高 棟，李 強(qiáng)

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著光電產(chǎn)品和通訊領(lǐng)域中光學(xué)自由曲面元件的日益廣泛應(yīng)用，其加工也越來(lái)越受到人們的重視。采用單點(diǎn)金剛石飛刀加工可以直接加工出具有納米級(jí)的表面粗糙度和亞微米級(jí)形狀精度的工件［1－3］。合理選擇加工參數(shù)是得到合格光學(xué)元件的前提，因此有必要對(duì)飛刀銑削加工的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前對(duì)飛刀銑削工藝參數(shù)的研究，大多針對(duì)的是切削參數(shù)，且是定性分析，較少關(guān)注加工效率的問(wèn)題，沒(méi)有分析切削參數(shù)以外的因素［4－6］。本文以加工時(shí)間和表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)，利用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并比較了參數(shù)優(yōu)化前、后的加工時(shí)間和表面粗糙度。

1 影響飛刀銑削加工工件表面粗糙度因素分析

飛刀銑削為斷續(xù)加工，刀具每回轉(zhuǎn)一次只切削工件一次，形成了沿進(jìn)給方向的殘留高度。由于刀具的形狀形成了沿切削間距方向的殘留高度，因此實(shí)際工件的表面粗糙度都是在殘留高度的基礎(chǔ)上形成的。

1.1 主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的影響

圖1為不同轉(zhuǎn)速下工件的表面粗糙度Rt（Rt為表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值）。理論上，主軸轉(zhuǎn)速越大，加工工件表面質(zhì)量越好，實(shí)際上并不是如此。由圖1可以看出，Rt并不總是隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增大而減小。圖2為不同進(jìn)給速度下的Rt，理論上進(jìn)給速度v越小，表面質(zhì)量越好。由圖2可以看出，大體上Rt隨著進(jìn)給速度的減小而減小。

1.2 切削深度與飛刀回轉(zhuǎn)半徑的影響

圖3為不同切削深度下工件的Rt，可以看出Rt并不是隨著切削深度ap的減小而減小。這是因?yàn)楫?dāng)切削深度小到一定程度時(shí)，刀具刃口半徑相對(duì)增大，切削前角由正值變?yōu)樨?fù)值，這個(gè)臨界值就是最小切削深度。根據(jù)Chae，J［7］等人的研究，最小切削深度與刀具的刃口半徑和刀具與工件間的摩擦因數(shù)有關(guān)。圖4為不同回轉(zhuǎn)半徑R下的Rt，可以看出隨著回轉(zhuǎn)半徑的增大，Rt曲折反復(fù)增長(zhǎng)。

圖1 不同主軸轉(zhuǎn)速下工件的表面粗糙度Rt

圖2 不同進(jìn)給速度下工件的表面粗糙度Rt

圖3 不同切削深度下工件的表面粗糙度Rt

1.3 刀尖半徑與切削間距的影響

圖5為不同刀尖半徑r下的Rt，可以看出，總體上Rt是隨著刀尖半徑r的增大而增大。理論上切削間距ε越小，工件的表面粗糙度越小，但會(huì)造成加工效率的降低，不同切削間距下的Rt如圖6所示。

圖4 不同回轉(zhuǎn)半徑下工件的表面粗糙度Rt

圖5 不同刀尖半徑下工件的表面粗糙度Rt

圖6 不同切削間距下工件的表面粗糙度Rt

2 金剛石飛刀銑削工藝參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法（GA）仿照自然界的進(jìn)化規(guī)律優(yōu)化出結(jié)果，具有適應(yīng)性好、全局搜索能力強(qiáng)、搜索含有并行性等優(yōu)點(diǎn)［8］。選取n，ap，v，r，R，ε作為種群中個(gè)體的染色體，選擇加工時(shí)間T和Rt作為目標(biāo)函數(shù)，使用加權(quán)組合的方式將兩個(gè)目標(biāo)變量合成一個(gè)目標(biāo)變量，并將這個(gè)目標(biāo)變量作為適應(yīng)度函數(shù)。使用輪盤賭方式作為選擇算子，采用單點(diǎn)交叉方式作為交叉算子隨機(jī)選擇下一代個(gè)體。采用字符決定法作為變異算子按照設(shè)定的概率（一般為0.01～0.1）選擇變異的個(gè)體。目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

且有

其中：ωT和ωRt為本征權(quán)因子，代表目標(biāo)函數(shù)的重要程度；ωT1和ωRt1為校正權(quán)因子；h為所需要切削工件材料的厚度；Tmax和Tmin分別為加工時(shí)間的最大值和最小值；Rtmax與Rtmin分別為Rt的最大值和最小值；L為加工長(zhǎng)度；R1和R2為相鄰切削行刀觸點(diǎn)法矢量半徑。

約束條件為：

其中：z進(jìn)給和z間距分別為進(jìn)給方向和切削間距方向的殘留高度值。

3 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的數(shù)值驗(yàn)證

隨機(jī)方法產(chǎn)生大小為100的初始族群，變異概率為0.04，迭代次數(shù)為300次，本征權(quán)因子為0.6，得出優(yōu)化后的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用的機(jī)床為Freeform705G超精密機(jī)床。表1為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與優(yōu)化參數(shù)比較。

表1 優(yōu)化參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

在分析影響飛刀銑削加工表面粗糙度因素的基礎(chǔ)上，選取優(yōu)化變量。綜合考慮加工效率和加工質(zhì)量的要求，建立統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)定了約束條件。通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行迭代選擇，得出優(yōu)化后的加工參數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的參數(shù)效率更高，加工的表面質(zhì)量更好。

［1］李榮彬，張志輝，杜雪，等.自由曲面光學(xué)的超精密加工技術(shù)及其應(yīng)用［J］.紅外與激光工程，2010，39（1）：110－115.

［2］杜建軍，高棟，王素娟，等.光學(xué)自由曲面飛刀加工刀位軌跡的生成算法［J］.光學(xué)技術(shù)，2009，32（1）：31－33.

［3］Moriwaki T，Shibasaka T，Suzuki H.Ultra precision diamond cutting of steel by intermittent cutting［C］//Proceedings of the 7th euspen international conference.［s.l］：［s.n］，2007：312－315.

［4］趙清亮，郭兵，楊輝，等.金剛石飛切加工微結(jié)構(gòu)表面的工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.光學(xué)精密工程，2009，17（10）：2512－2519.

［5］姜偉，陳明君，李明全，等.KDP晶體飛刀銑削加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.航空精密制造技術(shù)，2009，45（5）：4－7.

［6］Kong L B，Cheung C F，To S，et al.An investigation into surface generation in ultra－precision raster milling［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209：4178－4185.

［7］Chae J， Park S S， Freiheit T.Investigation of micro－cutting operation ［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2006，46：313－332.

［8］鄒云.銑削加工切削參數(shù)智能選擇系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［D］.成都：四川大學(xué)，2004：6－7，40－60.