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1、在机械加工模具的一体化在机械加工模具的一体化CAD-CAPP-CAM系统中，结合最优的系统中，结合最优的切削参数使加工时间和表面粗糙切削参数使加工时间和表面粗糙度最小化度最小化2011-01-04主要内容主要内容本篇论文研究的核心思想引言（参数介绍）背景和实验步骤结果和讨论的分析总结1、核心思想本篇论文的主要目的在于使最优的切削参数与CAD-CAPP-CAM系统一体化，用于机械加工模具。核心思想：结合最优的切削参数这个有效手段，使加工时间最小化，并同时保护机械表面的品质（表面粗糙度）。返回2、引言（参数介绍）选择最优参数的意义在广泛的注模市场上，很多大型公司已经尝试引进灵活的制造系统来应对不断
2、变化着的竞争市场的需求。通常地，模具的设计涉及到很多复杂的表面和表面制造的品质。为了确保加工面的质量，减少加工成本和提高加工效率，在数控加工中挑选最优的加工参数是非常重要的。切削参数的介绍通过注模加工过程制造而成的产品的性质，在很大程度上受一些因选择性最优加工参数而形成的模具表面的影响，而这些参数包括切削速度、馈送率、半径和轴的的切割长度、加工公差和表面粗糙度等。这些参数的最优化在机械加工过程的计划中是关键的组成部分。切削用量视频切削速度切削速度指切削速度指主运动速度主运动速度，即单位时间内工件和刀，即单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。为了便于对数具沿主运动方向相对移动的距离。为
3、了便于对数控切削加工过程中机床主轴的控制，数控加工以控切削加工过程中机床主轴的控制，数控加工以机床主轴转速来描述刀具相对于工件的主运动。机床主轴转速来描述刀具相对于工件的主运动。切削速度切削速度与主轴转速与主轴转速n n有如下关系式：有如下关系式：进给量和进给速度进给量进给量f f是指工件或刀具转一周是指工件或刀具转一周(或每往复一次或每往复一次)，两者在进给运动方向上的相对位移量。两者在进给运动方向上的相对位移量。进给速度进给速度是指单位时间内工件或刀具沿进给方是指单位时间内工件或刀具沿进给方向移动的距离。进给速度与进给量满足如下关系向移动的距离。进给速度与进给量满足如下关系式：式：数控铣削
4、加工时，进给速度与铣刀每齿进给量有数控铣削加工时，进给速度与铣刀每齿进给量有如下关系式：如下关系式：背吃刀量背吃刀量背吃刀量指刀具切削刃与工件的接触长度在同指刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动方向上的投影值。时垂直于主运动和进给运动方向上的投影值。dw工件待加工表面直径（mm）dm工件已加工表面直径（mm）加工公差加工公差包括位置公差和形状公差。加工公差包括位置公差和形状公差。表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面表面粗糙度是指加工表面表面粗糙度是指加工表面表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰具有的较小间距和微小峰具有的较小间距和微小峰具有的较小间距和微小峰谷谷谷谷不不不
5、不平度平度平度平度。其两波峰或两。其两波峰或两。其两波峰或两。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）波谷之间的距离（波距）波谷之间的距离（波距）波谷之间的距离（波距）很小（在很小（在很小（在很小（在1mm1mm以下），以下），以下），以下），用肉眼是难以区别的，因用肉眼是难以区别的，因用肉眼是难以区别的，因用肉眼是难以区别的，因此它属于此它属于此它属于此它属于微观微观微观微观几何形状误几何形状误几何形状误几何形状误差。表面粗糙度越小，则差。表面粗糙度越小，则差。表面粗糙度越小，则差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度表面越光滑。表面粗糙度表面越光滑。表面粗糙度表面越光滑。表面粗糙度的大小，对
6、机械零件的使的大小，对机械零件的使的大小，对机械零件的使的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响。用性能有很大的影响。用性能有很大的影响。用性能有很大的影响。为了加工参数的最优化，许多定量法已经往单一物体方面考虑发展，例如成本最小化，生产效率最大化，利润最大化等。几种不同的技术已经被运用在单目标的优化过程中，像微分学，回归分析法，线性规划，几何学和随机规划法，神经网络等等。另外，切削时间和工具使用寿命也会影响加工产品的成本和质量。目前，大部分关于切削参数的研究已经集中于发展确切的方法来解决上述问题。最高生产率目标函数指加工一个零件所花的时间指加工一个零件所花的时间t t最少为优化目标来建立函数
7、最少为优化目标来建立函数关系式：关系式：最低生产成本目标函数指加工一个零件所花的成本最低为优化目标建立函数关系指加工一个零件所花的成本最低为优化目标建立函数关系式：式：最大利润率目标函数指在加工时单位时间内盈指在加工时单位时间内盈利最多。即利润率为：利最多。即利润率为：单件利润单件利润GG为每件产品的为每件产品的收入和每件生产成本收入和每件生产成本 之差。之差。在这项研究中，我们用在这项研究中，我们用CATIAR16CATIAR16的仿真的仿真功能来预测切削参数在铣削注模的零件功能来预测切削参数在铣削注模的零件切削参数作为加工模拟的输入值；加工模拟的输出值就被RSM分析研究来获得切削时间和表面
8、粗糙度的相关方程式；把这些方程式带入目标函数用来寻找最优切削参数。返回3、背景和实验步骤RSM和实验准备RSMRSM是数理统计方法的集合，用来做是数理统计方法的集合，用来做建模造型建模造型和分析工程学和分析工程学问题。在这个技术中，主要目标问题。在这个技术中，主要目标是优化被各种过程参数影响的是优化被各种过程参数影响的反应表面反应表面。它利。它利用了目标的近似值和约束作用。用了目标的近似值和约束作用。这个近似值基于在涉及范围内以选择点的功能这个近似值基于在涉及范围内以选择点的功能评价。这些被构造的近似值使用了评价。这些被构造的近似值使用了多项式函数多项式函数，一般来讲，任何顺序的一个多项式都能
9、被使用。一般来讲，任何顺序的一个多项式都能被使用。RSMRSM在控制输入参数和获得的反应表面之间的在控制输入参数和获得的反应表面之间的关系中确定数量。关系中确定数量。1.RS1.RS模型状态模型状态来源于来源于RSMRSM的一种重要的的一种重要的RSRS模型状态是实验的计模型状态是实验的计划，多项式顺序的选择被用来分析模型的反应表划，多项式顺序的选择被用来分析模型的反应表面。面。预测五个切削参数：切削速度、馈送率、半径和预测五个切削参数：切削速度、馈送率、半径和轴的的切削深度和加工公差。轴的的切削深度和加工公差。目标目标是减少用于机械加工模具的表面粗糙度以及是减少用于机械加工模具的表面粗糙度以
10、及缩短机械加工时间。缩短机械加工时间。2.2.减少表面粗糙度减少表面粗糙度-目标目标1 1通过铸模过程制造的产品质量很容易被从洗削过通过铸模过程制造的产品质量很容易被从洗削过程中获得的模型表面影响。在洗削操作中，理论程中获得的模型表面影响。在洗削操作中，理论的表面粗糙度一般来说是依靠的表面粗糙度一般来说是依靠切削工具的几何构切削工具的几何构造、工具的材料、工件的几何构造、工件的材料、造、工具的材料、工件的几何构造、工件的材料、机械工具的刚度机械工具的刚度等等。等等。对于一个特别的工件对于一个特别的工件-工具的几何构造，在洗削中工具的几何构造，在洗削中的表面粗糙度被评价为一种切削速度、反馈速度的
11、表面粗糙度被评价为一种切削速度、反馈速度和轴的切削深度的功能。因此表面粗糙度作为一和轴的切削深度的功能。因此表面粗糙度作为一种影响切削条件的功能。种影响切削条件的功能。这些产品的表面质量一般来讲与表面粗糙度有关，这些产品的表面质量一般来讲与表面粗糙度有关，也能通过测量表面粗糙度来决定。也能通过测量表面粗糙度来决定。3.3.缩短机械加工时间缩短机械加工时间-目标目标2 2对于切削时间，使用了CATIAR16的机械加工仿真功能提取出切削时间值，并把切削时间作为一种切削参数功能。实验的计划和条件应用了中心混合设计（CCD)这个方法这个方法包含了53种路线，也提供了对应五个切削参数的五个因素来作为五个
12、独立的变量。起初，通过CATIAR16的机械加工仿真功能提出；之后，零件模型在半精加工过程中通过五轴数控机床加工。针对CCD的低中高水平的切削参数如表所用材料为钢（C45E4)，下图为典型的机械特性实验设计实验的设计是基于完全复制的五阶因子的中心混实验的设计是基于完全复制的五阶因子的中心混合设计（合设计（CCDCCD）。）。在在5353倍的路线中包含了倍的路线中包含了8 8个中心点和个中心点和4242个外表点。个外表点。使用了第二顺序的近似方程使用了第二顺序的近似方程：这个模型是第二顺序的反应表面模型。它是一种广泛的可用模型，用来在系统曲率中描述实验数据中心混合设计的数据结果中心混合设计的数据
13、结果返回4、结果和讨论的分析加工时间和表面粗糙度的第二顺序模型是通过利加工时间和表面粗糙度的第二顺序模型是通过利用最小二乘法方法发展起来的。用最小二乘法方法发展起来的。左图中可以看出，反馈速度和切削速度的结合减少了机械左图中可以看出，反馈速度和切削速度的结合减少了机械加工时间，而不需要增加表面粗糙度，这是可行的。加工时间，而不需要增加表面粗糙度，这是可行的。加工时间是随着切削速度和反馈速度的增加而减少的。然加工时间是随着切削速度和反馈速度的增加而减少的。然而，随着切削速度的增加，机械加工时间的减少速度比反而，随着切削速度的增加，机械加工时间的减少速度比反馈速度更快。馈速度更快。因此，为了减少加
14、工时间，切削速度和反馈速度应该尽可因此，为了减少加工时间，切削速度和反馈速度应该尽可能的能的高高。右图显示的轮廓看出，反馈速度或者轴的切削深度的任何一个增加都会增加表面粗糙度，同时切削速度的增加也会减少表面粗糙度。置信度区间通过计算加工时间或表面粗糙度的置信度区间以及比较它们的实验值，能够评价出这些参数的精确解。置信度区间表示法：与相应的实验值比较，值的99%的置信度区间最好。数字优化运算法则研究目的是要求表面粗糙度和加工时间尽可能地低。低的表面粗糙度和加工时间值能在数字优化方法的帮助下通过适应切削条件而有效地获得。优化轮廓如表所示为一些最优切削参数如表所示为一些最优切削参数表面粗糙度值的范围（0.547666,1.741）加工时间值的范围（353,922）返回5、总结在这个研究中，有五种因素水平的CCD能够应用于发展预测切削参数的数学模型；反应表面的粗糙度和切削时间能够有效地分析机械加工条件之间的关系和效果。最优切削参数能建立在图表中，这样会感觉很直观。它们作为机械加工过程中选择参数的有用性。