基于铣削力与稳定性预测的铣削工艺参数优化
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型 。 通 过 铣 削 试 验 和 捶 击 试 验 分 别 获 取 了 铣 削 力 系数 和 主 轴 一刀 具 系 统 的 模 态 参 数 。 采 用 惩 罚 函
数 法将有 约 束 问题 转 化 为无约 束 问题 ， 应 用粒子 群 算法 对模 型进 行 寻优 求解 ， 并进 行 试验 验 证 ， 结 果
・
４ ４・
组合 机床 与 自动 化加 工技 术
第１ ０期
工 成本 等 目的 。李 志 忠… 通过对 刀具 轨迹 的 离散 化
Ｆ
处 理预 测切 削 力 ， 并 利 用 预测 到 的切 削 力 优 化 进 给 速度 ， 最 后达 到优化 刀位的 目的。张 臣 利 用离散方 法， 以加工效率 和效益为 目标 函数 ， 以切削力和 主轴转 速 等为约束条件 对加工工艺参数 进行优化 。这 些文献 对优化铣削 工艺参数 有着 重 要 的作用 ， 但未 曾考 虑到 加工过程稳定性 。对加工过程 中的铣削力也较 少纳入 约束条件 中 ， 且 多采用铣 削力 的经验模型 。 本文 以铣 削 力 、 铣 削稳定性、 机床有 效功率、 表 面粗 糙度 为约 束 ， 以加 工效 率 为 优 化 目标 ， 建 立铣 削 参数 优化 数 学 模 型 ， 采 用 粒 子 群 算 法 对 铣 削参 数 进 行 优化 ， 并 进 行试验 验证 。
证 实 了该方 法 的有效 性和 实用性 。
关键 词 ： 铣 削力 ； 稳定性； 工 艺参数优 化 ； 粒 子群 算 法
中 图分类 号 ： Ｔ Ｇ ５ ４ ７ 文献 标识 码 ： Ａ
Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｐａｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ Ｏｐｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｐｒ ｅ ｄｉ ｃ ｔ ｅ ｄ Ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ Ｆｏｒ ｃ ｅ ａ ｎｄ Ｓｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｍ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ；ｓ ｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ；ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｐａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｗａ ｒ ｍ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ
ＨＡＯ Ｈｏ ｎ ｇ － ｙ ａ ｈ ’ ，ＴＡＮＧ Ｗｅ ｎ — ｅ ｈ ｅ ｎ ｇ ，Ｗ ＡＮＧ Ｂａ ｏ — ｓ ｈｅ ｎ ｇ
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ １ １ ８ ９， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ —
的数 学模 型 。张青 以加 工 时间 和 材料 切 除 率 为优 化 目标 ， 以切 削力 、 零件 表 面粗糙 度 及 刀 具 寿命 等作 为约 束 条 件 ， 利 用 粒 子 群 算 法 优 化 铣 削 参 数 。周
辉 以刀具 磨 损 寿 命 及 材 料 去 除 率 为评 价 因 素 ， 运 用 模糊 正交 优 化法 对铣 削参 数 进行 优 化 。邓 清 伟 基于 Ｂ Ｐ神 经 网络 对 加 工 过 程 中 的铣 削 参 数 进 行 优 化 。文献 ［ ５—８ ］ 利 用 遗 传 算 法 对 铣 削 参 数 进 行 优 选 。Ａ ｎ ｄ ｒ ｅ 以纯利 润为 优 化 目标 ， 采 用遗 传 算 法 的 工 具箱 优化 工 艺 参数 ， Ｅ ｌ ｉ ｓ ａ １ ０ ］ 基 于经 验 模 型 和 粒 子 群算法 ， 对铣削速度、 进 给量 、 径 向切 深 及 轴 向 切 深
文章编号 ： １ ０ ０ １ —２ ２ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０— ０ ０ ４ ３— ０ ４
基 于 铣 削 力 与 稳 定 性 预 测 的铣 削工 艺参 数优 化
郝 洪艳 一， 汤 文 成 ， 王保 升
（ １ ． 东 南大 学 机 械 工程 学 院 ， 南京 ２ １ １ １ ８ ９ ； ２ ． 南 京工 程学 院 材料 工程 学院 ， 南京 ２ １ １ １ ６ ７ ） 摘要 ： 为 了科 学地 选取 加 工过程 中的铣 削工 艺参数 ， 提 高产品 加 工 效率 ， 建 立 了铣 削力预 测模 型 以及 稳 定 性预 测模 型 ， 并将 其 引入到 铣 削 工 艺参 数优 化 中， 从 而构 建 了以铣 削速 度 、 进 给 量和 轴 向切 深 为 变量 ， 以最 大生产 率 为优化 目标 ， 以铣 削力 、 稳定性、 粗糙 度 以及机 床 有 效 功 率 为 约束 的 工 艺优 化 模
０ 引 言
一
国内外学 者对 此 进 行 了 大 量 的研 究 ， 并 取 得 了 定 的研 究成 果 。 田娜 ¨ 建立 了 以最 大生 产 率 为优 化 目标 ， 以铣 削速 度 、 进 给量 及 进 给力 等 为 约束 条件
立 铣加 工 由于其 通 用 性 和高 材 料 去 除 率被 广 泛 应用 于各 个 领 域 ， 其 加 工 精 度 和 加 工 效 率 也 随 着 产 品需 求提 高 而 提 高 。在 机 床 精 度 一 定 的情 况 下 ， 要 提高 工件 的加 工 精 度 以及 加 工 效 率 ， 最 大 限 度 的发 挥机 床效 能 ， 必须 对加 工 工艺进 行优 化 。虽 然 目前一 些 成熟 的商业软 件 （ 例如 Ｕ Ｇ、 Ｍａ ｓ ｔ Ｃ Ａ Ｍ等） 可 以提 供 加 工 过程 的仿 真 ， 但 还局 限于几何 仿 真 ， 对 切 削力 、 切 削颤振等 物理量未 做 考虑 ， 而这 些 因素对 工艺 参 数确 定起 着至关 重要 的作 用 。虽 然试切是最 有效 的工艺有 效 性验证方 法 ， 但只 能判断工 艺是 否合 理 ， 并 不 能给 出 具体 的最优 工艺方案 ， 且这种方 法增加 了生产成 本 ， 降
ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｍｏ ｄｅ ｌ ｏ ｆ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏｓ ｅ ｄ．Ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｉ ｍｓ ａ ｔ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｅ ｉ ｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ．Ｔｈ ｅ ｄ ｅ —
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低 了加工效 率 。因此 ， 采用 科学 方 法选 择 铣 削参数 对
提 高加工效 率和精度 具有显著 的意义 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ７— ２ ６ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ３—０ ９—１ ７
进行优化 ， 达到改善加工精度、 零 件 表 面粗 糙 度 、 加
｛基 金 项 目 ： 江 苏 省 自然 科 学 基 金 （ Ｂ Ｋ ２ ０ １ ２ ４ ７ ６ ） ； 江苏 省 高校 自然 科 学 研 究 重 大 项 目 （ １ ３ Ｋ Ｊ Ａ ４ ６ ０ ０ ０ ２ ） ； 南京工程学院科研基金（ Ｚ Ｋ Ｊ ２ ０ １ ２ ０ １ ）
ａ ｌ ｓ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ １ １ ６ ７，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｔｏ ｃ ｈ ｏ ｏｓ ｅ ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ，ｍ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ ｒ ｅ ｃ ａ ｓ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｒ ｅ ｐｒ ｏ ｖｉ ｄ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｎ ａ ｏ ｐ —
作者简介 ： 郝洪艳 （ １ ９ ７ ６ 一 ）， 女 ， 辽 宁 抚顺 人 ， 东南大学机械 工程学 院博士生 ， 南 京工程 学院副教授 ， 主要从 事模具设 计与 制造 、 数 控加丁 、 Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ ＡＭ 等 方 面 的 研 究 ， （ Ｅ—ｍ ａ ｉ ｌ ） ｈ ａ ｏ ｈ ｏ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ＠ｎ ｊ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｅ ｎ 。
第１ Ｏ期
２ ０ １ ３年 １ ０月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏ ｄｕｌ ａ ｒ Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎｅ Ｔｏ ｏｌ＆ Ａｕｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｍ ａ ｎｕｆ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｉ ｎｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｉ ｑｕ ｅ
ＮＯ． １ ０ ｏｃ ｔ ．２ ０１ ３
型 。 通 过 铣 削 试 验 和 捶 击 试 验 分 别 获 取 了 铣 削 力 系数 和 主 轴 一刀 具 系 统 的 模 态 参 数 。 采 用 惩 罚 函
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４ ４・
组合 机床 与 自动 化加 工技 术
第１ ０期
工 成本 等 目的 。李 志 忠… 通过对 刀具 轨迹 的 离散 化
Ｆ
处 理预 测切 削 力 ， 并 利 用 预测 到 的切 削 力 优 化 进 给 速度 ， 最 后达 到优化 刀位的 目的。张 臣 利 用离散方 法， 以加工效率 和效益为 目标 函数 ， 以切削力和 主轴转 速 等为约束条件 对加工工艺参数 进行优化 。这 些文献 对优化铣削 工艺参数 有着 重 要 的作用 ， 但未 曾考 虑到 加工过程稳定性 。对加工过程 中的铣削力也较 少纳入 约束条件 中 ， 且 多采用铣 削力 的经验模型 。 本文 以铣 削 力 、 铣 削稳定性、 机床有 效功率、 表 面粗 糙度 为约 束 ， 以加 工效 率 为 优 化 目标 ， 建 立铣 削 参数 优化 数 学 模 型 ， 采 用 粒 子 群 算 法 对 铣 削参 数 进 行 优化 ， 并 进 行试验 验证 。
证 实 了该方 法 的有效 性和 实用性 。
关键 词 ： 铣 削力 ； 稳定性； 工 艺参数优 化 ； 粒 子群 算 法
中 图分类 号 ： Ｔ Ｇ ５ ４ ７ 文献 标识 码 ： Ａ
Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｐａｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ Ｏｐｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｐｒ ｅ ｄｉ ｃ ｔ ｅ ｄ Ｍｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ Ｆｏｒ ｃ ｅ ａ ｎｄ Ｓｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ
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辉 以刀具 磨 损 寿 命 及 材 料 去 除 率 为评 价 因 素 ， 运 用 模糊 正交 优 化法 对铣 削参 数 进行 优 化 。邓 清 伟 基于 Ｂ Ｐ神 经 网络 对 加 工 过 程 中 的铣 削 参 数 进 行 优 化 。文献 ［ ５—８ ］ 利 用 遗 传 算 法 对 铣 削 参 数 进 行 优 选 。Ａ ｎ ｄ ｒ ｅ 以纯利 润为 优 化 目标 ， 采 用遗 传 算 法 的 工 具箱 优化 工 艺 参数 ， Ｅ ｌ ｉ ｓ ａ １ ０ ］ 基 于经 验 模 型 和 粒 子 群算法 ， 对铣削速度、 进 给量 、 径 向切 深 及 轴 向 切 深
文章编号 ： １ ０ ０ １ —２ ２ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０— ０ ０ ４ ３— ０ ４
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郝 洪艳 一， 汤 文 成 ， 王保 升
（ １ ． 东 南大 学 机 械 工程 学 院 ， 南京 ２ １ １ １ ８ ９ ； ２ ． 南 京工 程学 院 材料 工程 学院 ， 南京 ２ １ １ １ ６ ７ ） 摘要 ： 为 了科 学地 选取 加 工过程 中的铣 削工 艺参数 ， 提 高产品 加 工 效率 ， 建 立 了铣 削力预 测模 型 以及 稳 定 性预 测模 型 ， 并将 其 引入到 铣 削 工 艺参 数优 化 中， 从 而构 建 了以铣 削速 度 、 进 给 量和 轴 向切 深 为 变量 ， 以最 大生产 率 为优化 目标 ， 以铣 削力 、 稳定性、 粗糙 度 以及机 床 有 效 功 率 为 约束 的 工 艺优 化 模
０ 引 言
一
国内外学 者对 此 进 行 了 大 量 的研 究 ， 并 取 得 了 定 的研 究成 果 。 田娜 ¨ 建立 了 以最 大生 产 率 为优 化 目标 ， 以铣 削速 度 、 进 给量 及 进 给力 等 为 约束 条件
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低 了加工效 率 。因此 ， 采用 科学 方 法选 择 铣 削参数 对
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收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ７— ２ ６ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ３—０ ９—１ ７
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｛基 金 项 目 ： 江 苏 省 自然 科 学 基 金 （ Ｂ Ｋ ２ ０ １ ２ ４ ７ ６ ） ； 江苏 省 高校 自然 科 学 研 究 重 大 项 目 （ １ ３ Ｋ Ｊ Ａ ４ ６ ０ ０ ０ ２ ） ； 南京工程学院科研基金（ Ｚ Ｋ Ｊ ２ ０ １ ２ ０ １ ）
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