數控機床切削比能（néng）建模及（jí）其參數影響分析-特種加工機床網-數控機床市場網

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數（shù）控機床切（qiē）削比能建模及其（qí）參數影響分析

2018-5-30 來源：轉載作者：陳俊超，孔露露，徐敬通，李濤，張洪潮

摘要: 切（qiē）削比能是將機（jī）床能耗（hào）特性與材料去除結合（hé）起來的能耗評估（gū）單元，是評價精益生產製造過程中的（de）一（yī）個基本概念。通（tōng）過研究將機（jī）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，然後結合試驗建立XH715 數控銑床的四部分比（bǐ）能模型。對機床固（gù）定比能和機床操作比能模型的參數（shù）影（yǐng）響進行分析，分析結果表明，選用大的（de）材料去除率，有利於節能; 對材料切削比能模型結合單因素試驗進行參（cān）數影響分析，結（jié）果表明，提高材料去除率，尤其是使用大的徑向（xiàng）切深（shēn）和進給量能更有效的節能。研究結果對機床層（céng）切削比能的建立、計算（suàn）以及對整機能耗的（de）預（yù）測都有（yǒu）實際的指（zhǐ）導意義。

關（guān）鍵詞: 銑（xǐ）削（xuē）; 切削比能; 參數（shù）分析（xī）

0 、引言

切削比能是指去除單位體積材料所需要的切削能量，能夠反映切削能耗與材料去除率之間的映射關係以及機床能效能力。

近年來，隨（suí）著低（dī）碳製（zhì）造及精益（yì）生產的興起，為滿足加工能耗計算和低碳製造量化評價（jià）的清單數據要求，切削比能已（yǐ）成（chéng）為必不可少的量化工具。

早在上世紀（jì）五（wǔ）六十年（nián）代，學術（shù）界就開始對（duì）切（qiē）削比能進行研（yán）究。孔露露（lù）對切削比能展開研究，把其（qí）歸結為三個層次的建模: 切削單元層→機床層（céng）→工藝層。利用不同的（de）測量方式，在分析不同參數影響下（xià），根（gēn）據所需建模要求可建立（lì）不同層次（cì）的比能模型。

W Li and S Kara 等（děng）通過試驗建立了機床加工比能與材料去除（chú）率（lǜ）的函數（shù）模型，並把機床層的切削比能按照機床（chuáng）的能耗應用情況不同（tóng）細分為四部分: 機床固定比能，機（jī）床操作比能，切削比能以及非生產比能。其分類的方法更貼合實際，為機床的切削比能（néng）的研究提供了更好的（de）理論指導。但其隻建立了框架模型並（bìng）指出了機床比能四部分的影響因素，並未對（duì）各部分詳細地建模及參數（shù）影響進行分析。本文在其框架的基礎上進（jìn）行詳細研究，通過金屬（shǔ）材料去除能量理論以及機械（xiè）加工係統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 數控銑床的四（sì）部分比能模型，並對機（jī）床固定比能以及機床操作比能（néng）的參數影響展開詳細的（de）分析，並通過（guò）單因（yīn）素試驗對材（cái）料切（qiē）削比（bǐ）能的三個主要參（cān）數進（jìn）行分析，研（yán）究結果對機床切（qiē）削比能的研究將具有重要意（yì）義。

1、機床加工比能建模

圖 1 機床切削比能示意圖（tú）

1．1 機床固（gù）定比能 ef

指在機械加工過程中的機床輔助加工係統能耗分攤到去除（chú）單位體（tǐ）積材料（liào）上的比能（néng）耗.數控機床的輔助加工係統包括（kuò）數控係統、液壓係統、冷卻係統、潤滑係（xì）統、照明係（xì）統、排屑係統及各種外設係統等。其中的換刀係統、裝夾係統等屬間歇動作係統，其單次能耗（hào）可視為常數，可（kě）通過現（xiàn）場（chǎng）多次測試的（de）方式（shì）獲得，在加（jiā）工過程中的總能耗取決於（yú）使用次（cì）數以及是否啟用。而包（bāo）括數控係統、照明係統、風扇係統、潤滑係統（tǒng）、冷卻係（xì）統（tǒng）、排屑係（xì）統等在內的輔助（zhù）加（jiā）工係統，其功率可視為常量，在（zài）使用過程中維持恒定，因此其（qí）能耗僅與使用時間（jiān）及是否使用有關。引（yǐn）入開關函數進行建模。

2 、基於試驗（yàn）的加工比能建模（mó）

2．1 試驗條件

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

圖（tú） 2 試驗測試平台的組成結構

2．2 機床固定比（bǐ）能的建（jiàn）立

機床各輔助係統能耗如表 1 所示（shì）。

表 1 機床各輔助（zhù）係統（tǒng）能（néng）耗

2． 3 機床操作比能的建立

根據測（cè）定的試驗數據，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。從圖（tú） 3 中得出當機床主軸電（diàn）機處於運行第一階段時（shí），即當 0 ＜ n≤1700r /min 時，主軸電（diàn）機的功率與轉數的增（zēng）加成正比，其關係擬合為式(24) :

圖 3 主軸電機功率（lǜ）與主軸轉速的關係

當機床（chuáng）主軸轉速處於 1700 ＜ n≤3500r /min 的第二階段時（shí），主軸（zhóu）的電機功率（lǜ）有遞減趨勢，其關係擬合為式（shì）(25) :

圖 4 進給電機功率與（yǔ）進給量的（de）關係

2．4 機床材料切削比能的（de）建立

表 2 銑削實驗數據

2．5 機床非生產比能的建立

根據測定的試驗數據，機床的切削功率與機床損耗功率曲（qǔ）線繪製如圖 5 所示，其關係擬合如下:

圖 5 切削功率和機（jī）床載荷損耗（hào）功率之間的關係

3、參數影響分析

機（jī）床在進行切削加工時，各部分比能耗比（bǐ）例如圖6 所示。機床層切削比（bǐ）能耗（hào）中機床固定（dìng）比能和機床操（cāo）作比（bǐ）能占（zhàn） 85% 以上，這部分比能與機床自（zì）身結構直接相關.

圖（tú） 6 機床各部（bù）分比能比例圖

3．1 機床固定比能的參數影響分析（xī）

由於（yú）機床固定能耗在運行過程（chéng）中與加工參數選取無關，隻與加工（gōng）過程中所需的輔助子係統的運行與否有（yǒu）關，因此（cǐ）機床固定比能與材料去除率呈嚴格反比關係。在實際生產過程中，在保證加工質量的前提下，盡（jìn）量選用大的（de）材（cái）料去除率更有利（lì）於節能。

3． 2 機床操作比能的參（cān）數影響分析

機床操（cāo）作能（néng）隨參（cān）數選取發生變動，操作比（bǐ）能的變動規律相對複雜，分參數進行（háng）解析:

(1) 主軸轉速（sù）對機床（chuáng）操作比能的（de）影響由式( 28) 可知，當主（zhǔ）軸電機處於第一階段時，轉速升高，機床空載功率隨之增（zēng）大，對轉速求導，得:

(3) 軸向切深和徑向切深（shēn）對機（jī）床操作比能的影（yǐng）響

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

由（yóu）此可見，在（zài）常用的（de）加工參數範（fàn）圍內，機床操作比能隨著（zhe）各參數的（de）取值的增大，逐漸減小。在實際生產中，在保證加工質（zhì）量的前提（tí）下，盡量選用大的切削參（cān）數更（gèng）有利於節能（néng）。

3．3 材料切削比能的參數影（yǐng）響（xiǎng）分（fèn）析

在切削係統已確定的情況下，切削參數成為影響切削比能的主要因素（sù）。在單（dān）因素（sù）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，徑向切深和進給量。下麵利（lì）用單因素法，結合徑向銑削（xuē）力的變化趨勢，研究切削參數對切削（xuē）比能的影響:

(1) 軸向（xiàng）切深對切削比能及（jí）徑向銑削（xuē）力的影響

由圖 7 可以得出，隨著軸向切深的增加，切削麵積也隨著（zhe）增加，徑向銑（xǐ）削力及切削功率也增加（jiā），切削比（bǐ）能呈下降趨勢。

圖 7 軸向切（qiē）深對（duì）切削比能的影響曲線

(2) 徑向切深對切削比能及徑向銑削力的影（yǐng）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（néng）呈快速下降趨勢.

圖 8 徑向切深（shēn）對切削比能的影響曲線

(3) 進給量對切削比能（néng）及徑向銑（xǐ）削（xuē）力（lì）的影響由圖 9 可得出，隨著（zhe）進給量的增大，使得切削麵積（jī）增加（jiā），徑向銑削力不斷增大（dà），切削比能呈減小趨勢，其變（biàn）化趨勢與軸向切深相似。

圖 9 進給量對切（qiē）削比能的影響曲（qǔ）線

通過對以上單因（yīn）素試驗的分析（xī），得出影響切削（xuē）比能的切（qiē）削參（cān）數（shù）按影（yǐng）響程度從大到小，依（yī）此是（shì）徑向切深，進給量和軸向切深。在實（shí）際生（shēng）產中，在保證（zhèng）加工質量的前提下，盡量選擇大的切削參數。從節能的角度來看，選擇大的徑向切深，合適的（de）進給量和軸（zhóu）向切深更加有利（lì）於節能。

3．4 非生產比能的參數影響分析

非生產比能（néng）的參數影響分析過於複雜，本文暫時沒有研究，不過在機床使用過程中，及時對機床進行潤滑（huá）維護及清潔處理等維護將可有效降低該部分能量損耗（hào）。

4 、結論及（jí）展望

本文在（zài）前人研究的（de）基礎上，對機床切削比能進行了更為（wéi）具體的的分類量化建（jiàn）模（mó）: 分別建立（lì）機床固定比能、機床（chuáng）操作比（bǐ）能（néng）、材料切（qiē）削比能及非生產比能的能量模型。其中前兩部分主要由機床自身結（jié）構決（jué）定。

並基於試驗建立 XH715 數控銑床的加工比能模型，分別（bié）建立該機床在本試驗條件（jiàn）下的 4 個比能模型（xíng）。該模型為實際的生產加工時的機床切削比能的計算提供了指導。

並對機床固定比能、操作比（bǐ）能、材料切削比能切削參數影響進行了比較詳細的分（fèn）析，分析表明提高材（cái）料去除率，尤其是選取大的徑向（xiàng）切深和（hé）進給量，對降低加工能耗（hào）有關鍵作用。

為機床切削比能的計算提供（gòng）了理論基礎及指導方法（fǎ）。但尚需展開進一步探究是:

最佳銑刀評價指標的綜合權重（chóng）為:

最終（zhōng）結果為: 對於葉片榫頭銑刀選擇（zé）優化而言，按照最大隸屬度原則，刀具的優化排序為: 銑刀 M15 ＞銑刀 SCMT09T308 ＞銑刀 M42 ＞銑刀 W18Cr4V，即銑刀（dāo）M15 為葉（yè）片榫頭銑（xǐ）削用的最佳加工刀具。在某航（háng）空發（fā）動機（jī）製造企業的葉片榫頭實際生產工作中，論文所優選（xuǎn）出的銑刀 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性（xìng）。

3、結論

航空發動機（jī）葉片榫頭銑削加工銑刀的合理（lǐ）選擇是保（bǎo）證（zhèng）榫頭加工質（zhì）量、提（tí）高生產效率的有力保（bǎo）障，論文分析了影響刀具選擇的（de）約束因素，建（jiàn）立了一（yī）種兩級結構的多目標優選模型，包括加工時間 T 、加工（gōng）質量 Q 、加工成本 C 、資源消耗 R 、環境影響 E 五個優化目標（biāo），並對目標體係中（zhōng）的決策向量進行（háng）分解。針對傳統層次分析法很（hěn）難保證判斷矩陣（zhèn）的一致性問題，提出了利用模糊（hú）層次分析法( FAHP) 進行葉片榫頭銑刀的優化選擇。通過對航空發動機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因素及經驗選擇刀具的缺陷問題，從而為技術工作人員優化選擇刀具提供（gòng）了技術支（zhī）持。實踐證明，基於模糊層次（cì）分析法( FAHP)的評價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（yòng）的，因此也證明了使用該方法用（yòng）於刀具優選是（shì）可（kě）行的和有效（xiào）的。

來源：大連（lián）理工大學機械工程學院，海信冰箱公司（sī）洗（xǐ）衣機研發部

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