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      高錳鋼超聲振動車削用量優(yōu)化研究

      2015-04-10 09:52:28徐洪林
      機械工程師 2015年12期
      關(guān)鍵詞:高錳鋼切削力刀具

      徐洪林

      (鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學校,江蘇 鹽城 224051)

      高錳鋼超聲振動車削用量優(yōu)化研究

      徐洪林

      (鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學校,江蘇 鹽城 224051)

      介紹了超聲振動切削原理,研究了振幅對刀具壽命的影響。采用MATLAB語言編程,對高錳鋼超聲振動車削用量進行優(yōu)化,通過實例對高錳鋼超聲振動車削用量優(yōu)化進行了驗證。

      高錳鋼;超聲振動車削;振幅;測試研究

      0 引言

      高錳鋼超聲振動車削中,我們?nèi)绻麑ζ滠囅饔昧窟M改善優(yōu)化,可以得出更好的理論依據(jù),從而指導高錳鋼的超聲振動車削。此外,對高錳鋼生產(chǎn)加工水平的提高,也可提高經(jīng)濟效益。

      1 超聲振動切削原理的闡述

      普通的切削過程中,在刀具上會產(chǎn)生超聲波的脈沖,使其有一種振動變化,且這種變化很有規(guī)律性,此時切削量也在變化,而且也是有規(guī)律的,這就是超聲振動切削的原理。超聲振動切削自身有很多的優(yōu)點,即:低溫度,削力小,較容易掌握加工的精度。因此較普通的切削,是一種新的切削的方法。在目前大多數(shù)的生產(chǎn)加工中,都被廣泛運用。在實質(zhì)上,超聲振動切削就是一種脈沖切削。

      1.1 超聲振動切削的加工原理

      1)減少切削摩擦的原理。超聲波被加載在刀具上后,反復的振動對夾緊的車削工件不停地切削,脫離時,切削力變化著,切屑與刀具的摩擦從內(nèi)部轉(zhuǎn)向外部,降低了摩擦因數(shù),這一因數(shù)只是原先的1/10,也就是所謂的滑動摩擦因數(shù)。因此,大大降低了切割摩擦表面,這樣,材料被加工的質(zhì)量提升是顯而易見的。

      2)切削液發(fā)揮作用原理。因為有規(guī)則的振動,空氣就作用于切削液,造成了油和水這個本不會融合的物質(zhì)產(chǎn)生了融合,同時形成了較大能量,切削區(qū)域的深處由此注入了切削液,讓切削液的作用得到了充分的發(fā)揮,切削效率大幅度得到提升。

      3)應力和能量集中原理。周而復始的振動,受其作用的刀具,根據(jù)該加工件的沖擊力,只是在局部受到影響,最易出現(xiàn)問題的刀刃受到其作用力的影響只是在一個小范圍內(nèi),這樣,原先容易發(fā)生變化的材料晶格結(jié)構(gòu),其變化極小,出現(xiàn)加工硬化的可能性大幅降低。材料的可切削性得到了保證。

      4)切削時間短原理。超聲波是周期性的,在振動周期內(nèi)屬于切削作用力切削的只是1/3,與普通切削時間相比,超聲波切削時間更短,切削力比普通切削小得多。

      1.2 超聲振動切削的特點

      和普通切削相比較,超聲振動切削的特點是:切削力只有普通切削的1/3~1/10;切削溫度低,表面粗糙度值低,加工精度高,提高了切削液的潤滑、冷卻效果;刀具的使用壽命長,振動切削鑄成了切削時比較高的剛性,采用振動切削后,可以在工件表面見到非常明顯的七彩狀,其耐磨損性和耐腐蝕得到了明顯的提高。

      1.3 超聲振動切削的運用

      在實際的工作生活中,和普通的切削進行比較,超聲振動切削自身有很多的優(yōu)勢,因而被較多地運用在制造業(yè)和通訊業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)。有些材料非常難加工,是機械、通訊加工業(yè)的難題。但是,這些難加工的材料使用超聲切削的方法,問題就會得到解決。通常,超聲振動切削主要加工以下材料:冷硬鑄鐵、不銹鋼、高錳鋼屬于比較難加工的材料,此外,還有工程陶瓷、鈦合金、耐熱鋼、高溫合金等;使用超聲振動切削加工硬度極高的工件,可使加工精度更高,表面質(zhì)量更好,如加工高速鋼等。

      2 優(yōu)化高錳鋼超聲振動車削用量

      2.1 超聲振動車削高錳鋼用量的優(yōu)化

      高速鐵路中的鐵軌材料使用的就是高錳鋼。因此高錳鋼越來越廣泛的被應用。MATLAB語言編程,可以將超聲振動車削高錳鋼用量程序直觀地顯示出來,圖1就是運用這一語言編程。

      圖1 超聲振動車削高錳鋼用量MATLAB語言優(yōu)化程序界面

      2.2 優(yōu)化高錳鋼超聲振動車削用量的例證

      本文以CF6140機床為例,對優(yōu)化高錳鋼超聲振動車削用量的結(jié)果進行闡述。

      CF6140機床基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。刀具壽命公式系數(shù)如表2所示。主切削力經(jīng)驗公式系數(shù)如表3所示。

      表1 基礎(chǔ)參數(shù)

      表2 刀具壽命經(jīng)驗公式系數(shù)

      表3 主切削力經(jīng)驗公式系數(shù)

      將表1~表3中的控制參數(shù)進行設(shè)置,將數(shù)據(jù)代到程序中,將高錳鋼超聲振動車削用量進行具體的運算。因為輸入不同的目標函數(shù),由此也得出不同的優(yōu)化結(jié)果。本文選定設(shè)置了幾個優(yōu)化對象,即最大生產(chǎn)率、最小生產(chǎn)成本、多目標函數(shù)等,在優(yōu)化程序的友好界面將具體數(shù)據(jù)輸入,就會出現(xiàn)不同的優(yōu)化結(jié)果。

      1)最大生產(chǎn)率。將目標函數(shù)選擇設(shè)置為最大生產(chǎn)率,設(shè)定超聲振動車削高錳鋼用量的具體數(shù)據(jù),并代入到目標函數(shù)和約束條件里面,剩余因素均不考慮,可以選擇遺傳運算法,交叉、變異運算,最終將優(yōu)化結(jié)果得出,如圖2所示。

      圖2 最大生產(chǎn)率優(yōu)化結(jié)果

      2)最小生產(chǎn)成本。將目標函數(shù)選擇設(shè)置為最小生產(chǎn)成本,設(shè)定超聲振動車削高錳鋼用量的具體數(shù)據(jù),并代入目標函數(shù)和約束條件里面,剩余因素均不考慮,可以選擇遺傳運算法,交叉、變異運算,最終將優(yōu)化結(jié)果得出。如果目標函數(shù)是以最小生產(chǎn)成本對應高錳鋼超聲振動車削用量,此結(jié)果就是我們最終獲得的優(yōu)化參數(shù),如圖3所示。

      3)多目標函數(shù)。與單目標函數(shù)的優(yōu)化過程進行比較,多目標函數(shù)的優(yōu)化過程也是一樣。如果目標函數(shù)是多目標函數(shù),對應高錳鋼超聲振動車削用量,此結(jié)果就是我們最終獲得的優(yōu)化參數(shù),如圖4所示。

      2.3 高錳鋼超聲振動車削用量優(yōu)化結(jié)果分析

      如上所述,根據(jù)上面得出的優(yōu)化數(shù)據(jù),可見在優(yōu)化模型基礎(chǔ)下,高錳鋼超聲振動車削用量,在加工效率及經(jīng)濟效益方面,都可以得到很好的結(jié)果。這個結(jié)論安全可靠,而且具有很強的操作性,非常合理。我國超聲振動切削技術(shù)發(fā)展相對緩慢,根據(jù)不同的目標函數(shù),我們得出了優(yōu)化結(jié)果值,并對其以后的進一步研究提供了理論依據(jù)。如果車加工表面與工件變化時,只需重新輸入具體的參數(shù)到優(yōu)化流程的友好界面,自然得出相應的高錳鋼超聲振動切削量,操作方便,實用性強。

      圖3 最小生產(chǎn)成本優(yōu)化結(jié)果

      圖4 多目標優(yōu)化結(jié)果

      3 結(jié)語

      綜上所述,高錳鋼超聲振動車削,是一項新穎的技術(shù)。本文就高錳鋼超聲振動車削用量優(yōu)化,建立了數(shù)學模型,對其求解中運用了遺傳算法。論文將目標函數(shù)設(shè)定為最高的生產(chǎn)率、參數(shù)的最小組合以及兼顧生產(chǎn)成本的多目標功能,通過MATLAB編程語言,以達到最佳的超聲波振動車削高錳鋼的切削用量。

      [1]聶立新,李保定,趙明利.振動切削特點及形成機理分析[J].機械研究與應用,2006(4):20-21.

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      [5]牛國玲,趙黎杰,顧立志,等.振動切削機理的研究狀況[J].佳木斯大學學報(自然科學版),2005(3):479-482.

      (編輯 明 濤)

      TG 51;T P 391.7

      A

      1002-2333(2015)12-0254-02

      徐洪林(1973—),男,講師,高級技師,主要研究方向為車削工藝和數(shù)控機床故障診斷。

      2015-08-03

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