數(shù)控機(jī)床切削狀態(tài)下切削能耗關(guān)鍵因素影響分析

彭 磊，陸 燕

（鹽城機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224000）

數(shù)控機(jī)床切削狀態(tài)是指數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過程中，通過刀具切削毛坯形成零件的一種狀態(tài)。切削狀態(tài)功率由多方面確定，如待機(jī)功率、主軸功率、切削功率等。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)切削功率的影響因素主要包括材料特征、刀具特征等，而這些影響因素間也存在一定關(guān)聯(lián)。目前關(guān)于切削功率的研究在不斷增加，一些學(xué)者在研究過程中從切削力、切削參數(shù)相關(guān)角度進(jìn)行分析，取得了重要成果，但沒有從機(jī)理角度進(jìn)行探討，因而還應(yīng)該進(jìn)一步研究。本文從金屬材料切削能量消耗機(jī)理角度出發(fā)，分析影響切削能耗的關(guān)鍵因素，即切削功率和切削時(shí)間，本文的研究為提出改進(jìn)的數(shù)控機(jī)床切削功率模型提供參考。

1 切削能耗建模

能耗表示為

式中：Pt——瞬時(shí)功率，根據(jù)表達(dá)式分析可知，此變量主要和切削功率、時(shí)間有關(guān)。

1.1 切削功率模型

切削加工中理論分析可知，金屬材料受力后會(huì)產(chǎn)生彈性變形；而在持續(xù)加工過程中，其內(nèi)部的應(yīng)力不斷的增加，一定程度后達(dá)到屈服點(diǎn)，這種條件下金屬晶格產(chǎn)生滑移，而對(duì)應(yīng)的作用力進(jìn)一步增加，達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度情況下則產(chǎn)生擠裂。塑性金屬切削期間對(duì)應(yīng)的切屑形成過程和金屬變形存在密切關(guān)系。切削層金屬變形對(duì)應(yīng)的區(qū)域可劃分為三個(gè)，具體情況如圖1所示，其一為主要變形區(qū)，在持續(xù)的加工過程中，金屬沿滑移線產(chǎn)生剪切變形，且獲得一定的形變能。在此過程中變形大則對(duì)應(yīng)的耗能多。在第二變形區(qū)，切屑在排出過程中受到擠壓而產(chǎn)生很明顯的摩擦而形成摩擦損耗，此階段消耗的功率為前刀面刀-工接觸區(qū)摩擦功耗Pfr。在第三變形區(qū)，在相應(yīng)切削刃的擠壓、摩擦作用下，已加工的表面受到影響，對(duì)應(yīng)的功率可基于后刀面刀-工接觸區(qū)摩擦功耗Pff確定。

這種加工工過程中，還同時(shí)存在其他相關(guān)功耗，主要如由于負(fù)載因素影響下電機(jī)附加載荷損耗λpa和相應(yīng)變形能損耗pe。根據(jù)以上分析可知，這種條件下切削功率消耗可總體上劃分為：塑性變形功率損耗；刀-工接觸區(qū)摩擦功耗Pf，包括功耗Pfr和Pff；彈性變形損耗pe等，以下進(jìn)行具體分析。

理論分析可知這些功率的加和等同于機(jī)床的切削功率。這種條件下存在關(guān)系式：

（1）工件塑性變形功耗模型

可通過如下的公式計(jì)算得到塑性變形功率Pp

（2）刀-工接觸區(qū)摩擦功耗模型

實(shí)際的加工過程中，消耗摩擦功主要包括:在第二變形區(qū)內(nèi)，滑動(dòng)過程中對(duì)應(yīng)的摩擦功率；進(jìn)行理論分析可知，第三變形區(qū)內(nèi)，刀具后刀面磨損明顯增加，在加工過程中刀具后刀面與工件摩擦消耗功率存在密切關(guān)系。根據(jù)以上論述可知，總摩擦功率Pf可表示為

式中：pfr、pff——對(duì)應(yīng)刀面摩擦功；

（3）切削動(dòng)能、表面能

可以通過如下表達(dá)式得到切削功耗

表面粒子相對(duì)于內(nèi)部粒子相關(guān)的能量也就是表面能。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，切削時(shí)對(duì)應(yīng)的新表面能耗很低，占比例大約0.01%。在加工過程中除過切屑呈細(xì)微粉末切切屑的表面積溶解性，對(duì)比分析可知其他的表面能很小，可不用計(jì)入。而對(duì)延展性材料，彈性應(yīng)變能明顯的低于其他的能耗，這種條件下也可不用考慮到切削中切屑動(dòng)能相關(guān)因素影響。

將切削寬度b看做ae，這種條件下可通過如下的表達(dá)式確定出功耗

從年齡結(jié)構(gòu)來看，抽樣調(diào)查的結(jié)果顯示，在城陽區(qū)鄉(xiāng)村旅游的旅游者中，年齡分布主要集中在20歲至44歲之間，有137人，占53.57%，其次是45歲至64歲有77人，占30.1%。可見這兩個(gè)年齡段的旅游者是城陽區(qū)鄉(xiāng)村旅游的主要客源市場(chǎng)。而20歲以下的有23人，65歲以上的有19人，分別占9%和7.5%。本文認(rèn)為青島市的鄉(xiāng)村旅游可在主要客源市場(chǎng)的基礎(chǔ)上，適度開發(fā)學(xué)生旅游市場(chǎng)和老年人旅游市場(chǎng)。

1.2 加工時(shí)間模型

直線加工模式下，切削時(shí)間對(duì)應(yīng)公式

粗銑加工時(shí)間tcr可通過如下表達(dá)式確定

精銑加工時(shí)間tcf的表達(dá)式

在一定分析基礎(chǔ)上確定出切削能耗模型

2 切削狀態(tài)下切削能耗關(guān)鍵因素影響分析

在進(jìn)行機(jī)床加工過程中，切削系統(tǒng)確定后，和切削功率和能耗密切相關(guān)的因素為切削參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)其可通過對(duì)變形量和摩擦力而產(chǎn)生影響，具體表示為

在以上分析基礎(chǔ)上，確定出切削能耗的主要組成部分為變形功耗、摩擦功耗。根據(jù)此方面的經(jīng)驗(yàn)可知，前者的影響因素主要包括切削寬度、背吃刀量，而后者的影響因素更復(fù)雜，主要如主軸轉(zhuǎn)速、寬度等。進(jìn)一步分析可知摩擦功耗中，前刀面的這種功耗影響因素主要為主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量等。而其中后刀面的影響因素包括主軸轉(zhuǎn)速、切削寬度等。以下具體論述切削參數(shù)和能耗的相關(guān)性:切削寬度顯著影響到切削功率。在加工過程中，對(duì)應(yīng)的切削寬度和去除體積存在在相關(guān)關(guān)系，因而此參數(shù)增加后，變形功耗增大；而這種狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)的刀與工件接觸面積大，從而使得前后的摩擦功耗都有一定幅度增加，而增加的比例系數(shù)為k1apvf+k2nap+k3n的值。

切削寬度的增大和去除體積存在正相關(guān)關(guān)系，此參數(shù)在增加后，塑性變形功耗同樣增加，而其中的摩擦功耗中沒有加入背吃刀量。刀很鋒利情況下，后刀面摩擦功占比例低，因而此寬度參數(shù)增加后，對(duì)應(yīng)的塑性變形功耗同樣增加，且表現(xiàn)出一定規(guī)律性。背吃刀量和此參數(shù)也密切相關(guān)，對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)為ae（k1vf+k2n）。

進(jìn)給速度單純的影響到塑性變形功耗，而和摩擦功耗不存在相關(guān)性，進(jìn)給速度增加后，消耗的塑性變形功也會(huì)同樣增加。對(duì)應(yīng)比例系數(shù)為k1apae。

主軸轉(zhuǎn)速單純的影響到摩擦功耗，且進(jìn)行理論分析可知，這部分能耗主要和主軸轉(zhuǎn)速存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為k2aeap+k3ae。

接著對(duì)其中各參數(shù)增大的比例系數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削寬度ae大于背吃刀量ap條件下，ap的影響更明顯，切削寬度ae，進(jìn)給速度其次；而在相反情況下，則ae的影響更明顯，其次為切削寬度ae，主軸轉(zhuǎn)速都是影響最小。

在以上分析基礎(chǔ)上，確定出銑削過程中影響切削能耗的影響情況，且進(jìn)行具體分析，切削參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的參數(shù)主要包括進(jìn)給量、背吃刀量、切削寬度。

切削參數(shù)對(duì)切削能耗的影響研究中，選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)分析方法。主軸轉(zhuǎn)速可以根據(jù)vc=πdn/1000換算確定出，而每齒進(jìn)給量根據(jù)vf=nfzz換算。進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇的因子主要包括主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf，背吃刀量ap，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行4因素3水平L9（34）實(shí)驗(yàn)研究。具體分析可知相關(guān)影響因素主要包括機(jī)床性能、刀具性能，而對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)于切削加工功率和待機(jī)功率之差，確定出各銑削參數(shù)下相關(guān)的去除率，可以通過此指標(biāo)反映出銑削加工效率。表1反應(yīng)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果情況，在實(shí)驗(yàn)過程中選擇刀具為硬質(zhì)合金立銑刀，做了平面銑削功率檢測(cè)，對(duì)相關(guān)結(jié)果處理，而確定出切削參數(shù)對(duì)切削功率影響情況，如圖2所示。接著通過相應(yīng)極差分析法進(jìn)行分析確定出切削參數(shù)和切削功率影響的主次關(guān)系。這種分析過程中，一般情況下極差值和對(duì)應(yīng)的影響水平正相關(guān)。接著具體分析正交試驗(yàn)的結(jié)果，如表2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而得到切削功率的主效應(yīng)圖情況如圖2示。影響因子相應(yīng)的影響水平可通過此圖的斜率確定出。在此分析過程中可基于相應(yīng)主效應(yīng)指標(biāo)而得到如下的結(jié)果：銑削45號(hào)鋼情況下，切削功率和切削量密切相關(guān)，此參數(shù)增加后，而功耗也會(huì)同樣的增加。可以適當(dāng)改進(jìn)和調(diào)節(jié)，控制功率在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。在此過程中具體分析發(fā)現(xiàn)，功率參數(shù)提高后，切削面積也會(huì)明顯的增加，可以據(jù)此進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)而滿足切削加工要求。而塑性變形功耗和切削功率存在正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速＜3000rpm條件下，主軸轉(zhuǎn)速和切削功率負(fù)相關(guān)，而高于此參數(shù)條件下，二者表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)進(jìn)給速度＜300mm/min時(shí)，此參數(shù)增加過程中，前刀面單位壓力有一定幅度降低。而摩擦因數(shù)固定。這種情況下切削功率沒有明顯變化，而在進(jìn)給速度不斷增加過程中，切削功率增大，相應(yīng)的線性相關(guān)性很明顯。對(duì)比分析也可以發(fā)現(xiàn)這種情況下，可高效的進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)而滿足加工能耗要求。分析可知此參數(shù)增加后對(duì)應(yīng)的每齒進(jìn)給量增大，而功耗也會(huì)同樣的增加。前刀面正應(yīng)力和摩擦因數(shù)刀存在正相關(guān)關(guān)系，其增加后剪切角變小，這種條件下變形功耗也有所增加。總體上看對(duì)于銑削45號(hào)鋼切削能耗，影響因素中最明顯的為切削寬度，其次為主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量。由此分析可知在機(jī)械加工過程中，可適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)切削寬度或背吃刀量而進(jìn)行功耗的控制。調(diào)節(jié)效果更明顯，明顯高于調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速的，可更好地滿足功耗相關(guān)要求。

表1 切削參數(shù)（正交實(shí)驗(yàn)）

表2 切削功率極差統(tǒng)計(jì)

表3 切削能耗極差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上分析可知，要得到機(jī)床加工時(shí)切削功率最小的參數(shù)值，則應(yīng)選取大的切削寬度和背吃刀量，較小或適中的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，因而實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為n=3000,vf=300,ap=2,ae=0.3。

3 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床加工過程節(jié)能優(yōu)化是可持續(xù)制造技術(shù)研究的重要內(nèi)容。通過研究數(shù)控機(jī)床加工過程的能量消耗情況以探索節(jié)能降耗的加工策略，進(jìn)而減少機(jī)床加工過程的能量消耗，為生產(chǎn)企業(yè)的制造過程實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。