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

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1、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第一章绪论1.1论文的研究背景意义1.1.1课题本课题于：(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动力学建模研究”(项目编号：51375160)。1.1.2论文研究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重作用下，国内制造业得到了迅猛发展。作为先进制造技术

2、的一个重要分支，数控加工技术已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（FlexibleManufacturingCell,FMC）、柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem,FMS）、计算机集成制造系统（uperIntegratedManufact

3、uringSystem,CIMS）和自动化工厂（AutomaticFactory,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（MaterialRemoveRate,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

4、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已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其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究不够系统，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

5、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。这些问题严重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，已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

6、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，并已获得了显著的效益。但是，目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

7、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国内外研究现状近年来，国内外许多研究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究工作，已经取得了相当客观的理

8、论研究成果，其中一些研究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