基于響應面法的環網柜接線套管干切削工藝參數優化研究

陳志強，江朝加，張愉，陳浩，茍于江，何高輝，何輝波

(1.國網重慶市電力公司市區供電分公司，重慶 400015；2.西南大學工程技術學院，重慶 400100)

0 前言

環網供電技術是實現城鄉電力系統穩定、可靠供電的重要保障。環網柜作為電力設備中一種新型配電設備，它集測量、通信、控制、保護等功能于一體，主要用于對輸變電系統中高電壓直流或交流、磁和感應等各類不同電壓等級的線路進行電能轉換，具有功能完善、結構簡單以及操作方便等優點[1]。目前，國內電網系統中10 kV環網柜大多采用環網柜接線套管，主要與歐式前接頭相連，可顯示母線帶電狀態。該套管會因電力負荷過載、溫度過高等諸多環境因素而在其表面產生細微裂痕、燒蝕痕跡等，導致套管絕緣強度下降、電力系統產生安全隱患，影響環網柜的正常運行，甚至造成引起電力故障、電網停運，當地居民、工業、商業的供電情況可能都會受到較大影響[2]。

目前，國內外針對電網系統中環網柜接線套管的修復工作研究的較少，我國電力系統中套管出現燒蝕、裂痕現象影響環網柜的正常運行時，通常采用更換或人工打磨的方式進行修復，這類方式雖然能有效避免放電現象的產生，但經濟支出較大、人工效率低等問題較為顯著。

干切削是一種無需使用任何切削液的綠色加工方式，不僅可減少對環境的污染，而且可有效降低成本，是一種重要的現代切削加工方式，而切削力是反映切削加工過程的重要因素[3-4]。國內外關于切削力的研究很多，如余浪等人[5]設計了三因素四水平的正交試驗，研究了不同刀具對D840車輪材料切削力的影響，并通過試驗驗證了切削力預測模型與試驗結果的一致性；YUE 等[6]采用AlCrN和TiAlSiN涂層刀具對30CrMnSi鋼進行了干切削試驗，結果表明：AlCrN涂層刀具的切削力和切削溫度均低于TiAlSiN涂層刀具。

目前，國內外關于切削性能的研究較多[7-9]，但采用干切削修復表面損傷裝置的研究相對較少。本文作者采用未涂層、TiAlCrN涂層、TiAlSiN涂層3種刀具，通過單因素試驗方法探究切削速度、進給量、背吃刀量對切削力的影響規律；同時基于單因素的試驗結果，選用TiAlSiN涂層刀具進行正交試驗，通過建立回歸模型、方差分析和響應面分析，得到最優切削參數組合，最后通過試驗驗證優化結果與試驗結果的一致性。該研究可為干切削修復環網柜接線套管提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設備

此試驗采用的環網柜接線套管(如圖1(a)所示)為干切削試驗工件材料，型號DJTG-12/630，耐壓電壓10 kV，顏色為棕色；其主要組成材料為環氧樹脂，具有良好的機械性能和電氣性能，主要用于電力系統歐式電纜分接箱、環網開關柜以及為歐式630A前、后接頭提供線路接口，也可連接帶電指示器及顯示母線電路帶電狀態。

圖1 切削工件及切削刀具

試驗機床為沈陽第一機床廠生產的普通臥式車床CA6140A，主電機功率為7.5 kW，最大加工直徑為400 mm，最大加工長度為900 mm，主軸轉速為10～1 400 r/min。以切削力F(切向力Fc、軸向力Ff、徑向力Fp)為性能評價指標，分別采用未涂層與2種涂層刀具進行單因素試驗，未涂層刀具為YT15硬質合金車刀，涂層刀具為TiAlCrN、TiAlSiN，型號均為T31605F，工件及刀具實物如圖1所示；刀具幾何參數見表1，工件尺寸大小如圖2所示；采用重慶迪佳科技有限公司生產的SDC-L3M型應變式切削力傳感器和DJ-CL-1型三向力線性放大器來檢測切削力，切削力測量系統簡圖如圖3所示。

表1 刀具主要幾何參數 單位：(°)

圖2 環網柜接線套管工件尺寸

圖3 切削力測量系統

1.2 試驗方法

在CA6140A車床上采用未涂層與涂層刀具對環網柜接線套管工件進行干切削試驗，首先運用單因素試驗法，通過改變切削用量(切削速度v、進給量f、背吃刀量ap)分別研究未涂層與TiAlCrN、TiAlSiN涂層刀具對切削力的影響規律；然后基于單因素的試驗結果，選定性能最優的TiAlSiN涂層刀具，運用Box-Behnken中心組合試驗方法，以切削速度v、進給量f、背吃刀量ap為試驗因素，以切向力Fc、軸向力Ff、徑向力Fp為評價指標，設計三因素三水平正交試驗，研究TiAlSiN涂層刀具在不同切削用量下對三向切削力的影響，正交試驗因素水平方案見表2；同時建立回歸模型，并進行方差分析和響應面優化，得到最優切削參數組合；最后對最優切削參數進行試驗驗證，以此評價優化參數的合理性。

表2 正交試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 切削力影響分析

(1)切削速度對切削力的影響

保持進給量f=0.12 mm/r、背吃刀量ap=0.5 mm不變，僅改變切削速度v的情況下對工件進行切削性能試驗，測得的切削力的變化如圖4所示。

圖4 切削速度對切削力的影響

由圖4可知：隨著切削速度的增加，三向切削力出現不同的變化趨勢。切向力中未涂層刀具呈現緩慢下降趨勢，這是由于切削速度增大，切削過程產生的熱量使工件材料表面軟化，使其強度和硬度下降，導致切削力減小；而TiAlCrN、TiAlSiN涂層刀具切削速度增大，切削力均出現緩慢上升的趨勢，原因是涂層刀具降低了切削溫度，在切削速度逐漸增大的過程中，受刀尖磨損導致切向力緩慢增大。此外，軸向力和徑向力均隨切削速度的增大而增大，主要原因是切削速度的增加使得刀尖磨損加速、工件表面層硬化以及機床-工件-刀具所組成的系統剛性不足所致[10]。

切向力是三向切削力中的主切削力，是評判刀具切削性能的重要參考指標[11]。在3種刀具中，切向力從大到小依次為：未涂層刀具、TiAlCrN涂層刀具、TiAlSiN涂層刀具。當切削速度為42.22 m/min時，未涂層刀具切向力最大，其值為155 N；切削速度增大為120.64 m/min時，切向力降為最小值，其值為133 N。TiAlSiN、TiAlCrN兩種涂層刀具切向力相較未涂層刀具均有較大程度的降低，其主要原因是涂層刀具中的Cr、Al等元素在高溫下容易形成Cr2O3、Al2O3等氧化物附著在刀具表面，增強其抗氧化性，使得涂層刀具的硬度、韌性較高[12]，導致切削工件時刀具的磨削程度較低，因此切削力較小。

(2)進給量對切削力的影響

保持切削速度v=75.40 m/min、背吃刀量ap=0.5 mm不變，僅改變進給量f的情況下對工件進行切削性能試驗，切削力的變化如圖5所示。

圖5 進給量對切削力的影響

由圖5可知：隨著進給量的增加，三向切削力均呈現出逐漸增大的變化趨勢，具有很好的一致性，進給量對三向切削力的影響程度(差值變化)依次為：切向力<軸向力<徑向力。其中，切向力雖然隨進給量增大而增大，但并不成比例增加，其原因是進給量不斷增大使切削的厚度增大，切削層面積也會增大，導致切削力變大，但切屑變形系數和摩擦因數的減小導致切削力并不成倍增加[13-14]。而隨著進給量的增加，軸向力和徑向力逐漸增大的原因主要是切削時消耗的功率增大和已加工表面附著的切屑殘留對刀具施加擠壓力所致[15]。

由圖5可知：TiAlSiN涂層刀具的切向力最小，其次是TiAlCrN涂層刀具，切向力最大的是未涂層刀具。并且涂層刀具的切向力和軸向力也低于未涂層刀具。其原因主要是涂層刀具能夠有效提升刀具表面的硬度、抗氧化性以及抗磨損性能，進一步說明涂層刀具可以有效降低切削力，提高刀具的切削性能。

(3)背吃刀量對切削力的影響

保持切削速度75.40 m/min、進給量f=0.12 mm不變，僅改變背吃刀量ap的情況下對工件進行切削性能試驗，切削力的變化如圖6所示。

圖6 進給量對切削力的影響

由圖6可知：隨著背吃刀量的增加，切向力和軸向力均呈現先上升后緩慢下降的變化趨勢，而徑向力則一直呈現下降趨勢。根據切削力理論公式：

Fc=τsapf(1.4ξ+C)

(1)

式中：Fc為切向力；τs為工件材料的剪切屈服強度；ap為背吃刀量；f為進給量；ξ為切屑變形系數；C為與前角γ0有關的系數[16]。

由公式(1)可知：在其他參數不變的情況下，切向力與背吃刀量同比增加，但當背吃刀量超過一定數值區間時，背吃刀量與切向力會呈現非線性關系[17]。在圖6(a)中，當背吃刀量在0.5～1.5 mm內變化時，切向力與背吃刀量近似成比例增加，而背吃刀量超過1.5 mm時，切向力下降，與背吃刀量呈現非線性變化。軸向力同樣呈現先增大后減小的趨勢，其原因是軸向上的切削面積增大使抗力增加導致軸向力增大[18]，而超過一定值后同徑向力呈下降趨勢，主要原因可能是切削溫度變大使切削力降低，且軸向、徑向方向上存在摩擦力、應力影響的緣故[19]。

由圖6可知：3種刀具的三向切削力的變化趨勢基本一樣，TiAlSiN、TiAlCrN涂層刀具的切向力均小于未涂層刀具，說明涂層刀具可降低切削力，提高切削性能。

綜合單因素試驗結果可知：通過改變切削用量，刀具的切削力變化趨勢不同，涂層刀具的主切削力明顯低于未涂層刀具；改變切削速度、進給量時，TiAlSiN涂層刀具主切削力最小；改變背吃刀量時，TiAlCrN涂層刀具主切削力最小。通過對比觀察工件表面，TiAlSiN涂層刀具比TiAlCrN涂層刀具切削后的工件表面質量、粗糙度性能更優。因此，選定TiAlSiN涂層刀具進行正交試驗研究。

2.2 正交試驗結果分析

(1)回歸模型建立與方差分析

根據Box-Behnken試驗設計原理設計三因素三水平正交試驗[20]，試驗方案包括17個試驗點，試驗方案及結果如表3所示。

表3 試驗方案及結果

運用Design-Expert11軟件對表3中的試驗結果進行方差分析，建立三向切削力與各試驗因素之間的回歸模型，結果如表4所示。

表4 回歸模型的方差分析

由表4可知：切向力、軸向力、徑向力的模型顯著性P值均小于0.05，表明回歸模型顯著。失擬項P值均大于0.05，表明回歸方程擬合度高；決定系數R2值分別為0.984 6、0.988 5、0.913 5，說明模型擬合度較好，可用該模型代替真實試驗結果進行試驗預測分析。各因素對切向力影響顯著性大小為：背吃刀量ap>進給量f>切削速度v；各因素對軸向力影響顯著性大小為：背吃刀量ap>進給量f>切削速度v；各因素對徑向力影響顯著性大小為：進給量f>背吃刀量ap>切削速度v。

Fc=7.87-0.69v-1 286.55f+203.95ap-2.23vf-0.11vap+273.81fap+0.007v2+

(2)

Ff=-13.05-0.23v-2 457.36f+395.32ap-1.70vf-0.10vap+630.95fap-0.005v2+

(3)

Fp=-73.46-0.26v-1 546.75f+408.19ap-0.80vf-0.55vap+184.52fap-0.005v2+

(4)

剔除模型不顯著項，對模型Fc、Ff、Fp進行優化后得：

Fc=7.87-1 286.55f+203.95ap+273.81fap+

(5)

Ff=-13.05-2 457.36f+395.32ap+

(6)

(7)

(2)交互因素對切削性能影響規律分析

為清晰、直觀地分析切削力與切削用量之間的關系，應用Design-Expert11軟件分析得到交互因素影響的響應曲面，如圖7所示。

圖7 交互因素對切向力、軸向力和徑向力的影響

切削速度、進給量、背吃刀量交互因素對切向力影響的響應面曲線見圖7(a)—(c)。從圖7(a)可以看出：在同一切削速度下，隨著進給量的增大，切向力呈逐漸增大的曲線變化，同一進給量下，切向力隨著切削速度的增大而緩慢增大；從圖7(b)可以看出：在同一切削速度下，切向力隨背吃刀量的增大而增大，同一背吃刀量下，切向力隨切削速度的增大呈先緩慢減小后逐漸增大的曲線變化；從圖7(c)可以看出：在同一進給量下，切向力隨背吃刀量的增大呈先上升后逐漸緩慢上升的曲線變化，同一背吃刀量下，切向力隨進給量的增大呈先減小后快速增大的趨勢變化。

切削速度、進給量、背吃刀量交互因素對軸向力影響的響應面曲線見圖7(d)—(f)。從圖7(d)可以看出：同一切削速度下，軸向力隨進給量的增加呈逐漸增大的趨勢變化，同一進給量下，軸向力隨切削速度的增大而增大；從圖7(e)可以看出：在同一背吃刀量下，軸向力隨切削速度的增大而緩慢增大，同一切削速度下，軸向力隨背吃刀量的增大呈先增大后逐漸減小的曲線變化；從圖7(f)可以看出：在同一進給量下，軸向力隨背吃刀量的增大呈先增大后減小的趨勢變化，同一背吃刀量下，軸向力隨進給量的增大呈先緩慢減小后增大的趨勢變化。

切削速度、進給量、背吃刀量交互因素對徑向力影響的響應面曲線見圖7(g)—(i)。從圖7(g)可以看出：同一切削速度下，徑向力隨進給量增加而緩慢增加，同一進給量下，軸向力隨切削速度增大呈現出平穩的趨勢變化；從圖7(h)可以看出：在同一背吃刀量下，徑向力隨切削速度的增大而緩慢增大，同一切削速度下，徑向力隨背吃刀量的增大呈先增大后減小的趨勢變化；從圖7(i)可以看出：在同一進給量下，徑向力隨背吃刀量的增大呈先增大后緩慢減小的趨勢變化，同一背吃刀量下，徑向力隨進給量的增大而逐漸增大。

3 參數優化與驗證試驗

3.1 參數優化

為了獲得TiAlSiN涂層刀具的最佳切削加工性能，必須使切削過程的三向切削力盡可能小。由于各因素對切削力的影響不一致，需要進行全局多目標優化。以切向力、軸向力、徑向力最小為目標函數，對切削速度、進給量、背吃刀量3個試驗因素進行優化設計，優化約束條件為

(8)

基于以上優化約束條件尋求最佳參數組合，綜合考慮3個因素對切削力的影響規律，利用Design-Expert11的中心組合響應曲面設計(Central Composite Design，CCD)對模型進行優化求解。得到最優參數組合為：切削速度94.589 m/min、進給量0.097 mm/r、背吃刀量0.501 mm，此時刀具切向力為11.75 N、軸向力為34.80 N、徑向力為19.53 N。

3.2 驗證試驗

為了驗證模型預測的準確性，采用上述參數進行驗證性試驗。為了便于切削加工的實際應用，對優化參數進行適當圓整，設置切削速度為95 m/min、進給量為0.10 mm/r、背吃刀量為0.5 mm，試驗重復3次取平均值，預測值與真實值對比如表5所示。

表5 試驗預測值與真實值對比

試驗結果表明：最優參數組合條件下，切向力為12.5 N、軸向力為33.5 N、徑向力為20 N；切向力、軸向力和徑向力真實值與預測值的相對誤差分別為6.38%、3.74%、2.4%，真實值與預測值較為吻合，說明該參數優化模型可靠。

4 結語

(1)采用單因素試驗法研究了未涂層、TiAlCrN涂層、TiAlSiN涂層3種刀具對環網柜接線套管三向切削力的影響規律，結果表明：涂層刀具的切削力低于未涂層刀具，綜合考慮工件表面質量，TiAlSiN涂層刀具對環網柜接線套管的切削修復性能最優。

(2)采用TiAlSiN涂層刀具結合Box-Behnken試驗設計方法建立了以切向力、軸向力、徑向力為響應指標的二次回歸模型，通過對模型交互作用及響應曲面分析，得出了背吃刀量、進給量和切削速度對相應指標的影響變化規律。

(3)應用 Design-Expert11軟件對所建立模型進行優化求解，得到切削性能最優參數組合為：切削速度94.589 m/min、進給量0.097 mm/r、背吃刀量0.501 mm，此時刀具切向力為11.75 N、軸向力為34.80 N、徑向力為19.53 N。驗證試驗的結果表明：試驗真實值與優化結果較為吻合，驗證了優化結果的準確性，可為環網柜接線套管干切削修復加工工藝優化提供參考。