[发明专利]一种面向能耗的孔加工刀具及工艺参数集成优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及多刀具孔加工中与能耗和时间相关的刀具直径及工艺参数集成优化方法。

背景技术

数控加工系统能量消耗大，如何降低机床能耗成为一个关键性问题。数控加工过程中的刀具直径及工艺参数的合理选择对降低机床能耗，提高加工效率有重要意义。在以往刀具直径及工艺参数优化选择的研究中，各刀具直径及工艺参数均是单一环节的独立优化，忽略了两个环节之间的相互作用关系。一方面，零件数控加工过程常涉及多把刀具，且能耗同时受刀具直径和工艺参数的影响；另一方面，不同直径的刀具导致工艺参数组合具有多样性。与单独优化刀具直径或单独优化工艺参数相比，通过开展刀具直径和工艺参数集成优化能进一步降低数控加工能耗。目前面向能耗的刀具直径优化研究较少，因此综合考虑数控加工过程中能耗和时间问题对刀具直径及工艺参数进行集成优化，是一个亟需解决的关键科学问题。

发明内容

本发明的目的是解决多刀具孔加工中，由于刀具直径和工艺参数没有集成优化而造成的能耗和时间高的问题。

为实现本发明的目的而采用的技术方案是这样的，即一种面向能耗的多刀具孔加工刀具直径及工艺参数集成优化方法，包括以下步骤：

步骤1：描述多刀具孔加工过程能耗构成，系统地分析了先钻后铣的多刀具孔加工过程的能耗特性，并构建了多刀具孔加工能耗优化函数；

步骤2：在能耗优化函数的基础上建立了以刀具直径及工艺参数为优化变量，以能耗和时间最小为优化目标的多刀具孔加工多目标集成优化模型；

步骤3：提出了一种基于粒子群算法的优化求解方法。

步骤4：采用步骤3得到的最优刀具组合和工艺参数对孔进行先钻后铣加工。

优选地，步骤1中，所述的多刀具孔加工能耗优化函数为：

式中E_d为孔加工过程中钻削能耗，该过程采用某组钻头刀具组合 T_f(m把可行刀具)进行钻孔和扩孔加工，T_k(k＝1…m)为该刀具组合中第k把可行刀具；E_m为孔加工过程中铣削能耗，该过程采用一把立铣刀C_f进行铣孔加工。P_ud^k为钻削加工过程第k(k＝1,2…,m)把钻头的空载功率，P_um^r、分别为粗铣加工阶段和精铣加工阶段的空载功率， T_lm^r、分别为粗铣加工阶段和精铣加工阶段的刀具寿命。

优选地，步骤2中，所述一种能耗和时间最小为优化目标的多刀具孔加工多目标集成优化模型：

其中最优钻削刀具组合

式中T_f为可进行钻削的刀具集，各可行刀具按照直径尺寸由小到大进行排列，即d(T₁)﹤d(T₂)﹤…﹤d(T_n)且d(T_n)﹤D；

其中为最优铣刀

式中C_f为可进行铣削的刀具集，各可行刀具按照直径尺寸由小到大进行排列，即d(C₁)﹤d(C₂)﹤…﹤d(C_n)且d(C_n)﹤D；

P_drill(n,f)为钻削加工参数，P_mill(n,f_z,a_p,a_e)为铣削加工参数。

T_total为多刀具孔加工过程时间

式中t_d为钻削过程时间，t_m为铣削过程时间。

为第k把刀的钻削过程空走刀时间，为第k把刀的钻削过程的切削时间，t_pct单位磨钝换刀时间，为第k把钻头的刀具寿命。

t_cm为孔铣削加工过程切削时间，和分别为轴向每层粗铣切削时间和精铣切削时间，为第r把铣刀的刀具寿命。t_ch为换刀时间。