第 1 章 绪 论
1.1课题研究的目的及意义
许多工艺人员依靠经验公式或查阅手册来确定切削参数，往往因数值保守而达不到精度要求，甚至会破坏机床的安全性，使高速切削的优越性不能充分发挥。为此必须用较少的试验建立精度较高的表面粗糙度预测模型，在实际加工前对表面粗糙度进行合理预测，并设计出合理的切削工艺方案，用于指导实际生产。
近年来，随着高速切削技术的飞速发展，对高速切削技术的研究越来越深入；同时由于市场竞争越来越激烈，对加工质量和加工效率也有更高的要求。切削参数的正确选取是加工质量和加工效率得以保证的前提。在不同的表面粗糙度技术要求下，研究切削参数的最优组合，能够在未加工前就可准确选定各参数，省去试切法的反复试验，提高生产效率和企业效益，并可为高速加工切削参数数据库的建立提供依据。因此，高速切削表面粗糙度与切削参数关系的研究，精确的表面粗糙度预测模型的建立以及切削参数组合的优选，在实际加工中具有重大的意义。
1.2高速切削技术
高速切削状态下，对于每一种材料都存在一个速度的“死谷”地带，在这个速度范围内，任何材料的刀具都无法承受如此高的切削温度，而使切削无法进行；当切削速度越过这个范围，切削温度则增加缓慢，单位切削力也会随之下降，切削效率增大。高速切削加工技术中的“高速”是一个相对的概念。至今高速切削加工还没有统一的认识。目前高速切削加工定义主要有以下几种：
(1)1978 年，CIRP 切削委员会提出线速度在(500~700)m/min 的切削加工为高速切削加工。
(2)对铣削加工而言，从刀具夹持装置达到平衡要求时的速度来定义高速切削加工。根据 ISO1 940标准，主轴转速高于 8000r/min 为高速切削加工。
(3)德国 Darmstadt 工业大学生产工程与机床研究所 (PTW)提出高于(5～10)倍普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。
(4)从主轴设计的观点，以沿用多年的 DN 值来定义高速切削加工。DN 值达到(5~2000)× 105mm•r/min 时为高速切削加工。
(5)从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工。这种定义取决于刀具振动的主模式频率，它在 ANSI /ASME 标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。
1.3 表面粗糙度研究
1.3.1 表面粗糙度对产品质量的影响
表面粗糙度直接影响产品的质量，尤其在高速、高温和高压的条件下对零件影响更大。为了合理选用表面粗糙度参数，首先应该了解它对产品质量的影响。
(1)影响零件表面的磨损 两个表面接触时，表面越粗糙，有效接触面积就越小，接触点处压强就会很大，从而形成干摩擦。但表面粗糙度值太小，容易发生分子粘接，难于储存润滑液，磨损反而加剧。
(2)影响零件配合质量 对间隙配合表面，起始磨损的影响最为显著，粗糙度越大，间隙因急剧的磨损而改变越大，就越影响配合的稳定性。对于过盈配合表面，粗糙度越大，过盈量减少越多，连结刚度就越低。
(3)影响零件的耐疲劳性 加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力就越差。在交变载荷作用下，极易产生裂纹。
(4)影响零件的密封性 零件表面不可能绝对光滑，两表面会因表层的突起而无法紧密贴合，表面越粗糙，空隙越大，气体或液体渗漏的几率越大。
(5)影响零件的抗腐蚀性 表面粗糙度大，则表面容易吸附和积聚气体和液体，所处介质若具有腐蚀性，就会发生腐蚀。
因此，在零件制造过程中，应保证其获得指定的表面质量，特别是表面粗糙度的要求，以便更多的掌握已加工表面质量变化的规律。
第 2 章 高速铣削表面粗糙度的试验研究
最佳铣削参数的选取是实现加工表面高质量的关键。目前，从理论上难以定量揭示高速铣削时各参数对表面粗糙度的影响规律，很多企业只能在大量试切的基础上，不断调整铣削参数，这种生产方式不但造成了极大的浪费，而且很难获得较稳定的加工表面质量。为解决这一问题，常常采用试验方法来研究铣削参数与表面粗糙度的关系。本章要解决多因素单一指标的试验问题，故采用正交试验法，它可以在较少的试验次数下充分考察试验因素对表面粗糙度的影响，又能确定最佳的铣削参数。
2.1 正交试验设计理论概述
2.1.1 正交试验设计的基本定义
正交试验法(orthogonal experimental)是一种科学地设计与分析多因素试验的高效率的试验设计方法。它是根据正交性从全面试验中挑选出部分具备了“均匀分散，整齐可比”特性的点进行试验，并给出了一系列科学地分析试验结果的方法。在实际生产和科学研究中，往往需要通过一定的试验，获得一些试验数据。对这些数据进行科学分析或数学处理，可以找出问题的主要矛盾方面及其它们之间的相互关系，明确问题的内在规律，从而寻求问题的解决办法。
第3章 高速铣削表面粗糙度预测模型的建立 37-49
3.1 高速铣削加工表面的形成 37-38
3.2 基于理论公式的表面粗糙度预测 38-39
3.3 建立预测模型方法的选取 39-42
3.4 基于回归分析的表面粗糙度预测模型的建立 42-48
3.5 表面粗糙度预测模型的验证 48
3.6 本章小结 48-49
第4章 铣削参数优化 49-65
4.1 遗传算法(GA)简介 49-51
4.1.1 遗传算法定义与特点 49-50
4.1.2 遗传算法的操作流程 50-51
4.2 遗传算法的实现 51-55
4.3 铣削参数优化的数学模型 55-56
4.4 铣削参数的优化 56-60
4.5 优化结果分析 60-62
4.6 加工实例 62-63
4.7 本章小结 63-65
结论
本文针对高速铣削 P20 模具钢工件时表面粗糙度存在的问题，试验研究了行距、每齿进给量、铣削速度和铣削深度等铣削参数与表面粗糙度之间的关系，建立了精度较高的表面粗糙度预测模型，运用遗传算法以最大加工效率为目标对铣削参数进行了优化计算。得到的主要结论如下：
(1)由正交试验的极差分析，得到行距对表面粗糙度影响最大，其次为每齿进给量、铣削速度和铣削深度。随着行距、每齿进给量、铣削速度和铣削深度的增大，表面粗糙度呈增大趋势，但当铣削速度小于 565.49m/min 时，增大铣削速度表面粗糙度却呈减小趋势。
(2)由正交试验的方差分析，验证了行距、每齿进给量、铣削速度和铣削深度对表面粗糙度的影响都是高度显著的。
(3)比对表面粗糙度的实测值，理论模型预测值的误差均大于 80%，而采用多元线性回归分析方法所建预测模型的误差在 0.34％～18.71％之间，表明该模型与实际吻合较好且具有较高的预测精度。
(4)运用遗传算法以最大加工效率为目标对铣削参数进行了优化计算，得到不同表面粗糙度要求下的铣削参数优化组合方案。
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