制造业是国民经济发展的支柱产业,也是资源消耗和环境污染的主要来源。目前我国制造业普遍存在机床能耗高、加工效率低等问题,是国家实施节能减排、清洁生产等重大战略重点关注领域。对复杂曲面类零部件如航空发动机叶轮、大型舰船螺旋桨、汽轮机转子、汽车覆盖件精密模具等的数控加工而言,其高能效制造直接关系到国民经济发展和国防安全,其制造水平代表着国家制造业的核心竞争力。然而,由于复杂曲面类零件的复杂几何特征性质,造成该类零件加工时间长、成本高、能耗大等一系列问题,成为车间制造系统能量消耗研究极具挑战的问题。为此,本文对复杂曲面高效节能铣削加工优化方法进行了研究。(1)对基于聚类特征的曲面加工复杂度模型及其能耗规律展开研究。首先,对曲面加工复杂度概念及曲面聚类特征进行了研究,在此基础上,采用等参数采样法离散复杂曲面,根据曲面离散点的曲率特性进行了复杂曲面的粗略划分和运用模糊C-均值算法的精细划分;其次,从加工对象、加工设备、加工刀具、加工策略以及加工目标五个层面详细分析了曲面加工复杂度的影响因素,综合各层面影响因素建立了曲面加工复杂度的计算模型;最后,通过不同曲面模型的加工试验得到曲面加工复杂度与能耗之间的映射规律。(2)在复杂曲面聚类分区基础上,提出面向高效节能的复杂曲面分区变参数控铣削加工优化方法,对复杂曲面聚类区域的不同面型展开切削参数和刀位轨迹方式的优化选择。首先,在机床、刀具及加工质量等实际约束条件下,以铣削参数和刀位轨迹方式为因子水平,以加工能耗和加工时间为评价指标,采用正交试验方法确定能耗和加工时间综合最优的切削参数和刀位轨迹方式;其次,在Master CAM中进行曲面分区铣削仿真,对每一个分区曲面采用最优切削参数和刀位轨迹方式,实现复杂曲面加工路径和加工时间最短;最后,通过铣削试验验证所提出的加工优化方法较传统曲面整体铣削方法的有效性,为复杂曲面加工提供新思路。(3)利用粒子群-遗传算法研究不同聚类特征的曲面区域刀位轨迹优化方法,提出基于粒子群-遗传算法的复杂曲面分区铣削加工优化方法。首先,根据复杂曲面的形状特征,在曲面聚类分区基础上,用等参数采样法离散复杂曲面区域,得到合理数量和合适位置的刀位点;其次,建立刀位轨迹优化模型,该模型以刀位轨迹长度为优化变量,以加工能耗和加工时间为目标函数,运用粒子群-遗传算法在实际约束条件下进行求解,得到与曲面区域相匹配的最优刀位轨迹;最后,通过试验验证所提出方法在高效节能方面的有效性,为工艺人员加工复杂曲面提供技术支持。