鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程優(yōu)化研究

朱士云，魏 霞

（江蘇省揚州技師學院，江蘇 揚州 225003）

鋁合金指的是質(zhì)量分數(shù)在0.5%以下，0.2%以上的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在工業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。鋁合金數(shù)控加工是在數(shù)控機床上對鋁合金零件進行有效加工的一種工藝方法，能夠滿足鋁合金加工對于高精度的要求。鋁合金薄壁具有形狀復雜的基本特點，且形狀大部分為曲面形狀，對表面的相互形位公差提出了很高的要求，導致對其進行加工具有非常高的難度系數(shù)[1]。為提高鋁合金薄壁數(shù)控加工的精度，必須對鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程進行優(yōu)化。通過提高鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程中的穩(wěn)定性以及安全性，有效解決上述鋁合金薄壁數(shù)控加工難度大的問題。在我國，針對鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程優(yōu)化的研究并不多見，且普遍存在一定程度上的局限性，與國外先進的鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝相比存在較大的落差。本文結(jié)合黃宏提出的鋁合金薄壁零件的數(shù)控加工工藝研究，基于文中提出的鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程進行優(yōu)化，致力于取得一定的研究成果。進而為有關(guān)部門提供更加科學、客觀、準確的研究結(jié)論，更好的為鋁合金薄壁數(shù)控加工提供助力。希望通過本文研究，能夠提高相關(guān)學者對鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程優(yōu)化方面的關(guān)注度，為該領(lǐng)域的進一步研究提供更廣闊的發(fā)展空間。

1 鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程優(yōu)化

在本文進行的鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程優(yōu)化研究中，必須預(yù)先確定整體鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程。整體鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝具體流程，如圖1所示。

圖1 鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程圖

結(jié)合圖1所示，針對圖中的3步主要加工流程進行重點優(yōu)化，分別為：熱處理淬火+時效、數(shù)控銑四周以及數(shù)控銑通孔、通框、最終外形。針對以上3步的具體優(yōu)化內(nèi)容，如下文所述。

1.1 鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補

由于在鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火過程中，NURBS曲線方程自身的插值原理，需要通過時效插補的方式對鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火流程進行優(yōu)化[2]。鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補的具體流程為：首先，確定鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補NURBS曲線的型值點以及權(quán)因子編程；再通過獲得節(jié)點矢量，計算系數(shù)矩陣；在此基礎(chǔ)上，通過控制頂點權(quán)因子對鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火頂點進行控制；進而得到NURBS插值曲線開始數(shù)控加工。在此過程中，需要對鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補誤差進行分析，從而達到鋁合金薄壁精密數(shù)控加工的目的。設(shè)鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補時間誤差為，則其計算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，T指的是鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補時間，單位為min；s指的是實測鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補，單位為min。通過公式（1），得出鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補時間誤差[3]。為確定鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補有效值相對誤差，本文設(shè)鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補有效值為U ，則其計算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，K 指的是系數(shù)矩陣；I指的是節(jié)點矢量。根據(jù)公式（2），可輸出鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補有效值計算公式，進而可推導出最終鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補NURBS插值曲線的計算公式。設(shè)鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補后的NURBS插值曲線表達式為?，則其計算公式，如公式（3）所示。

通過公式（3）可以得出鋁合金薄壁數(shù)控加工淬火時效插補后的NURBS插值曲線，并以該曲線作為鋁合金薄壁數(shù)控淬火的刀具軌跡線，對鋁合金薄壁進行數(shù)控加工淬火。

1.2 計算鋁合金薄壁數(shù)控銑四周標準尺寸允許誤差

數(shù)控銑四周作為鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝中的關(guān)鍵流程，本文對此的優(yōu)化方式為使用標準尺寸測量鋁合金薄壁零件，獲取鋁合金薄壁零件軸承基準尺寸，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)到顯示屏，調(diào)整數(shù)據(jù)灰度值，將其映射到一個新的范圍內(nèi)，突出軸承邊緣中部分特征值，識別自然圖像灰度，衡化處理圖像中數(shù)據(jù)，使邊緣數(shù)據(jù)直方圖呈現(xiàn)一致方向[4]。由于尺寸測量過程中數(shù)據(jù)會受到多種外界因素的影響，實際收集數(shù)據(jù)中敏感元部件受到干擾影響會存在內(nèi)部噪聲，以此引用數(shù)據(jù)濾波處理方法，對數(shù)據(jù)實施中值濾波處理，提取濾波處理后鋁合金薄壁零件尺寸標準數(shù)據(jù)集。設(shè)處理后鋁合金薄壁零件尺寸標準數(shù)據(jù)集為p ，則其計算公式，如公式（4）所示。

在公式（4）中，λ指的是測量中多種外界影響因素；t指的是獲取的數(shù)據(jù)量。根據(jù)上述公式，可得鋁合金薄壁零件尺寸初期獲取數(shù)據(jù)集，搭建測量中數(shù)據(jù)集合空間表達標準軸距，采用三點均勻測量的方式，分析獲取數(shù)據(jù)與空間標準數(shù)據(jù)差異性，計算鋁合金薄壁零件邊緣標準尺寸允許誤差[5]。設(shè)鋁合金薄壁零件尺寸為ω，則其計算公式，如公式（5）所示。

在公式（4）中，f 指的是邊界到測量膠片距離；s指的是數(shù)據(jù)表達清晰度；g 指的是邊界檢測長度；l指的是檢測邊界到檢測中心實際距離。結(jié)合上述計算公式，明確鋁合金薄壁零件尺寸標準值，考慮到動力距測量具有均勻性，輸出允許最大誤差值，完成對數(shù)控銑四周流程部分精準度方面的優(yōu)化。

1.3 精確鋁合金薄壁數(shù)控銑通孔走刀步長

數(shù)控銑通孔中最主要的目的是確定鋁合金薄壁數(shù)控加工后的最終外形，而數(shù)控銑通孔走刀步長能夠直接影響加工結(jié)果。結(jié)合對傳統(tǒng)鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程的研究可知，影響鋁合金薄壁數(shù)控銑通孔走刀步長的主要因素包括：驅(qū)動曲線、驅(qū)動點、內(nèi)公差以及外公差。走刀步長驅(qū)動曲線具體示意圖，如圖2所示。

圖2 走刀步長驅(qū)動曲線示意圖

結(jié)合圖2所示，為精確鋁合金薄壁數(shù)控銑通孔走刀步長，可通過走刀步長的計算表達式對其進行精準確定。設(shè)鋁合金薄壁數(shù)控銑通孔走刀步長為L ，則其計算公式，如公式（6）所示。

在公式（6）中，ε指的是鋁合金薄壁數(shù)控加工表面在插補段內(nèi)沿進給方向的內(nèi)公差；指的是鋁合金薄壁數(shù)控加工表面在插補段內(nèi)沿進給方向的外公差。在得出鋁合金薄壁數(shù)控銑通孔走刀步長的基礎(chǔ)上，通過控制鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝過程的數(shù)據(jù)變量，對鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程優(yōu)化進行優(yōu)化[6]。以此為依據(jù)，設(shè)鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程控制方程為，則其計算公式，如公式（7）所示。

在公式（7）中，指的是鋁合金熔鑄速度下的過程控制正序無功功率；指的是鋁合金熔鑄生產(chǎn)工藝過程控制誤差比例系數(shù)。通過公式（7）可以控制鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝過程的數(shù)據(jù)變量，進而實現(xiàn)對鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程的優(yōu)化。

2 結(jié)語

通過鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程優(yōu)化研究可以看出，鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程是在不斷地研究過程中逐步優(yōu)化，走向成熟的。因此，本文對鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程進行優(yōu)化設(shè)計是十分必要的，并且具有現(xiàn)實意義，能夠為鋁合金薄壁數(shù)控加工提供理論支持。

有理由相信，本文優(yōu)化后的鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝可以在現(xiàn)實中廣泛投入使用，代替原有的鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝流程，為鋁合金薄壁數(shù)控加工提供全新的思路，加速推進我國鋁合金薄壁數(shù)控加工工藝的快速發(fā)展。