1 概述

      切削加工是金屬（shǔ）加（jiā）工（gōng）最基本的手段，切削加工的工作量占機械製造工作（zuò）量的30%-40%，約70% 的零部件（jiàn）采用切削加工來進（jìn）行。據（jù）專家（jiā）估計，在21 世紀切削加工仍將占機械加工量（liàng）的（de）90% 以上，因此，提高切削加工的效率和質量仍是機械製造業的重要（yào）研究內容。加工過程中，合理選擇切削用量不（bú）僅能夠保（bǎo）證加工質量，還能提供生產率和降低生產成本，盡管上世紀就已認識到切削用量（liàng）優化的重要性，但切削用量的選擇（zé）大多依（yī）賴於經驗和手冊，這（zhè）雖然能夠保證加工任（rèn）務的完成，但卻不能達到最優。切削用量優化是零件加工工藝過程優化的基礎，如果選擇得當（dāng），則可充分（fèn）發揮機床和（hé）刀（dāo）具的性能，若選（xuǎn）擇不當（dāng），則會（huì）造（zào）成製造資源的浪費。因此合理選擇切削用量對於保證產品加工質量、提高勞動生產率，降低加工成本具有重要意義。實（shí）現數（shù）控加工的（de）關鍵在編程，但僅僅靠編寫加工（gōng）程序還不行，數控加工還包括編程前要做的工（gōng）藝設計及編程後的處理工作。處理正確與否，直接關（guān）係到（dào）數控機床（chuáng）的使用（yòng）效率、零件的加工質量、刀具數量和經（jīng）濟（jì）性等問題。同時通過（guò）針（zhēn）對企（qǐ）業實際問題，以汽車（chē）發動機曲軸加工為例（lì），優化切削用量參數，提高了數（shù）控（kòng）加工效（xiào）率，從而提高數控加（jiā）工工藝決策和切削參數決（jué）策的準確性、合理性和智能（néng）化水（shuǐ）平（píng）。

      使用切削數據庫軟件已經（jīng）成為了生產實踐中選擇和優化切削用量的重（chóng）要（yào）方法（fǎ）。金屬切削數據（jù）庫能通過計算機快速準確地為機加工提供最佳切削參數。現在機械行業普遍CAM/CAPP 軟件，如UG、MasterCam 等，切削數據（jù）庫的內容應包括切削（xuē）用量推薦值，根據加工條件，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，並計算功（gōng）率消耗。我國建立的切削數據庫是從20 世紀80 年代開始的。成都工具研究所在1987 年建（jiàn）成了（le）我國第一個試（shì）驗性車削數據庫（kù）TRN10，又於1988 年從當時的（de）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（yǐ）改（gǎi）進，向國內推出（chū）其修訂版（bǎn）的ATRN90E。隨後又繼續開發並推（tuī）出了車削（xuē）數據庫軟件CTRN90V1.0。

      2 曲軸數控加工工藝（yì）分析

      曲軸（zhóu）屬於偏（piān）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（zuì）重要的零件之一，運動（dòng）特點是將直線運動轉變成旋轉運動，或將旋轉運動變成直線運動（dòng）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（chéng），采用（yòng）車銑複合自動編程（chéng），可以獲得精度較高（gāo）的數控程序，完成在車（chē）銑加工中心上（shàng）加工曲軸的連杆處（chù），如圖1 所示。而正是（shì）通過一次（cì）裝夾加工成（chéng）型，可以大大拓寬加工工藝範圍，提高加工質量特別是位（wèi）置精（jīng）度和加工效率。

      3 曲軸的主要技術要求

      主（zhǔ）軸頸、連杆軸頸本（běn）身的精度，即直徑（jìng）尺寸公差等級通（tōng）常為IT6—IT7 級；主軸頸的寬度（dù）寬度極（jí）限（xiàn）偏差（chà）為+0.05 ～ 0.15mm ；曲軸的（de）軸（zhóu）向尺寸極限偏差為±0.15 ～ 0.05 mm。

      4 曲軸的材（cái）料與毛坯（pī）

      曲軸工作時要承受很大的轉矩及交變的彎曲應力，容易產生扭振、折斷及軸頸磨（mó）損，因此要求材料必須有（yǒu）較高的強度、衝擊韌度、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。曲軸的毛坯根據批量（liàng）大小、尺寸、結構等來決定，批量較大的（de）小型（xíng）曲軸，采用模鍛；單件小批的中大型曲軸，采用自由鍛（duàn）造等。

      5 曲軸的機械加工（gōng）工藝分析（xī）

      曲（qǔ）軸剛性較差，應按先粗後（hòu）精的（de）原則安排加工順序（xù），逐步提高（gāo）加工精度（dù）。對於主軸頸與（yǔ）連杆軸頸（jǐng）的加工順序是：先加工主軸頸，然後在加工連杆（gǎn）軸頸及其它各處的外圓，可以（yǐ）避免一開始（shǐ）就降低工件剛度，減少受力變形，有利於提高曲軸的加工精度。

      6 曲軸數控加工工藝參數優化分析

      數（shù）控加工技術是以（yǐ）數（shù）控機床技術、計算機集成製造技術、機械加工（gōng）技術為基（jī）礎，從而實現產品自動化（huà）生產加工的現代化製造技術，國家標準（GB8129-87）給（gěi）數控技術的定義為（wéi）“用（yòng）數字化信號對機床運動及其加工過程進行控製的一種（zhǒng）方法（fǎ）”，簡稱數控(NC，Numerical Control)。數控加工技術包（bāo）括（kuò）了產品造型設計、工藝過（guò）程設計、計算機輔助製造、虛擬加工、數控機床實際加工等。

      確定加工（gōng）工藝參數是工藝製定中重（chóng）要的內容（róng），采用自動（dòng）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（xuē）效率，還（hái）可以提（tí）高零（líng）件的加工質量，降低成本。對於不同的加工方（fāng）法、設備（bèi）、工件、刀具、精度及（jí）表麵質量要求，需要選擇（zé）不同的（de）工藝參數，並編入（rù）程（chéng）序單內。近年來切削用量優化已（yǐ）經成為研（yán）究的熱點問（wèn）題，針對各種工藝方法（如車、銑、鑽、刨、磨等）、各（gè）種工件材料（如45鋼、鑄鐵等）、不同目標函數（如最大生產率（lǜ）、最（zuì）低生產成本、最小工件表麵粗糙度等）的各種條件（jiàn）下的切削用量優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（xuē）生產率的關係，要提高生產（chǎn）率，應盡量增大切削用量。在實際加工時，切削（xuē）用量在選用時受到切削力、切削功率、刀（dāo）具耐用度和加（jiā）工表麵質量等因素的影響。因此，所確定的切削用量應該是（shì）能達到零（líng）件的加工（gōng）精度和（hé）表麵粗糙度的要求，並且在工藝係統和剛（gāng）性允許條件下充分（fèn）利用功率和發揮刀具切削性能的最大切削用量。

      從工業發展進程來看，智能化趨勢是機械（xiè）工業發展的重要方向。零部件（jiàn）的智能化CAD/CAM 係統軟件已經在國（guó）內得到應用，該軟件大大的提高了生產率，減輕了（le）操作工人的（de）負擔（dān），大大提高產品精度和降低成本（běn），並使零部件向著（zhe）規範化、標準化、係列化方向發展。

      目標（biāo）函（hán）數是建立模型要獲取最值的目標（biāo），目標函數的選（xuǎn）取多樣，可以是（shì）追求經濟指標，也可追求質量指標或其他指（zhǐ）標。經濟指標主要包括最（zuì）低生產（chǎn）成本（běn）、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函數，以及綜合（hé）考慮其中幾種目（mù）標（biāo）的多目標（biāo）函數。製造優化中最常（cháng）用的（de）三個標（biāo）準是：最大生（shēng）產率（lǜ）或最短生產時間標準；最低生產成本標（biāo）準；最大（dà）利潤率標準。

      製造優化中最常（cháng）用的（de）三個標準是：最大生產率或最短生產時間（jiān）標準；最低生（shēng）產成本標準；最大利潤率標準。通過（guò）分析考慮切削加工的實際情況（kuàng），切削用量的影響因素及（jí）一些（xiē）相（xiàng）應（yīng）的約束條（tiáo）件，按照切削參（cān）數（切削速度、進給量和切削深度）和切削性能（表麵粗糙度、切削力及刀具壽命等）之間關係的一般數學模型，建立了本係（xì）統的優化目標數學模型。

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

最大生產率目標函（hán）數（shù）為：

      一次走刀最低加工成本( 不含毛坯（pī）費用) 目標函數為（wéi）：

      式中：ti—平均單位零（líng）件的加工時間（jiān）

      tl—裝卸及（jí）其它輔助時間

      tc—切削時間

      Tr—換刀時（shí）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（liào）費用)

      式中（zhōng）：x—單位時間勞動力與管理費用Y—刀（dāo）具成本可（kě）以看（kàn）到， 當tl、tr、x、y 為常量時，公式(1) 和（hé）(2) 的數學形式一致，可以采（cǎi）用相同（tóng）的優化策略。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（bāo）括進刀時間、切削時間、退刀時間。但是，由於進刀時間、退刀時間耗時較短，且預（yù）先無法完全確定，可（kě）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

      另外，切削加工過程中約束條件的影響因素很多，還（hái）有一（yī）些（xiē）約束條件（jiàn）不能用解（jiě）析式來表達，因此機床操作者根據現場的實際情況，人為調整與約束條件相關的變量取值範圍，然後（hòu）在進行優化，以達到較（jiào）好的優化效果（guǒ）。

      根據建立的數學模型編寫，上機優化運算，可得優化結果（guǒ），切削速度v c =110m/min 被吃刀量a p =0.3mm 進給（gěi）量f =0.1mm/r切削用量的優化問題實質是一個（gè）比（bǐ）較複雜的問題，隨著現代加工業（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（qiē）的要求。如果整（zhěng）個數控代碼中的切削用量都設定一個固定值，該值隻能是與該次（cì）加工（gōng）中切深、切寬最大的（de）走刀相對應（yīng）的切削用量；而在切深、切寬較（jiào）小的走刀過程中，仍然（rán）使用這個固定（dìng）的切（qiē）削用量就浪費時（shí）間，如果CAM 軟（ruǎn）件中能夠比較方便的分別設置（zhì）每（měi）次走刀時的（de）切削用量，就可以大大（dà）提高加工效率。