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 课题来源
本课题来源于：(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（Flexible Manufacturing Cell, FMC）、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System, FMS）、计算机集成制造系统（Comuper Integrated Manufacturing System, CIMS）和自动化工厂（Automatic Factory, 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（Material Remove Rate, 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、切削参数优化等几方面进行文献综述。
1.2.1 高效切削
高效切削（High Performance Machining, HPM）是指在保证零件精度和质量前提下，实现高设备利用率、高零件加工率和低成本，是加工时间、效率和成本三者相结合的一种高性能加工技术。它并不只是限于提高切削速度和进给速度,而是把优化材料切除速率放在首位，主要包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削、高效复合切削加工、高速与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削和缓进给深切磨削等。在某种程度上，高效加工涵盖了高速加工（High Speed Machining, HSM）。
与传统切削加工相比，高效切削具有如下优势：加工时间短、效率高；切削力小、加工系统变形小；刀具和工件受热影响小；工件表面质量好；可加工高硬度材料；高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，无需冷却液，可减少对环境的污染以便实现绿色加工 。随着各种新材料的诞生，驱动控制系统的不断发展与改进，刀具、机床、加工工艺等技术的不断进步，高速、高效切削技术正逐渐在加工制造业中普及，并在航空、航天、汽车、模具、高速机车等行业中得到应用，并且已取得了重大经济效益，它对于提高切削加工技术水平，推动先进制造技术的进步具有深远意义。
自从Salomon博士在其专利中提出高速切削理念以来，国内外研究者加大了对高速、高效切削加工的研究。德国Darmstadt University of Technology通过对铝合金、铁系材料和非铁系材料高速铣削特点的研究，获得了许多重要成果，为高速高效切削加工的发展和应用奠定了基础[16-17] 。Werner提出了高效深磨热机理学说，对高效深磨区存在的合理性进行了成功的预测。Kumara和Ghosh等人对高速高效加工设备进行了深入研究。美国Ghoi项目组开发了高效磨削智能加工咨询系统—GIGAS，利物浦JMU大学开发了高效磨削加工辅助系统—IGA。国内东北大学赵恒华等人通过对高速钢的高效深磨进行试验，提出了冲击成屑理论，并对高效磨削传热机制进行了系统的理论研究。湖南大学谢桂枝等人从断裂力学和陶瓷纤维结构等方面对高效磨削机理做了深入的研究，探讨了高效深磨的力和能的特征和形成机理。天津大学研究了高速插铣动力学，建立了高速插铣温度场模型并进行了试验和仿真。山东大学研究了模具高效加工技术与策略，并建立了模具高效切削数据库。
1.2.2 切削过程动力学建模研究
切削过程动力学建模是指在确定的切削条件下对切削过程中的切削力、功率、扭矩、振动等物理量及切削稳定性等物理现象等进行预测的过程 。切削过程建模主要涵盖切削力建模与切削稳定性建模两大方面。
切削力是铣削加工中影响刀具-工件振动、颤振、切削温度、刀具失效、工件尺寸精度和表面粗糙度的关键因素。有关切削力建模的研究最早可追溯到上世纪初，1907年Taylor通过大量切削实验获得了切削力与刀具几何参数及切削条件之间的经验公式[4]。自此经过近一百年的发展，切削力建模领域已经取得了一系列令人瞩目的成就，这些研究的特点如下：
1）建立通用切削力模型，使模型能适应相对宽广的切削条件，典型研究如Altintas等建立了通用螺旋铣刀几何和切削力模型及镶齿铣刀动力学模型[10, 11]。
2）针对特定应用对象，建立能反映真实切削情况的精确切削力模型，如上海交大陈明等基于二次多项式模型、采用偏最小二乘法建立了立铣模具钢40Cr16Mo的精确铣削力系数模型[12]，Altintas等人提出了低速铣削时的精确切削力系数模型[13]。
3）沿走刀路径建立三维切削力模型，以实现对切削过程中切削力的预测，典型研究有：：Ozturk提出了面向球刀加工自由曲面用于计算刀具/工件啮合区的解析模型[14]；清华大学张雷提出了直圆角铣削静态切削力预测模型[15]；李忠群等在建立圆角铣削通用几何模型基础上，实现了对圆角铣削动力学切削力和颤振稳定域的预测[16, 17]。
切削颤振（Chatter）是指发生在切削中的一种自激振动现象。早在上世纪四五十年代，Tobias等人建立了考虑再生作用的铣削动力学模型并开创了颤振研究的先河。BUDAK等[6-7]提出了用于求解铣削加工稳定性的解析算法。目前求解切削颤振稳定域（Chatter Stability Lobe）的方法主要有时域（Time-domain）和频域（Frequency-domain）两种。时域方法由于可以综合考虑刀具几何参数、多维结构动力学及非线性过程增益等因素对加工过程稳定性的影响，故预测精度较高。但如果要获得时域颤振稳定性叶瓣图（Stability Lobe Diagram，SLD），就必须事先确定一种稳定性判据，并针对不同主轴转速和切削深度进行大量仿真，故颤振稳定域时域仿真非常费时[18]。
1.2.3 加工特征研究
特征（Feature）概念最早出现在1978年美国麻省理工院的一篇名为“CAD中基于特征的零件表示”的论文中，到20世纪80年代末，特征建模技术已经在行业内引起了广泛的关注。到目前为此，虽然对特征还没有一个严格的、统一的定义，但一般认为，特征是一种具有工程意义的参数化的三维几何模型，特征对应于零件的某一形状，是三维建模的基本单位。
特征与诸如设计、制造和装配等特定领域密切相关，常见的特征有设计特征、加工特征和装配特征等 。鉴于本文只针对加工特征进行了研究，故可将特征表述成是零件工艺模型的核心部分，是零件毛坯上待去除的部分，反应了加工工艺和加工过程的本质信息。
国外对特征的研究主要有： Motalvaililwi 认为基于特征的设计技术是CAD/CAPP/CAM集成的有效途径,它利用面向对象的技术,将特征和与其相对应的操作进行封装。Bacbmanni 应用基于特征的方法对机械产品进行结构设计。Brunetti 运用基于特征的设计,将与产品整个设计过程相关的概念设计、结构设计和详细设计阶段的数据进行集成，解决了设计各个阶段产品数据表达和计算机对数据信息的处理方法问题,但此方法并未考虑特征信息与加工方法、加工工艺之间的联系,仍然需要设计特征才能向加工特征的转换。Kusiak 基于制造特征提出了一种将体积分解的设计方法——应用加工特征对零件进行设计,由于制造特征中包含加工工艺信息,因此此种方法能满足工艺系统的信息需求。Dong 在Kusiak的研究基础上提出了一种基于制造特征的分解优化方法,将零件制造特征分解为最小制造单元,并以优化组合的方式组成零件制造特征。此外，美国 Purdue 大学的Anderson 等人将特征精化（Feature Refinement）方法应用在快速周转单元（QTC）系统中，将设计特征转化为加工特征 。Douglas 等人 研究了用凸多面体分解法进行加工特征几何推理技术。
国内对特征也做了很多研究：谢海波等人[25]以轴类零件为例进行了基于特征设计的零件设计制造集成系统的研究，对特征进行了定义，分析了零件的设计特征和制造特征之间的关系，对特征进行了描述，并给出了特征建模的过程。陈 阳[26]针对特定的设计对象，采用特征的几何拓扑和属性参数相结合的方式，对零件的加工特征进行了归纳和分类，并对零件的特征模型进行了描述。北京航空航天大学的PANDA软件系统具有自身集成度高、几何模型精确单一及几何处理能力强等优点，其产品数据模型将线框、曲面和实体三种模型紧密结合，形成统一的层次表达模型，能够提供CAPP、CAM系统所需的信息[26]。浙江大学研制开发的GS-CAD98是一个基于Windows平台且具有完全自主版权的三维CAD系统，采用了参数化特征造型技术，允许使用非线性方程/不等式方程等进行参数定义，适合于以规则几何形体为主的基于特征的机械产品设计[19]。
从国内外研究者对特征的研究来看，特征信息能够从特征模型的描述方法中反馈出，以此实现对以特征为基础的零件的加工工艺推理和数控编程，使工艺人员从对操作底层的几何模型进行工艺编制转变为对加工特征直接进行工艺规划和数控编程,提高了设计生产效率,但设计特征与制造特征之间存在信息描述的差异性,由此造成了工艺系统不能获取完整设计信息,影响工艺推理的准确性。