1 概述

      切削加工是金属加工最基本的手段，切削加工的工作量占机械制造工作量的30%-40%，约70% 的零部件采用切削加工来进行。据专家估计，在21 世纪切削加工仍将占机械加工量的90% 以上，因此，提高切削加工的效率和质量仍是机械制造业的重要研究内容。加工过程中，合理选择切削用量不仅能够保证加工质量，还能提供生产率和降低生产成本，尽管上世纪就已认识到切削用量优化的重要性，但切削用量的选择大多依赖于经验和手册，这虽然能够保证加工任务的完成，但却不能达到最优。切削用量优化是零件加工工艺过程优化的基础，如果选择得当，则可充分发挥机床和刀具的性能，若选择不当，则会造成制造资源的浪费。因此合理选择切削用量对于保证产品加工质量、提高劳动生产率，降低加工成本具有重要意义。实现数控加工的关键在编程，但仅仅靠编写加工程序还不行，数控加工还包括编程前要做的工艺设计及编程后的处理工作。处理正确与否，直接关系到数控机床的使用效率、零件的加工质量、刀具数量和经济性等问题。同时通过针对企业实际问题，以汽车发动机曲轴加工为例，优化切削用量参数，提高了数控加工效率，从而提高数控加工工艺决策和切削参数决策的准确性、合理性和智能化水平。

      使用切削数据库软件已经成为了生产实践中选择和优化切削用量的重要方法。金属切削数据库能通过计算机快速准确地为机加工提供最佳切削参数。现在机械行业普遍CAM/CAPP 软件，如UG、MasterCam 等，切削数据库的内容应包括切削用量推荐值，根据加工条件，在不同的切削深度、进给量组合下，推荐不同寿命刀具下的切削速度，并计算功率消耗。我国建立的切削数据库是从20 世纪80 年代开始的。成都工具研究所在1987 年建成了我国第一个试验性车削数据库TRN10，又于1988 年从当时的联邦德国引进了INFOS 车削数据库软件（在国内运行后，被称为ATRN90），并加以改进，向国内推出其修订版的ATRN90E。随后又继续开发并推出了车削数据库软件CTRN90V1.0。

      2 曲轴数控加工工艺分析

      曲轴属于偏心回转类零件，在制造业中属于难加工复杂零件，它是发动机中最重要的零件之一，运动特点是将直线运动转变成旋转运动，或将旋转运动变成直线运动的零件。其主要的型面包括主轴颈和连杆轴颈，传统加工是在车床上完成，采用车铣复合自动编程，可以获得精度较高的数控程序，完成在车铣加工中心上加工曲轴的连杆处，如图1 所示。而正是通过一次装夹加工成型，可以大大拓宽加工工艺范围，提高加工质量特别是位置精度和加工效率。

      3 曲轴的主要技术要求

      主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即直径尺寸公差等级通常为IT6—IT7 级；主轴颈的宽度宽度极限偏差为+0.05 ～ 0.15mm ；曲轴的轴向尺寸极限偏差为±0.15 ～ 0.05 mm。

      4 曲轴的材料与毛坯

      曲轴工作时要承受很大的转矩及交变的弯曲应力，容易产生扭振、折断及轴颈磨损，因此要求材料必须有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。一般曲轴为35、40、45 钢或球墨铸铁等材料。曲轴的毛坯根据批量大小、尺寸、结构等来决定，批量较大的小型曲轴，采用模锻；单件小批的中大型曲轴，采用自由锻造等。

      5 曲轴的机械加工工艺分析

      曲轴刚性较差，应按先粗后精的原则安排加工顺序，逐步提高加工精度。对于主轴颈与连杆轴颈的加工顺序是：先加工主轴颈，然后在加工连杆轴颈及其它各处的外圆，可以避免一开始就降低工件刚度，减少受力变形，有利于提高曲轴的加工精度。

      6 曲轴数控加工工艺参数优化分析

      数控加工技术是以数控机床技术、计算机集成制造技术、机械加工技术为基础，从而实现产品自动化生产加工的现代化制造技术，国家标准（GB8129-87）给数控技术的定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”，简称数控(NC，Numerical Control)。数控加工技术包括了产品造型设计、工艺过程设计、计算机辅助制造、虚拟加工、数控机床实际加工等。

      确定加工工艺参数是工艺制定中重要的内容，采用自动编程时更是程序成功与否的关键。合理地选择加工工艺参数，不但可以提高切削效率，还可以提高零件的加工质量，降低成本。对于不同的加工方法、设备、工件、刀具、精度及表面质量要求，需要选择不同的工艺参数，并编入程序单内。近年来切削用量优化已经成为研究的热点问题，针对各种工艺方法（如车、铣、钻、刨、磨等）、各种工件材料（如45钢、铸铁等）、不同目标函数（如最大生产率、最低生产成本、最小工件表面粗糙度等）的各种条件下的切削用量优化问题进行了深入的研究。

      切削用量在选用的时候，要考虑与切削生产率的关系，要提高生产率，应尽量增大切削用量。在实际加工时，切削用量在选用时受到切削力、切削功率、刀具耐用度和加工表面质量等因素的影响。因此，所确定的切削用量应该是能达到零件的加工精度和表面粗糙度的要求，并且在工艺系统和刚性允许条件下充分利用功率和发挥刀具切削性能的最大切削用量。

      从工业发展进程来看，智能化趋势是机械工业发展的重要方向。零部件的智能化CAD/CAM 系统软件已经在国内得到应用，该软件大大的提高了生产率，减轻了操作工人的负担，大大提高产品精度和降低成本，并使零部件向着规范化、标准化、系列化方向发展。

      目标函数是建立模型要获取最值的目标，目标函数的选取多样，可以是追求经济指标，也可追求质量指标或其他指标。经济指标主要包括最低生产成本、最高加工效率、最大利润、最大刀具寿命、最大刀具寿命、最大材料去除率等但目标函数，以及综合考虑其中几种目标的多目标函数。制造优化中最常用的三个标准是：最大生产率或最短生产时间标准；最低生产成本标准；最大利润率标准。

      制造优化中最常用的三个标准是：最大生产率或最短生产时间标准；最低生产成本标准；最大利润率标准。通过分析考虑切削加工的实际情况，切削用量的影响因素及一些相应的约束条件，按照切削参数（切削速度、进给量和切削深度）和切削性能（表面粗糙度、切削力及刀具寿命等）之间关系的一般数学模型，建立了本系统的优化目标数学模型。

考虑加工简化问题等实际情况，最终确定以最大生产率和最低加工成本为优化目标。

最大生产率目标函数为：

      一次走刀最低加工成本( 不含毛坯费用) 目标函数为：

      式中：ti—平均单位零件的加工时间

      tl—装卸及其它辅助时间

      tc—切削时间

      Tr—换刀时间

      Tac—有效切削时间

      T—刀具寿命

      Ci—单位平均成本( 不含工件材料费用)

      式中：x—单位时间劳动力与管理费用Y—刀具成本可以看到， 当tl、tr、x、y 为常量时，公式(1) 和(2) 的数学形式一致，可以采用相同的优化策略。切削时间tc 包括刀具从起始位置开始进刀到回到起始位置的全过程，包括进刀时间、切削时间、退刀时间。但是，由于进刀时间、退刀时间耗时较短，且预先无法完全确定，可近似认为切削时间tc 与有效切削时间tac 相等：

      tc=tac=0.001ld p /vcfzz

      式中：l—工件切削部分长度

      d—刀具直径

      z—铣刀齿数

      另外，切削加工过程中约束条件的影响因素很多，还有一些约束条件不能用解析式来表达，因此机床操作者根据现场的实际情况，人为调整与约束条件相关的变量取值范围，然后在进行优化，以达到较好的优化效果。

      根据建立的数学模型编写，上机优化运算，可得优化结果，切削速度v c =110m/min 被吃刀量a p =0.3mm 进给量f =0.1mm/r切削用量的优化问题实质是一个比较复杂的问题，随着现代加工业自动化程度的提高，合理切削用量的确定已成为一个日益迫切的要求。如果整个数控代码中的切削用量都设定一个固定值，该值只能是与该次加工中切深、切宽最大的走刀相对应的切削用量；而在切深、切宽较小的走刀过程中，仍然使用这个固定的切削用量就浪费时间，如果CAM 软件中能够比较方便的分别设置每次走刀时的切削用量，就可以大大提高加工效率。