數控機床切削比能建模及其參數影（yǐng）響分析-螺紋加工機（jī）床網-數控機床市場網（wǎng）

您現在的位置：螺紋加工機床網> 技術前沿>數控機床切削比能建模及其（qí）參數影響（xiǎng）分析

數控機床（chuáng）切削比能（néng）建模及其參數影響分析

2018-5-30 來源：轉載作者：陳俊超（chāo），孔露露，徐敬通，李濤，張（zhāng）洪潮

摘要: 切削比能（néng）是將機（jī）床能耗特性與材料去除結合起來的能耗評估單元，是評價（jià）精益生產製造過程中的一個基本概念。通過研究（jiū）將機床的切削比能按照機床能耗應用不同劃分為四部分: 機床固定比能、機床操作比能、材料切削比能和非生產比能。並對各部分進行詳細建模（mó），然後結合試驗建立XH715 數控銑床（chuáng）的四部分（fèn）比能模型。對機床固（gù）定（dìng）比能和機床操作比能模（mó）型的參數影響進行分析，分析結果表明，選用大的材料去除率，有利於節能; 對材料切（qiē）削比能模（mó）型結合單因（yīn）素試驗進行參（cān）數影響分析，結果表明，提高材料去除率，尤（yóu）其（qí）是使用大（dà）的徑向切（qiē）深和進給量能更有效的節能。研究結果對機床（chuáng）層切削比能的建立、計算以及對（duì）整機能耗的預測都有實際的指導意義。

關鍵詞: 銑削; 切削比能（néng）; 參數分析

0 、引言

切削比能（néng）是指去（qù）除單位體積材料所需要（yào）的切削能量，能夠反（fǎn）映切削能耗與材料去除率（lǜ）之間的映射關係以及機床能（néng）效能力。

近年來，隨著低碳製造及精（jīng）益生產的興起，為滿足加工能耗計算（suàn）和（hé）低（dī）碳製造量化評價的清單數據要求，切削比能已成為必不可少的（de）量化（huà）工具。

早在上世紀五六十年代，學術界（jiè）就開（kāi）始對（duì）切削（xuē）比能進行研究。孔（kǒng）露露對切削比能展開研究，把其歸（guī）結為三個層次的建模: 切削單元層→機床層→工藝層。利用不（bú）同（tóng）的測量方式，在分析不同參數影響下，根據所需建（jiàn）模要求可建立不同層次的比能模型。

W Li and S Kara 等通過試驗建立了機床加工比能與（yǔ）材料去除率（lǜ）的函數模型，並把機床層的（de）切削比能按（àn）照機床的（de）能耗應用情況不同細分為四部分: 機床固（gù）定比能，機床操作比能，切削比能以及非（fēi）生產比能。其分類的方法更貼合實際，為機床（chuáng）的切削比能的（de）研（yán）究提供了更好的理論指導。但其隻建（jiàn）立了框架模型並指出了機（jī）床比能四部分的影響（xiǎng）因素，並未對各部分詳細地建模及參數影響進行分析（xī）。本文在其框架的基礎上進行詳細研究，通過（guò）金屬材料去除能（néng）量理論以及機械加工係（xì）統的能量平衡（héng）理論等建立了比較完整的各比能（néng）模型，完善了理論框架。通過試驗建立 XH715 數控銑床的四部分比能模型，並對機床固定比（bǐ）能（néng）以（yǐ）及機床操作比能的參數影（yǐng）響展開詳細的分析（xī），並通過單因素試驗對材料切削比能的三個主要參數進行分析，研究結果對機（jī）床（chuáng）切削比（bǐ）能的研究將具有重要意義。

1、機床加（jiā）工比能建模

圖 1 機床切削比能示意圖

1．1 機床固定比（bǐ）能 ef

指在機械加工過程中的機床輔助加工（gōng）係統能耗分攤到去除單位體積材料上的比能耗.數控機床的輔助加工係統包括數控係統、液壓係統、冷卻係統、潤滑係統、照（zhào）明係統、排屑係統及（jí）各種外設係統等。其中的換刀係統、裝夾係統等屬間歇動作係統，其（qí）單次能耗可視為常數，可通過（guò）現場多（duō）次測試（shì）的方式獲得，在加（jiā）工過程（chéng）中的總能（néng）耗（hào）取決於使（shǐ）用次數以及是否啟用。而包括（kuò）數控係統、照明係統（tǒng）、風（fēng）扇係統、潤滑係統、冷（lěng）卻係統、排屑係統等（děng）在內的輔助加工係統，其功率可視為常量，在使用過程中維持恒定，因此其能耗僅與使用時間及是否使用有關。引入開關函（hán）數進（jìn）行建模。

2 、基於試（shì）驗的加工比能建模

2．1 試驗條件

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

圖 2 試驗測試平台的組成結（jié）構（gòu）

2．2 機床固定比能的建立

機床各輔助係統（tǒng）能耗如表 1 所示。

表（biǎo） 1 機床各輔助係統能（néng）耗

2． 3 機床操作比能的建立

根據測定的試（shì）驗數據，在機床空載（zǎi）運行期間，機床的主軸轉速與主軸電機功率曲線繪製如圖 3 所示（shì）。從圖 3 中得出當（dāng）機床主軸電機處於運行第一階段時，即當 0 ＜ n≤1700r /min 時，主軸電機的功率與轉數的增加（jiā）成正比，其關係擬合為式(24) :

圖 3 主軸電機功率與主（zhǔ）軸轉速的關係（xì）

當機床主軸轉速處（chù）於 1700 ＜ n≤3500r /min 的第二階段時，主軸的電機功率有遞減趨勢，其關係擬合為式(25) :

圖 4 進給電機功（gōng）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（shí）驗（yàn）數據

2．5 機床（chuáng）非生產比能的建立

根據測定（dìng）的試驗數據，機床（chuáng）的切削功率與機（jī）床損耗功率曲線繪製如圖 5 所示，其關（guān）係擬合如下:

圖 5 切削功率和機床載荷損耗功率之間的關係

3、參數影響分析

機床在進行切削加工時（shí），各部分比能耗（hào）比例（lì）如圖6 所示。機床（chuáng）層切削比能耗中機床固定比能和機床操（cāo）作比能占 85% 以上，這部分比能與（yǔ）機床自（zì）身結構直接相關.

圖 6 機床各（gè）部分比（bǐ）能比例圖

3．1 機（jī）床固定比能的參數影（yǐng）響分析

由於機床固定能耗在（zài）運（yùn）行過（guò）程（chéng）中（zhōng）與加工參數選取無關，隻與加工過程中所需的輔助子係統的運行與否有關，因此機床固定比能與材料去除率呈嚴（yán）格反比關係。在（zài）實際（jì）生產過（guò）程中（zhōng），在保證加工質量的前提下，盡量選用大的材料去除率更（gèng）有利於節能。

3． 2 機床操作比能的（de）參數影（yǐng）響分析

機（jī）床操（cāo）作能隨參數選取發生變動，操作（zuò）比能的變動（dòng）規律相（xiàng）對複雜，分參數進行解析:

(1) 主軸轉速對機（jī）床操作比能的影響（xiǎng）由式( 28) 可知，當主軸電機處於第一（yī）階段時，轉速升高，機床空（kōng）載功率隨之增大，對轉速（sù）求導，得（dé）:

(3) 軸向切深和徑向切深對機床操（cāo）作比能的影（yǐng）響

這兩個參數對主軸電機空載運轉（zhuǎn）功率毫（háo）無影響，因此這兩個參（cān）數基本上是靠影響材料去除率而（ér）影（yǐng）響（xiǎng）機床操作比能的。由式(28) 可知機床（chuáng）操作比能與這兩參數基（jī）本呈嚴格反比（bǐ）關係。

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

3．3 材（cái）料切削比能的參數影響分析

在切削係統已（yǐ）確定的情況（kuàng）下，切削參數成為影響（xiǎng）切削比能的主要因素。在單因素試驗過程中，主要考慮影響切削力的三個主要因（yīn）素: 軸向切深，徑向切深和進給量。下麵利用單因素法（fǎ），結（jié）合徑（jìng）向銑（xǐ）削力的變化趨勢，研究（jiū）切削參數對切削比能的影響:

(1) 軸向切深對切削比能及徑向銑（xǐ）削力的影響

由（yóu）圖（tú） 7 可以得出，隨著軸向（xiàng）切深的增加，切削（xuē）麵積也隨著增加，徑向銑削力及切削功率也增加，切削比能呈（chéng）下降趨勢。

圖（tú） 7 軸向切深對切削比（bǐ）能的影（yǐng）響曲線

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

圖（tú） 8 徑（jìng）向切深對切削比能的影響曲線

(3) 進給量對切削（xuē）比能及徑向銑削力的影響由圖（tú） 9 可得（dé）出，隨著進給量（liàng）的增大，使得切削麵積增加（jiā），徑向銑削力不斷（duàn）增大，切削（xuē）比能呈減小趨勢，其變化趨勢（shì）與軸向切深相似。

圖 9 進給量對切削比能的影響曲線

通過對以上單因素（sù）試驗的分析，得出影響切削比能的切削參數按影響程度從大（dà）到小，依此是徑（jìng）向切深，進給量和軸向切深。在實（shí）際生產中，在保證加工（gōng）質量的（de）前提下，盡量（liàng）選擇大的切削參數。從節能的角度來看（kàn），選擇大的徑向切深，合適的進給量和軸向（xiàng）切深更加有利於節能（néng）。

3．4 非生產比能的參數影響分析

非生產（chǎn）比能的參數影響分（fèn）析過於複雜，本文暫時沒有研究，不過在機床使用過程中（zhōng），及時對機床進行潤滑維護及（jí）清潔處理等維護（hù）將可有效（xiào）降低該部分能量損耗。

4 、結論及展望

本文在前人研究的（de）基（jī）礎上，對機床切削比能進行了更為具體（tǐ）的的分類量化建模: 分（fèn）別建立機床固定（dìng）比能（néng）、機床操作（zuò）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（bù）分主要由機床自（zì）身結（jié）構決定。

並基於試（shì）驗建立 XH715 數控銑床的加工比能模型，分別（bié）建立該機床（chuáng）在本試驗條件下的 4 個比能模型。該模型為實際的生產（chǎn）加工時的（de）機床切削（xuē）比能的計算提供（gòng）了指導。

並對機床固定比能、操作比能、材料切削（xuē）比能切削參數影響進行了比較（jiào）詳細的（de）分析，分析表明提高材料去除率（lǜ），尤其是選取大的徑向（xiàng）切深和進給量（liàng），對降低加工能耗有關鍵作用。

為機床切削比能（néng）的計算提供（gòng）了理論基礎及指導（dǎo）方法。但尚（shàng）需展開進一步（bù）探究是:

最佳銑刀（dāo）評（píng）價指標的綜合權重為:

最終結果為: 對於葉片榫頭銑刀選擇優化而言，按照最大隸屬度原則，刀（dāo）具（jù）的優化排序為: 銑刀 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（jì）生產工作中，論文所（suǒ）優選出的銑（xǐ）刀 M15 為企業取得了較好的效益，因此驗證了所提出方法的可行性和有效（xiào）性。

3、結論

航空（kōng）發動機葉片（piàn）榫頭銑（xǐ）削加工銑刀的合理選擇是保證榫頭加工（gōng）質量、提高生產效率的有力保障，論文分析了影響刀具選擇的約束因素，建立了一種兩級結構的多目標（biāo）優選模型，包括加工時間 T 、加工質量 Q 、加工成本 C 、資源消耗 R 、環境影（yǐng）響 E 五個優（yōu）化（huà）目標（biāo），並對（duì）目（mù）標（biāo）體係中的決（jué）策向量進行分（fèn）解。針對傳統層次分析法很（hěn）難（nán）保證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（yōu）化（huà）選擇。通過（guò）對航空發動機葉片榫頭（tóu）銑刀優選案（àn）例的分析研究，解決了傳統（tǒng）方法僅憑單因素（sù）及經驗選擇刀具的缺陷（xiàn）問題，從而為技術工作人員優化選擇刀具提供了技術支持。實踐證明，基於模糊層（céng）次分析（xī）法( FAHP)的評價模型和評價（jià）算法用於航空發動（dòng）機葉片榫頭銑削加工時（shí）銑刀優選是實用的，因此也證明了使用該方（fāng）法用於刀具（jù）優選（xuǎn）是可行的（de）和有效的。

來源：大連理工大學機械工（gōng）程學院（yuàn），海信冰箱公司洗衣機研發部

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推（tuī）薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多