盧培文

變速器殼體是變速器中的關(guān)鍵零件，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著汽車的整體性能。因此，研究變速器殼體的加工工藝，提高其加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。本文以變速器殼體數(shù)控切削加工為研究對(duì)象，以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)，建立變速器殼體的加工參數(shù)優(yōu)化模型，根據(jù)機(jī)床情況和加工制造情況的限制，分析研究了加工制造過程中相應(yīng)的約束條件;以遺傳算法為加工參數(shù)的優(yōu)化算法，以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)，確定約束條件，借助MATLAB軟件遺傳算法工具箱，進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化，得到優(yōu)化參數(shù)，并進(jìn)行加工實(shí)例實(shí)驗(yàn)，最后得出結(jié)論。

變速器鋁合金殼體銑削是一個(gè)復(fù)雜的加工制造過程，合理的加工參數(shù)設(shè)置可以提高零件生產(chǎn)率。本文以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)，建立變速器殼體的加工參數(shù)優(yōu)化模型，根據(jù)機(jī)床情況和加工制造情況的限制，分析研究加工制造過程中相應(yīng)的約束條件;以遺傳算法為加工參數(shù)的優(yōu)化算法，以最大生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)，確定約束條件，借助MATLAB軟件遺傳算法工具箱，進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化，得到優(yōu)化參數(shù)。并對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行試切驗(yàn)證，得出結(jié)論。

一、遺傳算法在高速切削中的應(yīng)用

高速切削加工參數(shù)優(yōu)化過程中，需要確定優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、約束條件等問題。在采用遺傳算法求解高速切削加工參數(shù)優(yōu)化問題時(shí)，種群參數(shù)對(duì)應(yīng)于實(shí)際加工過程中的優(yōu)化變量參數(shù)，適應(yīng)度與實(shí)際加工過程中的目標(biāo)函數(shù)也存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。關(guān)于高速切削加工參數(shù)優(yōu)化中的約束條件在運(yùn)用遺傳算法求解過程中一般用罰函數(shù)處理約束問題，可以起到很好的求解效果。適應(yīng)度函數(shù)的確定主要有兩種形式：

（1）目標(biāo)函數(shù)f（x）直接作為適應(yīng)度函數(shù)，表達(dá)如公式（1）所示。

該適應(yīng)度函數(shù)具有簡(jiǎn)單易用的優(yōu)點(diǎn)，不需做相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，但同時(shí)也存在著兩個(gè)缺點(diǎn)：一是由于函數(shù)值不均勻，體現(xiàn)種群性能的平均適應(yīng)度不易得到，使得遺傳算法精確度不高;二是負(fù)概率情況可能出現(xiàn)，不適合比例選擇算子的選擇要求。

（2）目標(biāo)函數(shù)f（x）和適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，相對(duì)應(yīng)的表達(dá)式如公式（2）、（3）所示。

目標(biāo)函數(shù)求解最大值時(shí)：

式中：b min目標(biāo)函數(shù)的相對(duì)較小估計(jì)值，可自己選擇一個(gè)合適值目標(biāo)函數(shù)求解最小值時(shí)。

式中：b max目標(biāo)函數(shù)的相對(duì)較大估計(jì)值，可自己選擇一個(gè)合適值。

遺傳算法求解過程，若約束條件是連續(xù)變量的線性或非線性約束，可采用罰函數(shù)法將這些約束加到目標(biāo)函數(shù)中，也就是所謂的適應(yīng)度函數(shù)中，以便保證所求得的最優(yōu)解在規(guī)定的約束范圍之內(nèi)。

在遺傳算法求解過程中，一般情況下通過對(duì)種群個(gè)體適當(dāng)增加一個(gè)減小其適應(yīng)度的罰函數(shù)，用來改變?cè)瓉韨€(gè)體的適應(yīng)度，減少在求解空間內(nèi)沒有可行解的個(gè)體遺傳到下代去的概率。調(diào)整個(gè)體適應(yīng)度，更加有利于獲得最優(yōu)解，有利于提高遺傳算法的精度，有利于提高遺傳算法的計(jì)算效率，其具體的調(diào)整方法如公式（4）所示。

式中：F（x）起始適應(yīng)度函數(shù)，F(xiàn)₁（X）—新適應(yīng)度函數(shù)，Q（x）—罰函數(shù)。

二、加工參數(shù)優(yōu)化的MATLAB實(shí)驗(yàn)

高速切削加工制造變速器鋁合金殼體的參數(shù)優(yōu)化，需要先確定目標(biāo)函數(shù)，再采用遺傳算法，借助MATLAB軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，從而求得優(yōu)化參數(shù)。借助MATLAB軟件對(duì)加工參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算過程并獲得實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。

調(diào)用目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并在MATLAB軟件GUI遺傳算法優(yōu)化窗口進(jìn)行調(diào)用，設(shè)置變量個(gè)數(shù)，設(shè)置輸入約束條件，約束條件包括線性約束和非線性約束，線性約束條件可以直接在MATLAB軟件GUI遺傳算法優(yōu)化窗口進(jìn)行輸入，非線性約束條件以函數(shù)的形式在窗口進(jìn)行調(diào)用。

設(shè)置種群參數(shù)，本次優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)置種群規(guī)模50，交叉0.7，其它設(shè)置選擇默認(rèn)值，整個(gè)設(shè)置過程在MATLAB軟件GUI遺傳算法優(yōu)化窗口進(jìn)行，計(jì)算得到優(yōu)化結(jié)果和最優(yōu)參數(shù)。

三、以最大生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

在高速切削加工中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度是非常重要的三要素，影響著零件的加工精度和加工效率。不同的加工參數(shù)優(yōu)化模型都能啟動(dòng)優(yōu)化加工參數(shù)的作用，只是每種模型所側(cè)重的目標(biāo)不同而已?？紤]到變速器鋁合金殼體具有形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需加工制造部位多，加工制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，進(jìn)行復(fù)雜的工序加工參數(shù)優(yōu)化工作太大。經(jīng)過相關(guān)研究，本文以最大生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行平面銑削加工工序優(yōu)化，通過優(yōu)化加工參數(shù)，可以降低本工序的加工時(shí)間，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。考慮到切削加工時(shí)間公式如公式（5）所示，可得最大生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型函數(shù)如公式（6）所示。

四、銑削加工優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

高速切削加工制造變速器鋁合金殼體，需要鉆床、鏜床、數(shù)控加工中心等多種數(shù)控機(jī)床綜合生產(chǎn)制造。在這些參與加工制造的多種數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控加工中心所使用的頻率較多，完成的加工任務(wù)也較多，發(fā)揮的作用也比較大。本次高速切削加工變速器鋁合金殼體的加工參數(shù)優(yōu)化研究，選用LGMazak小巨人機(jī)床/HCN5000iil（臥式加工中心）為加工所用機(jī)床。

LGMazak小巨人機(jī)床/HCN5000iil是Mazak公司開發(fā)的高性能臥式加工中心，具有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保了機(jī)床具有足夠的抗扭曲和彎曲的能力、剛性強(qiáng)、穩(wěn)定性能好。機(jī)床各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)具有摩擦系數(shù)小，快速定位精度高，承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。而且該機(jī)床通過采用高速主軸技術(shù)、高速進(jìn)給技術(shù)、高速換刀技術(shù)、高速數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)等高端技術(shù)，能夠大大提高生產(chǎn)效率。

變速器鋁合金殼體屬于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)并且加工制造也同樣復(fù)雜的殼體類零件。零件有些加工部位在加工制造過程中可能因?yàn)閵A緊力和切削力的作用而產(chǎn)生一定的變形，從對(duì)加工精度產(chǎn)生一定的影響。因此，選擇合適的加工參數(shù)，才能得到合適的切削力和切削速度，從而提高加工精度和生產(chǎn)效率。根據(jù)變速器殼體加工制造所使用的數(shù)控機(jī)床和加工環(huán)境，我們可以確定加工參數(shù)優(yōu)化時(shí)約束參數(shù)的范圍。以LGMazak小巨人機(jī)床/HCN5000iil臥式加工中心為加工制造機(jī)床，刀具直徑為12mm，齒數(shù)為4，再根據(jù)實(shí)際加工制造的情況，確定具體的優(yōu)化加工參數(shù)時(shí)所能選用的參數(shù)范圍如表1所示。

其中，變速器鋁合金殼體的三維零件圖如圖l所示：

本次加工實(shí)驗(yàn)選用鋁合金材料，由于變速器鋁合金殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個(gè)部分需要加工，為了研究方便，本次試驗(yàn)以粗銑R平面為研究過程進(jìn)行銑削加工參數(shù)優(yōu)化研究，等效銑削行程L=10000mm，加工刀具采用硬質(zhì)合金立銑刀，直徑D=12mm，齒數(shù)為四齒，換刀時(shí)間0.2min，工序輔助時(shí)間0.2min，加工方式采用銑端面，對(duì)工序2進(jìn)行銑削參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

刀具耐用度系數(shù)由切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)進(jìn)行查找，主要的相關(guān)系數(shù)如表2所示：

以最大生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法，把優(yōu)化前的參數(shù)，借助MATLAB軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，從而求得優(yōu)化后的參數(shù)，通過在加工中心機(jī)床上進(jìn)行高速銑削變速器鋁合金加工實(shí)驗(yàn)，得到了加工實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果，如表3所示。

五、加工優(yōu)化實(shí)例結(jié)果分析

通過優(yōu)化結(jié)果表3可知：優(yōu)化后的銑削速提高了150.72m/min，每齒進(jìn)給速度提高了0.02mm/z，銑削深度和銑削寬度也有所提高，并且單工序的加工時(shí)間由優(yōu)化前的8.Olmin降低到了優(yōu)化后的3.67min，大大降低了加工時(shí)間，提升了加工效率，產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)符合質(zhì)量要求。