优化机械加工工艺的技术路径研究

摘要：随着我国机械制造行业的迅速发展，机械加工工艺水平在逐渐提升，机械加工工艺质量能对于机械设备零件的精准度与质量产生直接影响。通过对相关文献进行查阅，对机械加工工艺及其一般流程进行了阐述，并分析了机械加工工艺存在的一般问题，最后从节能方面着手，确定了机械加工工艺优化的技术路径。研究内容能够为我国机械加工工业的健康发展提供一定理论支持。

关键词：机械加工；优化模型；遗传算法

中图分类号：U466 收稿日期：2023-04-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.027

1 汽车机械加工概述

1.1 机械加工工艺及其一般流程

机械加工工艺指的是利用特定机械对车间的毛坯材料进行加工，进而改变其外形与结构，使其能够真正满足相关单位对于毛坯材料质量的基本要求，属于机械工业生产中的一项基础技术。在实际工作情境中，机械加工工艺的精良程度越高，零件的加工活动就会越顺利，其质量也更能够满足工程需要。

机械加工是一项比较繁杂的系统工程，需要通过一系列步骤的实施才能实现，在加工完成之后，还存在一个专门的质检环节，对产品的质量进行检验，如果产品不能通过检验，则证明加工环节没有完成应有的任务目标。机械加工工艺的一般流程为：a.相关工作人员对本单位一年内的生产任务进行总结，在此基础上确定最基本的生产方向以及产品内容。b.对零件本身的生产细节图进行分析，确定最基本的工艺类型。c.按照确定的工艺类型选择恰当的备用毛坯，并在上述基础上拟定一条具体的工艺路线。d.对工序加工剩余进行精准计算，对其实际尺寸以及误差进行精确计算。e.确定各种工具设备的型号以及类型，主要包括测量工具、裁剪工具等。f.确定零件用量、工程强度、技术规范、检测方法等内容。g.完成工艺流程的文件总结[1]。

1.2 汽车零部件机械加工技术的特点

汽车零部件机械加工技术主要存在以下特点：a.工艺要求高。随着经济水平的不断提升，消费者对于汽车性能的要求也在逐渐增加，对于乘用车市场而言，出色的机床加工精度以及加工效率是非常必要的，只有这样才能制作出高水平的汽车零部件。b.信息系统复杂。在汽车零部件机械加工过程中，信息系统是承载数据处理、远程监控等多种工作任务的核心结构，属于生产线的大脑，其在实践中需要对大量信息、数据进行有效处理，并在此基础上提出特定优化策略，如更换刀具、自动补偿等，因此，良好的信息系统是汽车零部件机械加工质量的重要保障。c.新技术不断涌现。近年来，全世界的机械制造工业一直处在不断发展的背景下，为了提升汽车制造质量，相关学者不断研发各种新技术，并将其应用于汽车零部件机械加工领域。在实践中，常见的新技术主要包括高速加工技术、工序集中化以及流程便捷化、珩磨新技术、柔性制造技术、高速刀具技术、无切削液干式切削技术、半干式切削技术。

汽车零部件机械加工主要包括三个系统：

a.工艺系统。汽车制造工艺系统主要指的是以汽车机床为核心的零部件加工系统，在当前技术背景下，工艺系统已经发展到了柔性化时代，主要组成部分包括数控机床、智能工具等。当前，相关领域的设备通常具有较强的先进性，例如发动机主轴的最高转速已经能够达到15 000 r/min。

b.物流系统。该系统主要包括原材料贮存及处理、机床间传输装置、上下料装置，三者共同构成物流系统的柔性制造单元。

c.信息系统。该系统的核心设备为中央处理器，通过物联网系统实现设备调节功能，在实践中能够完成刀具更换、工件调度、自动监控、质量控制、自动补偿、自动报警、自动编程等工作任务，同时还应具有CAM、CAD等功能。

2 机械加工工艺存在的一般问题

2.1 机械加工误差

在进行机械加工的过程中，肯定会存在不同程度的加工误差，工艺优化必须首先对工艺误差进行分析。在实践中，常见的工艺误差类型包括以下几种：

a.定位误差。该误差主要表现为定位加工时的定位不准、基准不重合，这会对加工精度造成影响。

b.机床制造误差。根据误差根源构件不同一般可以将其分为传动链误差、主轴回转误差、导轨误差等，这几种误差均会对零件加工精度产生比较明显的影响。

c.工具几何误差。在机械加工过程中，除了需要完整、全面的加工装置以外，还需要利用辅助工具，这些辅助工具的质量以及应用策略也会对零件的加工质量造成影响，如夹具安装位置不合理，就可能会导致零件加工外形无法符合规范标准[2]。

2.2 机械加工成本

机械加工成本是需要着重考量的重要内容之一，具体而言，机械加工需要消耗能源、材料损耗、机械设备等成本。在实践中，良好的机械加工工艺能够极大降低加工成本，进而提升企业的经济效益，而不良的机械加工工艺则会导致加工成本显著增加，进而对企业发展产生严重影响。

3 机械加工工艺优化的技术路径

加工中心工艺路线指的是机械加工过程中，零件从原材料到制作完成后需要经历的多个步骤的有机结合，该工艺路线的优化与机械加工工艺优化具有相当强的一致性，是整个机械加工工艺的核心内容，能够直接应当工件的加工能耗，合理的工步规划能够有效降低机械加工成本。

工步规划设计工作也是比较复杂的，在实践中，待加工零件通常存在结构复杂、生产工序少、工步规模大等特点，采取传统的人工经验规划的方式通常很难得出最优的工序排序，即使能够获取满足加工约束条件的工艺路线，也可能由于决策人员原因导致工序存在较大的差异性[3]。

3.1 优化问题确定

优化问题描述与确定是最核心的工作内容，零件的加工排序是一项非常复杂的工艺内容，受到工艺特征、加工方法、刀具类型等多方面因素的影响，为了便于后期研究，本文首先对加工零件特征进行描述。

零件的加工过程、机床完成一连串工步的加工操作定义为该工步的工步元，并确定其具体组成部分，即工步号、加工特征、加工方法以及刀具、加工面所在方位几个重要组成部分，并提出表示方法：[Sti=Ni，Fi，Pi，Ti，Di]，其中，[Sti]表示工件的第i个工步元，Ni表示工步编号，Fi表示加工特征，Pi表示加工方法，Ti表示加工刀具，Di表示工步所在的方位面。

同时，在排序过程中，相关技术人员不能完全按照自己的思路进行优化，必须遵守一定原则，具体而言，对于工序排序具有重要影响的工步，其彼此之间应当满足一定的优先关系[4]。

3.2 优化模型建立

优化模型建立在实际工作情境中十分常见，是解决工艺设计问题的核心手段，在本次工作中，需要遵循特定流程完成该任务，具体内容如下。

a.约束的描述。在机械零件加工工艺路线设计过程中，需要遵循一定的科学原理，即对于不同的零件而言，其结构特点、制造方法均存在比较明显的差异，相关技术人员应当根据零件的特点，对其加工面、加工方式之间的约束关系进行分析，一般分为强制性约束、优先约束两个主要种类。其中，强制性约束指的是在排序过程中必须遵守的一些约束条件，如先粗后精，优先性约束指的是在排序过程中非必须遵守的一些约束条件，如尽量减少工作台转为次数等。在实践中，需要在遵循上述约束原则的基础上，进行加工工序设计[5]。

b.设计工步链智能生成算法。在上述原则的基础上，为了得到符合条件的加工工步排序链，需要设计一种基于约束分析的工步智能生成算法。工件通过约束分析构造工步优先关系表，其具体内容如表1所示。

在对构造向量进行约束的过程中，相关技术人员也可以根据工件本身的特点，添加一些额外的约束向量内容，并通过工步链智能生成算法获取可行性较强的加工工步排序链。工步链智能生成算法的操作流程为：生成N个加工工步排序链，排序方式为自由排序，并将其定义为[Sn]，并依次从中抽取向量，并将向量中的元素同约束向量群中的约束向量元素进行比较与判断，如果下标向量群中每一个向量的第一列元素均为该下标向量的最小值，则证明，该工步向量满足约束条件，如果不满足，则应当对N的数值进行调整，至到其满足要求即可，最终输出[6]。

需要建立优化目标函数，具体公式内容为[E=Ec+Eu+Ea+Ed+Et+Es+Eo]，其中，[Ec]代表机床切削能，[Eu]代表机床空载能耗，[Ea]代表附加载荷能耗，[Ed]代表换刀系统能耗，[Et]代表工作台转位能耗，[Es]代表机床广义储能，[Eo]代表辅助能耗。以上诸多能耗之和即为总能耗，通过基于特定算法的优化模型求解即可计算出最佳能耗。

3.3 基于特定算法的优化模型求解

为了计算出最优能耗，本文决定引进遗传算法，遗传算法属于当前技术背景下诞生一种比较先进的自适应搜索算法，在非线性优化问题的解决方面较为出色，在组合优化等领域被广泛应用，并发挥出相当重要作用。基于遗传算法的优化模型求解思路如下。

a.基因编码。即采取二进制编码、自然数链编码的方式进行基因编码，是遗传算法的首要作业流程，在实践中，二进制编码主要适用于变量为数值的情况，而本文所研究的内容为工步排序问题，其适用性相对较差，本文选择采用自然数字链编码解决该问题。在实践中，零件的加工由多个工步排序组成，因此，在基因编码过程中，笔者将染色体的基因分为工步编号、刀具编号、加工特征所在方位面编号。

b.产生初始种群。初始种群指的是一组包含待加工零件工步原信息的随机工步链群，采取直接生成的方式仅仅能够获取满足约束条件的工步排序。为了获得信息完备的初始种群，需要确定可行的初始种群数目，并建立相应信息，实现种群初始化。具体方法为：①工步链智能生成算法；②N个可行的工步排序序列；③抽取第i个工步排序序列；④依次遍历序列i的个工步，并为其匹配可行刀具以及所在方位面；⑤完成序列初始化；⑥储存序列i；⑦判断i、n的具体数值，即i是否小于n，如果结果为是，则初始化结束，如果否，则重新抽取第i个工步排序序列，并进行后续流程[7]。

c.适应函数确定。即确定优化方向，在本次研究中，其目的在于优化能耗，因此，适应函数取优化目标函数的最小值。

d.复制、交叉、变异。即根据遗传算法的基本方法对其进行全面处理，得到新的且满足约束条件的子代。

e.运行参数以及终止条件。具体参数应当包括算法的迭代次数、初始种群数、交叉概率、变异率。在对优化问题进行求解时，需要选择合适的终止条件，在实践中，遗传算法的终止条件包括按照预先设定迭代次数终止、个体适应度变化很小时终止两个基本类型。本文所研究的是工艺路线优化问题，更适合选择“按照预先设定迭代次数终止”这一终止条件。

4 结语

在当前，我国的机械行业快速发展，机械加工工艺不断创新，但是在部分机械加工领域中的加工工艺落后，进而导致其零件加工质量以及零件加工成本受到严重影响。本文通过对相关文献进行查阅，结合优化模型、遗传算法对机械加工工艺中加工中心工艺路线的节能优化方法进行了全面研究与分析，并得出了一定结论。同时，随着时代的发展，一些新型工艺也在不断涌现，例如特种加工等，相关技术人员必须充分结合时代变化特征，对工艺技术流程进行针对性优化，只有这样才能提升工艺的应用质量，进而提升零件加工的精良程度。

参考文献：

[1]顾芳.机械加工工艺对汽车零部件精度的影响及完善措施[J].时代汽车，2023（7）：162-164.

[2]周思吉.基于改进粒子群算法的机械加工工艺参数优化研究[J].自动化与仪器仪表，2023（3）：130-133.

[3]轩卉.机械加工工艺技术的误差分析及策略分析[J].轻工科技，2023，39（1）：77-79.

[4]唐迎东，马建伟.机械加工工艺对零件加工精度的影响研究[J].造纸装备及材料，2023，52（1）：111-113.

[5]董文龙，曹壮，徐鑫秋，等.机械加工工艺对零件加工精度的影响分析[J].现代工业经济和信息化，2022，12（12）：252-254.

[6]印刘峰，王兵兵，郭伟.高端液压支架机械加工工艺分析[J].中国设备工程，2022（24）：109-111.

[7]杨扬.机械加工工艺对零件加工精度的影响研究[J].造纸装备及材料，2022，51（12）：123-125.

作者简介：

张真海，男，1983年生，讲师，研究方向为汽车机械。