铝合金高速数控铣削参数优化
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（４）切削数据理论筛选 将每一组切削参数数据（ａｅ， ｎ， ａｐ＿ｌｉｍ， Ｖｆｉ）按照
切削理论所确定的约束条件进行筛选，切削数据按 照粗加工和精加工分别进行，在满足约束条件的数 据中选择金属去除量最大的铣削用量，以便进行试 验验证。筛选的原则如图 ３ 所示。
图 ３ 理论筛选的方法与原则
（５）实验验证 将通过理论筛选的切削用量进行实验验证，实
制造业自动化
铝合金高速数控铣削参数优化
赵新 １，２，臧小俊 ２，徐锋 ３，李迎 １
（１． 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 ２１００９４；２． 南京电子技术研究所，江苏 南京 ２１００１３；
３． 南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 ２１００１６）
摘 要：文章对电子行业深孔薄壁铝合金零件的高速切削参数的优化进行了系统研究。文章以去除效
（２）工艺系统动特性的辨识 采用带有加速度计的锤子敲击安装在机床上的
铣刀，使用机床加工动力学特性测试与分析系统 ＤｙｎａＣｕｔ 对“刀具 － 机床”多自由度系统的振动响应
第 ３０ 卷 第 １１ 期 ２００８－１１ 【１１９】
制造业自动化
特性进行测试，如图 ２ 所示，振动信号由压电传感 器测得后经电荷放大器放大后传入计算机处理。
率为优化目标，确定了切削参数的优化和切削数据筛选的新方法。首先以切削稳定域理论分析
了高速铣削的最大稳定转速及其临界切深，并根据机床功率、切削表面质量、刀具变形和刀具
强度等约束条件对切削数据进行理论筛选，根据所提出的理论筛选的数学模型，得到了优化的
切削参数。实践表明，文章提出的参数优化和数据筛选方法，可以有效地保证数据高速切削的
本文结合前人的研究成果的优点，开展对铝合 金深孔薄壁件的高速铣削参数的优化研究，利用 ＤｙｎａＣｕｔ 和 ＳｉｍｕＣｕｔ 分析“机床—刀具”的振动特 性，通过采用切削仿真技术，建立切削过程的物理 仿真模型，对切削参数数据进行理论筛选，通过物 理试验验证和虚拟试验分析相结合的手段，建立铣 削参数快速优化的新方法。
１ 切削参数优化方法
１．１ 优化原理
本文对“主轴—刀具”进行模态参数测试和加 工动力学仿真计算，获取切削力／切削转矩／主轴功 率 ／ 切削稳定域曲线等力学信息，结合机床、工件、 刀具和其他工艺系统的约束条件，对铣削参数进行 理论筛选，并进行试验验证，用于铣削加工参数和 工艺的优化选择，为切削数据手册和数据库提供基 础数据。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｄｅｅｐ ｈｏｌｅ ａｎｄ ｔｈｉｎ ｗａｌｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ． Ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ． Ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｍａｘｉｍａｌ ｓｐｉｎｄｌｅ ｒｏｔａｔｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｅ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｔａｂｌｅ ｒｅｇｉｏｎ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ， ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｏｏｌ＇ｓ ｐｏｗｅｒ， ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ＇ｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ． Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．
高速切削与先进刀具、柔性夹具、新型冷却润 滑、高效程编等技术相结合，成为实现高效高品质 数控加工的主要途径［２￣３］。另外，优化的加工工艺与
切削参数也是实现高效数控加工的必需环节，合理 选择数控加工切削参数对实现数控机床和加工过程 综合应用效率最优化，对实现高效低成本加工具有 重要的意义。
目前，我国高速数控加工机床还普遍存在着目 前切削用量合理选择的问题，目前直径为 １０ｍｍ 的 双刃涂层铣刀在采用高速加工时，对铝合金的最大 切除速率已达 １８０ｃｍ３／ｍｉｎ，线速度已能达到甚至超 到 ３０００ｍ／ｍｉｎ，而国内铝合金高速切削最大线速度 不会超过１２００ｍ／ｍｉｎ，去除速率小于１２０ｃｍ３／ｍｉｎ。数
图 １ 切削稳定域曲线
１．２ 目标函数
保证在数控机床额定范围正常运行和满足零件
加工精度及质量要求条件下，衡量数控机床切削效
率的２个重要指标为材料去除率ＭＲＲ和主轴功率的
利用率 Ｓ。
ＭＲＲ＝ Ｖｆ·ａｐ·ａｅ·ｎ
（１）
（２）
收稿日期：２００８－０６－１０ 基金项目：国防基础科研项目资助（Ｂ１１１２０００８００７４） 作者简介：赵新（１９７７ －），男，博士研究生，研究员，主要从事工艺管理，先进制造技术理论与技术研究。
【１１８】 第 ３０ 卷 第 １１ 期 ２００８－１１
制造业自动化
控高速加工中心效益不能充分发挥的瓶颈在于切削 基础数据的匮乏，并且，不合理的切削用量还有可 能导致机床精度减低和机床结构的严重损害［４］。但 是，传统的切削参数优化方法不能满足高效高品质 数控加工的要求，它是建立在“工件 － 机床 － 刀具” 工艺系统具有理想刚性基础上的，没有考虑到工件 结构对切削过程的影响，通常采用的正交试验优化 方法存在着成本高和耗时长的缺点。计算机仿真技 术被应用到了切削参数优化领域，有限元技术分析 了铝合金高速切削的切削力和切削温度，采用神经 网络和遗传算法进行了高速铣削参数的优化［５］。还 有观点认为颤振是引起工件质量下降的主要原因， 提出了基于切削稳定域的切削参数的优化方法［６］。
（３）
其中，Ｆｃ 为圆周铣削力，Ｖｃ 为铣削速度，ｅ 为 机床利用率；
② 铣床的实际转矩Ｍ小于机床主轴所能提供的 最大转矩 Ｍｅ
（４）
（１． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１３， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６， Ｃｈｉｎａ）
图 ２ 激励响应测试
（３）切削用量参数的初步确定 使用铣削加工动力学分析系统 ＳｉｍｕＣｕｔ 对“机
床 － 刀具”的振动模式进行分析，得到铣削系统的切 削稳定域，并且在机床所允许的范围内选取最大转 速 ｎ 及其对应的最大临界切深的 ａｐ＿ｌｉｍ，选择一系 列的进给速度（Ｖｆ１， Ｖｆ２……， Ｖｆｎ），可选择实际常用 值并在其基础上进行适当的拓展。根据铣削参数获 取切削力、切削转矩和主轴功率等切削过程的力学 参数。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ； ｍｉｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ
０ 引言
高速数控切削加工已经在航空、汽车和模具等 行业得到越来越广泛的应用［１］，在军用电子行业中 关键零部件往往结构复杂、薄壁易变形，但产品精 度和一致性要求高，高速加工以其加工效率高，切 削力小和产品质量好等优点在军用电子产品研制中 发挥了巨大作用。
ｆ 和轴向切深 ａｐ。
１．３ 优化流程
（１）工艺系统的确定 铣削参数优化之前应确定试验工艺系统，以便
对切削数据进行分组处理，工艺系统分组参数为机 床类型、刀具类型、刀具直径 ｄ 与刀具悬伸量 Ｌ 等。 每个工艺系统得到的切削仿真数据中，粗加工与精 加工的数据比例为 ３：１，粗加工的切宽 ａｅ 为 ｄ、０．５ｄ、 ０．２５ｄ，精加工的切宽 ａｅ 为 １ｍｍ。
其中
Ｖｆ —进给速度，ｍｍ／ｍｉｎ ａｐ —轴向切深，ｍｍ ａｅ —径向切宽，ｍｍ ｎ —转速，ｒ／ｍｉｎ
Ｐｓ —机床主轴实际功率，ＫＷ Ｐｅ —机床主轴额定功率，ＫＷ 本文铣削参数优化的目标为充分利用主轴功
率，尽可能提高材料去除率和机床利用率。在铣削
用量 ４ 要素中，ａｅ 通常由工件的加工余量而预先确 定，实际需要确定的切削参数是主轴转速ｎ、进给量
质量，并显著提高加工效率。
关键词：高速铣削；切削参数；优化；数据筛选
中图分类号：ＴＧ５０１
文献标识码：Ｂ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
文章编号：１００９－０１３４（２００８）１１－０１１８－０４
Parameters optimization of high speed milling aluminum alloy
ＺＨＡＯ Ｘｉｎ１，２， ＺＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｊｕｎ２， ＸＵ Ｆｅｎｇ２， ＬＩ Ｙｉｎｇ１
验验证的主要目标保证机床不颤振，选取保证加工 技术要求的去除效率最高的用量。将通过实验验证 的铣削用量的数据放入到切削数据库中。 １．４ 约束条件
在实际铣削过程中，由于设备、切削条件和工 件质量等技术条件的限制，必需对铣削参数选择限 制约束条件加以考虑。
① 实际应用的功率Ｐ必须小于机床所能提供的 最大功率 Ｐｍ
③为防止刀具断刀，铣刀弯曲应力 σｍａｘ 小于其 许用应力［σ］
（５）
其中，σｂ 为刀具的抗弯强度，考虑铣刀存在退 屑槽，刀具的实际截面面积小于理论截面面积，因 此 Ｋ 为安全系数；
④ 铣刀的静态变形在允许范围之内
（６）
其中，Ｅ 为刀具材料的弹性模量； ⑤ 工件表面铣削理论残留高度ｈ小于表面粗糙 度允许值 对于平面铣刀：
（ ７）
其中 ｃ 为每齿进给量； 对于球头铣刀：
（８）
在铣削过程中产生的再生型颤振是由于机床 － 工件之间的相互作用力，是在闭环切削系统中发生 的［７］。由于刀具和工件表面结构振动引起切屑厚度 的变化，导致铣刀每个刀齿通过工件表面都会留下 有振纹的表面，并且再生型颤振不断以刀具与工件 表面之间动态位移的指数增长，直到刀具离开切削 区域。
对给定的某一确定的主轴转速 ｎ，对应有一个 ａｐｌｉｍ，在主轴转速范围内，所有的 ａｐｌｉｍ 形成一条 曲线，将（ｎ－ａｐｌｉｍ）平面分为稳定切削区和不稳定切 削区，该曲线称为稳定域曲线 （ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｌｏｂｅｓ），如 图 １ 所示。切削稳定域的理论详见文献［６，８］。
切削理论所确定的约束条件进行筛选，切削数据按 照粗加工和精加工分别进行，在满足约束条件的数 据中选择金属去除量最大的铣削用量，以便进行试 验验证。筛选的原则如图 ３ 所示。
图 ３ 理论筛选的方法与原则
（５）实验验证 将通过理论筛选的切削用量进行实验验证，实
制造业自动化
铝合金高速数控铣削参数优化
赵新 １，２，臧小俊 ２，徐锋 ３，李迎 １
（１． 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 ２１００９４；２． 南京电子技术研究所，江苏 南京 ２１００１３；
３． 南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 ２１００１６）
摘 要：文章对电子行业深孔薄壁铝合金零件的高速切削参数的优化进行了系统研究。文章以去除效
（２）工艺系统动特性的辨识 采用带有加速度计的锤子敲击安装在机床上的
铣刀，使用机床加工动力学特性测试与分析系统 ＤｙｎａＣｕｔ 对“刀具 － 机床”多自由度系统的振动响应
第 ３０ 卷 第 １１ 期 ２００８－１１ 【１１９】
制造业自动化
特性进行测试，如图 ２ 所示，振动信号由压电传感 器测得后经电荷放大器放大后传入计算机处理。
率为优化目标，确定了切削参数的优化和切削数据筛选的新方法。首先以切削稳定域理论分析
了高速铣削的最大稳定转速及其临界切深，并根据机床功率、切削表面质量、刀具变形和刀具
强度等约束条件对切削数据进行理论筛选，根据所提出的理论筛选的数学模型，得到了优化的
切削参数。实践表明，文章提出的参数优化和数据筛选方法，可以有效地保证数据高速切削的
本文结合前人的研究成果的优点，开展对铝合 金深孔薄壁件的高速铣削参数的优化研究，利用 ＤｙｎａＣｕｔ 和 ＳｉｍｕＣｕｔ 分析“机床—刀具”的振动特 性，通过采用切削仿真技术，建立切削过程的物理 仿真模型，对切削参数数据进行理论筛选，通过物 理试验验证和虚拟试验分析相结合的手段，建立铣 削参数快速优化的新方法。
１ 切削参数优化方法
１．１ 优化原理
本文对“主轴—刀具”进行模态参数测试和加 工动力学仿真计算，获取切削力／切削转矩／主轴功 率 ／ 切削稳定域曲线等力学信息，结合机床、工件、 刀具和其他工艺系统的约束条件，对铣削参数进行 理论筛选，并进行试验验证，用于铣削加工参数和 工艺的优化选择，为切削数据手册和数据库提供基 础数据。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｄｅｅｐ ｈｏｌｅ ａｎｄ ｔｈｉｎ ｗａｌｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ． Ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ． Ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｍａｘｉｍａｌ ｓｐｉｎｄｌｅ ｒｏｔａｔｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｅ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｔａｂｌｅ ｒｅｇｉｏｎ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ， ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｒｅｓｔｒａｉｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｏｏｌ＇ｓ ｐｏｗｅｒ， ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ＇ｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ． Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．
高速切削与先进刀具、柔性夹具、新型冷却润 滑、高效程编等技术相结合，成为实现高效高品质 数控加工的主要途径［２￣３］。另外，优化的加工工艺与
切削参数也是实现高效数控加工的必需环节，合理 选择数控加工切削参数对实现数控机床和加工过程 综合应用效率最优化，对实现高效低成本加工具有 重要的意义。
目前，我国高速数控加工机床还普遍存在着目 前切削用量合理选择的问题，目前直径为 １０ｍｍ 的 双刃涂层铣刀在采用高速加工时，对铝合金的最大 切除速率已达 １８０ｃｍ３／ｍｉｎ，线速度已能达到甚至超 到 ３０００ｍ／ｍｉｎ，而国内铝合金高速切削最大线速度 不会超过１２００ｍ／ｍｉｎ，去除速率小于１２０ｃｍ３／ｍｉｎ。数
图 １ 切削稳定域曲线
１．２ 目标函数
保证在数控机床额定范围正常运行和满足零件
加工精度及质量要求条件下，衡量数控机床切削效
率的２个重要指标为材料去除率ＭＲＲ和主轴功率的
利用率 Ｓ。
ＭＲＲ＝ Ｖｆ·ａｐ·ａｅ·ｎ
（１）
（２）
收稿日期：２００８－０６－１０ 基金项目：国防基础科研项目资助（Ｂ１１１２０００８００７４） 作者简介：赵新（１９７７ －），男，博士研究生，研究员，主要从事工艺管理，先进制造技术理论与技术研究。
【１１８】 第 ３０ 卷 第 １１ 期 ２００８－１１
制造业自动化
控高速加工中心效益不能充分发挥的瓶颈在于切削 基础数据的匮乏，并且，不合理的切削用量还有可 能导致机床精度减低和机床结构的严重损害［４］。但 是，传统的切削参数优化方法不能满足高效高品质 数控加工的要求，它是建立在“工件 － 机床 － 刀具” 工艺系统具有理想刚性基础上的，没有考虑到工件 结构对切削过程的影响，通常采用的正交试验优化 方法存在着成本高和耗时长的缺点。计算机仿真技 术被应用到了切削参数优化领域，有限元技术分析 了铝合金高速切削的切削力和切削温度，采用神经 网络和遗传算法进行了高速铣削参数的优化［５］。还 有观点认为颤振是引起工件质量下降的主要原因， 提出了基于切削稳定域的切削参数的优化方法［６］。
（３）
其中，Ｆｃ 为圆周铣削力，Ｖｃ 为铣削速度，ｅ 为 机床利用率；
② 铣床的实际转矩Ｍ小于机床主轴所能提供的 最大转矩 Ｍｅ
（４）
（１． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１３， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６， Ｃｈｉｎａ）
图 ２ 激励响应测试
（３）切削用量参数的初步确定 使用铣削加工动力学分析系统 ＳｉｍｕＣｕｔ 对“机
床 － 刀具”的振动模式进行分析，得到铣削系统的切 削稳定域，并且在机床所允许的范围内选取最大转 速 ｎ 及其对应的最大临界切深的 ａｐ＿ｌｉｍ，选择一系 列的进给速度（Ｖｆ１， Ｖｆ２……， Ｖｆｎ），可选择实际常用 值并在其基础上进行适当的拓展。根据铣削参数获 取切削力、切削转矩和主轴功率等切削过程的力学 参数。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ； ｍｉｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ
０ 引言
高速数控切削加工已经在航空、汽车和模具等 行业得到越来越广泛的应用［１］，在军用电子行业中 关键零部件往往结构复杂、薄壁易变形，但产品精 度和一致性要求高，高速加工以其加工效率高，切 削力小和产品质量好等优点在军用电子产品研制中 发挥了巨大作用。
ｆ 和轴向切深 ａｐ。
１．３ 优化流程
（１）工艺系统的确定 铣削参数优化之前应确定试验工艺系统，以便
对切削数据进行分组处理，工艺系统分组参数为机 床类型、刀具类型、刀具直径 ｄ 与刀具悬伸量 Ｌ 等。 每个工艺系统得到的切削仿真数据中，粗加工与精 加工的数据比例为 ３：１，粗加工的切宽 ａｅ 为 ｄ、０．５ｄ、 ０．２５ｄ，精加工的切宽 ａｅ 为 １ｍｍ。
其中
Ｖｆ —进给速度，ｍｍ／ｍｉｎ ａｐ —轴向切深，ｍｍ ａｅ —径向切宽，ｍｍ ｎ —转速，ｒ／ｍｉｎ
Ｐｓ —机床主轴实际功率，ＫＷ Ｐｅ —机床主轴额定功率，ＫＷ 本文铣削参数优化的目标为充分利用主轴功
率，尽可能提高材料去除率和机床利用率。在铣削
用量 ４ 要素中，ａｅ 通常由工件的加工余量而预先确 定，实际需要确定的切削参数是主轴转速ｎ、进给量
质量，并显著提高加工效率。
关键词：高速铣削；切削参数；优化；数据筛选
中图分类号：ＴＧ５０１
文献标识码：Ｂ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
文章编号：１００９－０１３４（２００８）１１－０１１８－０４
Parameters optimization of high speed milling aluminum alloy
ＺＨＡＯ Ｘｉｎ１，２， ＺＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｊｕｎ２， ＸＵ Ｆｅｎｇ２， ＬＩ Ｙｉｎｇ１
验验证的主要目标保证机床不颤振，选取保证加工 技术要求的去除效率最高的用量。将通过实验验证 的铣削用量的数据放入到切削数据库中。 １．４ 约束条件
在实际铣削过程中，由于设备、切削条件和工 件质量等技术条件的限制，必需对铣削参数选择限 制约束条件加以考虑。
① 实际应用的功率Ｐ必须小于机床所能提供的 最大功率 Ｐｍ
③为防止刀具断刀，铣刀弯曲应力 σｍａｘ 小于其 许用应力［σ］
（５）
其中，σｂ 为刀具的抗弯强度，考虑铣刀存在退 屑槽，刀具的实际截面面积小于理论截面面积，因 此 Ｋ 为安全系数；
④ 铣刀的静态变形在允许范围之内
（６）
其中，Ｅ 为刀具材料的弹性模量； ⑤ 工件表面铣削理论残留高度ｈ小于表面粗糙 度允许值 对于平面铣刀：
（ ７）
其中 ｃ 为每齿进给量； 对于球头铣刀：
（８）
在铣削过程中产生的再生型颤振是由于机床 － 工件之间的相互作用力，是在闭环切削系统中发生 的［７］。由于刀具和工件表面结构振动引起切屑厚度 的变化，导致铣刀每个刀齿通过工件表面都会留下 有振纹的表面，并且再生型颤振不断以刀具与工件 表面之间动态位移的指数增长，直到刀具离开切削 区域。
对给定的某一确定的主轴转速 ｎ，对应有一个 ａｐｌｉｍ，在主轴转速范围内，所有的 ａｐｌｉｍ 形成一条 曲线，将（ｎ－ａｐｌｉｍ）平面分为稳定切削区和不稳定切 削区，该曲线称为稳定域曲线 （ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｌｏｂｅｓ），如 图 １ 所示。切削稳定域的理论详见文献［６，８］。