數控機床切削狀態下切削能耗關鍵因素影響分析

彭 磊，陸 燕

（鹽城機電高等職業技術學校，江蘇 鹽城 224000）

數控機床切削狀態是指數控機床在運行過程中，通過刀具切削毛坯形成零件的一種狀態。切削狀態功率由多方面確定，如待機功率、主軸功率、切削功率等。相關研究發現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聯。目前關于切削功率的研究在不斷增加，一些學者在研究過程中從切削力、切削參數相關角度進行分析，取得了重要成果，但沒有從機理角度進行探討，因而還應該進一步研究。本文從金屬材料切削能量消耗機理角度出發，分析影響切削能耗的關鍵因素，即切削功率和切削時間，本文的研究為提出改進的數控機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——瞬時功率，根據表達式分析可知，此變量主要和切削功率、時間有關。

1.1 切削功率模型

切削加工中理論分析可知，金屬材料受力后會產生彈性變形；而在持續加工過程中，其內部的應力不斷的增加，一定程度后達到屈服點，這種條件下金屬晶格產生滑移，而對應的作用力進一步增加，達到材料的斷裂強度情況下則產生擠裂。塑性金屬切削期間對應的切屑形成過程和金屬變形存在密切關系。切削層金屬變形對應的區域可劃分為三個，具體情況如圖1所示，其一為主要變形區，在持續的加工過程中，金屬沿滑移線產生剪切變形，且獲得一定的形變能。在此過程中變形大則對應的耗能多。在第二變形區，切屑在排出過程中受到擠壓而產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-工接觸區摩擦功耗Pfr。在第三變形區，在相應切削刃的擠壓、摩擦作用下，已加工的表面受到影響，對應的功率可基于后刀面刀-工接觸區摩擦功耗Pff確定。

這種加工工過程中，還同時存在其他相關功耗，主要如由于負載因素影響下電機附加載荷損耗λpa和相應變形能損耗pe。根據以上分析可知，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-工接觸區摩擦功耗Pf，包括功耗Pfr和Pff；彈性變形損耗pe等，以下進行具體分析。

理論分析可知這些功率的加和等同于機床的切削功率。這種條件下存在關系式：

（1）工件塑性變形功耗模型

可通過如下的公式計算得到塑性變形功率Pp

（2）刀-工接觸區摩擦功耗模型

實際的加工過程中，消耗摩擦功主要包括:在第二變形區內，滑動過程中對應的摩擦功率；進行理論分析可知，第三變形區內，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系。根據以上論述可知，總摩擦功率Pf可表示為

式中：pfr、pff——對應刀面摩擦功；

（3）切削動能、表面能

可以通過如下表達式得到切削功耗

表面粒子相對于內部粒子相關的能量也就是表面能。實驗研究發現，切削時對應的新表面能耗很低，占比例大約0.01%。在加工過程中除過切屑呈細微粉末切切屑的表面積溶解性，對比分析可知其他的表面能很小，可不用計入。而對延展性材料，彈性應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能相關因素影響。

將切削寬度b看做ae，這種條件下可通過如下的表達式確定出功耗

從年齡結構來看，抽樣調查的結果顯示，在城陽區鄉村旅游的旅游者中，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%。可見這兩個年齡段的旅游者是城陽區鄉村旅游的主要客源市場。而20歲以下的有23人，65歲以上的有19人，分別占9%和7.5%。本文認為青島市的鄉村旅游可在主要客源市場的基礎上，適度開發學生旅游市場和老年人旅游市場。

1.2 加工時間模型

直線加工模式下，切削時間對應公式

粗銑加工時間tcr可通過如下表達式確定

精銑加工時間tcf的表達式

在一定分析基礎上確定出切削能耗模型

2 切削狀態下切削能耗關鍵因素影響分析

在進行機床加工過程中，切削系統確定后，和切削功率和能耗密切相關的因素為切削參數。研究發現其可通過對變形量和摩擦力而產生影響，具體表示為

在以上分析基礎上，確定出切削能耗的主要組成部分為變形功耗、摩擦功耗。根據此方面的經驗可知，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雜，主要如主軸轉速、寬度等。進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速、背吃刀量等。而其中后刀面的影響因素包括主軸轉速、切削寬度等。以下具體論述切削參數和能耗的相關性:切削寬度顯著影響到切削功率。在加工過程中，對應的切削寬度和去除體積存在在相關關系，因而此參數增加后，變形功耗增大；而這種狀態下，對應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，而增加的比例系數為k1apvf+k2nap+k3n的值。

切削寬度的增大和去除體積存在正相關關系，此參數在增加后，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，因而此寬度參數增加后，對應的塑性變形功耗同樣增加，且表現出一定規律性。背吃刀量和此參數也密切相關，對應的比例系數為ae（k1vf+k2n）。

進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性，進給速度增加后，消耗的塑性變形功也會同樣增加。對應比例系數為k1apae。

主軸轉速單純的影響到摩擦功耗，且進行理論分析可知，這部分能耗主要和主軸轉速存在相關性，相關系數為k2aeap+k3ae。

接著對其中各參數增大的比例系數進行對比發現，當切削寬度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，主軸轉速都是影響最小。

在以上分析基礎上，確定出銑削過程中影響切削能耗的影響情況，且進行具體分析，切削參數設計時應該考慮的參數主要包括進給量、背吃刀量、切削寬度。

切削參數對切削能耗的影響研究中，選擇適當的實驗分析方法。主軸轉速可以根據vc=πdn/1000換算確定出，而每齒進給量根據vf=nfzz換算。進行正交實驗時，選擇的因子主要包括主軸轉速n、進給速度vf，背吃刀量ap，在此基礎上進行4因素3水平L9（34）實驗研究。具體分析可知相關影響因素主要包括機床性能、刀具性能，而對應的實驗結果對應于切削加工功率和待機功率之差，確定出各銑削參數下相關的去除率，可以通過此指標反映出銑削加工效率。表1反應出相應的實驗結果情況，在實驗過程中選擇刀具為硬質合金立銑刀，做了平面銑削功率檢測，對相關結果處理，而確定出切削參數對切削功率影響情況，如圖2所示。接著通過相應極差分析法進行分析確定出切削參數和切削功率影響的主次關系。這種分析過程中，一般情況下極差值和對應的影響水平正相關。接著具體分析正交試驗的結果，如表2所示。根據實驗數據進行分析而得到切削功率的主效應圖情況如圖2示。影響因子相應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主效應指標而得到如下的結果：銑削45號鋼情況下，切削功率和切削量密切相關，此參數增加后，而功耗也會同樣的增加。可以適當改進和調節，控制功率在適當的范圍內。在此過程中具體分析發現，功率參數提高后，切削面積也會明顯的增加，可以據此進行適當調節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關系。當主軸轉速＜3000rpm條件下，主軸轉速和切削功率負相關，而高于此參數條件下，二者表現出正相關關系。當進給速度＜300mm/min時，此參數增加過程中，前刀面單位壓力有一定幅度降低。而摩擦因數固定。這種情況下切削功率沒有明顯變化，而在進給速度不斷增加過程中，切削功率增大，相應的線性相關性很明顯。對比分析也可以發現這種情況下，可高效的進行參數調節而滿足加工能耗要求。分析可知此參數增加后對應的每齒進給量增大，而功耗也會同樣的增加。前刀面正應力和摩擦因數刀存在正相關關系，其增加后剪切角變小，這種條件下變形功耗也有所增加。總體上看對于銑削45號鋼切削能耗，影響因素中最明顯的為切削寬度，其次為主軸轉速、背吃刀量。由此分析可知在機械加工過程中，可適當的調節切削寬度或背吃刀量而進行功耗的控制。調節效果更明顯，明顯高于調節主軸轉速的，可更好地滿足功耗相關要求。

表1 切削參數（正交實驗）

表2 切削功率極差統計

表3 切削能耗極差統計

根據以上分析可知，要得到機床加工時切削功率最小的參數值，則應選取大的切削寬度和背吃刀量，較小或適中的進給速度和主軸轉速，因而實驗范圍內最優的工藝參數組合為n=3000,vf=300,ap=2,ae=0.3。

3 結束語

數控機床加工過程節能優化是可持續制造技術研究的重要內容。通過研究數控機床加工過程的能量消耗情況以探索節能降耗的加工策略，進而減少機床加工過程的能量消耗，為生產企業的制造過程實現可持續發展提供技術支撐。