加工参数优化

加工参数优化（精选十篇）

加工参数优化 篇1

1数控加工概述

数控加工技术是一个集多学科, 并融合计算机制造技术、计算机控制技术为一体的现代化自动加工技术。它主要包括两方面内容, 即数控加工工艺和数控编程。它利用数字信息对需要加工的零件进行定义, 然后编写相应的程序来控制机床自行进行加工的全自动加工方法, 具有加工质量高、加工效率高、能够进行复杂曲面形状的加工等优点。目前, 数控加工技术的使用主要有两个方向:第一, 对常规零件进行加工, 不仅提高了加工效率, 保证了产品质量, 同时还避免了人为因素产生的加工误差, 大大缩短了零件加工制造的周期, 更符合市场需求;第二, 对复杂几何形状的零件进行加工。一般情况下, 这些零件很难用常规的加工方法进行加工制造, 这是数控加工技术出现的主要因素。这一类型的零件不仅要求数控机床能实现全方位的运行和控制, 更要有很高的加工生产效率。

数控加工技术是现代机械加工制造的关键性技术, 不仅提高了加工生产的效率, 还提高了零件加工的质量, 同时还实现了对具有复杂几何形状以及精密零件的全自动加工生产。随着数控加工设备不断代替传统的机械加工设备, 车间内加工设备的数量不断减少, 大大释放了人力劳动, 改善了工人生产工作的条件, 使得加工生产的零件更快速地投放到市场。制造业的发展水平是衡量一个国家工业发展和经济发展水平的重要标志, 数控加工技术作为现代制造业的基础, 更直接影响一个国家的综合国力以及其战略地位。

2遗传算法的基本原理

2.1遗传算法的原理

遗传算法是由John H.Holland教授率先提出来的, 其英文名叫Genetic Algorithm, 简称GA, 是一种比较通用性的优化算法。它的编码技术以及遗传操作都不复杂, 进行优化时, 不受限制性条件的限制, 能够对复杂问题进行有效求解组合。隐含并行性以及在全局解空间内进行搜索是遗传算法的两个最主要特征。目前, 遗传算法在全世界范围内得到了人们的认可与重视。

遗传算法主要是根据生物学原理而来。生物的遗传和进化是指生物从简单到复杂、从低级向高级的发展。遗传算法就是通过对生物遗传基因的遗传过程以及子代的进化过程建立的一种优化算法, 并引入达尔文生物进化论的基本原理。随着遗传算法的产生, 能够适应社会的优良基因被保留下来并被组合, 从而在一代一代的遗传过程中不断产生出更好的个体。新一代的个体总是把上一代的大量信息保留, 并在总体上优于上一代, 从而不断推动生物向前进化。研究遗传算法主要是为了更好地对自然界的适应过程做出更深一步的解释, 同时将这种重要的机理运用到人工系统中进行优化分析。

遗传算法的优化步骤为:

编码:在遗传算法进行全局搜索前, 需要对所有的设计变量进行编码, 使之成为一个具有一定长度的字符串。

生成初始群体:这些随机生成的每一个初始字符串表示一个个体, 并共同构成一个群体。遗传算法以这些初始的字符串为起始点进行迭代。

计算适应值:适应值是通过适应性函数来进行计算的。适应值的大小表示对环境适应能力的强弱, 适应函数要根据具体问题具体定义。

选择:哪个个体被选中, 哪个个体被淘汰, 是由其适应环境的能力来决定的。适应性越强, 越容易被保留下来。

交叉:对于选中的个体, 会以一定的方式进行字符段交换, 进而生成两个新个体。

变异:变异发生在随机个体上, 发生变异的个体会有字符串的变动。

判断是否收敛:判断计算是否收敛。如果收敛, 则该字符串作为最优的结果;如果不收敛, 则从第 (3) 步开始进行重复。

解码:对搜索到的最优字符串进行解码, 使之变为实际的物理参数。

2.2遗传算法的特点

2.2.1全局优化

遗传算法是以概率规则作为指导来进行搜索的一种随机算法, 并不仅仅是简单的随机运动。遗传算法在变量空间内进行搜索的同时, 还会对不同的部分进行采样, 从而形成一个处于不断进化状态的全体系列。遗传算法能够同时对多个个体进行处理, 并同时进行评估搜索空间内的很多个解, 具有很好的全局搜索性。

2.2.2通用性强

遗传算法不是直接对参数本身进行操作, 其操作的对象是参数的编码。这就使得遗传算法能够直接操作各种一维以及二维对象, 如集合、矩阵、表、图等。遗传算法的这一特性使得遗传算法具有很好的通用性, 可以任意设定遗传算法的定义域, 是否能够连续进行可微, 不再能够约束其适用度函数。

2.2.3隐含并行性

遗传算法开始于最初的群体, 然后经过一系列的复制、变异以及杂交等过程, 从而形成新的群体。遗传算法的每一次迭代针对的都是一组个体而不是一个个体。虽然遗传算法只是通过搜索来进行求解算法, 但是其采用的是并行的搜索处理方法, 使得其本身具有很高的搜索速度。

2.2.4计算量大

遗传算法在计算过程中考虑整个群体的字符串。因此, 计算过程中会有非常大的计算量, 而且存储的信息也非常多。即使有如此大的计算量, 遗传算法还是能够在全局找到最优的区域, 进而找到最优解。

3数控加工的切削参数及优化

3.1数控加工的切削参数

数控加工的切削参数是指数控机床在加工零件的过程中, 数控刀具的切削运动的参数。它主要包括:切削宽度、切削速度、背吃刀量、以及进给量。切削参数选择是否合理, 是数控加工中的一个重要技术指标, 对编制零件的加工工艺非常重要, 是保证零件顺利加工的基础。因此, 科学合理地给定数控加工的切削参数不仅能够提高产品的加工质量, 还可以有效降低成本, 使企业具有更强的市场竞争力。但是, 通过实践可知, 数控加工切削参数的确定非常复杂, 切削参数受到很多因素的影响, 如零件的加工工序、切削液的选用、刀具的材料、被加工零件的材料等。无论哪一种因素发生变化, 都会使数控加工切削的参数发生变化, 因此我们在确定数控加工的切削参数时, 要把所有的因素都考虑在内。

3.2数控加工切削参数的优化模型

3.2.1模型决策变量

当被加工的零件、加工所用的刀具以及哪种型号的数控机床的参数都确定下来以后, 对生产加工的效率产生影响的因素主要是切削深度、进给量、切削速度以及径向切深。在实际的加工中, 切削的宽度和深度是由被加工零件的加工余量以及加工的具体要求确定的, 因此对这两个参数进行优化, 优化参数主要是进给量和切削速度, 分别设为x1与x2。

3.2.2目标函数

本文以最大的生产效率为本次优化的目标函数。在实际的数控加工切削过程中, 存在很多优化目标函数, 其中最主要的有四种, 即单件加工时间最短目标优化函数、单件加工成本最低目标优化函数、经济效益最大目标优化函数以及可变的多目标优化函数。

在进行批量加工制造的时候, 完成一道切削加工所用的时间的计算公式为:

其中, tm为切削时间;tc为切换工序时换刀所用的时间;th为刀具磨损带来的换刀所用的时间;t0t为其他辅助所用的时间;D为数控加工所用刀具的直径;L为数控加工刀具的切削长度;Z为数控加工刀具的齿数;tm是由于加工刀具的磨损所带来的换刀时间;ae为数控刀具的切削宽度;aq为数控加工刀具的切削深度。

把数控机床加工生产的最大效率设为优化目标, 目标函数的表达式为:

3.2.3约束条件

在实际的数控加工生产中, 数控机床设备、加工质量以及加工条件等都会对加工效率产生限制, 因此能够选择的切削参数值有限。所以, 在对切削加工的参数进行优化的时候, 必须考虑这些因素。在数控机床的加工生产中, 能够产生约束的情况有很多。从工艺系统的角度考虑, 一共有以下几种因素:机床特性的限制、工艺质量的要求、刀具的限制、夹具的限制。

切削速度的约束, 即

切削功率的约束, 即

被加工零件表面粗糙度的要求, 即

3.2.4优化的方法

针对以上数学模型, 可以把问题归结为以下的优化问题:在满足以上约束条件的情况下, 求解出目标函数的最优解, 即目标函数的最小值。

本次所建立的目标函数以及约束方程都不是线性方程, 传统的优化计算方法不能进行求解, 本文采用遗传算法求解该数学模型。该算法在每一次迭代中都要对优化参数x继续求解, 并对求解的根进行解码, 通过这样不断进行搜索求解域, 不断朝着好的方向发展, 搜索的区域也在不断缩小, 直至求得最优结果。

4结论

本文主要对数控加工系统的结构、切削参数进行介绍, 同时也对数控切削加工切削参数的合理设置做了研究, 并以最优的加工生产效率为优化目标, 建立了切削参数优化的优化目标函数以及进行优化分析计算的约束条件, 共同构成了切削参数优化的数学模型, 为切削参数的优化计算打下了很好的基础。

摘要：对于数控加工技术而言, 如何提高效率是现代数控加工技术急需解决的新课题。本文通过切削过程进行深入分析, 找出对切削效果造成影响的各个因素, 然后建立起切削参数优化模型, 并运用MATLAB中的遗传算法对数学模型进行计算仿真, 得出最优的数控加工切削参数。

关键词：数控加工,切削参数,优化,遗传算法

参考文献

[1]徐凯.数控加工切削参数优化研究[J].黑龙江科技信息, 2015, (32) :155.

[2]李铁钢, 付春林, 王宛山, 等.结构件数控编程切削参数优化[J].工具技术, 2011, (9) :23-25.

[3]董本志, 李海霞, 任洪娥, 等.刨花切削控制参数优化的计算机视觉方法研究[J].制造业自动化, 2012, (11) :17-20.

数控机床车削加工参数的合理确定 篇2

增加数控机床的进给量和切削速度，能够减少切削零件所需时间，但同时数控机床的切削刀具寿命会明显缩短，加工零件的表面质量也会有所下降。

因此，合理确定数控机床车削加工参数，是提升加工效率，获得较高经济效益的重要途径，值得深入探讨。

1、为什么要合理确定数控加工切削用量

现代数控机床随着广泛的应用，电子计算机相关技术越来越多地与之相融合，特别是随着CAD/CAM技术快速发展，很多CAD/CAM软件均提供了自动编程功能，不仅提供了各种各样加工方式方法，采用不同的加工方式对加工过程当中的切削用量数值也会产生一定影响。

此外，近年高速切削的兴起，针对工件金属材料不同，在切削速度达到某个特定值时，切削温度不升反降的特点，使数控加工产品质量得到改善，还大幅度地提高了生产效率。

通过上述分析可以发现，在数控机床加工中，切削用量的合理选择其实并不容易。

所说的“合理选择”，是指对现有条件充分利用(包括：机床扭矩、功率等动力性能;刀具切削的耐磨性和硬度性能)的基础上，在达到要求加工质量的前提下，尽量减少加工时间，从而获取较高生产率的同时，加工成本最低化所需的`切削用量。

对于数控机床的切削加工而言，切削用量的三要素联系十分密切，改变任一参数均可能会致使其它参数发生变化。

例如，增大切削用量时，相应地就需增加刀刃的负荷;若增加切削热，则刀具磨损随之加快，进而还会提升加工成本、限制加工速度。

因此，实践中绝非只用计算公式得出一个数值使用这么简单，而需以实践加工生产经验为依据，综合考虑计算数值和经验数值，才能使切削用量更加合理，才能在付出较低加工成本的同时，获得较高的生产效率和效益。

通过近年来数控技术的高速发展，切削用量的选用应以最大限度地降低加工成本，获取较高经济效益，同时使加工产品的生产效率和质量进一步提升为目标。

2、数控机床车削加工中刀具几何参数如何确定

作为刀具几何参数重要组成部分之一，刀具几何角度对数控机床车削过程中的切削力大小、切削功率和切削温度会产生直接影响，更事关数控机床刀头、刀刃强度、工作磨损状况和散热体积，还对刀具刃形和切削图形产生较大影响，甚至还会影响切屑流出的方向，而对机床工作切入切出平稳性和切削刃锋利程度产生一定影响。

实践表明，在切削条件不同的情况下，应选择与之对应的刀具几何角度，方能获得较佳的加工效果和加工效率。

以刀具前角参数的确定为例，在选择前角时，保证切削刃的锋利是前提，还应适当兼顾切削刃保持足够的强度。

实践中，在确保零件加工质量前提下，通常参数的选择应使刀具达到最高使用寿命为原则确定。

而作为一个相对的概念，切削刃是否具备足够的强度，与加工零件材料及刀具材料物理性能有关，还与加工条件关系紧密。

基于以上认知，合理选择前角参数应采取以下原则：一是，加工塑性材料时宜取较大前角，而加工脆性材料时则宜取较小前角;二是，粗加工时可取较小前角，而精加工时，则宜取较大前角;三是，当加工零件的材料硬度、强度相对较低时，前角可取较大参数，反之，则应取较小前角;四是，刀具材料抗弯强度及冲击韧性相对较低时，宜取较小前角，如，硬质合金刀具合理前角可较陶瓷刀具大，而高速钢刀具合理前角则较硬质合金刀具大;五是，在机床功率较小或工艺系统刚性较差时，可选取较大前角参数，以尽量减小切削力与振动带来的影响。

当然，在生产实践中，为确保刀具工作稳定性，数控机床车削加工时刀具前角通常不宜过大。

3、数控机床车削加工中切削参数的合理确定

使用数控机床进行车削加工，在选择数控编程时即应确定切削参数，合理的参数应当能够最大限度地保障零件加工质量，提高刀具的使用寿命，使数控机床能力得到充分发挥，提升刀具切削性能，且能以较低生产成本获得较高生产效率。

3.1切削参数首先要确定的是主轴转速

确定合理的主轴转速才能形成加工所需的恰当切削速度，因此，主轴转速应当以零件加工所要求的切削速度及棒料直径为依据来予以确定。

从生产实践中可以发现，除了螺纹加工之外，数控机床车削加工的主轴转速和普通车削加工大致相同，只需考虑零件加工部位直径，并依照加工零件及刀具材料等外部条件允许的切削速度进行确定即可。

此外，适当对车床刚性规格差异加以考虑，在数控机床能够承受的转速范围内，尽量选择接近最大转速的数值来确定。

在数控机床的数控系统控制板上通常会备有主轴转速的倍率开关，可于加工过程当中按整倍数调整主轴转速。

需要注意的是：在切削过程是干式切削时，应选取相对更小一些的主轴转速，这个参数一般取有切削液状态下主轴转速的70%～80%为宜。

3.2切削进给速度参数的合理确定

在单位的时间内，刀具顺进给力方向所移动距离即为进给速度，其单位通常为mm/min，也有个别数控机床用每转进给量(mm/r)来表示进给速度，通常车削进给速度的确定原则如下：首先，在零件加工精度及表面粗糙度等质量要求可以保障的前提下，应尽量选择高进给速度，以提升生产效率;其次，使用高速钢刀具车削，或是车削深孔、进行切断操作时，进给速度应当选择相对较低的数值;再次，在刀具空行程，尤其是远距离回零时，应尽量设定更高的进给速度;最后，进给速度这一参数的选择，必须要与数控机床零件加工时的切削深度及主轴转速相适应。

3.3切削深度参数的合理确定

确定切削深度参数，应当综合考虑多方向因素的影响。

通常应对数控车床、刀具、夹具、零件组成工艺系统刚度、零件表面精度、粗糙度等因素分别进行分析方可确定。

在条件允许的情况下，应当尽量选择相对较大的切削深度参数，以通过减少走刀次数，实现提升加工效率的目的。

在零件加工精度及表面粗糙度的要求相对较高时，可考虑留出精加工余量。

精加工余量通常较普通车削的余量要小，一般取0.1～0.3mm为宜。

此外，根据实践生产经验，通常情况下加工表面的粗糙度值为Ra12.5时，只需一次粗加工即可达到要求。

当然，若数控机床的刚度较差、余量过大或是动力不足时，也可分多次完成切削加工过程;在表面粗糙度的要求在Ra1.0～1.6之间时，通常可采用较小切削量来完成精加工。

需要注意的是：吃刀量与数控加工生产率是成正比的，在零件加工工艺及车床、刀具、夹具刚性允许的情况下，应尽量设置更大的吃刀量。

在粗加工外，因刀具的加工余量通常不大，一般还需使用精加工工序，吃刀量是指粗加工或半精加工之后留给精加工的余量。

余量过多，则刀具易磨损，进而给加工零件的表面质量带来不利影响;余量过少，则不能消除上粗加工留下的刀路痕迹，对加工零件的表面质量同样会产生不良影响。

结语：

在数控机床车削加工中，对相关参数进行正确合理选择，能够切实提升加工零件的质量，避免了可能发生的加工中刀具颤振、加工零件的变形过大等问题。

在切削参数实践选择中发现，切深与进给率的增减应适宜，否则容易引起切削力及主轴功率利用率增幅过大，却没有提升零件表面加工质量的问题。

参考文献

[1]薛志恒.模具零件数控车削加工工艺分析研究[J].硅谷，2012，02：83.

[2]顾海明.探讨数控车削加工中的试切对刀法[J].科技资讯，2012，11：81.

[3]邓超，吴军，毛宽民，熊尧.面向大型数控机床的工艺可靠性评估[J].计算机集成制造系统.2010(10).

[4]杨丽敏.国内外重型数控机床的技术对比与发展[J].金属加工(冷加工).2010(07)

[5]沈浩，谢黎明，韩莹.数控车削中切削用量的多目标优化[J].兰州理工大学学报.2005(05)

参数编程加工梯形螺纹浅析 篇3

一、程序设计思路

程序运行流程如图1所示:

以螺纹的螺距为条件进行条件运算,以确定牙顶间隙的值。

在深度方向将螺纹的切削分成多层,每一层的螺旋槽加工完毕后再向切深方向进刀,一直进刀至螺纹的底径。

以同一切深层上整个切削槽宽为转移条件完成螺纹某一层的加工。程序在每层切深处进行计算得到该层的槽宽,在z向分多次进刀实现,如果出现进刀总宽度超过本层槽宽的情况,则直接取槽宽。

二、程序工艺创造点

1.分层切削

在深度方向分为多层进行切削,且分层数并不固定,适用于不同螺距的螺纹切削。每层刀具位于槽宽的中心,分别向左、右两个方向借刀,保证螺旋槽两侧面的加工精度。

2.牙侧留有余量

每层在z方向的移动都留有左右各0.1mm的余量,在通用程序的最后对牙侧进行精加工,保证了牙侧的粗糙度要求。

3.起刀点设置合理

起刀点距螺纹的起点距离是与螺纹大径和导程建立联系公式,保证了各种导程螺纹都有足够的升速进刀段。

三、通用宏程序举例

下面用通用程序加工一个长度40mm,Tr36X6的梯形螺纹。

%2009

T0101

#2=0.5(牙顶间隙)

#4=1(进刀次数)

#5=1(每次下刀深度)

#6=36(螺纹大径)

#2=0.25

endif

if#8gt12

#2=1#

endif

#11=0.366*#8-0.536*#2(牙底槽宽)

#12=#6-#8-2*#2(螺纹小径)

S400M03

g00X[#6+2]

Z[#8]

while#7GE#12

#3=0(借刀参数)

#13=0(借刀参数)

#10=[#8-0.366*#8]-tan[15*pi/180]*2*#4*#5(每层槽宽)

G01X[#7]

M98P1000

while#3le[#10/2-#9/2](向左借刀)

G00X[#7]

w[-#3]

M98P1000

#3=#3+0.1

ENDW

WHILE#13LE[#10/2-#9/2] (向右借刀)

G00X[#7]

W[#13]

M98P1000

#13=#13+0.1

ENDW

在HNC-21/22T系统的数控车床上,利用本通用程序进行梯形螺纹的实际加工,取得了良好的效果。本程序适应性广、工艺编制合理、加工质量高,解决了梯形螺纹数控编程加工的诸多难题。该方法也可在其他系统上切削梯形螺纹时作为参考。

航空制造数控加工切削参数优化研究 篇4

关键词：航空制造,数控加工,参数优化

引言

在航空制造中, 飞机零部件体积较大, 精度较高, 大多是由精密数控机床来进行加工的。目前航空零部件的机械加工, 尤其是复杂曲面的数控加工, 大都是人为的根据经验或者参考切削参数手册来选取固定的切削参数, 而且在加工过程中, 切削参数是一直保持不变的, 常常达不到切削参数的最优化, 这严重制约着飞机零部件的加工精度, 而且也降低了数控机床的使用效率。切削参数对整个航空制造数控加工过程是相当重要的, 选择合理的切削参数对确保航空制造产品的质量、提升数控加工的生产效率、降低数控加工的成本都是十分关键的。由于影响切削参数的因素非常多, 这些因素之间又是相互影响、相互制约的, 所以如何确定出一套合理的切削参数通常是比较困难的。

本文主要针对传统的数控加工中切削参数经验固化导致加工精度不高的问题, 提出了一种变搜索域遗传算法, 该算法是一种改进的遗传算法, 可以更好对切削参数进行迭代优化, 具有较高的运算效率。采用本文优化算法, 可以使得切削参数更加科学合理, 显著提高了数控加工效率, 大大降低了严重依赖工程师的个人经验问题, 可以实现切削参数选取更加科学合理, 大大提高了航空制造企业的生产效率和效益。

1 数控加工切削参数介绍

数控加工中, 切削参数主要是切削速度、进给量和背吃刀量和切削宽度四个方面[1]。切削速度是指单位时间内工件和刀具沿着主运动方向相对移动的距离。数控加工中这四个切削要素是调整数控机床的主要依据[2], 它反映的是刀具和工件之间相互作用的关系, 是影响工件加工质量和加工效率的主要方面[3]。对切削参数的合理设计和专门优化, 可以对零部件加工更加合理的控制, 对提升零部件的加工质量具有非常重要的意义。

传统的优化方法是以切削实验为基础, 费时费力。切削参数的优化方法, 现在主要采用人工智能算法来进行优化, 一般首先建立优化模型, 确定优化目标, 然后选取适合的优化算法, 最终寻求到最优的切削参数。

2 切削参数优化设计

在数控加工批量生产时, 完成一道铣削加工工时表示为:

其中:tm为工序切削时间;tc为工序之间换刀时间;th为由于刀具磨损平均一道工序的换刀时间;tα为除换刀时间以外的辅助时间;D为刀具直径;L为切削长度;Z为刀具齿数;tM为刀具磨损的换刀时间;αe为切削宽度;αp为切削深度;Cv、m、y、p、α、k、q均为刀具耐用度系数。

进行切削参数优化的目标函数为:

对于数控加工切削参数的优化转化为在满足给定约束条件下, 求出目标函数的最小值, 就完成了切削参数的优化过程。但是由于目标函数和约束条件都是非线性的, 如果用传统的优化算法来进行计算的话, 会耗费大量的计算资源, 而求出的解不一定为最优解。本文采用变搜索域遗传算法来进行优化切削参数, 该算法是一种经过改进的遗传算法, 是根据种群进化进度, 采用特定的方法来不断缩小搜索区域, 进而动态改变种群规模, 具有较高的运算速度和较小的算法复杂度。遗传算法是基于自然选择和自然遗传的搜索算法, 它主要是模拟生物进化过程的机制, 来求解最大值最小值的自适应的算法。

优化算法的优化流程为:首先输入数控机床刀具、具体的工件等基础参数和要优化的参数, 随机选取满足约束条件的初始种群规模, 初始种群的适应度函数, 开始选择操作, 对选取的种群进行交叉操作和变异操作, 然后判断是否达到迭代次数, 如果满足则直接输出最优解, 否则继续返回到选取初始种群规模重新开始进行交叉和变异, 直到输出最优解本轮优化才算完成。

经过算法优化后的数控加工切削参数与经过工程师个人经验做出的切削参数相比, 可以节省23%的零部件加工时间, 大大提升了机床使用效率和零部件加工速度。

3结语

本文主要针对传统的航空制造数控加工中切削参数设定严重依赖工程师的个人经验及参考切削参数手册, 对机械零部件的加工影响很大, 不利于机械零部件的规模化生产和技术推广, 本文设计了变搜索域遗传算法来对切削参数进行优化, 通过迭代计算不断进行交叉和变异, 来寻找系统最优解, 经过验证, 比传统方法大大提升了加工速度和加工质量。

参考文献

[1]臧小俊.铣削加工中切削参数对切削力的影响[J].电子机械工程, 2011 (3) :20-21.

[2]武美萍.数控加工切削参数管理和优化系统的开发[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2004 (Z1) :44-46.

加工参数优化 篇5

摘 要：为改善休闲观光农业基础设施配置，以一种观光农业创意折叠桌为研究对象，从节约空间，提高美观特性及稳固性角度出发，对其进行动态规律及加工参数进行设计研究。根据折叠桌动态变化将其桌面简化为双曲抛曲面，运用空间几何分析求解出相应木条及开槽长度。通过多元回归分析推导出木条端点空间坐标间关系，应用Matlab软件对折叠过程中桌角边缘线进行拟合，确定最长木条长度为57.825cm，最长开槽长度为17.87cm。为提高其结构稳定性，进行静力学分析并对木材用料量进行优化，运用有限元分析验证优化结果。在此基础上求解出边缘线形状与桌面高度间关系，并推导其理论通用模型，以提高模型通用。

关键词：休闲观光农业；折叠桌；动态规律；加工参数；Matlab；ANSYS

休闲观光农业是一种以农业和农村为载体的新型生态旅游业[1-2]，主要利用田园景观、自然生态及环境资源等通过规划设计和开发，结合农林牧渔生产、农业经营活动、农村文化及农家生活，提供人们休闲增进居民对农业和农村体验。此种形式的兴起和发展不仅是社会经济发展的必然趋势，也是推动人与自然、城市与农村和谐共存的不可替代的形式。国内外休闲观光农业的发展最初以“市民农园”为主，随着社会经济快速地发展，观光农业的观光、休闲功能不断得到强化，凭借大中城市资金、技术、市场、信息和人力资本集中的优势而发展起来的休闲观光农业园区，促进传统农业转向现代农业转型[3-4]，解决农业发展的部分问题。

舒适温馨的环境是发展休闲观光农业的重要保证，而基础设施合理的空间配置，美学特性及力学稳固性是提高观光农业生活质量的重要因素。本文以一种观光农业创意折叠桌为研究载体，从节约空间，提高美观特性及稳固性角度出发，利用已知数据和条件，建立模型以描述此折叠桌的动态变化过程，确定其设计加工参数，在此基础上对折叠桌进行力学分析，对木材用料量进行优化以提高其结构稳定性，运用有限元分析检验优化结果。通过空间几何分析方法推导出折叠桌通用模型，应用Matlab软件对折叠桌动态变化进行数学描述。

图1 创意平板折叠桌动态变化过程

1 观光农业折叠桌结构及建模

如图1所示，此种为观光农业创意折叠桌其桌面呈圆形，桌腿由两组若干根木条构成，每组各用一根钢筋将木条连接，钢筋两端分别固定在桌腿各组最外侧的两根木条上，且沿木条有空槽以保证滑动的自由度，桌腿可随铰链的活动可以平摊成一张平板。折叠桌结构参数为：桌子平板尺寸为120cm×50cm×3cm，每根木条宽2.5cm，连接桌腿木条的钢筋固定在桌腿最外侧木条的中心位置，折叠后桌子的高度为53cm。

本文根据桌子外形曲面为直纹曲面的特点，简化设定该曲面为双曲抛物面[5-6]。在此基础上运用图形解析法得到各桌腿的长度，应用Matlab软件确定出各木条端点的坐标值。应用Spss软件分析各点坐标值，进行多元回归分析得出两个模型，根据相应数据对比两模型的合理性，以建立出正确的数学模型。

为简化应用模型，本文进行如下假设：平板折叠桌受力均匀，即物体在桌面上分布合理，忽略集中摆放情况；钢筋竖直（图中标红位置），即在折叠过程中不会产生变形而影响效果。（图2）

1.1 双曲抛物面 双曲面的形成的过程是：一直母线AC沿两交叉直导线AB、CD运动，同时始终平行于一导平面；它的两个导平面P、Q为铅垂面，其交线为铅垂线，平行于主轴Z；因两个导平面的等分角面分别为正平面和侧平面，故该曲面的两个对称平面S、U分别平行于正面和侧面。该曲面所处的位置为标准位置，如图3所示。

令坐标XOY和YOZ分别于曲面的两个对称面重合，过点O的铅垂线为曲面的主轴，点O为坐标原点，过点O垂直于侧面或正面的直线分别为Y轴或X轴。

令该曲面上的两个对称点A、D的x、y、z坐标分别为m、o、k，点B、C的x、y、z坐标为o、n、k，其中m、n、o、k为常数，于是得出双曲抛物面的标准方程：-+=0（1）

根据以上各端点坐标，利用Matlab软件编程[7-8]拟合出其三维曲线图形，如图6所示。

式中，y*为根据所有自变量计算的估计值，b0为常数项，b1、b2…bn称为y对应于x1、x2…xn的偏回归系数。偏回归系数表示假设在其他所有自变量不变的情况下，某一个自变量变化引起因变量变化的比率。

利用Spss对该数据进行多元线性回归分析[9]得到復相关系数R。其中复相关系数R是自变量与其他因变量间线性相关密切程度的指标，取值范围在0～1之间。其值越接近1，表示其线性关系越强；其值越接近零，表示线性关系越差。

如表3所示，为显示各模型拟合情况。模型2的复相关系数（R）为0.997，判定系数（R square，即R2）为0.994，调整判定系数（Adjusted R square）为0.992，估计值的标准误差为0.6624767。模型1的复相关系数为0.797，判定系数为0.958，调整判定系数（Adjusted square）为0.951，估计值的标准误差为1.6097925。模型2的调整判定系数大于模型1的判定系数，说明两个因素的引入对方程的拟合程度的影响很大；且模型2的R2值大于模型1的R2值，故模型2的拟合度更高些。

桌脚边缘线是由木条的端点构成的空间曲线，且随着木条的运动不断变化。因此曲线变化与桌腿的长度和开槽长度均有影响，所以本文研究的是在该情况下的最后位置的曲线描述，将讨论曲线上各点的z值分别被该点的x值和y值的影响程度。

利用Spss软件分别对z和x，z和y进行相关性分析，得出其Person相关系数为-0.659和0.979。检验方法为双侧显著性检验值为0.075和0.000在0.01的显著性水平上显著相关，所以可知在Z方向的变化其Y值影响较大，X值影响较小。其数据分析结果如表6所示：

2 观光农业折叠桌参数模型优化

观光农业折叠桌动态稳定性是评价其质量的重要指标之一，折叠桌钢筋位置和木条开槽长度是影响稳定性重要因素。钢筋在最长木条的中间位置是固定的，但在中间其他木条中是沿着开槽滑动的，因此在不同位置时最长木条处的钢筋所引导的其他木条运动的轨迹不同，即最后折叠成桌子的形状也将有所差异，随之影响桌子的受力情况。开槽长度的不同将导致由钢筋固定桌腿的位置和角度有所改变。本文采用逆向思维的方法，通过对不同设计参数的设定提高桌子的承重能力，研究钢筋的不同位置和开槽长度的范围，在此基础上采取优化设计出适宜的结构参数[10]。

2.1 稳定性分析 桌子稳定性主要由其钢筋位置及开槽长度决定。为便于加工且用料最少，本文在保证稳定性的前提下减少使用材料，选择最优加工参数。

根据力学知识可知，影响桌子结构稳定性的因素主要为重心位置高度和角度值（稳定角）大小。此稳定角为在三维空间结构重心到结构支撑面某支撑点的连线与此支撑点到重垂足（重心向结构支撑面引垂线得到的垂足）的连线所组成的夹角。

对折叠桌进行力学性能分析。为简化分析将桌子除支撑外所有木条以及对应的销钉去除，如图8所示。

此结构为多级超静定桁架，采取增加木条的方法增加其超静定次数， 降低受力敏感度，以提高结构稳定性。为尽可能减少摩擦力对其结构受力的影响，桌脚木条与水平面夹角应该有所限制。经工程实践证明，采用优良的结构形式，对抵抗较大幅度的超载、随机外力及避免脆性破坏或连续破坏均有十分重要的意义[11]。

经分析可知，当稳定角θ趋向于90°时，即桌脚与水平面垂直时，摩擦力对桌子结构的影响最小。但当若桌脚与水平面垂直时，其他木条均处于桌面下侧，并向里侧收缩，如图9所示。

销钉对桌脚木条将有很大作用力，并朝向外侧，对其力学性能有较大影响。因此对整体结构，桌脚与水平面夹角为90°并非最佳角度。

在此基础上通过增加木条数量来提高桌子的稳定性。在木条数量一定的前提下，假定中心木条到最外侧桌脚木条的角度变化量为恒定值，即它们与水平面的夹角是等差数列。

根据上述理论对圆形折叠桌进行分析，应用Matlab软件进行模型动态加工，检验其理论的合理性及准确性，如图12所示。

4 结论

①为改善休闲观光农业基础设施配置，以一种观光农业创意折叠桌为研究对象，从节约空间，提高美观特性及稳固性角度出发，进行理论研究及分析，根据桌面动态变化将折叠桌面简化为双曲抛曲面，运用空间几何分析求解出相应木条长度及开槽长度。运用多元回归分析推导出木条端点空间坐标间关系，应用Matlab软件进行对桌角边缘线进行拟合，模拟出折叠桌动态变化，确定其最长木条长度为57.825cm，最长开槽长度为17.87cm。

②对折叠桌进行静力学分析，对木材用料量进行优化以提高其结构稳定性，运用多目标优化方法，求解平板尺寸、钢筋位置和开槽长度间的关系函数，运用有限元法对优化后的折叠桌进行应力应变分析，应用ANSYS軟件进行模拟仿真，检验其理论合理性。最终确定其优化参数为：最长平板长164.75cm，最长开槽长度为20.85cm。

③为更大满足折叠桌设计要求，推广其模型通用性，运用空间几何分析方法进行相应作图解析，得出桌面边缘线形状与桌面高度间的关系，推导其理论通用模型，并应用Matlab软件进行相应的动态模拟仿真。

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加工参数优化 篇6

为了节省空间，三维空间弯管被广泛应用于航空航天和车辆发动机中。弯管内腔表面粗糙不平会引起内部流动的气体或液体出现湍流，导致发动机工作不稳定，功率下降[1,2]。对空间弯管内表面进行超精密光整加工，减小弯管内表面粗糙度是解决此问题的根本方法。由于弯管内表面空间狭小、形状不规则，故弯管内表面的光整加工一直是超精密加工的难题。磨粒流加工技术对等截面内孔可实现均匀抛光，而对弯管内表面却无法实现均匀抛光，同时对弯管折弯处的冲击较大，易损坏工件。磁力研磨光整加工技术的出现有利于改善弯管内表面的抛光效果，当磁性研磨粒子切削阻力大于磁性研磨粒子在磁场中所受到的磁场作用力时，磨粒会产生滚动或滑动而不会对工件产生严重的划伤，且切削热较小，在抛光过程中不会烧伤弯管内表面;磁性磨粒的自锐性能好，增强了磨削能力，可有效地去除微裂纹等缺陷[3,4,5]。

本文利用磁力研磨光整加工技术对空间弯管内表面进行研磨，并且研制了一套专用的磁力研磨加工装置，通过工艺试验研究主要工艺参数(磁极转速、加工间隙、磁性磨粒粒径、轴向进给速度)对磁力研磨弯管内表面的影响;利用正交试验法设计试验，并综合运用S/N比计算和方差分析进行磁力研磨工艺参数优化设计，验证磁力研磨弯管内表面的工艺可行性。

1 磁力研磨弯管内表面工作机理

如图1所示，利用磁力线可以穿透非磁性材料的特点，在钛合金弯管外部设置永久磁铁，磁力线穿过弯管并在其内部形成磁场;将具有磁性和磨削能力的磁性磨粒填充在弯管内部，在磁场的作用下，加工区的各个磁性磨粒沿着磁力线整齐排列，形成磁粒刷。磁粒刷受到磁场力作用将以“压力”的形式作用在工件表面上[6,7,8,9,10]。安装于六自由度机械手上的磁力研磨装置沿弯管中心轴线进行往复运动，同时磁力研磨装置旋转，带动弯管内部的磁粒刷仿形压附在工件内表面进行螺旋线运动。随着弯管与磁性磨粒间相对运动的产生，磁性磨粒对弯管内表面产生滑擦、挤压、刻划和切削等作用，从而实现弯管内表面的光整加工。

单颗磁性磨粒在磁场中的受力情况如图1所示。在研磨过程中，磁性磨粒受到旋转磁场的作用会沿着弯管内表面运动，在磁力(ΔFx、ΔFy)、重力(mg)、离心力(FC)的共同作用下完成对弯管内表面的研磨抛光。

弯管内部的任意一颗磁性磨粒在磁场中均受到沿磁力线和等磁位线方向的磁力ΔFx、ΔFy的作用。两者的合力ΔF在弯管内表面产生研磨压力。磁力的计算公式如下:

式中，D为磁性磨粒的直径，μm;χ为磁性磨粒的磁化率;H为磁性磨粒所处位置的磁场强度，A/m;(H/x)、(H/y)分别为沿x、y方向的磁场强度变化率。

在磁场中磁性磨粒受到的合力计算公式为

由式(1)和式(2)可知磁性磨粒的直径越大、磁化率越大、磁场强度越高、磁场强度的变化率越大，磁性磨粒在磁场中所受到的力就越大。故在磁场的作用下，磁性磨粒受到合力ΔF的作用，将自动沿磁力线方向的加工区域聚集形成磁粒刷，即合力方向一直指向磁力研磨加工区域。在研磨的过程中磁性磨粒自身的重力也会提供一个法向切削力G':

式中，m为磁性磨粒的质量，g;g为重力加速度，m/s2;α为重力方向与竖直方向的夹角。

同时，在外部旋转磁场带动下磁性磨粒会紧贴弯管内表面，与其产生相对运动，此时旋转的磁性磨粒还受到离心力FC的作用:

式中，v为磁性磨粒的线速度，m/s;R为磁性磨粒的旋转半径，mm。

所以单个磁性磨粒在研磨过程中受到的力即法向切削力，由法向的磁场力、重力的分力和旋转时的离心力三部分组成:

综上分析可知，影响磁力研磨弯管内表面的工艺参数包括磁场强度、加工间隙、磁极转速、磁性磨粒粒径、轴向进给速度等。

2 磁力研磨试验

2.1 试验装置

图2是磁力研磨弯管内表面的加工装置图，在加工弯管时，弯管工件被固定在工作台上，在弯管内填充烧结磁性磨粒，同时加入适量油性研磨液。控制六自由度机械手带动研磨装置沿弯管中心轴线进行往复运动，伺服电机通过软轴传动使磁极旋转。磁性磨粒追随着外部磁极的运动，在弯管内部做螺旋线运动，完成弯管内表面的研磨加工。

2.2 试验条件

本试验研究选用钛合金弯管，研磨区域尺寸大小为选用钕铁硼(Nd-Fe-B)永久磁铁，尺寸为15 mm×15 mm×10 mm;使用的磁性磨粒采用烧结法自制，具体由还原铁粉和氧化铝颗粒两种原料按照一定的粒径比在高温下烧结，粉碎后用标准筛筛选得到一定粒径的磁性磨粒;6.5 mm球形磁铁置于弯管内部作为辅助抛光装置来提高加工区域的磁感应强度，即减少磁极间距离，增大研磨时所需的磁力;选择油性研磨液;钛合金弯管内表面粗糙度通过JB-8E触针式表面粗糙度测量仪测定;微观表面形貌采用VHX-500F超景深3D电子显微镜观测。

2.3 试验设计

试验中所使用的磁铁为永久磁铁，其磁场强度固定。因此本试验主要以磁极转速、加工间隙、磁性磨粒粒径、轴向进给速度4个工艺参数为研究因素，根据各因素的经验值选择范围，确定每个因素的三个水平，正交试验方案见表1。

3 试验结果分析与优化

为研究上述工艺参数对弯管内表面表面质量的影响程度，并对工艺参数进行优化组合，采用田口方法对试验数据进行S/N比(信噪比)计算和方差分析[11]。由表2可知:加工前后Ra的差值ΔRa越大，试验获得的表面粗糙度就越小。根据田口方法中的静态特性分析，本文应采用望大特性，测试值为yi j(这里yi j表示第j次试验得到的第i个性能特性，即ΔRa值)，其望大特性的平均质量损失函数为

根据式(6)算出相应的S/N比为

根据表2的试验数据分别计算出各因素水平S/N比效应值，如图3所示，S/N比效应值越大对应因素水平对试验结果影响越大，故可求得最优工艺参数组合[12]。各因素中水平S/N比效应值波动越大对试验结果影响越明显。由图3可知，工艺参数A(磁极转速)、B(加工间隙)、C(磨粒粒径)对磁力研磨弯管内表面影响显著并求得最优工艺参数组合为A1∶B3∶C2∶D1。表3所示为对工艺参数进行的方差分析。从表3中可看出各工艺参数对磁力研磨弯管内表面粗糙度的影响程度。由表3并结合图3综合得出，磁极转速是影响弯管内表面粗糙度的主要工艺参数。

利用上述优化工艺参数组合对钛合金弯管内表面进行磁力研磨试验，研磨效果明显。从图4a中可知，原始表面粗糙不平且存在微裂纹等缺陷，测得表面粗糙度均值Ra大约为0.3675μm。图4b所示为对研磨工艺参数进行优化组合后获得的表面形貌，从图中可清晰看出加工纹理变得十分平整光滑，表面粗糙度值Ra达到0.09μm。由此可知，采用优化后的工艺参数组合，弯管内表面表面质量明显提高。本试验研究验证了采用磁力研磨法加工空间弯管内表面的可行性。

4 结论

(1)利用正交试验法对磁极转速、加工间隙、磁性磨粒粒径、轴向进给速度4个工艺参数进行设计试验，得出磁力研磨弯管内表面工艺参数的优化组合如下:磁极转速为750 r/min、磁性磨粒粒径为150μm、加工间隙为2 mm、轴向进给速度为0.5 mm/s。

(2)对试验数据进行S/N比计算和方差分析得出，磁极转速对磁力研磨弯管内表面影响最显著。磁极转速变化会影响弯管内磁性磨料的翻转速度从而影响管内表面的磨削。当磁极转速低于一定值时磨削量过大，表面纹理较粗;当转速高于磨削临界值时磨削量很小，加工效率受到影响，故控制磁极转速对试验影响显著。

(3)应用磁力研磨法对钛合金弯管内表面进行研磨加工，弯管内表面表面粗糙度均值Ra由初始的0.3675μm减小到最终的0.09μm，并且表面形貌变得均匀平整。验证了该加工方法对提高弯管内表面表面质量的可行性和有效性。

摘要：利用磁力研磨法,使安装在六自由度机械手的磁力研磨装置带动弯管内部的磁粒刷沿弯管中心轴线往复运动,同时磁力研磨装置旋转,解决空间弯管内表面研磨加工的技术难题。选取了影响磁力研磨工艺抛光弯管内表面的主要工艺参数(磁极转速、加工间隙、磁性磨粒粒径、轴向进给速度)并应用正交试验设计法对钛合金弯管内表面进行了研磨试验,结合试验数据对工艺参数进行了分析和优化。通过对比钛合金弯管内表面研磨前后的表面粗糙度及形貌变化,验证了采用磁力研磨工艺对弯管内表面进行光整加工的可行性和可靠性。

关键词：磁力研磨,空间弯管,工艺参数,正交试验

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加工参数优化 篇7

电火花线切割加工（Wire electrical discharge machining，简称WEDM）作为特种加工技术的一种，在对一些难加工的材料、特殊及形状复杂零件的加工上较传统的切削加工方法具有明显的优势，因此在汽车、航空航天、模具、刀具和冲模制造等领域得到广泛的应用。由于电火花线切割加工的固有特性，加工速度相对比较慢，特别是在精加工条件下，电火花线切割加工的表面粗糙度和生产效率之间存在很大的矛盾。

影响电火花线切割加工质量的因素很多，比如加工工艺路线、工件材料、电极丝材料、脉冲电源、工作液浓度与脏污程度、机床加工精度等。其中，在其他工艺参数基本相同的情况下，电参数对加工质量的影响非常显著，是加工中应该考虑的主要因素。

目前，矩形波被广泛应用于脉冲电源，矩形波脉冲电源的波形如图1所示，本文以矩形波脉冲电源的波形为例，分析主要电参数（脉冲电压、峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔）对加工质量（加工速度、表面粗糙度）的影响，并进行合理的选择。

1 主要电参数对加工质量的影响

1.1 开路电压（Ui）的影响

开路电压Ui是指间隙开路或间隙击穿之前的极间峰值电压，等于电源的直流电压，会引起放电峰值电流和放电间隙的改变。图2所示为开路电压对加工速度V和表面粗糙度Ra影响的关系曲线，在其他条件不变的情况下，加工电流随着开路电压峰值的提高而增大，随之加工速度提高，表面粗糙度值增大, 从而使加工间隙变大。为了提高加工稳定性和脉冲利用率，有利于放电产物的及时排除和消除电离，必须使加工间隙变大，但是，加工间隙变大容易造成电极丝抖动，加剧电极丝的损耗，近而影响加工精度。一般情况下，Ui=60～120V。

1.2 峰值电流（Ie）的影响

峰值电流Ie是指放电电流的最大值，它是决定单个脉冲能量的主要因素之一。图3所示为峰值电流对加工速度V和表面粗糙度Ra影响的关系曲线，在其他条件不变的情况下，放电峰值电流增大，单个脉冲能量增多，工件放电痕迹增大，加工速度提高，表面粗糙度值增大，加剧电极丝的损耗。因此，第一次切割加工及加工较厚工件时取较大的放电峰值电流。实践证明，放电峰值电流不能无限制的增大，当其达到一定临界值后，若再继续增加峰值电流，则加工稳定性变差，加工速度明显下降，甚至引起断丝。

1.3 脉冲宽度（Ti）的影响

脉冲宽度Ti是指脉冲电流的持续时间，简称脉宽。图4所示为脉宽对加工速度V和表面粗糙度Ra影响的关系曲线，在其他条件不变的情况下，增大脉宽，线切割的加工速度迅速提高, 加工表面粗糙度值也随之迅速增大。这是因为脉宽增大，单个脉冲放电能量增多，放电痕迹也会增大。同时，随着脉宽的增加，将会加速电极丝损耗，因为脉宽增加时，正离子对电极丝的轰击加强，结果会使接负极的电极丝损耗加剧。当脉宽增大到一定临界值后，加工速度将随脉宽的增大而明显降低，加工稳定性变差，近而影响了加工速度。一般来说，精加工时，Ti<20μs；半精加工时Ti=20～60μs。

1.4 脉冲间隔（To）的影响

脉冲间隔T。是指两个相邻脉冲之间的时间间隔，简称脉间，直接影响平均电流。图5所示为脉间对加工速度V和表面粗糙度Ra影响的关系曲线，脉间与脉宽对加工质量的影响是完全相反的。其他条件不变，在单个脉冲放电能量确定的情况下，减小脉间，致使脉冲放电频率提高，即单位时间内放电切割的次数增多，平均电流增大，从而提高了加工速度。由图可知，脉间对加工速度影响较大，对表面粗糙度影响较小。

在实际应用中，脉间的主要作用是消除电离和恢复液体介质的绝缘。但脉间不能太小，否则会影响电蚀产物的排出和火花通道的消电离，导致加工稳定性变差和加工速度降低。但是脉间也不能太大，否则会明显降低加工速度, 严重时不能连续进给，使加工变得不稳定。对于厚度较大的工件，应适当加大脉间，以充分消除放电产物，形成稳定的切割加工。一般情况下，对于普通快走丝线切割机床而言，脉间在10～250μs范围内，才能适应各种加工条件，保证机床的稳定加工。

2 电参数对加工质量影响的规律

综上所述，电参数对电火花线切割加工质量的影响有如下规律：

(1) 加工速度随着开路电压、加工峰值电流、脉冲频率和脉冲宽度的增大和脉冲间隔的减小而提高，即加工速度随着加工平均电流的增加而提高。实践证明，增大功率、峰值电流对加工速度的影响比用增大脉宽的办法显著，脉冲间隔对加工速度的影响最小。

(2) 加工表面粗糙度值随着开路电压、功率管数、加工峰值电流、脉冲宽度的减小和脉冲间隔的增大而减小，而脉冲间隔对表面粗糙度影响较小。

(3) 加工间隙随着开路电压的提高而增大。

(4) 在电流峰值一定的情况下，增大开路电压，有利于提高加工稳定性和脉冲利用率。

(5) 脉冲间隔对切割速度影响较大，对表面粗糙度影响较小，因此，必须选择适当的脉冲间隔，才能保证加工稳定。

3 结语

总之，在电火花线切割加工中各项电参数之间既相互影响、又相互制约，电参数的合理选择直接关系到加工表面质量的好坏和加工效率的高低。因此，在选择电参数时，应综合考虑各因素及其相互影响关系，客观地运用它们的最佳组合，从而获得最优的加工效果。

摘要：本文分析了电火花线切割加工中电参数对加工质量的影响, 总结出主要电参数对加工质量的影响规律, 并阐明了在工业生产中如何选择合理的电参数进行加工, 应用这一结论指导工业生产将具有重要的实用价值。

关键词：电火花线切割,电参数

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偏心零件加工的参数化编制 篇8

偏心是机械零件设计中一种特殊的结构形式。偏心工件就是零件的外圆和外圆或外圆与内孔的轴线平行而不相重合, 偏一个距离的工件, 两条轴线之间的距离称为偏心距。

偏心零件的车加工方法有多种, 常见的有:三爪卡盘上车偏心工件、在四爪卡盘上车偏心工件、在两顶尖间车偏心工件、在偏心卡盘上车偏心工件、在专用夹具上车偏心工件。

在数控机床上进行偏心零件加工常见编程方法:

方法一: (以三爪卡盘为例) , 编程前一般是根据偏心距的大小, 根据公式 计算垫片的厚度 (式中x为垫片厚度mm, e为偏心距mm, D为工件直径) , 使工件不同部分的轴线产生一定的距离来满足偏心距的要求, 然后再通过循环指令进行偏心部位外形的粗车加工和精车加工。

方法二:通过CAD/CAM软件构造零件的模型, 通过交互参数对话模式, 选用合适的加工策略, 进行刀具轨迹的生成和编辑, 生成符合要求的刀路文件, 选择适合机床的后处理计算产生曲面轮廓上所有机床步进点 (或刀具铣削点) 相对于坐标原点的坐标, 进行零件的程序输出。

1 偏心零件加工的车削参数化编程

1) 有人研究了数控车床上不加垫片实现偏心轴零件加工的方法[1], 如图1所示。车铣复合机床有一个Y轴, 因此编写上不加垫片加工偏心零件的程序, 相对容易。

2) 车削程序编制:

……

r1=80; (工件毛坯直径)

r2=10; (曲轴的偏心距)

r3=41; (曲轴的最终加工尺寸)

2 偏心零件加工的铣削参数化编程

1) 在车铣复合机床上加工零件时, 刀具轴线与工件轴线正交基本矢量模型如图2所示。

矢量C是描述运动过程中X″Y″Z″坐标系在XYZ坐标系中的位置矢量;矢量T为运动中刀刃在UVW中的位置矢量;矢量B是X0Y0Z0转换到U'V'W'中的变换矢量;矢量E为描述铣刀偏心位置的矢量;矢量P为在绝对坐标系中描述运动过程的刀刃位置矢量。

在偏心件的加工中, 铣刀刀刃在绝对坐标系XYZ中的位置表达式为[2]:

其中:φw为铣刀绕偏心部分转过的角度;顺铣k1=-1, 逆铣k1=1

偏心加工中铣刀与偏心部位的位置可以为上偏心、下偏心和不偏心, 可以分为顺铣和逆铣。

2) 铣削程序编制

3 结语

偏心零件的加工比较复杂, 主要问题是偏心距不容易掌握。如果不使用专门设计的夹具进行加工, 通过添加垫片进行加工, 编程时除了需要计算垫片厚度还要会进行零件的装夹, 才能加工出复合图纸要求的偏心距。一旦偏心距发生变化, 则需要重新计算垫片厚度和重新装夹。在使用CAD/CAM软件时, 也存在同样的情况, 偏心距改变, 只能重新生成刀路文件再后处理出程序。

本文通过对偏心零件运动轨迹的研究, 给出了零件的参数化编程方法。相比于常见的编程方法, 程序具有更灵活、更便捷、通用性强的优点, 能方便工件的装夹, 能够摆脱对CAM软件的依赖, 提高编程的效率, 对于不同偏心距的零件, 只需修改几个参数, 减轻了工作强度。我们也在此基础上, 通过VB等软件, 编写一个剪短的程序, 可以选择车削或铣削方式, 生成偏心距不同的零件的加工的程序。

该参数化编程方法已在了配置SIEMENS 840D数控系统的DMG CTX Beta 1250 TC机型上进行验证, 程序准确, 操作简单可靠, 能加工出符合图纸精度要求的偏心零件。

参考文献

[1]袁永富, 熊福林, 肖善华, 等.偏心零件的数控车削加工研究[J].煤矿机械, 2009 (8) .

[2]陈艳丽.基于车铣的曲轴精加工技术的研究[D].沈阳:沈阳工程大学, 2008.

[3]姜增辉, 贾春德.车铣运动的矢量建模[J].机械工程学报, 2003, 39 (4) :15-18.

镁合金加工的切削参数选择 篇9

关键词：镁合金,加工,刀具几何参数,切削用量

镁合金具有密度小, 强度高的特点, 近年来在航空航天领域得到了广泛的应用。我们国家也非常重视镁合金的加工研究, “镁合金应用与开发”被列为“十五”国家科技发展规划中材料领域的重点任务, 投入大量的经费, 组织多个研究院所、高校和家企业参与项目实施。

目前多数企业刚刚开始接触镁合金零件的加工, 缺乏相应的经验, 除了特殊要考虑镁合金的加工安全性外, 一般加工时等同于铝合金材料, 往往不能得到最优的效果。

1 镁合金概述

镁合金呈银白色, 外观与铝相似, 极易氧化燃烧, 燃烧时发出强烈白光。镁合金中主要加入元素有AL、Zn和Mn等, 可通过热处理淬火, 然后实效强化。镁合金密度为1.8g/cm3的, 比铝合金轻36%、锌合金轻73%、钢轻77%, 被公认为重量最轻的结构金属材料。镁合金切削阻抗小, 切削能耗是钢的1/6, 铝的1/2, 易于切削加工。我单位表1镁合金与其它结构材料加工性的比较所用的镁合金牌号ZM5、ZM8、MB8等。表1为镁合金与其它结构材料加工性的比较。

由于镁合金的比热高和导热性良好, 磨擦产生的热量会迅速地扩散到零件的各个部分, 因此, 对镁合金进行切削加工时一般并不会产生较高的温度。但是, 在高切削速度和进给量大的情况下, 零件所产生的热量也时相当可观的, 很可能因为温度过高而造成扭曲变形。

镁合金具有相当大的热膨胀系数, 在20℃~200℃范围内为26.6~27.4um/m·℃ (与合金成份有关) , 热膨胀系数略高于铝, 明显高于钢。如果零件的尺寸公差要求比较严格, 则加工和终检时的温度差异对尺寸的影响就比较显著, 必须在精加工时预留一定的膨胀收缩量, 否则很可能会影响到零件的加工精度。

2 刀具几何参数的选择

刀具的材料确定后, 选择合适的刀具几何参数非常重要, 不仅影响刀具的耐用度和加工效率, 而且有时还严重影响产品的加工质量。

镁合金的切削性能好, 一般要求刀具锋利, 但由于镁合金具有低热容量的特性, 当切削温度高于480℃, 细切屑极易燃烧起火, 因此刀具选择时应尽量是产生的切削热降低到最低。对于铣削加工, 前角应减小5°~10°, 一般取15°左右, 硬质合金刀具的前角可以取得更小些, 一般在12°左右, 以降低刀具材料的剥落。刀具后角角度一般在10°~15°, 以减少刀具与工件已加工表面的摩擦, 避免过多的热量积聚。还可适当加大容屑槽空间, 减少铣刀的刀片数量以降低切屑与刀具的摩擦。特别注意经常检查刀具前、后刀面, 应保持刀面光洁。避免使用钝、有缺口或崩刃的刀具。副切削刃对切削影响不显著, 但副切削刃角度过大容易产生振刀, 可以根据零件的结构刚性和装夹情况选择合适的副切削刃角度。

3 切削用量的选择

切削用量直接决定了加工效率的高低, 同时也影响加工的质量。由于镁合金切削性能好, 一般采用高速大进给量切削。同时要考虑以下原则。

切削速度对切削温度的影响很大, 镁合金切削阻力小、热导率高, 可以实现高速切削。但切削速度高于5m/s和进给量小于0.02mm/r, 会增加着火的危险, 在切削速度低于3.5m/min时, 即使在最不利的切削条件下 (钝的切削刀具和小的进给量) 引燃切屑也是非常不容易的。如果工件公差要求严格, 镁合金的热膨胀系数大的特性必须考虑, 这时应采用较低的切削速度, 减少温升过快。

切削深度对温度影响较小, 所以增大切削深度对镁合金的切削是有利的。细微的切削会使切削热传导到零件上, 增加工件的发热, 采用较大的进刀量和切削深度, 可以减少过度的发热。特别是粗铣时, 要尽量保证刀刃完全进入被切削的镁合金表面内。表2和表3为车削和铣削时的推荐参数。

4 结语

镁合金加工时刀具的前角和后角选择比较重要, 一般前角15°左右, 硬质合金刀具的前角可以取得更小些, 一般在12°左右;后角取一般取10°~15°。

零件精度不高时一般采用大的切削速度和切削深度, 如果零件精度较高时则选用较低的切削速度和进给量。

参考文献

[1]徐河, 刘静, 谢水生.镁合金制备与加工技术[M].北京:冶金工业出版社, 2007.

[2]材料手册[M].上海:上海航天局第八零七研究所, 1992.

线性规划参数问题解法优化 篇10

我们先回顾问题及其解答:

已知满足条件2x+y≤10,x+2y≤10,x+y≤6,x≥0,y≥0,且z=mx+y在点(2,4)处取得最大值,求实数m的范围.

图1

分析:要让函数z=mx+y在点(2,4)处取得最大值,则函数所表示的直线过点(2,4),且在区域的上方.

解:∵(2,4)在区域的上边界上,函数z=mx+y在点(2,4)处取得最大值,则m>0且区域在直线z=mx+y的下方,由图可知:kAB

又∵kAB=-2,kBC=-1,∴-2

点评:逆向思维,灵活理解,恰当运用线性规划知识.

质疑一:问题要求的是m的范围,给出的却是关于k的结论.如果仅仅是字母的差异,并无大碍,但k的范围也不是m的正确范围.

质疑二:目标函数z=mx+y在点(2,4)处取得最大值,但并不是说使取得最大值的点仅有(2,4)一个,结论中的范围应该是闭区间而不是开区间,端点应该可以取得到.

质疑三:原有解法借用图象说服力不强,特别是线性目标函数对应直线的斜率和边界的斜率一致或比较接近时,图象的不足也就暴露无遗,正如华罗庚先生所言:形缺数时难入微.

另外,最大值和最小值的区分也不明显.

改进:只要在原有线性规划思想上,变换角度来看原有问题可能更加方便.

如图1,在原有可行区域基础上,构造二元变量函数z(x,y)=mx+y,找到可行区域中五个关键点O(0,0),A(0,5),B(2,4),C(4,2),D(5,0).

要使z(x,y)=mx+y在点(2,4)取得最大值,只须

z(2,4)≥z(0,0),z(2,4)≥z(0,5),z(2,4)≥z(4,2),z(2,4)≥z(5,0),

也就是2m+4≥0,2m+4≥5,2m+4≥4m+2,2m+4≥5m,可得m的正确范围为12≤m≤1.

在改进原有的解法中,不等式组略复杂,其实当可行区域图形复杂时,中间许多步骤是可以省略的,这时只需简化为z(2,4)≥z(0,5),z(2,4)≥z(4,2)即可.大家能够悟出其中的道理吗?

另外一方面,解法中对端点的处理是比较到位的,从而回避了原有解法中对图形的过度依赖.

总的来说,上面的解法对线性规划中参数范围的问题具有通用性:将端点的函数值一一计算出来的,其中最大(小)值就是目标函数的最大(小)值.

图2

有了前面的经验后,再来看下面一则类似的问题,相信你可以很快准确完成.

【练习】如图2,已知A(0,5),B(1,1),C(3,2),D(4,3),动点P(x,y)所在的区域为ABCD(含边界).若目标函数z=ax+y仅在D点处使z取得最小值,求实数a的取值范围.

(参考答案:a<-1)

参考文献

杨建明.线性规划的常见类型与应用[J].中学生数学,2008(1).