数控车铣加工凸轮轴工艺的优化及实例研究

汤灿

摘 要：该文分析了数控车铣加工凸轮轴工艺的缺陷，建立了以最低生产成本与最高生产率的目标函数，选择了以切削速度和轴向进给量作为进行优化设计的变量，对数控车铣加工切削用量进行了相关的优化。最后以实例来验证，结果表明在实际生产加工中，以通过生产成本的降低，来提高生产效率为目的的优化方式，是企业生存以及增强竞争力的主要方向，是完全符合企业要求的。

关键词：数控车铣 加工凸轮轴 工艺分析

中图分类号：TK426 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（b）-0052-02

1 在传统加工方法中，凸轮轴的工艺缺陷

凸轮加工是凸轮轴的加工工艺重点。凸轮轴的传统粗铣加工方法，基本上是在数控凸轮铣床上完成加工的，由于设备老化，容易受到设备行程的限制，控制系统不稳定性等因素的影响。因此并不适应在当前多个品种生产的实际情况。对凸轮轴粗铣更多的是只能在凸轮磨床靠凸轮型线进行加工，然后在万能铣床上完成铣削的相关加工工序。磨削凸轮都是在凸轮磨床上以仿形磨削的方式来进行的，而仿形磨削要求是制作出精度特别高的凸轮设计型线，从而加大了凸轮靠模的制造周期，大大提高了成本，更新曲线非常困难。同时，仿形系统还会出现弹性变形。这样一种仿形误差对于凸轮加工精度的影响可以达到0.055 mm左右。由于凸轮磨床工件的转速是属于固定的，因此凸轮型面上各个升程点的磨削速度是不一样的。某一些点会存在很大的加速度，这样一种运动形式对于凸轮会造成较大的震动以及冲击，从而使得凸轮表面形成较大的拉应力以及较大的变质层，以此来引起凸轮表面出现过早疲劳裂纹以及磨损的现象，最终使得零件出现失效的可能。

2 数控车铣加工凸轮轴工艺优化分析

数控车铣加工凸轮轴加工工艺过程中优化的基础是切削用量的优化分析。一般是以最高生产率、最低生产成本来作为全面优化的目标，用设备、刀具以及工件方面的因素来作为约束的条件，在加工条件明确的情况下（加工任务、零件图纸说明、设备、工、量、刀具等），切削用量对提高生产效率及产品精度、降低生产成本有着最为直接的影响。在计算机应用技术快速发展的今天，充分地应用现代数学建模与模型分析方法、切削理论来寻找最佳的组合切削参数，是作为解决这一个问题的关键所在。

2.1 确定優化设计变量

当凸轮轴在数控车铣复合加工中心上进行加工的时候，机床设备、刀具、工件等参数都具体确定后，真正能够影响生产效率的主要工艺参数有这几个因素：切削速度为、工件每转一圈铣刀的轴向进给量为、切削的深度为、工件的转速、刀具的每齿进给量为、刀具的齿数为Z、刀具直径为d和工件直径为D。

工件每转一圈铣刀的轴向进给量是作为全面影响加工效率的一个重要参数之一。如果工件的转速的单位是属于r/min，那么铣刀轴向进给速度的单位是属于mm/min，则每转进给量的计算公式是：。

铣刀的每齿进给量是作为车铣加工凸轮轴过程中的一个最为主要的工艺参数，它的大小与铣刀以及工件直径、齿数、铣刀以及工件转速都有直接的关系。其计算公式为：

在数控车铣加工过程中切削用量优化所涉及到的工艺参数是相当多的，假若对每一个工艺参数进行全面的优化是不可取的，同时每一个工艺参数之间是相互关联的。在工艺条件一定的条件下（这里是指刀具、工件以及机床参数等），主要影响加工质量、加工效率以及刀具耐用度等方面的切削用量，包括轴向进给量、切削速度、切削深度以及铣刀的每齿进给量，而铣刀的每一齿进给量是通过铣刀转速、工件转速以及轴向进给量这些参数派生出来的，切削深度是已加工表面与待加工表面间的垂直距离，这样对于零件表面质量的影响是非常小的，通常来说由被加工零件的余量来进行决定的，在整个优化设计中是属于常数。

2.2 建立目标函数

（1）建立生产率目标函数。

数控车铣的加工效率优化更多的是以单件平均生产时间作为主要的目标函数，其中刀具使用寿命会受耐用度的影响，这是属于中间的控制因素。因此，单件平均生产时间的组成是这样计算的：

（2）建立生产成本目标函数。

单件单工序平均加工成本一般包括这两个部分：一部分是工时费；另一部分是加工设备耗损费（以刀具损耗费为主）。

我们假设某一工序在单位时间内所消耗的费用率为M，那么所使用刀具平均费用是，工时费是；刀具损耗费计算公式是。

（3）建立双目标优化函数。

多目标优化设计问题的基本原则是希望各个分量目标可以达到最优，如果可以达到那样的效果，那么这个优化结果是最理想的。但是，在现实过程中全面解决多目标优化设计问题是属于一个十分复杂的问题，特别是在各个分目标进行优化后相互产生的矛盾。因此，想要全面解决这些问题，就需要全面协调各个分目标，让它们可以相互做出一些必要的“让步”，以此来达到接近各个分目标的要求，这才是最好的解决方案。

2.3 约束条件

在实际生产加工过程中，由于加工设备、加工条件和工件质量要求等一些技术条件方面的限制，所以可供选择的切削用量的范围是相当有限的。因此，在进行参数优化时，必须要考虑好这些条件对切削用量选择的限制，并给出与之相对应的约束条件。

针对目标函数中所涉及到的变量，按照现实中车铣加工的特点，建立起相关的约束条件，以此来全面优化操作参数组合，这样不但可以达到或者接近理论上的表面粗糙度，还可以在有限的范围内对约束条件进行限制。

3 数控车铣凸轮轴切削用量优化实例分析

这里的数控车铣复合加工中心机床上进行加工凸轮轴时，具体的工艺参数是这样的：凸轮轴毛坯直径值 mm，凸轮宽度值 mm，凸轮轮廓长度是 mm，切削的深度=1 mm，C轴转速是 r，这所期望能够达到的表面粗糙度值是≤3.2。切削刀具耐用度广义泰勒公式中所体现的刀具耐用度系数，，，切削力系数具体如表1所示。

数控车铣刀主要使用的是圆角立铣刀，其刀片材料为硬质合金；铣刀的直径是 mm；铣刀齿数值为Z=2；每一次换刀所需要的时间是tc min；非进行加工时间（辅助时间）值是ta min；刀具平均使用的费用是元；单位时间内的费用率是M=70元；Vc m/min；Vc m/min；min mm/r；max mm/r。这里求解生产成本最低值是和生产最高值是。

我们应用MATLAB10.0软件来进行求解，因为这是属于有约束非线性优化的问题，所以通过采用MATLAB中的fmincon函数来进行相应的求解。能够求得生产率最高时的切削速度是和每齿进给量的值是=412.674 m/min，=2.36 mm，这时tw min。同样的道理，求得生产成本最低值=263.445 m/min与=1.78 mm，这个时候C=155.6元；这里主要是使用双目标函数法，可以得到生产率最高以及生产成本最低时的与的值，它分别是=310.225 m/min，=1.84 mm，这个时候tw=10.5 min，C=162.3元。

從这里可以看出，当进行单目标参数优化设计时，都会存在片面性，进行生产效率与生产成本的双目标函数优化设计是符合现实情况的。在实际生产过程中，通过以全面降低生产成本、提高加工效率作为目标的优化方式，是企业发展需要的。但是要想建立起符合现实加工条件的优化模型，需要进行反复的调整优化参数以及约束条件，才可以达到最佳的效果。

4 结语

综上所述，该文主要分析了原传统凸轮轴加工存在不稳定性、精度低、柔性差以及制造周期较长等方面的缺陷，并提出了具体的优化措施。通过分析对比，可以得出这样一个结论：当生产效率达到很高的时候，必然加大切削速度，提高轴向进给量，这时刀具磨损较快，使用寿命大大缩短，从而加大了生产成本；而当生产效率不高的时候，切削速度必然减小，轴向进给量必然降低，刀具磨损较慢，使用寿命也变长了，其成本也必然降低。由此可见，在凸轮轴的加工中，进行生产效率与生产成本的双目标函数优化设计是属于比较符合实际的。

参考文献

[1] 夏焕金，蔡慧慧，韩林，等.车铣复合加工技术的发展及应用[J].金属加工（冷加工），2011（21）：27-29.

[2] 盛晓敏，宓海青，陈涛，等.汽车凸轮轴的高速精密磨削加工关键技术[J].制造技术与机床，2007（4）：122，125.

[3] 武关萍，翟建军，廖文和.数控加工切削参数优化研究[J].中国机械工程，2004，15（3）：235-237.

[4] 杨慎华，张弛，寇淑清，等.装配式凸轮轴制造技术现状与发展趋势[J].内燃机工程，2004，25（2）：32-34.