面向比能耗的磨削加工建模及工藝參數分析

嚴 燦 梁 龍 畢仁貴

（吉首大學物理與機電工程學院，湖南湘西416000）

1 數控磨床磨削比能耗模型的建立

為了更加詳細地描述數控磨床開機、加工、停止等整個磨削加工不同階段的功率值，將數控磨床能耗系統簡化為如圖1所示的四種運行狀態及每種狀態包含的不同機械系統，將簡化的每個系統歸納到數控磨床不同運行狀態的功率之中，數控磨床加工時采用各個系統單項順序啟動的方式，由此建立數控磨床能耗模型。

圖1 數控磨床各狀態組成圖

根據上文數控磨床簡化的四種運行狀態，將數控磨床磨削加工總能耗Et（t）（單位：J）分解為基本啟動能耗Eb（t）（單位：J）、待機運行能耗Es（t）（單位：J）、空載運行能耗Ee（t）（單位：J）、磨削加工能耗Eg（t）（單位：J），則數控磨床能耗模型可表示為：

其中，基本啟動能耗Eb（t）是數控磨床啟動之后維持基本運轉所消耗的能量，包括的機械系統有數控、PLC控制、液壓、冷卻等系統。

待機運行能耗Es（t）是在數控磨床啟動平穩之后開啟其他輔助系統所消耗的能量，包括的機械系統有潤滑、照明、清潔等系統。

空載運行能耗Ee（t）是數控磨床在待機運行狀態平穩之后，依次開啟主軸電機以及進給驅動電機后所消耗的能量，包括的機械系統有主傳動、進給傳動等系統。

磨削加工能耗Eg（t）是數控磨床在空載運行狀態達到平穩之后，去除被加工工件材料以達到加工精度要求時所消耗的能量，包含有磨床實際用于去除被加工工件材料所消耗的能量與在加工過程中產生的附加載荷損耗。

磨削加工比能耗eg是指數控磨床在磨削加工時去除單位體積被加工工件材料時所消耗的能量。比能耗反映數控磨床的節能程度，其值越小所對應工藝參數應用于數控磨床實際生產中越節能。

由上文分析及定義可建立磨削加工比能耗模型：

2 實驗研究與工藝參數分析

2.1 實驗設計

本文采用MGK7120×6/F型數控平面磨床加工45號鋼，工件尺寸為55 mm×14 mm×20 mm，磨削加工時采用乳化液冷卻潤滑。設計全面的實驗方法，選取砂輪線速度、工件進給速度、磨削深度為實驗因子，根據磨床及砂輪技術指標確定因子水平。

2.2 工藝參數對磨削加工比能耗的影響規律分析

2.2.1 砂輪線速度vs對磨削加工比能耗的影響規律

工件進給速度vw為2 150 mm/min時數控平面磨床加工比能耗隨砂輪線速度vs變化的規律如圖2所示。由圖可知，隨著vs的增加，不同磨削深度的加工比能耗都會出現小幅度增大。這是由于當工件進給速度及砂輪磨削深度保持不變，即單位時間內材料去除率為固定值時，隨著砂輪線速度vs的增加，單顆磨粒最大切屑厚度減小，又因工件為塑性材料，磨削加工過程中塑性劃痕增加，導致磨削比能耗增加。

2.2.2 工件進給速度vw對磨削加工比能耗的影響規律

砂輪線速度vs為15.71 m/s時數控平面磨床加工比能耗隨工件進給速度vw變化的規律如圖3所示。由圖可知，隨著工件進給速度vw的增加，不同磨削深度的加工比能耗都會出現明顯減小的趨勢。這是因為工件進給速度vw增大，磨削加工去除材料體積增大，單位時間內材料去除率增大，從而單顆磨粒磨削厚度增加，工件材料更多地以大量級的形式被磨削加工去除，因此可大大降低去除被加工工件材料時所消耗的能量，磨削比能耗降低。

圖2 不同砂輪線速度對磨削加工比能耗的影響規律（vw=2 150 mm/min）

圖3 工作臺進給速度對磨削加工比能耗的影響曲線（vs=15.71 m/s）

2.2.3 磨削深度ap對磨削加工比能耗的影響規律

工件進給速度vw為2 150 mm/min時數控平面磨床加工比能耗隨磨削深度變化的規律如圖4所示。由圖可知，磨削比能耗隨著磨削深度ap的增加而減小。這是因為磨削深度ap增大，磨削加工去除材料體積增大，單位時間內材料去除率增大，從而單顆磨粒最大磨削厚度增加，工件材料塑性劃痕較少，大部分以脆性去除的方式被加工或剝落脫離，因此工件材料去除時所需的能量得到很大程度降低，磨削比能耗降低。

圖4 磨削深度對磨削加工比能耗的影響曲線（vw=2 150 mm/min）

3 結論

（1）數控磨床加工過程中能量流動與消耗復雜多變，不同的加工狀態對應著不同的能量消耗，同一加工狀態下不同的磨削參數對應著不同的磨削能耗，從而導致數控磨床磨削比能耗不同，磨床在加工過程中的節能程度不同。本文基于數控磨床能量消耗特性建立了數控磨床能耗模型以及磨削比能耗模型。

（2）數控磨床磨削比能耗與砂輪線速度呈正相關關系，而與工件進給速度及磨削深度呈顯著的負相關關系。生產實際中，可通過改變工件進給速度或磨削深度來降低機床比能耗，以實現實際加工中的低耗生產。