1 概述

      切削加工是金屬加工最基本的手段，切削加（jiā）工的（de）工作量占機（jī）械製造工作量（liàng）的30%-40%，約70% 的零部件采用切（qiē）削加工來進行。據專家估計，在21 世紀（jì）切削加工仍將占機械加工量的（de）90% 以上，因此，提高切削加工（gōng）的效率和質（zhì）量仍（réng）是機械製造業的重要研究內容。加工過程中，合理（lǐ）選擇切削（xuē）用量不僅能夠保證加工質量，還能提供生產率和降低生產成本，盡管上世紀就已認（rèn）識到切削用量優化的重要性，但切削用量的選擇（zé）大多依賴於（yú）經驗和手冊，這雖（suī）然能（néng）夠保（bǎo）證加工任（rèn）務的完成，但卻不能達到最優。切削用量優化是（shì）零件加工工藝過（guò）程（chéng）優化的基礎，如果選（xuǎn）擇得當，則可充分發揮機床和刀具（jù）的性能，若選擇不當，則會造成製造資源的浪費。因此（cǐ）合理選擇切削用量對（duì）於保證（zhèng）產品（pǐn）加工質量、提高勞動（dòng）生產率，降低加工成本（běn）具有重要意義。實現數控加工的關（guān）鍵在編程，但僅僅靠編寫（xiě）加工程序還不行，數控加工還包括編程前要做的工藝設計及編程後的處理工（gōng）作。處理正（zhèng）確與否，直接關係到數控機床（chuáng）的使用（yòng）效率、零件的加工質量、刀具（jù）數量和經濟性等問題。同時通過針對企業（yè）實際問題，以汽車發動機曲軸加工（gōng）為例，優化切削用量參數，提高了數控加工（gōng）效率，從而提高數控加工工藝決策和切削參數（shù）決（jué）策的準確性、合理性和智能化水平。

      使用切削數據庫軟件已（yǐ）經成為了生產實踐（jiàn）中選擇和優化切削用量的重要方法。金屬切（qiē）削數據庫能通過計算機快速準確地為（wéi）機加工（gōng）提供最佳（jiā）切削參數。現在（zài）機械行業普遍CAM/CAPP 軟（ruǎn）件，如UG、MasterCam 等，切（qiē）削數據庫的內容應（yīng）包括切削用（yòng）量推薦值，根（gēn）據加工條（tiáo）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，並計算功率消耗（hào）。我國建立的切削（xuē）數據庫是從20 世（shì）紀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據庫TRN10，又於1988 年（nián）從當時的聯邦德國引進了INFOS 車削數據庫軟件（在國內運行後，被稱為ATRN90），並加以改進，向國內推出其修訂版的ATRN90E。隨後又繼續開發並推出了車削數據（jù）庫軟件CTRN90V1.0。

      2 曲軸數控加工工藝分析

      曲軸屬於偏心回轉類零件，在製造業中屬於難加工複雜零件，它是發動機中最重要（yào）的零件之一，運（yùn）動特點是將直線運（yùn）動（dòng）轉變成旋轉（zhuǎn）運動，或將（jiāng）旋轉運（yùn）動變（biàn）成直線運動的零件。其主要的型麵包括主軸頸和連杆軸頸，傳統加工是在車床上完成，采用車銑複合自動編程，可以獲得精度（dù）較高的（de）數控（kòng）程序，完成（chéng）在車銑加工中心上加工曲軸的連杆處，如圖1 所示。而正是通過一次裝夾加工成型，可（kě）以大大拓寬加工工藝範圍，提高加工質量特別是位置精度和加工效率。

      3 曲軸的主要（yào）技術要（yào）求

      主軸頸、連杆軸（zhóu）頸本身的精度，即（jí）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（chà）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矩及交變的彎（wān）曲應力，容易產生扭振、折斷及軸頸磨損，因此要求材（cái）料必須有較高的強度、衝擊韌（rèn）度、疲勞強度和耐磨性。一般曲軸為35、40、45 鋼或球墨（mò）鑄鐵等（děng）材料。曲（qǔ）軸（zhóu）的毛坯根據批量大小、尺寸（cùn）、結構等來決定，批量較大的小型曲軸，采用模鍛；單件小批的中大型曲軸，采（cǎi）用自由鍛造等。

      5 曲軸的機械加工工藝分析

      曲軸剛性較差，應按先粗後精的原則安排加工順序，逐步提高加工精度。對於主軸（zhóu）頸與連杆軸頸的加工順序是：先加（jiā）工主軸頸（jǐng），然後在加工連杆軸頸及其它各處的外圓，可以避免一開始就降低工件（jiàn）剛度，減少受力變（biàn）形，有利於提高曲軸（zhóu）的加工精度。

      6 曲軸數控（kòng）加工工藝參數優化分析

      數控加工技術是以數控機床技術、計算（suàn）機（jī）集成製造技術（shù）、機械（xiè）加工技術為基礎，從而實現產品（pǐn）自動化生產加工的現代化製造技術，國家標準（GB8129-87）給數控技術的定義（yì）為（wéi）“用數字化信號對機床運動及其加（jiā）工過程（chéng）進行（háng）控（kòng）製的一種方法”，簡（jiǎn）稱數控(NC，Numerical Control)。數控加工（gōng）技術包括了產品造型設計、工藝過程設計、計算機輔助製造、虛擬加工（gōng）、數控機（jī）床實際加工等。

      確定加工工藝參數是工藝製（zhì）定中重（chóng）要（yào）的內容，采（cǎi）用自（zì）動編程時更是程序成功與否的（de）關鍵。合理地選擇加工工藝參數，不（bú）但可以提高切削效率，還可（kě）以提高零件的加（jiā）工質量，降低成本。對於不同的加工方法、設備、工件、刀具、精度（dù）及表麵質量要求，需要（yào）選擇不同的工藝（yì）參數，並編入程序單（dān）內。近年來切削用量優化已經成（chéng）為研究的熱點問題，針對（duì）各種工藝方法（fǎ）（如車、銑、鑽、刨、磨等）、各種工件材料（如45鋼、鑄鐵（tiě）等）、不同目標函數（如最大生產率、最低生產成（chéng）本（běn）、最小工件表麵粗糙度等）的各（gè）種條件下的（de）切（qiē）削用量（liàng）優化問題進行了深入的研究。

      切削用量在選用的時（shí）候，要考慮與切（qiē）削生產（chǎn）率的關係，要提（tí）高生（shēng）產率（lǜ），應盡量增大切削用量。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麵質量等因素的影響。因此，所確定的切削用（yòng）量應該是能達到零（líng）件的加工精度和表麵粗糙度的要求，並且在工藝係統（tǒng）和剛性允許條件下充分利（lì）用功率和發揮刀具切削性能的最大切削用量。

      從工業發（fā）展進程來看，智能化趨勢（shì）是機械工（gōng）業發展的重要方向。零部件的智能化CAD/CAM 係統軟件已經在國內得到應用，該軟件大大的提（tí）高了生產率，減輕了操作工（gōng）人的負擔，大大提高產品精度和降低成本，並使零部件向著規範化、標準化、係列化方（fāng）向發展。

      目標函數是建（jiàn）立模型要（yào）獲取最值的目標，目標函數的選取多樣（yàng），可以是追求經濟指（zhǐ）標，也可（kě）追求質（zhì）量指標或其他指標。經濟指標主要包括最低生產成本、最高加工效率、最大利潤、最大刀（dāo）具壽命、最大刀具壽命、最大材料去除率等但目標（biāo）函數，以及綜合考慮其（qí）中幾種目標的多目標（biāo）函數。製造優化中（zhōng）最常（cháng）用的三個標準是：最大（dà）生產率或最短（duǎn）生產時間標準；最低生產成（chéng）本標準；最大利潤率標準。

      製造（zào）優化中最常（cháng）用的三個標準是：最大生產率或最短生產時（shí）間標準；最低生產成本（běn）標準；最大利潤率標準。通過分析考慮切削加工的實際情況，切削用量的（de）影響因素及一些（xiē）相應（yīng）的約束條件，按照切（qiē）削參數（切削速度、進給（gěi）量（liàng）和切削深度）和切削性能（表麵粗糙度、切削力及刀具壽（shòu）命等）之間關係的一般（bān）數學模（mó）型，建立了本係統的（de）優化目標數學模型。

考慮加工簡化問題等實際情（qíng）況，最終確定以最大生產率和最低（dī）加工成（chéng）本為優化目標。

最大生（shēng）產率目標函數為：

      一次走刀最（zuì）低加工成本( 不含毛（máo）坯費用) 目標函數為：

      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（shí）間

      Tr—換刀時間

      Tac—有效切（qiē）削時間

      T—刀具壽命

      Ci—單位平均成本( 不含工件材料費用（yòng）)

      式（shì）中：x—單位時間（jiān）勞（láo）動力與管理費用Y—刀具成本可（kě）以看到， 當tl、tr、x、y 為常量時，公式(1) 和(2) 的數學形式一致，可以（yǐ）采用相同的優化策略。切削時間tc 包括刀具從起始位置開（kāi）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（dāo）時（shí）間。但是，由於進刀時間、退刀時間耗時較短，且預先無法（fǎ）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（jù）直徑

      z—銑刀齒數

      另外，切削加（jiā）工過程（chéng）中約束條件的影響因素很多，還有一些約（yuē）束條件不能用解析式來表達（dá），因此機床（chuáng）操作者（zhě）根據現場（chǎng）的實際情況，人為調整與約束條件相關的（de）變量取值範圍，然（rán）後在進（jìn）行優化（huà），以達到較好的優化效果。

      根據建立的數學（xué）模型編寫，上機優化運算，可得優化結果，切削速（sù）度v c =110m/min 被吃刀量a p =0.3mm 進給量f =0.1mm/r切削用量的優化問題實質是一個比較（jiào）複雜的問題，隨著現代加工業自動化程度的提（tí）高，合理（lǐ）切削用量的確定已成為一個（gè）日益迫切的要（yào）求。如果整個數控代碼中的切削用量（liàng）都設定一（yī）個固定值，該值隻能是與該次加工中切深（shēn）、切寬最大的走（zǒu）刀相對應的切削用量（liàng）；而在切深、切寬較小的走刀過程中，仍然使用這個固定（dìng）的切削（xuē）用量就浪費時間，如果CAM 軟件中能夠比較方便的分別設置每次走刀時的切削用（yòng）量，就可以大大提（tí）高加工效率。