淺析工作狀態(tài)下影響數(shù)控機(jī)床切削能耗的因素分析

伍偉敏 姜如松

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)等方面的不斷發(fā)展，居民生活以及生產(chǎn)力水平得到了極大地提高，就在工業(yè)化進(jìn)程飛速加快當(dāng)中，能源問題越發(fā)嚴(yán)峻，以至于各界人士對節(jié)能減排工作形成了高度重視。其中以我國制造行業(yè)為核心，面對嚴(yán)重能源消耗的現(xiàn)象，做到節(jié)能減排的關(guān)注核心，實際制造企業(yè)生產(chǎn)過程中，最基礎(chǔ)的部分就是機(jī)械加工，那么制造行業(yè)實施節(jié)能減排處理，可以從加工零件方面出發(fā)，構(gòu)件完善的數(shù)控加工計劃，達(dá)到能源節(jié)約利用，高效低耗的加工效果。在接下來的文章中，將站在數(shù)控機(jī)床切削狀態(tài)下，圍繞切削能耗關(guān)鍵因素影響方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，希望能夠給相關(guān)人士提供些許參考依據(jù)。

Abstract： With the continuous development of economy and other aspects， the living and productivity levels of residents have been greatly improved， in the rapid acceleration of the industrialization process， the energy problem is more and more serious， so that people from all walks of life to energy conservation and emission reduction work has formed a high priority. With China's manufacturing industry as the core， facing the serious phenomenon of energy consumption， achieve energy conservation and emissions reduction of focus on the core， actual production in the process of manufacturing enterprises， is the most basic part of machining， the manufacturing industry to implement energy conservation and emissions reduction processing， can set out from the aspects of processing parts， components improve the nc machining program， so as to use， energy saving， efficient and low processing effect. In the following article， will stand in the CNC machine tool cutting state， around the cutting energy consumption key factors have been analyzed in detail， hoping to provide some reference to the relevant people.

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工;工藝流程;切削參數(shù);能耗

Key words： mechanical processing;process flow;cutting parameters;the energy consumption

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0069-02

0? 引言

所謂的數(shù)控機(jī)床切削狀態(tài)，簡單而言，就是在數(shù)控機(jī)床日常操作環(huán)節(jié)當(dāng)中，相關(guān)操作人員結(jié)合專業(yè)的刀具設(shè)備，對毛坯實施針對性處理以后，將零件的狀態(tài)進(jìn)行明顯的調(diào)整。從切削狀態(tài)功率下進(jìn)行研究，主要涵蓋待機(jī)、主軸等多方面的因素。通過較長時間的觀察可以看出，因為材料的性能、刀具特點等根源下，會對數(shù)控機(jī)床切削造成多種方面的影響，當(dāng)然個體的影響因素，期間也存在著必然的關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，行業(yè)人士持續(xù)進(jìn)行了切削功率的研究，大多數(shù)的學(xué)者站在切削力以及參數(shù)等視角下，在長期的分析中已經(jīng)得到了完善的數(shù)據(jù)信息，但是根本上而言，還缺少機(jī)理方面的相關(guān)理論。那么在接下來的內(nèi)容中，主要就是站在金屬材料切削能量消耗機(jī)理方面，對切削能耗影響原因進(jìn)行分析，確定了切削功率與時間兩方面的根源，進(jìn)而提出了一系列的措施，對數(shù)控機(jī)床切削功率模型進(jìn)行了確定以及調(diào)整。

1? 切削能耗建模

站在理論知識角度下，在實際進(jìn)行切削加工處理過程中，其中所使用的較多金屬材料，因為受力情況下，會對其形狀造成一定的影響，最終引發(fā)彈性變形等的問題。伴隨著接下來操作人員長期的加工處理，就會導(dǎo)致過程中有著更加明顯的應(yīng)力，如果到達(dá)了屈服點，面對該種現(xiàn)狀下，其中含有的金屬晶格，那么就會發(fā)生不同程度移動的現(xiàn)象，此時相應(yīng)的作用力也在不斷的增加當(dāng)中，如果鑒于材料斷裂強(qiáng)度值下，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的擠裂問題。與此同時，在進(jìn)行塑性金屬材料切削處理過程中，不管是切削形成的過程還是金屬變形等方面，都與其存在著必然的聯(lián)系[1]。從切削層金屬變形問題下進(jìn)行研究，其中對應(yīng)的區(qū)域可以細(xì)致的分成以下幾個方面：第一，變形區(qū)。在操作人員長時間的加工處理環(huán)節(jié)當(dāng)中，此時的滑移線下，金屬在進(jìn)行一系列的剪切處理過程中就會出現(xiàn)變形的問題，最終會有相應(yīng)形變能的發(fā)生。整個過程最突出的就是較多的耗能現(xiàn)象;第二，鑒于變形區(qū)內(nèi)部下，在長期的排出過程中，因為擠壓性能對切屑造成了很大的影響，直接導(dǎo)致摩擦問題出現(xiàn)后較大摩擦損耗的出現(xiàn)，整個環(huán)節(jié)消耗能耗量巨大;第三，在變形區(qū)當(dāng)中，因為切削刃的摩擦以及擠壓等的制約下，就會導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)一定的威脅。從圖1中可以看出，金屬切削中三個變形區(qū)的分布情況。

與此同時，在實際加工處理環(huán)節(jié)當(dāng)中，還有著很多有關(guān)的功耗，像在負(fù)載的條件下，導(dǎo)致一系列附加荷載損耗等的出現(xiàn)。在上面文章一系列的闡述下，圍繞切削功率消耗問題，可以分成塑性變形功率損耗[2]。

2? 切削狀態(tài)下切削能耗關(guān)鍵因素影響分析

操作人員實際開展數(shù)控機(jī)床加工處理當(dāng)中，先將切削系統(tǒng)加以明確，以后就能夠準(zhǔn)確的定位出影響切削能耗的關(guān)鍵因素，經(jīng)過實際調(diào)查可以看出，最明顯的影響因素就是切削功率與切削參數(shù)。通過上面的內(nèi)容可以看出，從切削能耗下進(jìn)行研究，其中主要涵蓋變形功耗與摩擦功耗兩個方面。在行業(yè)人士長時間的實踐過程中，像變形能耗問題的出現(xiàn)[3]，主要包括切削的寬度、背吃的刀量，而像主軸的轉(zhuǎn)速以及寬度等，都會導(dǎo)致摩擦功耗受到不同程度的影響。深入的研究摩擦功耗，圍繞前刀面功耗的影響因素，主要體現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速與背吃刀量方面。站在后刀面的基礎(chǔ)上，其中主軸轉(zhuǎn)速與切削寬度等，都會對其造成明顯的威脅。

接下來文章將站在切削參數(shù)與能耗的相關(guān)關(guān)系角度下，對切削寬度與切削功率的影響方面加以做出針對性的闡述。操作人員日常處理環(huán)節(jié)當(dāng)中，其中切削寬度（ae）和排除體積之間有著必然的聯(lián)系，如果有著較大的切削參數(shù)值，那么在其持續(xù)增加的狀態(tài)下，也就會導(dǎo)致變形功耗處于長期的增加效果。與此同時，從相應(yīng)的刀與工件接觸面積下予以研究，兩者之間如果有著較大的接觸面積，就會導(dǎo)致之前或者是之后的摩擦功耗出現(xiàn)持續(xù)增加的狀態(tài)下[4]。

從切削寬度下進(jìn)行研究，其寬度處于持續(xù)增加的現(xiàn)象下，那么就會導(dǎo)致去除體積也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，在操作人員將切削參數(shù)處于增加效果下，同樣的會增加塑性變形的功耗，而其中的摩擦功耗中沒有加入背吃刀量（ap）。如果操作人員借助相對鋒利的刀具，那么其中刀面摩擦力功耗情況就會占據(jù)較小的比例，在操作人員將寬度數(shù)據(jù)加以增加以后，相應(yīng)的就會導(dǎo)致塑性變形功耗出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，最為關(guān)鍵的是，也能夠體現(xiàn)出合理化的規(guī)律特點。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同樣增加主軸轉(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。然后相關(guān)人員比較不同參數(shù)增加的比例數(shù)據(jù)，結(jié)合背吃刀量下，如果其小于切削的寬度，那么就會導(dǎo)致背吃刀量產(chǎn)生明顯的影響，而切削寬度與進(jìn)給速度的影響程度較小。處于相反現(xiàn)象下，促使有著不斷減少的比例數(shù)據(jù)，那么對切削寬度的影響最大，然后是主軸的轉(zhuǎn)速等。通過以上的研究可以看出，在數(shù)控機(jī)床切削過程中，對其切削能耗影響部分進(jìn)行了詳細(xì)的研究，在深入的分析過程中，此時就需要工作人員在設(shè)置切削參數(shù)時，那么就必須站在進(jìn)給量、背吃刀量與切削寬度等方面進(jìn)行研究[5]。

針對切削能耗的影響因素，站在切削參數(shù)下進(jìn)行研究，此時就需要相關(guān)人員找出合理化的試驗?zāi)Ｊ揭约傲鞒獭Ｔ趯χ鬏S轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究時，可以參考vc=πdn/1000的公式，而每齒進(jìn)給量根據(jù)vf=nfzz換算。接下來操作人員實施正交試驗處理，可以圍繞主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度與背吃刀量等多個方面下進(jìn)行研究。像研究得出的機(jī)床性能、刀具性能等方面，都是直接的影響根源，在操作人員一系列的操作實驗當(dāng)中，最終得出的切削加工功率與待機(jī)功率之間的差，將各個銑削參數(shù)去除率進(jìn)行全面的總結(jié)，可以通過此指標(biāo)反映出銑削加工效率。工作人員在妥善的分析研究過程中，站在主效應(yīng)的所有數(shù)據(jù)信息下可以得出，對45號鋼的銑削，其中與切削功率與切削量之間存在的不可分割的關(guān)系，在增加的數(shù)據(jù)值基礎(chǔ)上，也會導(dǎo)致切削功率出現(xiàn)相同的問題，那么此時工作人員就可以對參數(shù)加以調(diào)整，做到全面把控切削功率的效果[7]。

通過分析可以得出在操作人員提高的切削功率數(shù)據(jù)以后，接下來就會得到明顯增加的切削面積[8]，為了能夠達(dá)到企業(yè)明顯的切削加工處理目標(biāo)下，工作人員就可以從該點結(jié)論下入手。與此同時，針對切削功率，與塑性變形功耗之間有著正相關(guān)的聯(lián)系。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速的為切削寬度，其次為主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量。從中可以表示，實際機(jī)械加工處理環(huán)節(jié)當(dāng)中，操作人員要想能夠控制好過程中的功耗損失，那么就應(yīng)該從切削寬度與背吃刀量下出發(fā)，做出妥善的調(diào)整與優(yōu)化。在操作人員合理化的優(yōu)化以后，能夠得到很好的優(yōu)化結(jié)果，基本上達(dá)到了功耗把控的標(biāo)準(zhǔn)。總之，機(jī)械制造加工企業(yè)出于控制切削功率的效果下[9]，可以將切削寬度以及背吃刀量維持在最大的范圍下，確定好較小的進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速下，因而實驗范圍內(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)論

簡而言之，面對當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，我國制造行業(yè)要想保持穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢，那么就應(yīng)該積極的調(diào)整過去落后的生產(chǎn)手段，尤其是數(shù)控機(jī)床操作環(huán)節(jié)當(dāng)中，更應(yīng)該凸顯出節(jié)能優(yōu)化的特點。文章站在數(shù)控機(jī)床切削狀態(tài)下切削能耗關(guān)鍵因素影響下，提出了幾點節(jié)能性的加工措施，一方面希望能夠促使數(shù)控機(jī)床加工當(dāng)中有著較小能量消耗問題的基礎(chǔ)上，另一方面也能夠為我國制造行業(yè)盡快實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)打下堅實的基礎(chǔ)[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉博.考慮刀具磨損的機(jī)床能耗建模及多目標(biāo)優(yōu)化方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]周麗蓉.數(shù)控機(jī)床能耗建模與面向能量的加工參數(shù)優(yōu)化[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2018.

[3]孟悅.銑削加工過程能耗建模及工藝參數(shù)優(yōu)化[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

[4]李濤.典型切削機(jī)床能耗模型的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)械工程學(xué)報，2018，50（7）：102-111.

[5]呂景祥.面向低碳制造的數(shù)控機(jī)床能量供給建模研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[6]陳日耀.金屬切削原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：33-36.

[7]郭艷，陳立貴，陶亮，等.基于數(shù)控臥式車床的負(fù)荷試驗方法探析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2018，6（3）：106-107.

[8]宋李俊，潘安大，陳猛，等.基于DE-GPR的數(shù)控機(jī)床切削能耗預(yù)測[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2018（11）：52-57.

[9]趙俊花，李麗，李玲玲，等.面向高效節(jié)能的復(fù)雜曲面分區(qū)數(shù)控銑削加工優(yōu)化方法[J].中國機(jī)械工程，2019（1）：64-71.

[10]賴旭偉，賈苛珍，鄭軍.電火花線切割加工能耗數(shù)據(jù)采集及其特征分析[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報，2018（3）：216-223.