高锰钢超声振动车削用量优化研究

徐洪林

（盐城生物工程高等职业技术学校，江苏 盐城 224051）

高锰钢超声振动车削用量优化研究

徐洪林

（盐城生物工程高等职业技术学校，江苏 盐城 224051）

介绍了超声振动切削原理，研究了振幅对刀具寿命的影响。采用MATLAB语言编程，对高锰钢超声振动车削用量进行优化，通过实例对高锰钢超声振动车削用量优化进行了验证。

高锰钢；超声振动车削；振幅；测试研究

0 引言

高锰钢超声振动车削中，我们如果对其车削用量进改善优化，可以得出更好的理论依据，从而指导高锰钢的超声振动车削。此外，对高锰钢生产加工水平的提高，也可提高经济效益。

1 超声振动切削原理的阐述

普通的切削过程中，在刀具上会产生超声波的脉冲，使其有一种振动变化，且这种变化很有规律性，此时切削量也在变化，而且也是有规律的，这就是超声振动切削的原理。超声振动切削自身有很多的优点，即：低温度，削力小，较容易掌握加工的精度。因此较普通的切削，是一种新的切削的方法。在目前大多数的生产加工中，都被广泛运用。在实质上，超声振动切削就是一种脉冲切削。

1.1 超声振动切削的加工原理

1）减少切削摩擦的原理。超声波被加载在刀具上后，反复的振动对夹紧的车削工件不停地切削，脱离时，切削力变化着，切屑与刀具的摩擦从内部转向外部，降低了摩擦因数，这一因数只是原先的1/10，也就是所谓的滑动摩擦因数。因此，大大降低了切割摩擦表面，这样，材料被加工的质量提升是显而易见的。

2）切削液发挥作用原理。因为有规则的振动，空气就作用于切削液，造成了油和水这个本不会融合的物质产生了融合，同时形成了较大能量，切削区域的深处由此注入了切削液，让切削液的作用得到了充分的发挥，切削效率大幅度得到提升。

3）应力和能量集中原理。周而复始的振动，受其作用的刀具，根据该加工件的冲击力，只是在局部受到影响，最易出现问题的刀刃受到其作用力的影响只是在一个小范围内，这样，原先容易发生变化的材料晶格结构，其变化极小，出现加工硬化的可能性大幅降低。材料的可切削性得到了保证。

4）切削时间短原理。超声波是周期性的，在振动周期内属于切削作用力切削的只是1/3，与普通切削时间相比，超声波切削时间更短，切削力比普通切削小得多。

1.2 超声振动切削的特点

和普通切削相比较，超声振动切削的特点是：切削力只有普通切削的1/3～1/10；切削温度低，表面粗糙度值低，加工精度高，提高了切削液的润滑、冷却效果；刀具的使用寿命长，振动切削铸成了切削时比较高的刚性，采用振动切削后，可以在工件表面见到非常明显的七彩状，其耐磨损性和耐腐蚀得到了明显的提高。

1.3 超声振动切削的运用

在实际的工作生活中，和普通的切削进行比较，超声振动切削自身有很多的优势，因而被较多地运用在制造业和通讯业等领域内。有些材料非常难加工，是机械、通讯加工业的难题。但是，这些难加工的材料使用超声切削的方法，问题就会得到解决。通常，超声振动切削主要加工以下材料：冷硬铸铁、不锈钢、高锰钢属于比较难加工的材料，此外，还有工程陶瓷、钛合金、耐热钢、高温合金等；使用超声振动切削加工硬度极高的工件，可使加工精度更高，表面质量更好，如加工高速钢等。

2 优化高锰钢超声振动车削用量

2.1 超声振动车削高锰钢用量的优化

高速铁路中的铁轨材料使用的就是高锰钢。因此高锰钢越来越广泛的被应用。MATLAB语言编程，可以将超声振动车削高锰钢用量程序直观地显示出来，图1就是运用这一语言编程。

图1 超声振动车削高锰钢用量MATLAB语言优化程序界面

2.2 优化高锰钢超声振动车削用量的例证

本文以CF6140机床为例，对优化高锰钢超声振动车削用量的结果进行阐述。

CF6140机床基础参数如表1所示。刀具寿命公式系数如表2所示。主切削力经验公式系数如表3所示。

表1 基础参数

表2 刀具寿命经验公式系数

表3 主切削力经验公式系数

将表1～表3中的控制参数进行设置，将数据代到程序中，将高锰钢超声振动车削用量进行具体的运算。因为输入不同的目标函数，由此也得出不同的优化结果。本文选定设置了几个优化对象，即最大生产率、最小生产成本、多目标函数等，在优化程序的友好界面将具体数据输入，就会出现不同的优化结果。

1）最大生产率。将目标函数选择设置为最大生产率，设定超声振动车削高锰钢用量的具体数据，并代入到目标函数和约束条件里面，剩余因素均不考虑，可以选择遗传运算法，交叉、变异运算，最终将优化结果得出，如图2所示。

图2 最大生产率优化结果

2）最小生产成本。将目标函数选择设置为最小生产成本，设定超声振动车削高锰钢用量的具体数据，并代入目标函数和约束条件里面，剩余因素均不考虑，可以选择遗传运算法，交叉、变异运算，最终将优化结果得出。如果目标函数是以最小生产成本对应高锰钢超声振动车削用量，此结果就是我们最终获得的优化参数，如图3所示。

3）多目标函数。与单目标函数的优化过程进行比较，多目标函数的优化过程也是一样。如果目标函数是多目标函数，对应高锰钢超声振动车削用量，此结果就是我们最终获得的优化参数，如图4所示。

2.3 高锰钢超声振动车削用量优化结果分析

如上所述，根据上面得出的优化数据，可见在优化模型基础下，高锰钢超声振动车削用量，在加工效率及经济效益方面，都可以得到很好的结果。这个结论安全可靠，而且具有很强的操作性，非常合理。我国超声振动切削技术发展相对缓慢，根据不同的目标函数，我们得出了优化结果值，并对其以后的进一步研究提供了理论依据。如果车加工表面与工件变化时，只需重新输入具体的参数到优化流程的友好界面，自然得出相应的高锰钢超声振动切削量，操作方便，实用性强。

图3 最小生产成本优化结果

图4 多目标优化结果

3 结语

综上所述，高锰钢超声振动车削，是一项新颖的技术。本文就高锰钢超声振动车削用量优化，建立了数学模型，对其求解中运用了遗传算法。论文将目标函数设定为最高的生产率、参数的最小组合以及兼顾生产成本的多目标功能，通过MATLAB编程语言，以达到最佳的超声波振动车削高锰钢的切削用量。

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（编辑 明 涛）

TG 51；T P 391.7

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1002-2333（2015）12-0254-02

徐洪林（1973—），男，讲师，高级技师，主要研究方向为车削工艺和数控机床故障诊断。

2015-08-03