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數（shù）控機床切削比能建模及其參數影響分析

2018-5-30 來源：轉載作者：陳俊超，孔露（lù）露，徐敬通，李濤，張洪潮

摘要（yào）: 切削比能是將機床能耗特性與材料去除結（jié）合起來的能耗評（píng）估單元，是（shì）評價精（jīng）益生產製造過程中的一個基本概念。通過研究將機床的切削比能按照機床（chuáng）能耗（hào）應用不同劃（huá）分為四部分: 機床固定比能、機床操作比（bǐ）能、材（cái）料切削比能和非生產比能。並對各部分進行詳細（xì）建模，然（rán）後結合試驗建立XH715 數控銑床的四部分比（bǐ）能模型。對機床固定（dìng）比能和機床操作比能模型的參數影響進行分析，分析結果表明，選用大的材料（liào）去除率，有利於節能; 對材（cái）料切削比能模型結合單因素試驗進行參數影響分（fèn）析，結果表明，提（tí）高材料去除率，尤其是使用大的徑向切深和進給（gěi）量能更有效的（de）節能（néng）。研究結果對機床層切（qiē）削比能的建立、計（jì）算以及對整機能耗的預測都有實際（jì）的指導意義。

關（guān）鍵詞: 銑削; 切削比能; 參數分析

0 、引言

切削（xuē）比能是指去除單（dān）位體積材料所需要的切削能（néng）量（liàng），能（néng）夠反映切（qiē）削能耗與材料去除率之間的（de）映射關係以及機床能效能力。

近（jìn）年來，隨著低碳製造及精（jīng）益生產的興起，為滿足加工能耗計（jì）算和低碳製造（zào）量化評價的（de）清單數據要求，切削比能已成為必不（bú）可少的量化工具。

早在（zài）上世紀五（wǔ）六十年代，學術界就開始（shǐ）對切削比能進行研究。孔露露對切削比能展開研（yán）究，把其歸結為三個（gè）層次的建模: 切削單元層→機床層→工藝層。利用不同（tóng）的（de）測量方式，在分析不同參數影響下，根（gēn）據所需建模要求可建立不同層次（cì）的（de）比（bǐ）能模型。

W Li and S Kara 等通過（guò）試驗建立了機床加工比能與材料（liào）去除率的函數模型，並把機（jī）床層的（de）切削比能按照機床的能耗應用情況不同細分為四部分: 機床固定比能，機床操作比能，切削（xuē）比能以（yǐ）及非生產比（bǐ）能。其分類的方法更貼合實際，為（wéi）機床的切削比能的研究提供（gòng）了更好的（de）理論（lùn）指導（dǎo）。但（dàn）其隻建立了框架（jià）模型並指出了機床比能四部分的（de）影響因素，並未對各部分詳細地建模及參數影響進行分（fèn）析。本文在其（qí）框架的基礎上進行（háng）詳細研究（jiū），通過金屬材料去除能量理論以及機械加工係統（tǒng）的能量平衡理論等建立了比較完整的各比能模型，完善了理論框架。通過試驗建立 XH715 數控（kòng）銑床的四部分比能模（mó）型，並對機床固（gù）定比能以及機床操作比能的（de）參數影（yǐng）響展開詳細的分析，並（bìng）通過單因素試驗對（duì）材料切削比能的三個主要參數進行分析，研究（jiū）結果（guǒ）對機床切削比能的（de）研究將具有重（chóng）要（yào）意義。

1、機床加工比能建模（mó）

圖 1 機床切削比能示意圖

1．1 機床固定比能 ef

指在機械加（jiā）工過程中的機床輔助加工係統能耗分攤到去除（chú）單位體積材料上的比能耗（hào）.數控機床的輔助（zhù）加工係統包括數控係統、液壓係統（tǒng）、冷卻係統、潤滑係統、照（zhào）明係統、排屑係統及（jí）各種外設係統（tǒng）等。其中的換（huàn）刀係統、裝夾係統等屬間歇動作係（xì）統（tǒng），其單次能耗可視為常數，可通過現場多次測試的方式獲得，在加工過程中的總能耗取（qǔ）決於使用次數以及是否啟用。而包括數控（kòng）係統、照明係統、風扇（shàn）係統、潤滑係統、冷（lěng）卻（què）係統（tǒng）、排屑（xiè）係統等在內的輔助加（jiā）工係統，其功率可視為常量（liàng），在使用過程中維持恒定，因此（cǐ）其能耗僅（jǐn）與（yǔ）使用時間及是否使用（yòng）有關。引入開關函數進行建模。

2 、基（jī）於試（shì）驗的加工比能建模

2．1 試（shì）驗條件

利用 XH715 數控銑床進行試驗，用硬質合金銑刀（dāo）對 45#鋼材料 35 × 40 × 110 進行銑削實驗，銑刀直徑16mm，2 齒銑刀，銑（xǐ）削條件為逆銑，冷卻條件為幹切，機床實驗在白天進行，關閉照明係統。試驗測試平（píng）台組成結構如圖 2 所示。

圖 2 試驗測試平台的組成結構

2．2 機床固定比能（néng）的建立

機床各輔助係統能耗如表 1 所示。

表 1 機床各輔助（zhù）係統能耗

2． 3 機床操作比能的建立（lì）

根（gēn）據測定的試驗數據，在機床空載運行期間，機床的主軸轉速與主軸電機功率曲線（xiàn）繪（huì）製如（rú）圖 3 所示。從圖 3 中得出當機床主（zhǔ）軸電（diàn）機處於運行（háng）第一階（jiē）段時，即當 0 ＜ n≤1700r /min 時，主軸電機的功率與轉數（shù）的增加成正比（bǐ），其關係擬合為式(24) :

圖 3 主軸電（diàn）機功率與主軸轉速的關係

當機床主軸轉速（sù）處於 1700 ＜ n≤3500r /min 的第二階段時，主軸的電機功率有遞減趨勢，其（qí）關係擬合（hé）為（wéi）式(25) :

圖（tú） 4 進給電機功率與進給量的關係

2．4 機床材料切削比能的建立

表 2 銑削實驗數據

2．5 機床（chuáng）非生產比能的（de）建立

根據測（cè）定的試驗數據，機床的切削功率與機（jī）床損耗功率曲（qǔ）線繪製如圖 5 所（suǒ）示，其關係擬合如（rú）下:

圖 5 切削功率和機床（chuáng）載荷損耗功率（lǜ）之間的關係

3、參數影響分析

機（jī）床在（zài）進行切（qiē）削加工時，各部分比能耗比例如圖6 所示（shì）。機床（chuáng）層切（qiē）削比能耗中機床固（gù）定比（bǐ）能和機床操作比能占 85% 以上，這部分比能與機床自身結（jié）構直接相關.

圖 6 機床各部分比能比例圖

3．1 機床固（gù）定比能的參數影響分析

由於機床固（gù）定（dìng）能耗在運行過程中與加工參數選取無關，隻與加工過程中所需的輔（fǔ）助子係（xì）統的運行與否有關，因此機床固定比能與材料去除率呈嚴格反比關係。在（zài）實（shí）際生產過（guò）程中，在保證加工（gōng）質（zhì）量的前提下，盡量選用（yòng）大的材料去除率（lǜ）更有利（lì）於節能。

3． 2 機床操作比能的參數影響分析

機床（chuáng）操作能隨參數選取發生變動，操作比能的變動規律相對複雜，分參數（shù）進行解析:

(1) 主軸轉速對機床操作比能的影響由式( 28) 可知（zhī），當主軸（zhóu）電機處於第一階段時，轉速升高，機床空載功（gōng）率隨之增大，對轉速求導（dǎo），得:

(3) 軸向切深和徑向切（qiē）深（shēn）對機（jī）床操作比能的影響

這兩個參數（shù）對主軸電機空載運轉功率（lǜ）毫無（wú）影響，因此這兩個參數基本（běn）上是靠影（yǐng）響材料去除率（lǜ）而影響機床操作比能的。由式(28) 可知機床操作比能與這兩參數基本呈嚴格反比關係。

由此可見，在常用的加工參數（shù）範圍內，機床操作比能隨著各參數的取值的增大，逐（zhú）漸減小。在實（shí）際生產中，在保證加工質量的（de）前提下，盡量選用大的切削參數更有利於節能。

3．3 材料切削比能的（de）參數影響分（fèn）析

在切削係統（tǒng）已確定的（de）情況下，切削參數成為影響切削比能的主要（yào）因素。在單因素試驗過程中，主要考慮影響切削力的三個主要因素: 軸向切深，徑向切（qiē）深和進給量。下麵（miàn）利用單因素法，結合徑向（xiàng）銑削力的變化趨勢，研究切削參數對切削比能（néng）的影響:

(1) 軸向切深（shēn）對（duì）切削比能及徑向銑削（xuē）力的影響

由圖 7 可以得出，隨著軸（zhóu）向切深的增加（jiā），切削麵積也隨著增加，徑（jìng）向銑削力（lì）及切削功率也增加（jiā），切削比能呈下降趨勢。

圖 7 軸向切深對切削比能的影響（xiǎng）曲線

(2) 徑向切深對切削比能及徑向銑削力（lì）的影響由圖 8 可以得出，徑向銑削力的增加基本與徑向切深的增加成正比，切削比能呈快速下降趨勢.

圖 8 徑向切深對切（qiē）削比能的影響曲線（xiàn）

(3) 進給量對切削比能及徑向銑削力的影響（xiǎng）由圖 9 可（kě）得出，隨著進給量的增大，使得切削麵（miàn）積增加，徑向銑削力（lì）不斷增大，切削比能呈減小趨勢，其變化趨勢與軸向切（qiē）深相似。

圖 9 進給量對切（qiē）削比能的影響曲線

通（tōng）過對（duì）以上單因素試（shì）驗的分析，得（dé）出影響切削比能（néng）的（de）切（qiē）削參數按影響程度從大到小，依此是（shì）徑向切深，進給量和軸向切深。在實際生產中（zhōng），在保證加工質量的前提下，盡量選擇大的切削參數。從節能的角度（dù）來看（kàn），選（xuǎn）擇大的徑向切深，合適的進給量和軸（zhóu）向切深更加有利（lì）於節能（néng）。

3．4 非生產比能的參數影響分析

非生產比能的（de）參數影響分（fèn）析（xī）過於複雜，本文暫時沒有研究，不過（guò）在機床使用過程中，及時對機床進行潤滑維護及清潔處理等（děng）維護將可（kě）有效降低該部分能量損耗。

4 、結論及展望

本文在前（qián）人（rén）研究的基礎上，對機床切削比能進行了更為具體的的分（fèn）類量化建模: 分別建立機（jī）床固定比能、機床操作比能、材料切削比能及非生產比能的能（néng）量模型。其中前兩部分主要由機床自身結構決定。

並基於試驗建立 XH715 數控銑床（chuáng）的加工比能模（mó）型，分別建立（lì）該機床在本試驗條件下的（de） 4 個比能模型。該模型為實際的生產（chǎn）加工時的機床切（qiē）削比能的（de）計（jì）算提供了指導。

並（bìng）對機床固定比能、操作比能、材（cái）料切削比能切削參數影響進行了比較詳細的分（fèn）析，分析表（biǎo）明提高（gāo）材料去（qù）除率，尤其是選取大的徑向切深和進給量，對降（jiàng）低加工能耗有關鍵作用。

為機床切削比能的計算提供了理論基礎（chǔ）及指導方法。但尚（shàng）需展開進一（yī）步探究是:

最佳銑刀（dāo）評價指標的綜合（hé）權重為:

最（zuì）終結果為: 對於葉（yè）片榫頭銑刀選擇優（yōu）化而言，按照最大隸屬度原則（zé），刀具的優化（huà）排序為: 銑（xǐ）刀 M15 ＞銑刀 SCMT09T308 ＞銑刀 M42 ＞銑刀 W18Cr4V，即銑刀M15 為葉片榫頭銑削用的最佳加工刀具。在某航空發動機製造企業的葉片榫頭實際生產工作中（zhōng），論文所優選出的銑刀 M15 為企業取得了較好的效益（yì），因此驗證了所（suǒ）提出方法的可行性和有效性。

3、結論

航（háng）空發動機葉片榫頭銑削加工銑刀的合理選擇是保證榫頭加工質量、提高生（shēng）產效率的有力保障，論文分析了（le）影響刀具選擇的約束因素，建立了（le）一（yī）種兩級結構的多目標優選模型，包括加（jiā）工（gōng）時（shí）間 T 、加工質量 Q 、加（jiā）工成（chéng）本（běn） C 、資源消耗 R 、環境（jìng）影響 E 五個優化目標，並（bìng）對目（mù）標體係中的決策向量進行分解。針對傳統層次分析法很難保證（zhèng）判斷矩陣的一致性問題，提出了利用模糊層次分析法( FAHP) 進行葉（yè）片榫頭銑刀的優化（huà）選擇。通過對航空發（fā）動機（jī）葉片榫頭銑刀優選案例的分析研究，解決了傳統方法僅憑單（dān）因素及經驗選擇刀具的（de）缺陷問題，從而為技術工作人員優化選擇刀具提（tí）供了技術支持。實踐證明，基於模糊層次分析法( FAHP)的評價（jià）模型和評價算法用於航空發動機葉片榫頭銑削加工時銑刀優選是實用的，因此也證明了使用該方法用於刀具優選是可行的和有效的。

來源（yuán）：大連理工大學機械工程（chéng）學院，海信冰（bīng）箱公司洗衣機研發部

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