數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，孔露露，徐敬通，李濤，張洪潮
摘要: 切削比能是將機床能耗特性與材料去除結合起來的能耗評估單元，是評價精益生產制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。并對各部分進行詳細建模，然后結合試驗建立XH715 數控銑床的四部分比能模型。對機床固定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，選用大的材料去除率，有利于節能; 對材料切削比能模型結合單因素試驗進行參數影響分析，結果表明，提高材料去除率，尤其是使用大的徑向切深和進給量能更有效的節能。研究結果對機床層切削比能的建立、計算以及對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; 參數分析
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系以及機床能效能力。
近年來，隨著低碳制造及精益生產的興起，為滿足加工能耗計算和低碳制造量化評價的清單數據要求，切削比能已成為必不可少的量化工具。
早在上世紀五六十年代，學術界就開始對切削比能進行研究。孔露露對切削比能展開研究，把其歸結為三個層次的建模: 切削單元層→機床層→工藝層。利用不同的測量方式，在分析不同參數影響下，根據所需建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材料去除率的函數模型，并把機床層的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，為機床的切削比能的研究提供了更好的理論指導。但其只建立了框架模型并指出了機床比能四部分的影響因素，并未對各部分詳細地建模及參數影響進行分析。本文在其框架的基礎上進行詳細研究，通過金屬材料去除能量理論以及機械加工系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 數控銑床的四部分比能模型，并對機床固定比能以及機床操作比能的參數影響展開詳細的分析，并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，研究結果對機床切削比能的研究將具有重要意義。
1、 機床加工比能建模
圖 1 機床切削比能示意圖
1．1 機床固定比能 ef
指在機械加工過程中的機床輔助加工系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系統包括數控系統、液壓系統、冷卻系統、潤滑系統、照明系統、排屑系統及各種外設系統等。其中的換刀系統、裝夾系統等屬間歇動作系統，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決于使用次數以及是否啟用。而包括數控系統、照明系統、風扇系統、潤滑系統、冷卻系統、排屑系統等在內的輔助加工系統，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。引入開關函數進行建模。
2 、基于試驗的加工比能建模
2．1 試驗條件
利用 XH715 數控銑床進行試驗，用硬質合金銑刀對 45#鋼材料 35 × 40 × 110 進行銑削實驗，銑刀直徑16mm，2 齒銑刀，銑削條件為逆銑，冷卻條件為干切，機床實驗在白天進行，關閉照明系統。試驗測試平臺組成結構如圖 2 所示。
圖 2 試驗測試平臺的組成結構
2．2 機床固定比能的建立
機床各輔助系統能耗如表 1 所示。
表 1 機床各輔助系統能耗
2． 3 機床操作比能的建立
根據測定的試驗數據，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繪制如圖 3 所示。從圖 3 中得出當機床主軸電機處于運行第一階段時，即當 0 ＜ n≤1700r /min 時，主軸電機的功率與轉數的增加成正比，其關系擬合為式(24) :
圖 3 主軸電機功率與主軸轉速的關系
當機床主軸轉速處于 1700 ＜ n≤3500r /min 的第二階段時，主軸的電機功率有遞減趨勢，其關系擬合為式(25) :
圖 4 進給電機功率與進給量的關系
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線繪制如圖 5 所示，其關系擬合如下:
圖 5 切削功率和機床載荷損耗功率之間的關系
3、 參數影響分析
機床在進行切削加工時，各部分比能耗比例如圖6 所示。機床層切削比能耗中機床固定比能和機床操作比能占 85% 以上，這部分比能與機床自身結構直接相關.
圖 6 機床各部分比能比例圖
3．1 機床固定比能的參數影響分析
由于機床固定能耗在運行過程中與加工參數選取無關，只與加工過程中所需的輔助子系統的運行與否有關，因此機床固定比能與材料去除率呈嚴格反比關系。在實際生產過程中，在保證加工質量的前提下，盡量選用大的材料去除率更有利于節能。
3． 2 機床操作比能的參數影響分析
機床操作能隨參數選取發生變動，操作比能的變動規律相對復雜，分參數進行解析:
(1) 主軸轉速對機床操作比能的影響由式( 28) 可知，當主軸電機處于第一階段時，轉速升高，機床空載功率隨之增大，對轉速求導，得:
(3) 軸向切深和徑向切深對機床操作比能的影響
這兩個參數對主軸電機空載運轉功率毫無影響，因此這兩個參數基本上是靠影響材料去除率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系。
由此可見，在常用的加工參數范圍內，機床操作比能隨著各參數的取值的增大，逐漸減小。在實際生產中，在保證加工質量的前提下，盡量選用大的切削參數更有利于節能。
3．3 材料切削比能的參數影響分析
在切削系統已確定的情況下，切削參數成為影響切削比能的主要因素。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，徑向切深和進給量。下面利用單因素法，結合徑向銑削力的變化趨勢，研究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削力的影響
由圖 7 可以得出，隨著軸向切深的增加，切削面積也隨著增加，徑向銑削力及切削功率也增加，切削比能呈下降趨勢。
圖 7 軸向切深對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 徑向切深對切削比能的影響曲線
(3) 進給量對切削比能及徑向銑削力的影響由圖 9 可得出，隨著進給量的增大，使得切削面積增加，徑向銑削力不斷增大，切削比能呈減小趨勢，其變化趨勢與軸向切深相似。
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到小，依此是徑向切深，進給量和軸向切深。在實際生產中，在保證加工質量的前提下，盡量選擇大的切削參數。從節能的角度來看，選擇大的徑向切深，合適的進給量和軸向切深更加有利于節能。
3．4 非生產比能的參數影響分析
非生產比能的參數影響分析過于復雜，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維護及清潔處理等維護將可有效降低該部分能量損耗。
4 、結論及展望
本文在前人研究的基礎上，對機床切削比能進行了更為具體的的分類量化建模: 分別建立機床固定比能、機床操作比能、材料切削比能及非生產比能的能量模型。其中前兩部分主要由機床自身結構決定。
并基于試驗建立 XH715 數控銑床的加工比能模型，分別建立該機床在本試驗條件下的 4 個比能模型。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。
并對機床固定比能、操作比能、材料切削比能切削參數影響進行了比較詳細的分析，分析表明提高材料去除率，尤其是選取大的徑向切深和進給量，對降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及指導方法。但尚需展開進一步探究是:
最佳銑刀評價指標的綜合權重為:
最終結果為: 對于葉片榫頭銑刀選擇優化而言，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M15 為葉片榫頭銑削用的最佳加工刀具。在某航空發動機制造企業的葉片榫頭實際生產工作中，論文所優選出的銑刀 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。
3、 結論
航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 、環境影響 E 五個優化目標，并對目標體系中的決策向量進行分解。針對傳統層次分析法很難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了技術支持。實踐證明，基于模糊層次分析法( FAHP)的評價模型和評價算法用于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于刀具優選是可行的和有效的。
來源：大連理工大學 機械工程學院，海信冰箱公司 洗衣機研發部
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