數控機床切削（xuē）比能建模及其參數影響分析（xī）
2018-5-30 來源：轉載 作者：陳俊超，孔露露，徐敬通，李（lǐ）濤，張（zhāng）洪潮
摘要: 切削（xuē）比能是將機床能耗特（tè）性（xìng）與材料去除結合（hé）起來的能耗評估單元，是評價（jià）精益生產製造過程（chéng）中的一個基本概念。通過（guò）研究將機床的切削比能按照機床能耗（hào）應用不同劃分為四（sì）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。並對各部分進（jìn）行詳細建模，然（rán）後結合試驗建立XH715 數控銑床的四部分比能模型。對機床固定比能（néng）和機床操作比能模型的參數（shù）影響進行分析（xī），分析結果（guǒ）表明，選用大的材料去除率，有利（lì）於節能; 對（duì）材料切削比能模型（xíng）結合單因素試驗進行（háng）參數影響分析（xī），結果表明，提高材（cái）料去除率，尤其是使用大的徑向切深（shēn）和進給量能更（gèng）有效的節能。研究結果對機床層切削比能的建立、計算以及（jí）對整機能耗的（de）預測都有實際的指導意義。
關鍵（jiàn）詞: 銑削; 切削比能; 參數（shù）分析（xī）
0 、引言
切削比能是指去除單位體（tǐ）積材料所需要的切削能量，能夠反映切削能耗與材料（liào）去除率之間的（de）映射關係以及機床能（néng）效（xiào）能力。
近年來，隨（suí）著低碳製造及精益生產的興起（qǐ），為滿（mǎn）足加工能耗計算（suàn）和低碳製造量（liàng）化評價的清單數據要求，切削比能已成為必（bì）不可少的量化工具。
早在上世紀五六十年代，學（xué）術界就開始對切削比能進（jìn）行研（yán）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（dān）元層→機床層→工藝層。利用不同的測量方式（shì），在（zài）分析不同參數（shù）影響下，根據所需建模要求可建立不同層次的比能模（mó）型。
W Li and S Kara 等通過試驗建（jiàn）立了機床加工比能與（yǔ）材料去除率的函數模型，並把（bǎ）機床（chuáng）層的切削比能按照（zhào）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（bǐ）能，切削比能以及非生產比能。其分類的方法更貼（tiē）合實際，為機床的切削比能的研究提供了（le）更好的理論指導。但其隻建（jiàn）立了框架（jià）模型並指出了機床比能四部（bù）分（fèn）的影響（xiǎng）因素，並未對各部分詳細地建（jiàn）模及（jí）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（jī）械加工係統的能量平衡理論等建立了比較完（wán）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（chuáng）的四（sì）部分比能模型，並對機床固定比能以及機床操作比能的參（cān）數影響展開詳細的分析，並通過（guò）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（gōng）比（bǐ）能建模
圖 1 機（jī）床切削比能示意（yì）圖
1．1 機（jī）床固定比（bǐ）能 ef
指在機械（xiè）加工過程中的機床（chuáng）輔助加工（gōng）係統能耗分攤到去除單位體積材料上的比能耗.數控機床的（de）輔助加工係統包括數控係統、液壓係統（tǒng）、冷卻（què）係統、潤滑係統、照明係統、排屑係統及（jí）各種外設（shè）係統等。其中的換（huàn）刀係統、裝夾（jiá）係統等屬間歇動作係統，其單次能耗可視為常數，可通過現場多次測試的方式獲得（dé），在加工過程中的總能耗取決於使用次數以及是否啟用。而包括（kuò）數控係統（tǒng）、照明係統（tǒng）、風扇係統、潤滑係統、冷卻係（xì）統（tǒng）、排屑係統等在內的輔（fǔ）助加工係統，其功率可視為常量，在使用過程（chéng）中維持恒定，因此其能耗僅與使（shǐ）用時間及是否使用有關。引入開關函數進行建模。
2 、基於試驗的加工比能（néng）建模
2．1 試驗條件
利用 XH715 數控銑床進行試驗，用硬質合（hé）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（xǐ），冷（lěng）卻條件為幹切，機床實驗在（zài）白（bái）天（tiān）進行，關閉照明係統。試驗（yàn）測試平台組成結構如圖 2 所示。
圖 2 試驗測試平台的組成結構
2．2 機床固定比能的建立（lì）
機床各輔助係統能耗（hào）如表 1 所示。
表 1 機床各輔助係統能耗
2． 3 機床操作比能的建立
根據（jù）測定的（de）試驗數據，在（zài）機床（chuáng）空載（zǎi）運行（háng）期間，機床的主軸轉速與主（zhǔ）軸電機功率曲線繪製如圖 3 所示。從圖 3 中得出當機床主軸電機處於運行第（dì）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（chéng）正比，其（qí）關（guān）係擬合為式(24) :
圖 3 主軸電機（jī）功（gōng）率與主軸轉速的關係
當（dāng）機床（chuáng）主軸轉（zhuǎn）速處於 1700 ＜ n≤3500r /min 的第二階段時，主軸的電機功率有遞減趨勢，其關係擬合為式(25) :
圖 4 進給電機功率與進給量的關係
2．4 機床材料（liào）切（qiē）削比（bǐ）能的建立
表 2 銑削實驗數據
2．5 機床非（fēi）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製如圖 5 所示，其關係擬合如下:
圖 5 切（qiē）削功率（lǜ）和機床載荷損耗功率之間的關係
3、 參數影響分析
機床在進（jìn）行切削加工時，各部分比能耗比（bǐ）例如（rú）圖6 所示。機床層（céng）切削比（bǐ）能耗中機床固定比能和機床操（cāo）作比能占 85% 以上，這部分比能（néng）與機床自身結構直接相關（guān）.
圖 6 機床各部分（fèn）比（bǐ）能比例圖
3．1 機床固定（dìng）比能（néng）的（de）參（cān）數影響分析
由於機床固定能耗在運行過程中與（yǔ）加工參數選取無關，隻與加（jiā）工過（guò）程中所需的輔助子係統的運行與否有關，因此機床固定比（bǐ）能與材料去除率呈嚴格反比（bǐ）關係。在實際生產（chǎn）過程中（zhōng），在保證加工質量的前提下，盡量選（xuǎn）用大的材料去除率更有利於節能（néng）。
3． 2 機床操（cāo）作比能的參數影響分（fèn）析
機床（chuáng）操作能隨參（cān）數選取（qǔ）發生變動，操作比能的（de）變動規律相對複雜，分參數進行解析:
(1) 主軸轉速對（duì）機床操作比能的影響由式( 28) 可知，當主軸電機處於第一（yī）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（hé）徑向切深對（duì）機床操作比能的影響
這兩個參數對（duì）主軸電機空載運轉功率毫無影響，因此這兩個參（cān）數基本上是靠影響材料去（qù）除率（lǜ）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（chéng）嚴格反比關係。
由此可見，在常用的加工參數範圍內，機床操作比能隨著各參數的取值的增大，逐漸減（jiǎn）小。在（zài）實際生（shēng）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於節能。
3．3 材料切削比能的（de）參數影響分析
在切削係統已（yǐ）確定的（de）情況下，切削參數成為影響切削比能的主要（yào）因素。在單因素試驗過程中，主要（yào）考慮影響切削力的三個主要因素: 軸向切（qiē）深，徑向切深和進給量。下麵利用單因素法，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（qiē）深對切削比能及徑向銑削（xuē）力（lì）的影響
由圖 7 可以得出，隨著軸向切深（shēn）的增加，切削麵（miàn）積也隨著增加，徑向銑削（xuē）力及切削功率也增加，切削比能呈下（xià）降趨勢。
圖 7 軸向切深對切削（xuē）比能的影響曲線
(2) 徑向切深對切（qiē）削比能及徑向銑削力（lì）的影響由圖 8 可以得出，徑向（xiàng）銑削力的增加基本與徑向切深的增（zēng）加（jiā）成正比，切削比能呈（chéng）快速下降（jiàng）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，使得切削麵積（jī）增加，徑向銑削力不（bú）斷增大，切削（xuē）比能呈（chéng）減小趨（qū）勢（shì），其變化趨勢（shì）與軸向切深相似。
圖 9 進給量對切削比（bǐ）能的影（yǐng）響曲線
通過對以上單因素試驗（yàn）的分析（xī），得出影響切削比能的切（qiē）削參數按影響（xiǎng）程度從大到小，依此是徑向切深，進給量（liàng）和（hé）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（zé）大的切削參數。從節能的（de）角度來看，選擇大的徑（jìng）向切深，合（hé）適的進給量和（hé）軸向切深更加有利於節能。
3．4 非生產比能的參數影響分析
非（fēi）生產比能的參數影響分析過於複（fù）雜（zá），本文暫時沒有研（yán）究，不過在機床（chuáng）使用過程中，及（jí）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（zhǎn）望
本文在前人研究（jiū）的基礎上，對機床切削比能進行（háng）了更為具體的的分類量化建（jiàn）模（mó）: 分（fèn）別建立機床固定比能（néng）、機床（chuáng）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（bù）分主要由機床自身（shēn）結構（gòu）決定。
並基於試驗（yàn）建立 XH715 數控銑床的加工比能模型，分別建（jiàn）立（lì）該（gāi）機床在本（běn）試驗條件下的 4 個比能模型。該模型（xíng）為（wéi）實際的生產加工時的機床切削比（bǐ）能的計算提供（gòng）了指（zhǐ）導。
並對機床固定比能、操作比能、材料切削比（bǐ）能切削參數影響進行了比較詳細的分析，分析（xī）表明（míng）提高材料（liào）去除率，尤其（qí）是選取大（dà）的徑向（xiàng）切（qiē）深和進給量，對降低加工能耗有關（guān）鍵作用。
為機床切削比能的計算提供了理論基礎及指導方（fāng）法。但尚需展開進一步探究是:
最佳（jiā）銑刀評價指標的綜合權重（chóng）為:
最終結果為: 對於葉片榫（sǔn）頭銑刀選擇優（yōu）化（huà）而言，按（àn）照最大隸屬度（dù）原則，刀具的優化（huà）排序為（wéi）: 銑（xǐ）刀 M15 ＞ 銑刀 SCMT09T308 ＞ 銑刀 M42 ＞ 銑刀 W18Cr4V，即（jí）銑刀M15 為葉片榫頭銑削用的最佳加工刀具。在某航（háng）空發動機製造企業的葉片榫頭實際生產工作中（zhōng），論文所優選（xuǎn）出的銑刀 M15 為企業取得（dé）了較好（hǎo）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（lǐ）選擇（zé）是保證榫（sǔn）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（lì）了一種兩級結構的多目標優選模型，包括（kuò）加工時間 T 、加工質量 Q 、加（jiā）工成本 C 、資源消耗 R 、環境（jìng）影響 E 五（wǔ）個優（yōu）化目（mù）標，並對（duì）目標體係中（zhōng）的決策向量進（jìn）行（háng）分解。針（zhēn）對傳統層次分析法很難保（bǎo）證（zhèng）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（huà）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（yàn）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，基於模糊層次分析法( FAHP)的評價模型和評（píng）價算法用於航空發（fā）動機葉（yè）片榫頭銑削加工時銑刀優選是（shì）實用（yòng）的（de），因此也證明了使用該方法用（yòng）於刀具優選是可行（háng）的和有效的。
來源：大連理工大學 機械工程學院，海信冰（bīng）箱公司 洗衣機研發部
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