1 概述

      切削加工是（shì）金屬加工最基本的手段，切（qiē）削加工的工作量占機械製造工作量的（de）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 世紀切削加工仍將占機械加工量的90% 以上，因此（cǐ），提高切（qiē）削加工的效率和質量（liàng）仍（réng）是機械製（zhì）造業的重要研究內（nèi）容。加工過程中，合理選擇切削用量不僅能夠保證加工質量，還能提供生（shēng）產率和降低生產成本，盡管上世紀就已認識到切削用量優化的重要性，但切削用量的選擇大多依賴於經驗和手（shǒu）冊，這雖然能夠保證加工任務的完成，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，則可充（chōng）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（chéng）本具（jù）有重要意義。實現（xiàn）數控加（jiā）工的關鍵在編程，但僅僅靠編寫（xiě）加工程序還（hái）不行，數控加工還包括編程前要做的（de）工藝設計及編程後的處理工作。處理正確與否，直接關係到數（shù）控機床的使用效率（lǜ）、零件的加工質量、刀具數量和經（jīng）濟性（xìng）等問題。同時通過針對企業實際問題，以汽車發動機曲軸加（jiā）工（gōng）為例，優化切削用量參數，提高了（le）數控加工效（xiào）率，從而提高數控加工（gōng）工（gōng）藝決策和切削參數決策的準確性、合（hé）理性和智能化水平。

      使用切削數據庫軟件已經成（chéng）為了生產實踐中選擇和優化切（qiē）削用量的重要方（fāng）法。金屬切削數據庫能通過計算機快（kuài）速準確地（dì）為機加工提供最佳切（qiē）削參（cān）數。現在機械行業普遍CAM/CAPP 軟件，如UG、MasterCam 等，切削數據庫的（de）內容應包括切削（xuē）用量（liàng）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，並計算功率消耗。我國建立（lì）的切削（xuē）數據庫是從20 世紀80 年代開始的。成都工具研（yán）究所在1987 年建成了我國第一個試驗性（xìng）車削數據庫（kù）TRN10，又於1988 年（nián）從當時的聯邦（bāng）德國引進了INFOS 車削數據庫（kù）軟件（jiàn）（在國內運行（háng）後，被稱為ATRN90），並加以改進，向國（guó）內推出其修訂版的ATRN90E。隨後又繼續開（kāi）發並推出了車削數據庫軟件CTRN90V1.0。

      2 曲軸數（shù）控加工工藝分析（xī）

      曲軸屬於（yú）偏心回轉類零件，在製造業（yè）中屬於難（nán）加工複雜零件，它是發動機中（zhōng）最重（chóng）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（xuán）轉運動變成直線（xiàn）運動的（de）零件。其主要的型麵包括主軸（zhóu）頸和連杆軸頸，傳統加工是在（zài）車床上完成，采（cǎi）用車銑複合（hé）自動（dòng）編程，可以獲得精度較高（gāo）的數控程序，完（wán）成在（zài）車銑加（jiā）工中心上加工曲軸的連杆處，如（rú）圖1 所示（shì）。而正是通過一次裝夾加工（gōng）成型，可以大大拓寬（kuān）加工工藝範圍，提高（gāo）加工質量特別是位置精度和加工效率。

      3 曲軸的主要技術要求

      主軸頸（jǐng）、連杆軸頸本身的精度，即直徑尺寸公差等級通常為IT6—IT7 級；主軸頸的（de）寬度寬度極限偏差（chà）為+0.05 ～ 0.15mm ；曲（qǔ）軸的軸向尺寸極限偏差為±0.15 ～ 0.05 mm。

      4 曲軸的材料（liào）與毛坯

      曲軸工（gōng）作（zuò）時要承受很大的（de）轉矩及交變的彎曲應力，容易產（chǎn）生扭振、折斷及（jí）軸頸磨損，因此要求材料必須有較（jiào）高的強度、衝擊韌度、疲勞強度和耐磨性（xìng）。一（yī）般曲軸為35、40、45 鋼或球墨鑄（zhù）鐵（tiě）等材料。曲軸的毛坯根據批量大小、尺寸、結構等（děng）來（lái）決定，批量較大的小型曲軸，采用模鍛（duàn）；單件小批的中（zhōng）大型曲軸，采用自由鍛造等。

      5 曲軸的機械加（jiā）工工藝分析（xī）

      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。對於主軸頸（jǐng）與連杆軸頸的加工順序是：先加工主軸頸，然後在加工連杆（gǎn）軸（zhóu）頸及（jí）其它各（gè）處的外圓，可以避免一開始（shǐ）就（jiù）降低工件剛度，減少受力變形（xíng），有利於提高曲軸（zhóu）的加工精度。

      6 曲軸數控加工工藝參（cān）數（shù）優化分（fèn）析

      數控加工技術是以數控機床技術、計算機集成製造技術、機械加工技術為基礎，從而實現產（chǎn）品自動化生產加工的現（xiàn）代化製造技術，國家標準（GB8129-87）給數控技術的定義為“用數字化信號對機床運動及其加工過程進行控製的（de）一種方法”，簡稱數控(NC，Numerical Control)。數控加（jiā）工技術（shù）包括了（le）產品（pǐn）造型設計、工藝過程設計、計算機輔助製造、虛擬（nǐ）加工、數控機床實際（jì）加（jiā）工等（děng）。

      確定加工工藝參（cān）數是工藝製定（dìng）中重要的內（nèi）容，采用（yòng）自動編（biān）程時更是程序成功與否的關鍵。合理地選擇加工工藝參數，不但可以提高切削效率，還可（kě）以提高零件的加工質量，降低成本。對於不同的加工方法（fǎ）、設備（bèi）、工（gōng）件、刀具、精（jīng）度及表麵質量（liàng）要求，需要選擇不同（tóng）的工藝參數，並編（biān）入程序單（dān）內。近年來切削（xuē）用量（liàng）優化已經成為研究的熱點問題，針對各種工藝方法（如車、銑、鑽、刨、磨等）、各種工件（jiàn）材料（如45鋼、鑄（zhù）鐵等）、不同目標函數（如最大生產率（lǜ）、最低生產成本（běn）、最小工件表麵粗糙度等）的（de）各（gè）種（zhǒng）條件下的（de）切削用量優化問（wèn）題（tí）進行了深入的研究。

      切削用量在選用（yòng）的時候，要考慮與切削生產率的關係，要提高生產率，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（yòng）度和（hé）加工表麵質量等因素的影響。因此，所確定的切削用量應該是能達到零件的加工精度和（hé）表麵粗糙度的要求，並且在工藝係統和剛性允許（xǔ）條件下充（chōng）分利用（yòng）功率和發揮（huī）刀（dāo）具切削性能的最大切削用量。

      從工（gōng）業發展進程來看，智能（néng）化趨勢是機械工業發（fā）展的重要方向。零部件的（de）智能化CAD/CAM 係統軟件已經在國內得到應用，該軟件大大的提高了生產（chǎn）率，減（jiǎn）輕了操作工人的負（fù）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（huà）、係列化方向發展。

      目標函數是建立模型要獲取最值（zhí）的目標（biāo），目標函數的選取多樣，可以是追（zhuī）求經濟指標，也可追求質（zhì）量指（zhǐ）標或其（qí）他（tā）指標。經濟指標主要包括最低生產成本、最高加工效率（lǜ）、最大利潤、最大刀（dāo）具壽命、最大刀具壽命、最大材料去除率（lǜ）等但目標函數，以及（jí）綜合考慮其中幾種目標的多目標函數。製造優化中最常（cháng）用的三個標準是：最大生產率或最短生產時間標準；最低生產（chǎn）成本標準；最（zuì）大利潤率標準。

      製造優化中最常用的三個（gè）標準是：最大生（shēng）產率或最短生產時間標準；最低生產成本標準；最大利潤率標準。通過分析考慮切（qiē）削（xuē）加工的實際情況，切（qiē）削用量的（de）影響（xiǎng）因素及一些相應（yīng）的約束條件，按照切削參數（切削速度、進給量和切削深度）和切（qiē）削性能（表麵粗糙度、切削力及刀具壽命等）之間關係（xì）的（de）一（yī）般數學模型，建立了本係統的優化目標數學模型。

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

最大生產率目標函數為：

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

      式中：ti—平均單（dān）位零件的加工時間

      tl—裝卸及其它（tā）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（píng）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tl、tr、x、y 為常量時（shí），公式(1) 和(2) 的數學形式（shì）一（yī）致，可以采（cǎi）用（yòng）相同的優化（huà）策略（luè）。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（jìn）刀時間、切削時間、退刀時間（jiān）。但是（shì），由於進刀時間、退刀時間耗時較（jiào）短，且預先無（wú）法完全確定，可近似認為切（qiē）削（xuē）時間tc 與有效切削時間tac 相等：

      tc=tac=0.001ld p /vcfzz

      式中：l—工件（jiàn）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（jiàn）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（jī）床操作（zuò）者根據現（xiàn）場的實際情況，人（rén）為調整與約束條件相關的變量取值範圍，然後在進行優化，以達到（dào）較好的優化效果。

      根據建立的數學模型編（biān）寫，上機優化運算，可得優化結果，切削速度v c =110m/min 被吃刀（dāo）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（yī）個比（bǐ）較複雜的問題，隨著現代加工業自動（dòng）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。如果整個數控代（dài）碼中的切削（xuē）用量都設（shè）定一個固定值，該值隻能是與該次加工中切深、切寬最大的走（zǒu）刀相（xiàng）對應的切削用量（liàng）；而在切深（shēn）、切寬較小的走刀過程中，仍然使用（yòng）這個（gè）固定的切削用量（liàng）就浪費時（shí）間，如果CAM 軟件（jiàn）中能夠比較方便的分（fèn）別設置每次走刀時的切削用量，就（jiù）可（kě）以大大提高加工效率。