PVC/鈣粉/木纖維復合材料銑削時的機床能量利用率

董偉航，胡勇，田廣軍，邱學海，郭曉磊*

(1. 南京林業大學材料科學與工程學院，南京 210037；2. 博深普銳高(上海)工具有限公司，上海 201316)

木塑復合材料(wood-plastic composite，WPC)是由木纖維/木粉和熱塑性塑料混合制成的復合材料[1]，廣泛應用于家具制造業，如裝飾板、欄桿、覆層、壁板以及窗戶和門框等[2]。WPC具有極高的抗腐蝕能力，且制造成本低，是一種可回收的環保綠色材料[3]，憑借優越的力學性能，WPC的使用率和市場份額都在逐漸增加[4]。在WPC銑削加工過程中，提高機床能量利用率能有效地降低生產成本，進一步提高機床節能減排的性能。因此，提高機床能量利用率是現今WPC銑削加工的主要研究方向之一[5]。目前，國內外學者已針對機床能量利用率做了一些研究，李小水等[6]對鉆削時機床各種運行狀態功率、鉆削能耗和機床有效加工能效(η)進行了正交分析，發現較大的進給量與鉆削速度能提高機床能量利用率。詹友基等[7]在磨削超細硬質合金時發現，機床有效加工能效隨著砂輪線速度、工件進給速度和磨削深度的增大而增大，較大的工件進給速度和磨削深度可以提高機床能量利用率。Bhushan[8]認為通過優化切削速度、進給速度、切削深度和刀具直徑，可以最大限度地延長刀具壽命并減少加工復合材料時的切削能耗，進而提高機床能量利用率。

在WPC銑削加工時，有學者通過降低刀具和加工材料的摩擦來降低機床加工時的能量損耗[9-12]，而作為影響機床能量利用率和機床功率重要因素的銑削參數卻鮮有報道，需進一步研究銑削參數對機床能量利用率和機床功率的影響規律。

筆者通過PVC/鈣粉/木纖維復合材料銑削試驗，研究了木塑復合材料銑削時的主軸轉速(n)、銑削深度(h)、刀具前角(γ)和后刀面磨損(VB)對機床功率與機床有效加工能效的影響規律，并以最高機床有效加工能效為優化目標進行正交分析，得出最佳銑削參數，以期為WPC銑削加工時提高機床能量利用率和降低生產能耗提供理論依據。

1 機床能量利用率分析

1.1 銑削過程中的功率曲線分析

在數控機床銑削加工時，主軸電機輸出功率包括主軸空載功率(Pair)、銑削功率(Pcut)、附加載荷功率(Padd)和輔助功率(Pf)。東莞市南興家具裝備制造股份有限公司生產的MGK01高速木材復合加工中心在主軸轉速8 000 r/min、銑削深度1.0 mm、刀具前角6°、后刀面磨損0.1 mm(后刀面磨損帶寬度為0.1 mm)時的機床運行狀態與功率變化曲線如圖1所示。

圖1 機床運行狀態與功率變化曲線Fig. 1 Curve of machine operation state and power change

從圖1中可以看出，機床在運行時可分為機床啟動狀態、待機狀態、主軸電機啟動狀態、自動對刀狀態、主軸空載狀態和銑削加工狀態。其中，機床啟動狀態、待機狀態、主軸電機啟動狀態和自動對刀狀態時損耗的功率由機床型號和結構決定，在銑削加工時基本不變；主軸空載狀態時電機空轉和進給損耗的功率為空載功率，當主軸轉速和進給速度保持不變時，空載功率保持恒定。銑削加工狀態時去除工件損耗的功率為銑削功率，是衡量能耗的重要參數；附加載荷損耗功率是由主軸電機和機械傳動部分在銑刀銑削工件時產生的附加電損和機械消耗所損耗的功率，附加載荷損耗功率無法直接測得[13]。有學者在研究中發現附加載荷損耗功率極小[14]，這也被筆者在試驗中證實。因此，附加載荷損耗功率可忽略不計。空載功率和銑削功率組成了機床銑削時的主軸總功率(Ptotal)，如式(1)所示，而總功率與空載功率可通過功率分析儀從機床控制箱內直接采集，因此，銑削功率可由式(1)直接求出。

Ptotal=Pair+Pcut

(1)

1.2 機床有效加工能效

機床有效加工能效是指數控機床在銑削加工時完全用于材料去除時的銑削能耗與主軸總能耗的比值，常用η表示。機床有效加工能效越高，表明機床銑削過程中能量利用率越高[15]。機床有效加工能效可由式(2)得出：

(2)

式中：Ecut為機床銑削能耗；Etotal為機床主軸總能耗；t1、t2為機床銑削材料的開始和終止時間。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與設備

PVC/鈣粉/木纖維復合材料DP-9由安徽科居新材料有限公司生產，試樣尺寸為200 mm×100 mm×8 mm。試件材料配比(質量分數)為：PVC52.60%、鈣粉15.78%、木纖維15.78%、阻燃劑5.26%、發泡調節劑3.16%、ACR(丙烯酸酯類核殼結構抗沖擊改性劑)2.63%、其他4.79%。試件物理力學性能為：含水率0.61%、密度0.81 g/cm3、靜曲強度20.2 MPa、沖擊韌性9.2 kJ/m2、尺寸穩定性0.35%、吸水厚度膨脹率0.06%。

MGK01高速木材復合加工中心，機床主軸電機最大功率為8.1 kW，主軸轉速最高為24 000 r/min，東莞市南興家具裝備制造股份有限公司；AN87300高精度三相功率分析儀，青島艾諾智能儀器有限公司；硬質合金單刃直刃柄銑刀，刀具直徑為12 mm，楔角固定為45°，博深普銳高(上海)工具有限公司。

2.2 試驗方法

銑削加工功率測試平臺如圖2所示。在銑削過程中，柄銑刀以直線銑削的方式銑削木塑復合材料邊部，同時使用功率分析儀采集銑削前后的機床主軸電機功率曲線。每組銑削試驗重復采集3次功率曲線后取均值。

圖2 銑削加工功率測試平臺Fig. 2 Milling power test platform

2.3 試驗設計

采用單因素試驗研究銑削參數對機床功率的影響規律，銑削參數如表1所示。

表1 單因素試驗參數Table 1 Single factor experimental parameters

通過正交試驗對機床有效加工能效進行分析，試驗因素和水平如表2所示。為貼近實際生產，單因素試驗與正交試驗都在進給速度為5 m/min條件下進行。

表2 銑削正交試驗因素及水平Table 2 Orthogonal experimental factors and levels of milling

3 結果與分析

3.1 主軸轉速分析

當柄銑刀前角為6°、后刀面磨損為0.1 mm、銑削深度為1 mm時，機床各種功率和有效加工能效隨主軸轉速的變化趨勢見圖3。圖3中的誤差棒反映了每次銑削時機床各種功率的波動情況。機床各種功率在經過3次算數平均計算后與實際功率基本一致，說明機床每次銑削的過程比較穩定，采集的功率信號沒有被機床振動與外界環境干擾。從圖3中可以看出，當主軸轉速為6 000～10 000 r/min時，隨著主軸轉速的逐漸增大，機床總功率、空載功率和銑削功率都明顯增大，而機床有效加工能效卻明顯減小。這是因為隨著機床主軸轉速增大，主軸電機電流損耗增加，同時，電機轉動的機械摩擦變大，從而使機床空載功率和銑削功率隨之增大。此外，機床主軸轉速增大會直接引起每齒進給量(fz)變小，由于進給速度不變，單位時間內材料的去除體積減小，導致在銑削過程中材料的去除能耗在機床總能耗中的占比減少，從而使機床有效加工能效隨主軸轉速增大而減小。

圖3 機床功率和有效加工能效隨主軸轉速的變化Fig. 3 Machine power and effective machining energy efficiency of machine tool with spindle speed

3.2 銑削深度分析

當柄銑刀前角為6°、后刀面磨損為0.1 mm、機床主軸轉速為8 000 r/min時，機床各種功率和有效加工能效隨銑削深度的變化趨勢見圖4。從圖4中可以看出，當銑削深度為0.5～1.5 mm時，隨著銑削深度的逐漸增大，機床總功率和銑削功率明顯增大，而機床有效加工能效同樣有增大趨勢。這是因為當電機主軸轉速保持不變時，機床空載功率基本不變，隨著銑削深度的增大，切削力也隨之增大，而銑削功率直接受切削力的影響，因此，銑削功率也隨之增大。銑削深度增大會造成單位時間內材料的去除體積變大，導致在銑削過程中材料的去除能耗在機床總能耗中的占比增加，從而使機床有效加工能效隨銑削深度增大而增大。

圖4 機床功率和有效加工能效隨銑削深度的變化Fig. 4 Machine power and effective machining energy efficiency of machine tool with milling depth

3.3 刀具前角分析

當柄銑刀后刀面磨損為0.1 mm、機床主軸轉速為8 000 r/min、銑削深度為1 mm時，機床各種功率和有效加工能效隨刀具前角的變化趨勢見圖5。從圖5中可以看出，在刀具前角為2°～10°時，隨著刀具前角的逐漸增大，機床總功率和銑削功率逐漸降低,而機床有效加工能效也逐漸減小。這是因為隨著刀具前角的增大，切向力(Fz)和徑向力(Fy)都逐漸減小，且切向力的影響明顯大于徑向力[16]，切削力的逐漸減小導致銑削功率的減小。從圖5中可以看出，銑削功率的變化趨勢明顯大于機床總功率，在銑削過程中使材料的去除能耗在機床總能耗中的占比增加，導致機床有效加工能效隨刀具前角增大而減小。

圖5 機床功率和機床有效加工能效隨刀具前角的變化Fig. 5 Machine power and effective machining energy efficiency of machine tool with tool rake angle

3.4 后刀面磨損分析

當柄銑刀前角為6°、機床主軸轉速為8 000 r/min、銑削深度為1 mm時，機床各種功率和有效加工能效隨后刀面磨損變化趨勢見圖6。從圖6中可以看出，在后刀面磨損為0.1～0.3 mm時，隨著后刀面磨損逐漸增大，機床總功率和銑削功率逐漸增加,而機床有效加工能效也明顯增大。這是因為隨著后刀面磨損增大，刀具刃口圓弧半徑增大；同時，刀具前、后刀面變粗糙，刀具與工件接觸面積與摩擦增大，造成切削力增大，銑削功率也隨之增大。后刀面磨損增大還會導致在銑削過程中材料的去除能耗在機床總能耗中的占比增加[17]，從而使機床有效加工能效隨后刀面磨損增大而增大。

圖6 機床功率和有效加工能效隨后刀面磨損的變化Fig. 6 Machine power and effective machining energy efficiency of machine tool with flank wear

3.5 機床有效加工能效正交分析

不同刀具前角、主軸轉速、銑削深度下的機床有效加工能效正交試驗分析結果見表3。極差(R)代表不同因素的均值Ki最大值與最小值之差，R值越高表示該因素對機床有效加工能效影響越大；均值Ki代表各個因素不同水平的機床有效加工能效平均值，Ki值越大表明該因素下該水平機床有效加工能效越高，機床能量利用率也越高。從表3種可以看出，Rh>Rγ>Rn，因此，銑削深度對機床有效加工能效影響最大，刀具前角次之，主軸轉速最小。當刀具前角為2°、主軸轉速為8 000或10 000 r/min、銑削深度為1.5 mm時，其Ki值都為各個因素不同水平下的最高值。

表3 不同刀具前角、主軸轉速、銑削深度下的機床有效加工能效正交分析結果Table 3 Results of the orthogonal analysis of effective machining energy efficiency of machine tool under different rake angles, spindle speeds and milling depths

本研究使用方差分析來研究各個因素的顯著性。不同刀具前角、主軸轉速、銑削深度下的機床有效加工能效方差分析見表4，顯著性水平(α)設置為0.05，當方差分析得到的F小于Fα時就可判斷該因素對結果是不顯著的。從表4中可以看出，Fγ、Fn和Fh都小于Fα，因此，刀具前角、主軸轉速、銑削深度在本試驗所選因素水平范圍內對機床有效加工能效的影響都是不顯著的。

表4 不同刀具前角、主軸轉速、銑削深度下的機床有效加工能效方差分析Table 4 Variance analysis of effective machining energy efficiency of machine tool under different rake angles, spindle speeds and milling depths

由表3可知，由于刀具前角、主軸轉速、銑削深度在本試驗所選因素水平范圍內對機床有效加工能效的影響都是不顯著的。根據極差分析驗證試驗，當主軸轉速為8 000 r/min時，機床有效加工能效為0.122 6；而主軸轉速為10 000 r/min時，機床有效加工能效為0.122 1。因此，刀具前角為2°、主軸轉速為8 000 r/min、銑削深度為1.5 mm時為最優銑削參數，即銑削加工時機床有效加工能效和機床能量利用率最高。

4 結 論

1)當主軸轉速為6 000～10 000 r/min時，隨著主軸轉速增大，機床總功率、空載功率和銑削功率都明顯增大，機床有效加工能效逐漸減小，機床能量利用率降低。

2)當銑削深度為0.5～1.5 mm、后刀面磨損為0.1～0.3 mm時，隨著銑削深度和后刀面磨損的增大，空載功率基本保持不變，機床總功率和銑削功率明顯增大，機床有效加工能效逐漸增大，機床能量利用率上升。

3)當刀具前角為2°～10°時，隨著刀具前角增大，空載功率基本保持不變，機床總功率和銑削功率明顯減小，機床有效加工能效逐漸減小，機床能量利用率降低。

4)在所選的銑削參數范圍內，銑削深度對機床有效加工能效影響最大，刀具前角次之，主軸轉速影響最小。刀具前角2°、主軸轉速8 000 r/min、銑削深度1.5 mm為最優銑削參數，機床有效加工能效和機床能量利用率最高。