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面向多目标的高速干切滚齿工艺参数优化决策方法

陈建霖 阎春平 侯跃辉 陈亮

陈建霖, 阎春平, 侯跃辉, 陈亮. 面向多目标的高速干切滚齿工艺参数优化决策方法[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(10): 1557-1566. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200507
引用本文: 陈建霖, 阎春平, 侯跃辉, 陈亮. 面向多目标的高速干切滚齿工艺参数优化决策方法[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(10): 1557-1566. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200507
CHEN Jianlin, YAN Chunping, HOU Yuehui, CHEN Liang. Multi-objective Optimization of Processing Parameters and Decision-making Method in High-speed Dry Hobbing[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(10): 1557-1566. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200507
Citation: CHEN Jianlin, YAN Chunping, HOU Yuehui, CHEN Liang. Multi-objective Optimization of Processing Parameters and Decision-making Method in High-speed Dry Hobbing[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(10): 1557-1566. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200507

面向多目标的高速干切滚齿工艺参数优化决策方法

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200507
基金项目: 

国家重点研发计划战略性科技创新合作重点专项 2020YFE0201000

详细信息
    作者简介:

    陈建霖(1994-), 硕士研究生, 研究方向为智能制造系统与装备、工艺参数优化等, 1107834207@qq.com

    通讯作者:

    阎春平, 教授, 博士生导师, ycp@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TG156

Multi-objective Optimization of Processing Parameters and Decision-making Method in High-speed Dry Hobbing

  • 摘要: 高速干切滚齿过程无切削液且切削速度高,不合适的工艺参数将严重影响加工能耗、质量以及刀具寿命等。针对多目标滚齿工艺参数优化问题,构建了以最低能耗、最小质量误差以及最大刀具寿命为目标的多目标优化模型,提出了一种基于多目标遗传算法(NSGA-Ⅲ)以及层次分析法与优劣解距离排序法相结合(AHP-TOPSIS)的优化决策方法。该方法采用基于参考点的NSGA-Ⅲ算法寻优,利用AHP-TOPSIS组合方法进行各评价指标权重的动态计算,完成工艺参数解集优劣性能排序,便于更加高效合理的进行优化决策。
  • 图  1  滚齿工艺问题参数变量属性

    图  2  NSGA-Ⅲ算法主要流程

    图  3  AHP-TOPSIS组合方法框架

    图  4  实验加工现场

    图  5  NSGA-Ⅲ算法的pareto解集分布图

    图  6  进给量fz与各目标之间的关系图

    图  7  主轴转速nz与各目标之间的关系图

    图  8  NSGA-Ⅱ算法的pareto解集分布

    图  9  MOPSO算法的pareto解集分布

    表  1  机床性能参数

    型号 nz/(r·min-1) Fx/(mm·min-1) Fz/(mm·min-1) 最大加工模数/mm 切向形程/mm 最大加工直径/mm
    YDZ3126CNC 0~2 500 0~7 500 0~7 500 6 0~200 260
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    表  2  齿轮工件参数

    材料 模数/mm 齿数 压力角/(°) 螺旋角/(°) 外径/mm 齿厚/mm
    45钢 2.5 51 20 19 132.5 45
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    表  3  刀具性能参数

    材料 法向模数/mm 滚刀槽数 安装角/(°) 螺旋角/(°) 旋向
    高速钢 2 12 18 3.16 右旋
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    表  4  模型计算能耗中相关参数值

    Pstandby/W Passist/W Tstandby/min a1 a2 b1 b2 c1=c2
    2 300 245 3.5 2.13×10-6 1.33×10-5 -0.08 0.035 0
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    表  5  模型计算切削过程相关参数

    Sx/mm Sz/mm Fx/(min·min-1) ap/mm E/mm U/mm
    110.6 22.15 1 500 6.5 2 2
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    表  6  滚切力和刀具寿命相关系数

    cf uf vf xf yf zf k1 k2 k3 Cv Kv xv yv mv
    18.2 0.27 0.28 1.76 0.65 0.82 1 1.08 1.11 289 0.68 0 0.5 0.33
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    表  7  NSGA-Ⅲ求解的工艺参数集

    解集序号Ji 决策变量 优化目标
    fz/(mm·r-1) nz/(r·min-1) da0/mm z2取整后 Qerror/mm Etotal/J Ltool/min
    J1 1.551 6 1 300 90 3 0.028 6 6 632 490 330.341 5
    J2 1.351 0 1 300 90 3 0.022 9 7 148 332 330.189 2
    J3 1.281 4 1 265.4 84 2 0.020 5 7 769 636 330.150 8
    J4 1.449 7 1 300 89 3 0.024 5 6 941 909 330.188 4
    J5 1.298 8 1 267.2 98 3 0.021 7 7 588 220 330.210 3
    J30 1.391 8 1 276.3 89 3 0.023 7 7 220 303 330.150 3
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    表  8  优劣排序结果

    对应解集号 相对接近度 排名
    J2 0.728 39 1
    J21 0.707 31 2
    J10 0.704 36 3
    J4 0.697 39 4
    J25 0.696 06 5
    J29 0.691 19 6
    J9 0.676 58 7
    J30 0.668 15 8
    J12 0.667 74 9
    J13 0.654 57 10
    J8 0.649 59 11
    J15 0.646 81 12
    J6 0.641 36 13
    J7 0.640 73 14
    J11 0.635 62 15
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    表  9  结果对比

    名称 fz/(mm·r-1) nz/(r·min-1) da2/mm z2(取整) Etotal/J Qerror/mm Ltool/min
    本文方法 1.351 0 1 300 90 3 7 148 332 0.022 9 330.189 2
    NSGA-Ⅱ 1.381 3 1 293.7 89 3 7 267 248 0.024 0 330.102
    MOPSO 1.634 8 1 289 89 2 7 462 018 0.024 5 330.118
    相比NSGA-Ⅱ - - - - 1.64% 4.58% 0.026%
    相比MOPSO - - - - 4.2% 6.53% 0.022%
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  • 收稿日期:  2021-01-05
  • 刊出日期:  2022-10-25

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