复杂曲面的数控铣削加工工艺参数优化的研究

潘平盛 黄小娣

（广东理工学院 工业自动化系，肇庆 526040）

复杂曲面由诸多自由曲面组成，无法准确表示结构形式，对铣削技术的加工精度有极高的要求。选取数控工艺时，如果加工参数不恰当，易加工出超差工件，不仅无法完成生产任务，还会提高加工成本。

1 现有铣削参数确定的情况

现代工业产品中涉及到大量复杂曲面，导致铣削处理技术的要求标准较高。如何保障加工效率及品质，逐渐成为数控加工研究的热点。影响铣削精度的因素主要有切削参数、产品设计、制作材料和刀具等，其中切削参数最重要。目前，国内数控加工运用潜力和优势尚未完全突显。如果选择运用传统处理经验确定参数，会引发诸多问题。因此，需探究铣削加工的参数，保障此工序的落实成效。若参数设置不当，会影响机组运转效率和零件成品质量。第一，空走刀频率增加，零件的有效加工时间短，使得制造时间长。第二，机床及刀具会发生严重振动，导致零件成品表面精度低。第三，零件转角位置容易拉刀，从而造成过切的问题。第四，刀具容易受损，出现磨损明显、刀具使用寿命缩短等问题。第五，工时设定不准确，无法提升零件制作管理效果[1]。

2 铣削加工的参数优化方式

2.1 Mastercam软件

该软件在数控加工中有较好的应用效果，对所用硬件的品质要求偏低，易于操作和使用，且能和较多规格的机床搭配使用。复杂曲面加工是数控加工处理的特殊功能，有极高的实用性特征。Mastercam可模拟刀具的行进轨迹进行仿真加工。因为该软件接口规格较多，所以具有显著的兼容效果。它利用自身拥有的接口程序，能和诸多软件程序进行数据传输。Mastercam软件的运用给粗加工提供了较多的改良技术，优化了工件加工速度与品质。同时，Mastercam还能提供诸多曲面的精加工程序，技术员能直接选出最优制作方式，从而实现实体工件的复杂化加工。

Mastercam主要有5项功能。第一，设计制造。使用该软件能够生成平面及立体图形，可进行多种复杂曲面制作，如举升曲面、直纹曲面等，且其能提供球形和圆锥等实体造型，还能够对较为复杂的形体进行挤压和旋转等操作。第二，机械加工。Mastercam可进行铣削及线切割等工作，并可分别给出多个加工方式。第三，仿真模拟。技术员可在操作屏幕中模拟切削加工情景，生成仿真结果报告。第四，和数控机组通信，输出数控代码，并通过接口把数据传到数控机组中，以完成自动编程，继而简化编写及录入程序环节的流程。第五，管理及交换数据信息。操作者能实现各类规格文件资料与Mastercam数据库信息的互相转化，且该软件自带刀具与材料信息库，有利于提高数控加工的便利性[2]。

该软件的参数优化设计需构建数学模型，设置变量x、目标函数f(x)以及约束函数g(x)，借助数学设计内容改进工艺参数。

2.1.1 优化变量

在改进设计变量中，科学确定参数变量是保证工艺设计得以优化的重要前提。复杂曲面工件制作加工任务，数控机床不能按照加工诉求在加工期间不断改变加工参数。在加工处理期间，切削条件一般会有明显波动。特定走向段中，切削条件出现波动的区间偏小。为降低优化处理过程的复杂性，在恰当切削范畴中，能以某点位的切削加工状态代表其他位置的状态。因此，加工期间可先设置典型走刀路径，同时设置对应的工艺参数，得出加工参数矢量x：

式中：ap是指背吃刀量；ae是切削的步距；n是路径的数量。

2.1.2 目标函数

在数控加工中，采用高效的加工方式是为了获取更高的经济效益。所以，在优化参数时，需要考虑经济效益，合理化调整目标函数，生成有关切削处理参数对应的目标函数。相关参数包括生产率最大值、成本最小值以及加工利润最大值等。

加工利润的目标函数Pr为：

式中：S表示加工工件的单件利润值；C表示加工工件的成本；t表示加工时间[3]。

基于加权计算方式，综合3个目标函数在具体加工项目中所起的作用设置加权值，以组成最终的目标函数。

2.1.3 约束条件

在优化加工参数时，应结合现实的制作条件和加工标准，梳理切削加工的约束条件。数控机床加工机组的约束变量为进给速度、切削力及切削速度，工件品质标准的约束变量为切削速度、进给量及切削力的最大值，刀具的约束变量为切削力、切削速度与进给量，夹具的约束变量为切削力。

2.2 KEB技术

基于知识的工程（Knowledge Based Engineering，KEB）技术是借助知识驱动和繁衍确定加工任务最优处理方案的一种集成化处理方式。由于此项技术具备显著开放化的特点，目前还未产生较为完整统一的界定。综合现有界定成果，KEB技术概括为是对于行业专家知识的集成、运用创新及管理，整合多种计算机辅助技术（Computer Aided X，CAX）和 人 工 智 能（Artificial Intelligence，AI）科技的一项综合技术。运用KEB技术能实现应用多种形式描述知识及规则，把数控专家所积累的经验编入系统，借助系统指示实现参数优化。在设定规则环境中，若操作人员手动设置参数异常，系统会直接发出提醒并提供修改方向参考。应用KEB技术主要包括以下过程。

2.2.1 构建数据库

应用KBE技术需先设置参数信息库。由于各项参数之间存在关联性，要选出主轴转速、切削深度等参数，需先确定机床信息、零件材料等已知条件。构建已知条件数据库后，需设置技术参数库。二者是有联系的，具备推理关系，即已知条件与工艺参数相对应。此处形成的联系是基于专家经验确定的[4]。

2.2.2 设置规则条件

设置规则条件包括推理和检验两项。推理条件是指已知条件与参数之间原有的推理联系，如数控机床的最快转速不能小于工艺主轴转速，刀具与切削参数之间关系到刀具耐磨程度及温度等。检验条件是用来验算设置参数是否在规则限定区间内的条件，如切削力和加工时长等[5]。

2.2.3 选定加工参数

在选定加工参数的过程中，需要确定刀具和检验规则等参数。其中：刀具参数包括直径和材料，需要根据具体情况进行选择；检验参数的设置需要满足机床与刀具的工作需求，注重安全值与制造精度标准。首先，计算切削力。此参数在切削期间会出现变化，在参数优化中通常表示最大的切削力值。其次，确定切削温度。切削作业中，变形及摩擦耗用的功绝大部分会变成热能。在确定温度参数时，需计算剪切温升和摩擦面温升得到温升均值。再次，选择耐用性合适的刀具。该参数表示从刀具开始使用直至摩钝的时长，与切削速度、切削材料及进给量有关。最后，估算粗糙度。一般曲面加工包含粗加工、半精加工以及精加工。成品粗糙度参数与刀具轨迹相关，需按照走刀方式确定估算思路。例如，环形走刀会形成横纵两个方向的粗糙度，其中纵向粗糙度难以预测且影响不大，实际优化中可仅考虑横向参数[6]。

3 结语

复杂全面的铣削参数以主轴转速和进给量等相关数据为主，借助Mastercam仿真模拟和KBE技术，能够达到优化工艺参数、保障加工产品质量的目的。本文提出的优化方式已通过细化分析验证了此种改进方式的可行性，结果显示该方式的优化效果良好。