù)。與單目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化過程進(jìn)行比較，多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化過程也是一樣。如果目標(biāo)函數(shù)是多目標(biāo)函數(shù)，對(duì)應(yīng)高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量，此結(jié)果就是我們最終獲得的優(yōu)化參數(shù)，如圖4所示。

2.3 高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量?jī)?yōu)化結(jié)果分析

如上所述，根據(jù)上面得出的優(yōu)化數(shù)據(jù)，可見在優(yōu)化模型基礎(chǔ)下，高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量，在加工效率及經(jīng)濟(jì)效益方面，都可以得到很好的結(jié)果。這個(gè)結(jié)論安全可靠，而且具有很強(qiáng)的操作性，非常合理。我國(guó)超聲振動(dòng)切削技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，根據(jù)不同的目標(biāo)函數(shù)，我們得出了優(yōu)化結(jié)果值，并對(duì)其以后的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。如果車加工表面與工件變化時(shí)，只需重新輸入具體的參數(shù)到優(yōu)化流程的友好界面，自然得出相應(yīng)的高錳鋼超聲振動(dòng)切削量，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。

圖3 最小生產(chǎn)成本優(yōu)化結(jié)果

圖4 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)語

綜上所述，高錳鋼超聲振動(dòng)車削，是一項(xiàng)新穎的技術(shù)。本文就高錳鋼超聲振動(dòng)車削用量?jī)?yōu)化，建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)其求解中運(yùn)用了遺傳算法。論文將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為最高的生產(chǎn)率、參數(shù)的最小組合以及兼顧生產(chǎn)成本的多目標(biāo)功能，通過MATLAB編程語言，以達(dá)到最佳的超聲波振動(dòng)車削高錳鋼的切削用量。

［1］聶立新，李保定，趙明利.振動(dòng)切削特點(diǎn)及形成機(jī)理分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2006（4）：20-21.

［2］楊堯.機(jī)械加工中“切削用量的優(yōu)化”方法探析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2006（4）：71，81.

［3］馬春翔，潘銘躍，王海麗.弱剛度零件的超聲波橢圓振動(dòng)切削加工［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（增刊 1）：121-124.

［4］沈浩，謝黎明，韓瑩.數(shù)控車削中切削用量的多目標(biāo)優(yōu)化［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（5）：47-49.

［5］牛國(guó)玲，趙黎杰，顧立志，等.振動(dòng)切削機(jī)理的研究狀況［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（3）：479-482.

（編輯 明 濤）

TG 51；T P 391.7

A

1002-2333（2015）12-0254-02

徐洪林（1973—），男，講師，高級(jí)技師，主要研究方向?yàn)檐囅鞴に嚭蛿?shù)控機(jī)床故障診斷。

2015-08-03