基于回归模型的高速铣削淬硬钢斜面表面粗糙度预测

收稿日期：2019－08－17铣削加工对表面粗糙度的影响研究刘军库，刘璨，燕波，陈思宇（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江524088）摘要：采用单因素试验和正交试验对铣削加工参数的设定进行表面粗糙度研究，分析了单一铣削参数对表面粗糙度的影响规律，结果表明：在一定铣削参数范围内，铣削深度越小表面粗糙度值越大，表面粗糙度随着铣削深度的增加而降低。

通过正交实验的极差分析得出影响表面粗糙度的主次影响顺序：铣削深度影响最为显著、主轴转速次之、每齿进给量较次之和径向切宽影响最小。

通过minitab 统计学软件，分析了两参数因素之间的交互作用对表面粗糙度的影响，其中主轴转速和铣削深度的相互作用对表面粗糙度的影响较大。

在低速铣削范围内，得出高转速、大的切深和小的每齿进给量对提高表面粗糙度非常有利。

关键词：铣削参数；铣削深度；表面粗糙度；交互作用中图分类号：TH161+.1文献标志码：A文章编号：1009－9492(2019)10－0065－04开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：Study on the Influence of Milling on Surface RoughnessLIU Junku ，LIU Can ，YAN Bo ，CHEN Siyu（School of Mechanical and Power Engineering ，Guangdong Ocean University ，Zhanjiang 524088，China ）Abstract:The surface roughness of milling parameters was studied by single factor experiment and orthogonal experiment.The influence of singlemilling parameters on surface roughness was analyzed.The results showed that within a certain range of milling parameters ，the smaller the milling depth ，the larger the surface roughness value ，and the surface roughness increases with the milling depth.Add and decrease.Through range analysis of orthogonal experiments ，the order of primary and secondary effects on surface roughness is obtained:milling depth has the most significant effect ，spindle speed takes the second place ，feed per tooth takes the second place and radial width cutting has the least effect.The effect of interaction between two parameters on surface roughness was analyzed by Minitab statistical software.The interaction between spindle speed and milling depth has a greater impact on surface roughness.Within the range of low speed milling ，it is concluded that high speed ，large cutting depth and small feed per tooth are very helpful to improve surface roughness.Key words:milling parameters ；milling depth ；surface roughness ；interactionDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2019.10.022第48卷第10期Vol.48No.10机电工程技术MECHANICAL &ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY刘军库，刘璨，燕波，等.铣削加工对表面粗糙度的影响研究［J ］.2019，48（10）：65-68.0引言随着机械加工技术的不断发展，铣削加工作为精加工工序已在机械制造行业中得到广泛应用，已成为现代数控加工技术的重要发展方向。

UG编程中的切削力与表面粗糙度关系分析一、引言在现代数字化制造领域，使用CAM软件进行数控加工已经成为常见的方式。

作为一种经典的CAM软件，UG（Unigraphics）在切削力与表面粗糙度关系的分析中起到了重要的作用。

本文将从理论和实践两个方面，探讨UG编程中的切削力与表面粗糙度关系，并提供相应的解决方案。

二、切削力与表面粗糙度的关系（这部分可以根据具体的分析结果展开，确切描述切削力和表面粗糙度之间的关系）三、UG编程中的切削力模型UG软件提供了多种切削力模型，如切削力计算模块、材料力学模型等。

根据具体的加工特性，可以选择合适的切削力模型来进行编程。

例如，对于高速铣削，UG提供的切削力模型可以基于切削参数和材料特性，准确计算出切削力的大小。

四、表面粗糙度的预测与优化UG编程中，通过选择合适的切削参数和路径规划，可以对表面粗糙度进行预测和优化。

UG软件提供了丰富的功能，如切削力矢量图、切削力分布图等，可以可视化地展现表面质量的变化趋势。

在编程过程中，根据实际需求，可以通过优化切削路径、调整切削参数等手段，实现对表面粗糙度的控制。

五、实例分析（这部分可以选取一个实际案例进行分析，展示UG编程中切削力与表面粗糙度关系的应用）六、UG编程中切削力与表面粗糙度关系的挑战与展望虽然UG软件在切削力与表面粗糙度的分析方面取得了一定的成果，但仍然存在一些挑战。

例如，对于复杂形状的工件，切削力模型的准确性仍然需要提高。

此外，随着制造工艺的不断发展，UG编程中切削力与表面粗糙度关系的研究仍然具有一定的探索空间。

未来，可以通过深入研究切削机理、优化算法等方面，进一步提高UG编程中对切削力与表面粗糙度关系的认识。

七、结论UG编程中的切削力与表面粗糙度关系分析是数字化制造过程中的重要环节。

通过合理选择切削力模型和优化切削参数，可以有效控制切削力与表面粗糙度之间的关系，提高加工效率和产品质量。

面对未来的挑战，我们需要持续深入研究和探索，不断完善UG编程中的切削力与表面粗糙度关系分析方法，推动数字化制造的发展。

高速铣削光学级SiCp/Al复合材料的铣削力预测摘要：在顺铣和逆铣两种条件下，为了对比研究金刚石粒度为32μm的PCD单齿立铣刀高速铣削光学级SiCp/Al复合材料时铣削力变化特性，针对铣削方式和铣削用量对铣削力特性的影响进行了研究，并基于多元线性回归分析方法建立了铣削力的经验公式。

采用L9（34）正交实验方案进行高速铣削实验，使用旋转测力仪采集各铣削力信号，研究了顺铣和逆铣两种条件下铣削用量对铣削力特性的影响，并采用多元线性回归分析方法建立了切向力F t、径向力F r、轴向力F z和总铣削力F total的经验公式。

实验结果表明：所建立的铣削力的经验公式回归显著性较高，且模型平均误差在10%之内。

两种铣削条件下对各铣削力影响水平最高的是轴向切削深度，其次是每齿进给量和切削速度。

顺铣时F t，F r和总铣削力F total 均高于逆铣，而F z相差不大。

关键词：碳化硅颗粒增强铝基复合材料；高速铣削；铣削力模型；回归分析；显著性分析1 引言为满足航空航天等领域光学器件轻量化的要求，光学级SiCp/Al复合材料以其重量轻、耐高温、耐磨损的优良力学性能逐渐得到广泛重视与应用［1-7］。

光学级SiCp/Al复合材料，SiC颗粒尺度小，体积分数高，材料性能偏于脆性，在优化材料性能的同时也增加了切削加工的困难，如刀具的快速磨损、加工棱边缺陷、加工精度与表面质量控制以及切削振动等问题［8-10］，切削力大小直接影响工件表面质量和加工棱边缺陷［11-13］。

为保证SiCp/Al复合材料光学器件精密加工质量和成品率，开展光学级SiCp/Al复合材料切削力研究具有理论和实用价值。

目前针对高体分小颗粒光学级SiCp/Al复合材料铣削力及其预测模型建立方面的研究较少。

PCD（Polycrystalline Diamond）刀具是实现SiCp/Al复合材料高效精密加工的主要刀具材料，高速铣削是实现SiCp/Al复合材料光学器件精密切削加工的主要工艺，因此建立PCD刀具在高速范围内铣削加工光学级SiCp/Al复合材料的铣削力经验公式，不仅可以简化建立理论模型的过程，而且可以通过更加高效经济的手段预测铣削力变化，以利于优选切削用量参数，获得更高的加工精度、棱边质量和更好的已加工表面。

基于铣削稳定性的淬硬钢铣削加工工艺参数优化姜彦翠;刘献礼;吴石;李荣义;王洋洋【摘要】Aiming at the fluttering of hardened steel milling process,the milling stability prediction model is established to obtain the milling stability lobes. Considering dynamic surface machining error as a milling process parameter optimization constraint and taking spindle speed,feed rate per tooth and axial depth of cut process parameters as design variables,the maximum material removal rate and surface roughness of the objec-tive function,the optimization of the milling process parameters for hardened steel are theoretical analyzed and verified by milling experiments. The experimental results show that this method can reduce the vibration ampli-tude of the milling process and improve processing efficiency.%针对淬硬钢在铣削加工过程中易发生颤振的问题,建立了淬硬钢铣削过程稳定性预测模型,得到铣削过程稳定性极限曲线图,并同步预测表面动态加工误差,以此作为铣削加工工艺参数优化的约束条件,以主轴转速、每齿进给量、轴向切深工艺参数为设计变量,以最大材料去除率和表面粗糙度为目标函数,进行淬硬钢铣削加工工艺参数优化,并进行铣削实验对比分析,结果表明该方法可以降低铣削过程振动幅值,提高加工效率.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2016(037)006【总页数】5页(P26-30)【关键词】淬硬钢;铣削稳定性;工艺参数优化【作者】姜彦翠;刘献礼;吴石;李荣义;王洋洋【作者单位】哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨 150080;哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨 150080;哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨 150080;哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨 150080【正文语种】中文近年来，随着模具、航空航天、化工、冶金和食品等工业的快速发展，淬硬钢材料已得到广泛应用. 淬硬钢材料属于典型高硬度、高强度材料，淬火后硬度达到HRC45-65[1]，铣削加工系统相对而言为柔性系统，且铣削加工过程中铣削力变化大，因此易发生颤振，这是导致工件表面品质恶化的主要原因之一. 若对加工工艺系统动态性能和铣削过程动力学特性了解不清，铣削加工工艺参数选定不合理，无法有效的控制颤振，则导致工件加工表面恶化. 一些企业为了避免淬硬钢铣削过程颤振的发生，通常以牺牲加工效率为代价，选择保守的切削参数，导致数控加工设备性能得不到充分发挥，加工效率降低. 在有效控制淬硬钢铣削过程颤振的基础上，尽可能的发挥加工工艺系统效能，则需要对铣削加工工艺参数进行优化.国内外一些学者对淬硬钢铣削工艺参数优化的研究主要是用试验优化方法、试验优化与算法优化组合方法，主要是以切削速度、进给量、切削深度等主要切削参数为设计变量，优化目标主要为切削力、加工效率、刀具磨损寿命、表面粗糙度、加工成本等，在铣削试验基础上采用优化算法建立仿真模型，找到切削参数的最佳搭配. Suresh N等[2]提出了将遗传算法与正交试验组合，优化目标为表面粗糙度，进行切削参数优化及刀具形状优选研究. 李占杰[3]进行淬硬钢正交试验研究，对切削力和表面粗糙度两个指标进行优化，采用综合平衡法确定出一组最优方案. 王成勇等[4-5]分析了切削刀具、加工工艺参数和走刀方式等对铣削淬硬模具钢加工过程的影响，提出了改善加工条件和提高加工质量的方法. 何宁等[6]通过大量试验以表面粗糙度和切削力为目标进行了刀具角度和铣削用量等参数的分析和优化研究. 可以看出，这些研究成果对于对于淬硬钢铣削加工工艺参数优化具有重要意义，但是以有效控制铣削过程颤振，保证铣削过程稳定性的角度出发进行的工艺参数优化研究相对较少.本文以主轴转速、每齿进给量、轴向切深等工艺参数为设计变量，以最大材料去除率和表面粗糙度为优化目标函数，以淬硬钢铣削过程稳定性、动态加工位置误差、刀具变形等作为约束条件，进行淬硬钢切削工艺参数优化.1.1 淬硬钢铣削过程稳定性约束条件本文淬硬钢铣削过程稳定性分析是基于前期主轴系统动力学特性分析结果[7]，采用Alintas和Budak提出的切削稳定性分析模型，即频域法，随时间变化的动态铣削过程的铣削力系数模型采用傅立叶展开形式近似.铣削颤振稳定域预测的主要过程如下：利用有限元法获得主轴系统的传递函数；建立动态铣削力模型；在主模态附近选择颤振频率；建立特征方程并求解；计算临界轴向切深；对于每个稳定性叶瓣计算主轴转速；在一定颤振频率范围重复上述计算，即可绘制出铣削系统稳定性叶瓣图，其计算流程如图1所示，淬硬钢动态铣削过程模型如图2所示，将加工工艺系统简化为x向和y向的二自由度系统.主轴系统传递函数可表示为刀尖点位移的傅立叶变换X(jω)与刀尖点的动态铣削力的傅立叶变换F(jω)之比，如式(1)所示. 极限轴向切深与主轴转速的计算公式如式(2)、式(4)所示.其中，k=(0， 1，2,…)，表示稳定域叶瓣数.1.2 动态加工误差约束条件为保证淬硬钢表面加工精度的要求，在考虑铣削系统颤振稳定域同时，应考虑在稳定域内铣削的表面位置误差，即铣削系统颤振稳定域和表面位置误差同步预报.在铣削稳定性分析时建立动态铣削力模型的基础上，利用傅立叶变换得到动态铣削力在频域的表达形式；然后基于有限元法分析得到的刀尖频响函数，计算得到刀尖的位移；接着通过逆傅立叶变换即可得到时域的刀尖位移.1.3 工艺参数限制约束式中，fzmax、fzmin为机床允许最大每齿进给量和最小每齿进给量，apmax、apmin为机床允许最大轴向铣削深度和最小轴向铣削深度，nmin、nmax为主轴最大转速和最小转速.2.1 材料去除率在淬硬钢铣削加工过程中，通过合理选择铣削工艺参数，可以有效控制铣削颤振，实现无颤振稳定铣削高效铣削加工. 本文考虑到淬硬钢铣削过程中的表面加工质量和加工效率的要求，选定了材料去除率MRR和表面粗糙度Ra两个目标函数. 其中MRR定义如下：MRR=ap×ae×n×fz×N2.2 表面粗糙度表面粗糙度是已加工表面质量的基本表征指标，对工件的使用性能有很大的影响. 铣削加工时，表面粗糙度的表达式为：式中，fz为每齿进给量，v为进给速度，ap为轴向铣削深度，ae为径向铣削深度，CRa、c1、c2、c3、c4为常系数.2.3 综合目标函数式中λ1、λ2分别为权重系数，反应材料去除率和表面粗糙度的重要程度，Ra0、MRR0为优化前的表面粗糙度和材料去除率.本文采用的优化算法为粒子群优化算法，该方法是一种群体优化算法，与其他优化算法相比，粒子群优化算法具有在优化开始进行初始化时，各粒子在其存在区域内都有自己的位置和速度的特点. 具有进化特征，通过粒子在自己区域寻找最优值和全局最优值实现的，这一特点使粒子群算法具备局部检索最优值的能力外，同时具备寻找全局最优值的能力，是一种并行优化算法.在每一代的优化过程中，粒子根据式(9)来更新自己的速度和位置.式中，w为惯性权因子，c1，c2为正数的学习因子，r1，r2为0～1之间的任意随机数.由于本文设置的决策变量为主轴转速、进给量和轴向切深，因此，设定粒子维数为3. Xi=[xi1，xi2，xi3]，Vi=[vi1，vi2，vi3]. 铣削工艺参数优化问题是包含了多个非等式约束，采用罚函数法对约束进行处理，在目标函数上附加惩罚项，对违反约束的点进行惩罚，从而将有约束问题转化为无约束问题. 粒子的搜索区间范围如式(5)所示.笔者前期对主轴系统动力学特性进行了预测与分析，已获得了主轴系统的相关模态参数和传递函数[5]，在此基础上通过频域法进行淬硬钢铣削过程稳定性预测获得淬硬钢铣削稳定性极限曲线图如图3所示.在建立淬硬钢铣削稳定性模型的基础上，进行表面动态加工误差的同步预测，其预测结果如图4所示.淬硬钢铣削加工设备采用大连VDL-1000E型立式数控加工中心，工件材料为Cr12MoV，铣削加工选用硬质合金球头铣刀，其刀具直径为20mm，刀齿数为2. 在使用粒子群优化算法的优化过程中，粒子的参数设置直接决定优化结果性能. 粒子的参数主要是初始粒子数a选择为60，惯性权因子w选为1，学习因子c1、c2范围在0～ 4之间，本文取c1=c2=2，迭代次数n选择200. 通过matlab编写参数优化程序，得到铣削工艺参数优化结果如表1所示[8].进行淬硬钢铣削加工对比实验，数据采集分析系统选用东华DH5922信号采集系统，采样频率为5 kHz；信号采集选用PCB加速度传感器，其灵敏度是10.42 mv/g. 分别以原工艺参数和优化后工艺参数进行铣削加工，并对比分析加工过程铣削过程和铣削结果. 工艺参数优化后，材料去除率提高了11.3%. 铣削过程振动对比见图5和图6所示，铣削最大振动幅值由原工艺参数下的9.8 m/s2降低为优化工艺参数后的5.7 m/s2. 通过铣削加工工艺参数优化，淬硬钢工件表面质量有所改善，且加工效率也有所提高.淬硬钢由于工件材料硬度高，铣削加工系统相对而言为柔性系统，且铣削加工过程中铣削力变化大，因此易发生颤振. 本文基于淬硬钢铣削过程稳定性预测进行加工工艺参数优化，旨在合理选定工艺参数，有效控制颤振. 通过频域法建立铣削稳定性预测模型得到铣削稳定性极限曲线图，并同步预测工件表面动态加工误差. 以铣削稳定性、动态加工位置误差、工艺参数限制等作为约束条件，以主轴转速、每齿进给量、轴向切深等工艺参数为设计变量，以最大材料去除率和表面粗糙度为优化目标函数，进行淬硬钢铣削加工工艺参数优化. 并通过铣削对比实验进行分析，可以看出以优化后的加工工艺参数进行铣削加工，降低了铣削加工振动幅值，提高了表面质量和加工效率.【相关文献】[1]ALTAN T，LILLY B，YEN Y C，et al. 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