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摘要：数控技术是当今先进制造设备行业的核心技术。在数控车床加工过程中，合理选择切削参数可以节约能源和资源，提高生产效率，从而提高企业的经济效益和提升企业的竞争力。不过，目前我国大多数数控加工企业依然缺乏经验，仅仅通过参考手册，通过测试切割、切削参数的选择，往往难以实现能效优化。本文通过现代智能优化算法，切割理论，数学建模和模型分析方法优化了数控车床切割的能量效率。通过优化切削参数来提高加工效率、减少能量消耗，望本文的研究能对数控车床的优化运行提供一些帮助。
关键词：切削参数；能效优化；能量效率
【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】2236—1879（2017）16—0198—01
1.数控车床能效模型
在数控车床切割过程中，切割三个要素是影响过程能效的关键因素。为了降低加工能耗，提高加工效率，选择合理的数控车床切削量，我们建立数控车床切削参数的加工能量和加工效率的数学模型。
1.1加工能量数学模型。数控机床加工过程涉及待机、空载状态和切割状态，通过国内相关文献等可以知道，当系统处于切割状态时，机器的总功率损耗包括无负载功率损耗Pu，切断功率损耗Pc和附加负载功率损耗Pa。目标函数是优化变量的函数，它是评估和选择最佳切割量的指标。
求得Pc，可以得到额外的负载损耗功率Pa。根据切削力的经验公式，我们可以推导出切割功率与切割量之间的关系。
1.2加工效率时间数学模型。切割时间为加工时间的一部分，两者均可以体现出机床加工的效率，也就是说，处理时间短，生产率高。以加工质量为先决条件，加工质量也是现阶段设备公司追求的目标。在加工时间，可以分为实际切割时间、换刀时间、辅助时间，用公式表达为：
该公式中，tm为实际切割时间，td为刀具更换时间，tm/T为刀具更换次数，T为车刀寿命（可通过查找表获得），t0为辅助时间过程。
2.约束规则制定
切削用量的值受切割机床、切削刀具和加工质量等技术条件的限制，只能在极限范围内取值。在本文中，除了与机器相关的约束外，还受到由切削力约束所引起的约束粗糙度，切削功率约束，刀具耐久性约束，机床主轴转矩限制；背刀的加工精度相对较小，加工精度要求成为主要因素，主要是表面粗糙度的限制，并且刀具耐用性的限制以及切削力等因素都不予考虑。
2.1机床相关约束。与机床相关的约束包括对机床主轴转速范围的约束，进给系统进给范围的限制以及机床主轴的功率约束。
2.1.1机床主轴转速限制，即：Nmin≤n≤Nmax。
2.1.2机器进给量限制，即：fmin≤f≤fmax。
2.1.3机器允许的最大切割功率约束。加工过程中消耗的功率必须在机器可提供的最大有效切割功率之内。在切割过程中消耗的功率主要包括切割功率和进给功率。由于进给功率的相对功率一般较小，所以可以忽略不计
2.2刀具相关约束。加工中的进料速度更高意味着更高的效率，而更高的主轴转速可能导致切削力降低，但是牺牲了刀具寿命。因此，在优化中，应确保刀具具有适合的切削寿命，以避免频繁加工刀具，从而有助于提高加工时间，降低生产效率。
2.3切削力及机床主轴转矩约束。切割过程中的切割力必须限制在夹具、刀具、工件系统内允许的最大允许切削力。作为切削力的在切削合力处于主导位置，其他分力对加工质量的影响没有主切削力明显，通常被忽略，因此进给阻力的约束小于机床进给机构允许进给力即可。
2.4工件相关约束。主要经过加工工件的质量，要满足工件表面粗糙度的要求。
3.约束的实现
有两种实现约束的方法，即约束函数法和罚函数法。在本文中，使用罚函数法来实现约束。目标函数求得最大值，并且罚函数可以将约束直接添加到目标函数中。如果函数不等式不成立，则得到负数，使得目标函数值变小并淘汰个体。
4.提高数控车床切削效率的一些有效对策
4.1宏指令的应用提高编程效率。在生产中，经常遇到类似形状而尺寸不同的加工，处理这些部分，如果不再重新编程，就可以节约时间。
4.2合理选择切割参数。选择最好的切削量（切削厚度，进料量，切削速度）是工艺师的任务之一。合理选择切削量可大大提高切削效率。在生产中，作者发现原来使用的切削参数很小，主要是保守的原因。例如：在机加加工车间时，经常看到不管材料和硬度是什么，采取粗切割速度130m/min以下，精細速度160m/min以下，粗车进给小于0.41mm/r等，直接降低了处理效率。对于数控机床来说这是非常不经济的。因此，在不影响切断量的情况下，我们对不同的材料进行了大胆的实验，大大增加了切削量。
4.3刀具的合理选择。不同形状的刀片对刀具的使用寿命和切割效率都有很大的影响，而且对刀具的强度有直接的影响，这在粗加工中尤其重要，因为刀具的强度不足的话不能大幅切削。因此，在粗加工中，应尽量使用大尺寸刀片（如16×16），并采取大的刀尖圆弧半径（如r=1.2或1.6mm）。在粗加工中，大进给量不应超过刀尖半径的半径2/3，我们可以看出，刀尖圆弧半径的越大，进给量越大。
4.4合理选择切削方法。切削所用的方法对加工效率和质量有着直接的影响。例如，我们在加工有内控槽的零件时，最常用的方法就是用切槽进行粗精加工，不过这种方法要求中间要停顿，把切屑清理干净，而且还影响刀片寿命，更换刀具麻烦，加工面的粗糙度也不容易得到保证。更好的方法是，采用机夹来加工该槽，这样加工面不仅粗糙度满足要求，而且也延长了刀具的寿命，更是提高了加工效率。
5.结束语
为了能让数控车床切削用量更合理，提高数控车床切削参数的能量效率，本文通过建立数控车床的加工能量效率模型，研究了各方面的约束条件，并通过两种方式来研究实现约束的方法（由于篇幅限制，没有详细展开），并得到了最优化的切削参数组合。可以看出，合理切削量的选择受机器本身的许多因素和加工要求的影响。通过分析切削参数对机床加工能力和加工效率的影响，切削量的选择有内联性。在本文最后，我们提出了提高数控车床切削效率的一些有效对策，希望能对目前数控车床切削参数的优化提供一些帮助。
关键词：切削参数；能效优化；能量效率
【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】2236—1879（2017）16—0198—01
1.数控车床能效模型
在数控车床切割过程中，切割三个要素是影响过程能效的关键因素。为了降低加工能耗，提高加工效率，选择合理的数控车床切削量，我们建立数控车床切削参数的加工能量和加工效率的数学模型。
1.1加工能量数学模型。数控机床加工过程涉及待机、空载状态和切割状态，通过国内相关文献等可以知道，当系统处于切割状态时，机器的总功率损耗包括无负载功率损耗Pu，切断功率损耗Pc和附加负载功率损耗Pa。目标函数是优化变量的函数，它是评估和选择最佳切割量的指标。
求得Pc，可以得到额外的负载损耗功率Pa。根据切削力的经验公式，我们可以推导出切割功率与切割量之间的关系。
1.2加工效率时间数学模型。切割时间为加工时间的一部分，两者均可以体现出机床加工的效率，也就是说，处理时间短，生产率高。以加工质量为先决条件，加工质量也是现阶段设备公司追求的目标。在加工时间，可以分为实际切割时间、换刀时间、辅助时间，用公式表达为：
该公式中，tm为实际切割时间，td为刀具更换时间，tm/T为刀具更换次数，T为车刀寿命（可通过查找表获得），t0为辅助时间过程。
2.约束规则制定
切削用量的值受切割机床、切削刀具和加工质量等技术条件的限制，只能在极限范围内取值。在本文中，除了与机器相关的约束外，还受到由切削力约束所引起的约束粗糙度，切削功率约束，刀具耐久性约束，机床主轴转矩限制；背刀的加工精度相对较小，加工精度要求成为主要因素，主要是表面粗糙度的限制，并且刀具耐用性的限制以及切削力等因素都不予考虑。
2.1机床相关约束。与机床相关的约束包括对机床主轴转速范围的约束，进给系统进给范围的限制以及机床主轴的功率约束。
2.1.1机床主轴转速限制，即：Nmin≤n≤Nmax。
2.1.2机器进给量限制，即：fmin≤f≤fmax。
2.1.3机器允许的最大切割功率约束。加工过程中消耗的功率必须在机器可提供的最大有效切割功率之内。在切割过程中消耗的功率主要包括切割功率和进给功率。由于进给功率的相对功率一般较小，所以可以忽略不计
2.2刀具相关约束。加工中的进料速度更高意味着更高的效率，而更高的主轴转速可能导致切削力降低，但是牺牲了刀具寿命。因此，在优化中，应确保刀具具有适合的切削寿命，以避免频繁加工刀具，从而有助于提高加工时间，降低生产效率。
2.3切削力及机床主轴转矩约束。切割过程中的切割力必须限制在夹具、刀具、工件系统内允许的最大允许切削力。作为切削力的在切削合力处于主导位置，其他分力对加工质量的影响没有主切削力明显，通常被忽略，因此进给阻力的约束小于机床进给机构允许进给力即可。
2.4工件相关约束。主要经过加工工件的质量，要满足工件表面粗糙度的要求。
3.约束的实现
有两种实现约束的方法，即约束函数法和罚函数法。在本文中，使用罚函数法来实现约束。目标函数求得最大值，并且罚函数可以将约束直接添加到目标函数中。如果函数不等式不成立，则得到负数，使得目标函数值变小并淘汰个体。
4.提高数控车床切削效率的一些有效对策
4.1宏指令的应用提高编程效率。在生产中，经常遇到类似形状而尺寸不同的加工，处理这些部分，如果不再重新编程，就可以节约时间。
4.2合理选择切割参数。选择最好的切削量（切削厚度，进料量，切削速度）是工艺师的任务之一。合理选择切削量可大大提高切削效率。在生产中，作者发现原来使用的切削参数很小，主要是保守的原因。例如：在机加加工车间时，经常看到不管材料和硬度是什么，采取粗切割速度130m/min以下，精細速度160m/min以下，粗车进给小于0.41mm/r等，直接降低了处理效率。对于数控机床来说这是非常不经济的。因此，在不影响切断量的情况下，我们对不同的材料进行了大胆的实验，大大增加了切削量。
4.3刀具的合理选择。不同形状的刀片对刀具的使用寿命和切割效率都有很大的影响，而且对刀具的强度有直接的影响，这在粗加工中尤其重要，因为刀具的强度不足的话不能大幅切削。因此，在粗加工中，应尽量使用大尺寸刀片（如16×16），并采取大的刀尖圆弧半径（如r=1.2或1.6mm）。在粗加工中，大进给量不应超过刀尖半径的半径2/3，我们可以看出，刀尖圆弧半径的越大，进给量越大。
4.4合理选择切削方法。切削所用的方法对加工效率和质量有着直接的影响。例如，我们在加工有内控槽的零件时，最常用的方法就是用切槽进行粗精加工，不过这种方法要求中间要停顿，把切屑清理干净，而且还影响刀片寿命，更换刀具麻烦，加工面的粗糙度也不容易得到保证。更好的方法是，采用机夹来加工该槽，这样加工面不仅粗糙度满足要求，而且也延长了刀具的寿命，更是提高了加工效率。
5.结束语
为了能让数控车床切削用量更合理，提高数控车床切削参数的能量效率，本文通过建立数控车床的加工能量效率模型，研究了各方面的约束条件，并通过两种方式来研究实现约束的方法（由于篇幅限制，没有详细展开），并得到了最优化的切削参数组合。可以看出，合理切削量的选择受机器本身的许多因素和加工要求的影响。通过分析切削参数对机床加工能力和加工效率的影响，切削量的选择有内联性。在本文最后，我们提出了提高数控车床切削效率的一些有效对策，希望能对目前数控车床切削参数的优化提供一些帮助。