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      1 概述

      切削加工是金屬加工最基本的手段，切削加工的工作量占機械制造工作量的30%-40%，約70% 的零部件采用切削加工來進行。據(jù)專家估計，在21 世紀(jì)切削加工仍將占機械加工量的90% 以上，因此，提高切削加工的效率和質(zhì)量仍是機械制造業(yè)的重要研究內(nèi)容。加工過程中，合理選擇切削用量不僅能夠保證加工質(zhì)量，還能提供生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，盡管上世紀(jì)就已認識到切削用量優(yōu)化的重要性，但切削用量的選擇大多依賴于經(jīng)驗和手冊，這雖然能夠保證加工任務(wù)的完成，但卻不能達到最優(yōu)。切削用量優(yōu)化是零件加工工藝過程優(yōu)化的基礎(chǔ)，如果選擇得當(dāng)，則可充分發(fā)揮機床和刀具的性能，若選擇不當(dāng)，則會造成制造資源的浪費。因此合理選擇切削用量對于保證產(chǎn)品加工質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率，降低加工成本具有重要意義。實現(xiàn)數(shù)控加工的關(guān)鍵在編程，但僅僅靠編寫加工程序還不行，數(shù)控加工還包括編程前要做的工藝設(shè)計及編程后的處理工作。處理正確與否，直接關(guān)系到數(shù)控機床的使用效率、零件的加工質(zhì)量、刀具數(shù)量和經(jīng)濟性等問題。同時通過針對企業(yè)實際問題，以汽車發(fā)動機曲軸加工為例，優(yōu)化切削用量參數(shù)，提高了數(shù)控加工效率，從而提高數(shù)控加工工藝決策和切削參數(shù)決策的準(zhǔn)確性、合理性和智能化水平。

      使用切削數(shù)據(jù)庫軟件已經(jīng)成為了生產(chǎn)實踐中選擇和優(yōu)化切削用量的重要方法。金屬切削數(shù)據(jù)庫能通過計算機快速準(zhǔn)確地為機加工提供最佳切削參數(shù)。現(xiàn)在機械行業(yè)普遍CAM/CAPP 軟件，如UG、MasterCam 等，切削數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容應(yīng)包括切削用量推薦值，根據(jù)加工條件，在不同的切削深度、進給量組合下，推薦不同壽命刀具下的切削速度，并計算功率消耗。我國建立的切削數(shù)據(jù)庫是從20 世紀(jì)80 年代開始的。成都工具研究所在1987 年建成了我國第一個試驗性車削數(shù)據(jù)庫TRN10，又于1988 年從當(dāng)時的聯(lián)邦德國引進了INFOS 車削數(shù)據(jù)庫軟件（在國內(nèi)運行后，被稱為ATRN90），并加以改進，向國內(nèi)推出其修訂版的ATRN90E。隨后又繼續(xù)開發(fā)并推出了車削數(shù)據(jù)庫軟件CTRN90V1.0。

      2 曲軸數(shù)控加工工藝分析

      曲軸屬于偏心回轉(zhuǎn)類零件，在制造業(yè)中屬于難加工復(fù)雜零件，它是發(fā)動機中最重要的零件之一，運動特點是將直線運動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運動，或?qū)⑿D(zhuǎn)運動變成直線運動的零件。其主要的型面包括主軸頸和連桿軸頸，傳統(tǒng)加工是在車床上完成，采用車銑復(fù)合自動編程，可以獲得精度較高的數(shù)控程序，完成在車銑加工中心上加工曲軸的連桿處，如圖1 所示。而正是通過一次裝夾加工成型，可以大大拓寬加工工藝范圍，提高加工質(zhì)量特別是位置精度和加工效率。

      3 曲軸的主要技術(shù)要求

      主軸頸、連桿軸頸本身的精度，即直徑尺寸公差等級通常為IT6—IT7 級；主軸頸的寬度寬度極限偏差為+0.05 ～ 0.15mm ；曲軸的軸向尺寸極限偏差為±0.15 ～ 0.05 mm。

      4 曲軸的材料與毛坯

      曲軸工作時要承受很大的轉(zhuǎn)矩及交變的彎曲應(yīng)力，容易產(chǎn)生扭振、折斷及軸頸磨損，因此要求材料必須有較高的強度、沖擊韌度、疲勞強度和耐磨性。一般曲軸為35、40、45 鋼或球墨鑄鐵等材料。曲軸的毛坯根據(jù)批量大小、尺寸、結(jié)構(gòu)等來決定，批量較大的小型曲軸，采用模鍛；單件小批的中大型曲軸，采用自由鍛造等。

      5 曲軸的機械加工工藝分析

      曲軸剛性較差，應(yīng)按先粗后精的原則安排加工順序，逐步提高加工精度。對于主軸頸與連桿軸頸的加工順序是：先加工主軸頸，然后在加工連桿軸頸及其它各處的外圓，可以避免一開始就降低工件剛度，減少受力變形，有利于提高曲軸的加工精度。

      6 曲軸數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化分析

      數(shù)控加工技術(shù)是以數(shù)控機床技術(shù)、計算機集成制造技術(shù)、機械加工技術(shù)為基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)產(chǎn)品自動化生產(chǎn)加工的現(xiàn)代化制造技術(shù)，國家標(biāo)準(zhǔn)（GB8129-87）給數(shù)控技術(shù)的定義為“用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法”，簡稱數(shù)控(NC，Numerical Control)。數(shù)控加工技術(shù)包括了產(chǎn)品造型設(shè)計、工藝過程設(shè)計、計算機輔助制造、虛擬加工、數(shù)控機床實際加工等。

      確定加工工藝參數(shù)是工藝制定中重要的內(nèi)容，采用自動編程時更是程序成功與否的關(guān)鍵。合理地選擇加工工藝參數(shù)，不但可以提高切削效率，還可以提高零件的加工質(zhì)量，降低成本。對于不同的加工方法、設(shè)備、工件、刀具、精度及表面質(zhì)量要求，需要選擇不同的工藝參數(shù)，并編入程序單內(nèi)。近年來切削用量優(yōu)化已經(jīng)成為研究的熱點問題，針對各種工藝方法（如車、銑、鉆、刨、磨等）、各種工件材料（如45鋼、鑄鐵等）、不同目標(biāo)函數(shù)（如最大生產(chǎn)率、最低生產(chǎn)成本、最小工件表面粗糙度等）的各種條件下的切削用量優(yōu)化問題進行了深入的研究。

      切削用量在選用的時候，要考慮與切削生產(chǎn)率的關(guān)系，要提高生產(chǎn)率，應(yīng)盡量增大切削用量。在實際加工時，切削用量在選用時受到切削力、切削功率、刀具耐用度和加工表面質(zhì)量等因素的影響。因此，所確定的切削用量應(yīng)該是能達到零件的加工精度和表面粗糙度的要求，并且在工藝系統(tǒng)和剛性允許條件下充分利用功率和發(fā)揮刀具切削性能的最大切削用量。

      從工業(yè)發(fā)展進程來看，智能化趨勢是機械工業(yè)發(fā)展的重要方向。零部件的智能化CAD/CAM 系統(tǒng)軟件已經(jīng)在國內(nèi)得到應(yīng)用，該軟件大大的提高了生產(chǎn)率，減輕了操作工人的負擔(dān)，大大提高產(chǎn)品精度和降低成本，并使零部件向著規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方向發(fā)展。

      目標(biāo)函數(shù)是建立模型要獲取最值的目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)的選取多樣，可以是追求經(jīng)濟指標(biāo)，也可追求質(zhì)量指標(biāo)或其他指標(biāo)。經(jīng)濟指標(biāo)主要包括最低生產(chǎn)成本、最高加工效率、最大利潤、最大刀具壽命、最大刀具壽命、最大材料去除率等但目標(biāo)函數(shù)，以及綜合考慮其中幾種目標(biāo)的多目標(biāo)函數(shù)。制造優(yōu)化中最常用的三個標(biāo)準(zhǔn)是：最大生產(chǎn)率或最短生產(chǎn)時間標(biāo)準(zhǔn)；最低生產(chǎn)成本標(biāo)準(zhǔn)；最大利潤率標(biāo)準(zhǔn)。

      制造優(yōu)化中最常用的三個標(biāo)準(zhǔn)是：最大生產(chǎn)率或最短生產(chǎn)時間標(biāo)準(zhǔn)；最低生產(chǎn)成本標(biāo)準(zhǔn)；最大利潤率標(biāo)準(zhǔn)。通過分析考慮切削加工的實際情況，切削用量的影響因素及一些相應(yīng)的約束條件，按照切削參數(shù)（切削速度、進給量和切削深度）和切削性能（表面粗糙度、切削力及刀具壽命等）之間關(guān)系的一般數(shù)學(xué)模型，建立了本系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)數(shù)學(xué)模型。

考慮加工簡化問題等實際情況，最終確定以最大生產(chǎn)率和最低加工成本為優(yōu)化目標(biāo)。

最大生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù)為：

      一次走刀最低加工成本( 不含毛坯費用) 目標(biāo)函數(shù)為：

      式中：ti—平均單位零件的加工時間

      tl—裝卸及其它輔助時間

      tc—切削時間

      Tr—換刀時間

      Tac—有效切削時間

      T—刀具壽命

      Ci—單位平均成本( 不含工件材料費用)

      式中：x—單位時間勞動力與管理費用Y—刀具成本可以看到， 當(dāng)tl、tr、x、y 為常量時，公式(1) 和(2) 的數(shù)學(xué)形式一致，可以采用相同的優(yōu)化策略。切削時間tc 包括刀具從起始位置開始進刀到回到起始位置的全過程，包括進刀時間、切削時間、退刀時間。但是，由于進刀時間、退刀時間耗時較短，且預(yù)先無法完全確定，可近似認為切削時間tc 與有效切削時間tac 相等：

      tc=tac=0.001ld p /vcfzz

      式中：l—工件切削部分長度

      d—刀具直徑

      z—銑刀齒數(shù)

      另外，切削加工過程中約束條件的影響因素很多，還有一些約束條件不能用解析式來表達，因此機床操作者根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，人為調(diào)整與約束條件相關(guān)的變量取值范圍，然后在進行優(yōu)化，以達到較好的優(yōu)化效果。

      根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型編寫，上機優(yōu)化運算，可得優(yōu)化結(jié)果，切削速度v c =110m/min 被吃刀量a p =0.3mm 進給量f =0.1mm/r切削用量的優(yōu)化問題實質(zhì)是一個比較復(fù)雜的問題，隨著現(xiàn)代加工業(yè)自動化程度的提高，合理切削用量的確定已成為一個日益迫切的要求。如果整個數(shù)控代碼中的切削用量都設(shè)定一個固定值，該值只能是與該次加工中切深、切寬最大的走刀相對應(yīng)的切削用量；而在切深、切寬較小的走刀過程中，仍然使用這個固定的切削用量就浪費時間，如果CAM 軟件中能夠比較方便的分別設(shè)置每次走刀時的切削用量，就可以大大提高加工效率。