任德寶

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

在現(xiàn)代自動(dòng)化、柔性化、數(shù)字化的加工模式之中，數(shù)控加工是一項(xiàng)重要的智能制造技術(shù)。要促進(jìn)加工行業(yè)的發(fā)展，就要積極研究和優(yōu)化數(shù)控加工技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)CAD/CAM技術(shù)，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而改善生產(chǎn)效率，同時(shí)控制生產(chǎn)成本。在數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，尤其是曲面加工，其切削條件會(huì)發(fā)生變化，如果持續(xù)采用傳統(tǒng)的切削參數(shù)，并長(zhǎng)久不變，會(huì)影響機(jī)床生產(chǎn)效率，也會(huì)降低刀具的使用壽命。所以，要根據(jù)實(shí)際加工需求，對(duì)數(shù)控加工切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1 數(shù)控加工特點(diǎn)

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平在不斷提升，智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化等技術(shù)也在飛速發(fā)展。其中，數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域之中，尤其在生產(chǎn)加工行業(yè)中的應(yīng)用表現(xiàn)十分突出。數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，不僅改善了生產(chǎn)效率，還解決了各類(lèi)生產(chǎn)難題，并且提升了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)精確度等，進(jìn)而滿(mǎn)足了自動(dòng)化的發(fā)展要求，同時(shí)減少了生產(chǎn)成本的大規(guī)模投入。在數(shù)字化技術(shù)中，數(shù)控加工作為智能制造的重要加工方法，以計(jì)算機(jī)CAD/CAM技術(shù)為基礎(chǔ)，引入人工智能和工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了加工生產(chǎn)的自動(dòng)化。利用自動(dòng)化的生產(chǎn)技術(shù)，可以縮減生產(chǎn)所用時(shí)間，提高加工精度和生產(chǎn)質(zhì)量。當(dāng)然數(shù)控編程、數(shù)控機(jī)床加工等方面只有結(jié)合跟多的新技術(shù)新工藝才可以改善零件加工質(zhì)量，提升機(jī)床性能，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)加工行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。

2 切削參數(shù)優(yōu)化必要性

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，國(guó)內(nèi)各大企業(yè)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的需求在不斷增加，利用CAD/CAPP/CAM等技術(shù)，可以改善生產(chǎn)效率，提升加工精度，進(jìn)而增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，加大企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)中的地位。但是，大規(guī)模CAD/CAM集成系統(tǒng)需要較高的運(yùn)行成本，設(shè)備和高素質(zhì)的高技能人才的引進(jìn)都是中小型企業(yè)無(wú)法承受的。在生產(chǎn)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，針對(duì)數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，不僅可以充分發(fā)揮加工系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，還能建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)工作提供更多參考依據(jù)。

此外，利用CAD/CAM技術(shù)，可以構(gòu)建自動(dòng)編程系統(tǒng)的切削參數(shù)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工工序的優(yōu)化依據(jù)。也就是用優(yōu)化參數(shù)替換人工輸入的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升效率、控制成本、改善質(zhì)量的優(yōu)化目標(biāo)，為中小型企業(yè)的發(fā)展提供更多技術(shù)支持[1]。在切削參數(shù)優(yōu)化的同時(shí)，結(jié)合刀具管理數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)特定產(chǎn)品的加工切削參數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以減少新勞動(dòng)力的投入，并使切削參數(shù)更加合理和規(guī)范，進(jìn)而為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化的措施

（1）建立優(yōu)化模型。要實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化，可以先進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)換，將其從物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而利用數(shù)學(xué)算法來(lái)解決參數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容可以根據(jù)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，明確各個(gè)設(shè)計(jì)條件并建立函數(shù)。同時(shí)，明確變量和控制條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型的建立。在模型建立的過(guò)程中，首先要明確機(jī)床參數(shù)、應(yīng)用工具，然后明確速度、深度、寬度等變量參數(shù)對(duì)切削效率的影響情況。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式，針對(duì)不同刀具的切削寬度、切削深度來(lái)進(jìn)行定位。隨之，變量只剩下切削速度和進(jìn)給量?jī)身?xiàng)，在明確目標(biāo)函數(shù)之前，要先明確變量，并根據(jù)變量和相應(yīng)條件建立模型，可以將最大效率作為目標(biāo)，建立已知量和變量函數(shù)。函數(shù)確認(rèn)之后，明確約束條件。

限制機(jī)床的因素并不單一，所以加工應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面：第一，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)與切削速度相符；第二，保證進(jìn)給量符合要求；第三，機(jī)床主軸的最大進(jìn)給力應(yīng)該大于切削進(jìn)給力；第四，機(jī)床有效功率要大于切削功率；第五，加工零件的表面粗糙程度應(yīng)該符合要求[2]。

（2）優(yōu)化方法。在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，工藝編程人員和技術(shù)水平都會(huì)影響方案的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，對(duì)制約因素?zé)o法全面而周全的進(jìn)行設(shè)想。所以在對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要對(duì)工藝條件以及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行考慮，分析這些原因?qū)η邢鬟^(guò)程和過(guò)程優(yōu)化的限制。通常，可以從以下是三個(gè)方面進(jìn)行考慮，分別是：機(jī)床特性、刀具、夾具。這三個(gè)是比較主要的約束限制因素。例如，機(jī)床切削速度、速度大小范圍、零件和刀具的剛度、可用最大切削力、教具最大夾緊力等都會(huì)產(chǎn)生一定的限制作用[3]。在面對(duì)實(shí)際的優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，不需要對(duì)每一個(gè)約束條件進(jìn)行考慮，技術(shù)人員可以采取因地制宜的原則，根據(jù)實(shí)際的優(yōu)化要求和設(shè)計(jì)條件，篩選需要考慮的約束因素，影響不大的因素可以忽略不計(jì)。

在設(shè)計(jì)切削參數(shù)優(yōu)化方案時(shí)，首先要掌握生活中比較常見(jiàn)的機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，并根據(jù)這些問(wèn)題建立相應(yīng)的物理模型，然后利用相應(yīng)的計(jì)算公式將這些物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)實(shí)際優(yōu)化要求，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，最后對(duì)約束條件、函數(shù)表達(dá)形式等進(jìn)行明確。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要根據(jù)要求選擇切削參數(shù)，并將其看作設(shè)計(jì)的變量。此外，了解數(shù)學(xué)模型的具體性質(zhì)，并根據(jù)其性質(zhì)選擇最恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，根據(jù)所用計(jì)算方法，編程人員進(jìn)行計(jì)算程序的編制，采用計(jì)算機(jī)運(yùn)算的方式，獲取最優(yōu)解。得到結(jié)果之后，變成設(shè)計(jì)人員再對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，并在實(shí)際的應(yīng)用中檢驗(yàn)數(shù)值是否準(zhǔn)確可靠。如果在應(yīng)用的過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，可以逐步拆解分析，明確出現(xiàn)失誤的步驟，并根據(jù)上述方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

（3）遺傳迭代計(jì)算。遺傳迭代計(jì)算的具體優(yōu)化過(guò)程如下：首先，輸入基礎(chǔ)參數(shù)，然后對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，再對(duì)基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)選擇；其次，評(píng)價(jià)函數(shù)，選擇操作內(nèi)容，然后進(jìn)行交叉和變異操作，如果操作結(jié)果大于迭代次數(shù)則輸出最優(yōu)解，并結(jié)束運(yùn)算過(guò)程。如果其小于最優(yōu)解，則返回評(píng)價(jià)函數(shù)階段，重新操作計(jì)算，直至獲取最優(yōu)解。根據(jù)本文所述優(yōu)化方式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比優(yōu)化前后的參數(shù)，可以看出，優(yōu)化后既可以提升機(jī)床利用率，也能縮減切削時(shí)間，同時(shí)增加工件的精度和質(zhì)量。在粗加工階段，可以節(jié)約0.96s的切削時(shí)間，半精加工階段則可以節(jié)約3.6s的時(shí)間。在某個(gè)特征試驗(yàn)件加工的過(guò)程中，其需要12道交叉工序，按照同樣的方法優(yōu)化，零件單體加工時(shí)間可以節(jié)約112s左右。參數(shù)優(yōu)化之后，加工單體零件僅需要8min34s。如果批量生產(chǎn)10萬(wàn)工件，則可以節(jié)約3111h的加工時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)數(shù)控加工切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，既可以改善加工精度，還能提升加工質(zhì)量，并減少人工投入，進(jìn)而加大工件生產(chǎn)加工帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)我國(guó)智能制造業(yè)的發(fā)展。