基于加工特征的机床关键零件高效数控加工切削参数优化技术研究.doc

基于加工特征的机床关键零件高效数控加工切削参数优化技术研宄第一章绪论1.1论文的研究背景意义1.1.1 课题来源本课题来源于：（1）国家科技重大专项“汉川机床采用国产数控系统 加工大型机床零件应用示范工程”（项目编号：2012ZX04011-011）； （2）国家自然科学基金面上项目“面向航空叶片类零件高效铣削的 VCPM动力学建模研宄”（项H编号：51375160）1.1.2论文研宄的背景及意义自进入二十一世纪以来，在国家“以信息化带动工业化，工业化促 进信息化，走新型工业化道路”的发展战略与市场需求的双秉作用下， 内制造业得到了迅猛发展作为先进制造技术的一个重要分支，数控加工技术己成为现代工业制造自动化领域内的重要组成并代表了 其发展趋势通过回顾国内外数控加工技术几十年的发展历程发现, 有效提高数控机床的生产效率、降低生产成本、提高加工质量，是实 现高速、高效、高精生产的关键所在解决这一关键问题主要有两条 途径[1]: 一是提高机床和生产过程的自动化程度，如采用以数控机 床为基础的柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell, FMC)、 柔性制造系统(Flexible Manufacturing System, FMS)、计算机集 成制造系统(Comupcr Integrated Manufacturing System, CIMS) 和自动化工厂(Automatic Factory, AF)等技术，提高整个零件加 工过程的自动化程度和连续性，缩短辅助工时；另一个途径是采用优 化的切削参数和数控加工工艺，在保证产品质量的前提下提高材料去 除速率(Material Remove Rate, MRR),减少切削时间。

而现实情况 是，由于国内在基础机械加工工艺、切削动力学建模、仿真及其应用 等方面的研究基础薄弱，缺乏成熟的方法、实用性强的工具软件及有 效的切削数据库，只能依靠经验来获得切削参数，实际加工时的切削 效率低、成本高近年来，尽管我国的数控机床发展速度快、应用规模增长迅猛，但 由于数控加工技术的整体应用水平呈现出极不平衡的现状，部分企业 的应用水平己经接近国外先进水平，但绝大部分企业还远未发挥数控 加工“高速、高效、高精”等综合效应和优势，缺乏合理的切削参数 是造成这种情况的主要原因一方面，国内大多数企业缺乏对以往的 应用经验尤丼是数控切削加工参数进行系统有效的积累；另一方面, 利用引进国外数控切削加工机床和刀具契机所获取的数控切削加工 参数十分有限，很难满足实际生产的需求，其根本原因是国内对与切 削加工过程密切相关的基础理论与应用技术的研宄不够系统，没有形 成一套基于切削动力学仿真技术的切削参数优化方法和有效的优化 工具基于对多个航空主机厂及部分航天企业的专题调研发现，机械 制造行业普遍存在数控加工应用技术基础薄弱，特别是数控加工切削 参数优化和工艺优化技术薄弱，至今尚未形成实用化的数控切削参数 数据库。

这些问题严秉制约了机械制造业尤其是军工制造业的数控加 工基础能力和水平在国外，为获得优化的数控切削加工工艺参数，基于切削过程动力 学建模、仿真的数控切削参数及工艺过程优化技术，己逐步取代了以 试切加工和经验为主的传统切削参数获取方法这种建立在加工过程 物理建模、仿真（尤其是动力学建模）基础上的切削参数优化方法, 以定量化数学模型为基础，将加工条件、加工要求和设计者意图等进 行数字化处理，将复杂的切削参数优化多目标问题简化成条件极值问 题，利用高速计算机技术来实现切削参数选择的自动或半自动化与 先前完全依赖工艺人员经验的定性切削参数确定方法相比较，它可以 同时对不同的约束条件进行全面的综合考虑和平衡，依靠计算机对切 削过程工艺参数进行优化将更加可靠、快捷，并能获得更好的技术经 济效果在此基础上，还可进一步形成优化的数控切削参数数据库 著名的波音飞机公司、普惠发动机公司和西科斯基直升机公司等已广 泛采用此类技术，并己获得了显著的效益但是，H前数据库系统建立过程中，往往只考虑了工件材料信息， 而忽略了加工特征对切削参数的影响研究发现[1],工件加工特征 对切削参数的影响很大，尤其是在大型、复杂的零件中。

而数控机床 大型关键性零件中，结构一般复杂，包含加工特征多，具有加工成本高、加工效率低下等特点由此可见，基于切削动力学建模与仿真，以加工特征为对象开展其 切削参数优化建模与求解研究，对提高数控机床加工效率、降低生产 成本，提高零件产品质量有着非常重要的学术意义与工程实用价值1.2国内外研宄现状近年来，国内外许多研宄者都在致力于与高效数控切削加工参数优 化密切相关的高效数控加工、切削过程动力学建模、加工特征建模及 切削参数优化等研宄工作，己经取得Y相当客观的理论研究成果，其 中一些研宄成果已经被成功应用到实际工程中，取得了良好的经济效 益和社会效益下面将从高效切削、切削过程动力学建模仿真、加工特征提取与建模、切削参数优化等几方面进行文献综述1.2. 1高效切削高效切削(High Performance Machining, HPM)是指在保证零件精 度和质量前提下，实现高设备利用率、高零件加工率和低成本，是加 工时间、效率和成本三者相结合的一种高性能加工技术它并不只是 限于提高切削速度和进给速度，而是把优化材料切除速率放在首位， 主要包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削、高效复合切 削加工、高速与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削和缓进给深 切磨削等。

在某种程度上，高效加工涵盖了高速加工(High Speed Machining, HSM)与传统切削加工相比，高效切削具有如下优势：加工时间短、效率 高；切削力小、加工系统变形小；刀具和工件受热影响小；工件表面 质量好；可加工高硬度材料；高速切削刀具热硬性好，且切削热量大 部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，无需冷却液，可 减少对环境的污染以便实现绿色加工随着各种新材料的诞生，驱 动控制系统的不断发展与改进，刀具、机床、加工工艺等技术的不断 进步，高速、高效切削技术正逐渐在加工制造业中普及，并在航空、 航天、汽车、模具、高速机车等行业中得到应用，并且匕取得了秉大 经济效益，它对于提高切削加工技术水平，推动先进制造技术的进步具有深远意义自从Salomon博士在其专利中提出高速切削理念以来，国内外研宄 者加大了对高速、高效切削加工的研宄德国Darmstadt University of Technology通过对铝合金、铁系材料和非铁系材料高速洗削特点 的研宄，获得了许多秉要成果，为高速高效切削加工的发展和应用奠 定了基础［16-17］Werner提出了高效深磨热机理学说，对高效深 磨区存在的合理性进行了成功的预测。

Kuinara和Ghosh等人对高速 高效加工设备进行了深入研究美国Ghoi项目组开发了高效磨削智 能加工咨询系统一GIGAS，利物浦JMU大学开发丫高效磨削加工辅助 系统一IGA国内东北大学赵恒华等人通过对高速钢的高效深磨进行 试验，提出了冲击成屑理论，并对高效磨削传热机制进行了系统的理 论研究湖南大学谢桂枝等人从断裂力学和陶瓷纤维结构等方面对高 效磨削机理做了深入的研宄，探讨了高效深磨的力和能的特征和形成 机理天津大学研究Y高速插铣动力学，建立Y高速插铣温度场模型 并进行了试验和仿真山东大学研究了模具高效加工技术与策略，并 建立了模具高效切削数据库1.2.2切削过程动力学建模研究切削过程动力学建模是指在确定的切削条件下对切削过程中的切削 力、功率、扭矩、振动等物理量及切削稳定性等物理现象等进行预测 的过程切削过程建模主要涵盖切削力建模与切削稳定性建模两大 方面切削力是铣削加工中影响刀具-工件振动、颤振、切削温度、刀具失 效、工件尺寸精度和表面粗糙度的关键因素有关切削力建模的研究 最早可追溯到上世纪初，1907年Taylor通过大量切削实验获得了切 削力与刀具几何参数及切削条件之间的经验公式［4］。

自此经过近一 百年的发展，切削力建模领域己经取得了一系列令人瞩目的成就，这 些研究的特点如下：1） 建立通用切削力模型，使模型能适应相对宽广的切削条件，典型 研宄如Altintas等建立了通用螺旋铣刀几何和切削力模型及镶齿铣 刀动力学模型［10，11］2） 针对特定应用对象，建立能反映真实切削情况的精确切削力模型， 如上海交大陈明等基于二次多项式模型、采用偏最小二乘法建立了立 铣模具钢40Crl6Mo的精确铣削力系数模型［12］, Altintas等人提出 了低速铣削时的精确切削力系数模型［13］3） 沿走刀路径建立三维切削力模型，以实现对切削过程中切削力的 预测，典型研究右：：Ozturk提出了面向球刀加工自由曲面用于计算 刀具/工件啮合区的解析模型［14］;淸华大学张雷提出了直圆角铣削静态切削力预测模型［15］;李忠群等在建立圆角铣削通用几何模型基 础上，实现丫对圆角铣削动力学切削力和颤振稳定域的预测［16, 17］切削颤振(Chatter)是指发生在切削中的一种自激振动现象早在 上世纪四五十年代，Tobias等人建立了考虑再生作用的铣削动力学 模型并开创了颤振研宄的先河BUDAK等［6-7］提出了用于求解铣削 加工稳定性的解析算法。

目前求解切削颤振稳定域(Chatter Stability Lobe)的方法主要有时域(Time-domain )和频域 (Frequency-domain)两种时域方法由于可以综合考虑刀具几何参 数、多维结构动力学及非线性过程增益等因素对加工过程稳定性的影 响，故预测精度较高但如果要获得时域颤振稳定性叶瓣阁(Stability Lobe Diagram, SLD)，就必须事先确定一种稳定性判据， 并针对不同主轴转速和切削深度进行大量仿真，故颤振稳定域时域仿 真非常费时［18］1.2.3加工特征研究特征(Feature)概念最早出现在1978年美国麻省理工院的一篇名 为“CAD中基于特征的零件表示”的论文中，到20世纪80年代末， 特征建模技术已经在行业内引起Y广泛的关注到目前为此，虽然对 特征还没存一个严格的、统一的定义，但一般认为，特征是一种具右工程意义的参数化的三维几何模型，特征对应于零件的某一形状，是 三维建模的基本单位特征与诸如设计、制造和装配等特定领域密切相关，常见的特 征有设计特征、加工特征和装配特征等鉴于本文只针对加工特征 进行了研究，故可将特征表述成是零件工艺模型的核心部分，是零件 毛坯上待去除的部分，反应了加工工艺和加工过程的本质信息。

国外对特征的研究主要有：Motalvaililwi认为基于特征的设 计技术是CAD/CAPP/CAM集成的有效途径,它利用面向对象的技术，将 特征和与其相对应的操作进行封装Bacbmanni应用基于特征的方法 对机械产品进行钻构设计Brunetti运用基于特征的设计，将与产品 整个设计过程相关的概念设计、结构设计和详细设计阶段的数据进行 集成，解决了设计各个阶段产品数据表达和计算机对数据信息的处理 方法问题，但此方法并未考虑特征信息与加工方法、加工工艺之间的 联系，仍然需要设计特征才能向加工特征的转换Kusiak基于制造特 征提出了一种将体积分解的设计方法一一庖用加工特征对零件进行 设计，由于制造特征中包含加工工艺信息，因此此种方法能满足工艺 系统的信息需求Dong在Kusiak的研宄基础上提出了一种基于制造 特征的分解优化方法，将零件制造特征分解为最小制造单元，并以优 化组合的方式组成零件制造特征此外，美国Purdue大学的 Anderson等人将特征精化(Feature Refinement)方法位用在快速 周转单元(QTC)系统中，将设计特征转化为加工特征Douglas等人研究了。