基于超細(xì)硬質(zhì)合金磨削過(guò)程的機(jī)床能耗研究*

詹友基, 田 笑, 許永超, 賈敏忠

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 福州 350108) (2.福建工程學(xué)院 先進(jìn)制造生產(chǎn)力促進(jìn)中心, 福州 350108)

硬質(zhì)合金是一種由難熔的具有高硬度的金屬碳化物(如WC等)和具有較好韌性的金屬黏結(jié)劑(如Co等)，經(jīng)粉末冶金方法制成的一種復(fù)合材料[1]。在金屬切削、鑿巖采掘、耐磨零件和拉伸模具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為推動(dòng)各行業(yè)發(fā)展不可缺少的材料[2]。與普通硬質(zhì)合金相比，超細(xì)WC硬質(zhì)合金的主要特點(diǎn)是WC晶粒度小(0.2～0.5 μm)，合金缺陷少，使得硬質(zhì)合金的物理機(jī)械性能(硬度、抗彎強(qiáng)度、模量、耐磨性等)增強(qiáng)。在磨削加工時(shí)，超細(xì)硬質(zhì)合金的磨削力和單顆磨粒所承受的磨削力明顯減小，提高其加工后的表面質(zhì)量[1]。硬質(zhì)合金的加工是一個(gè)高能耗過(guò)程，其中磨削能耗主要由輔助能耗和加工能耗組成，輔助能耗在機(jī)床確定后幾乎已經(jīng)確定下來(lái)，那么如何降低磨削加工能耗就成為磨削降耗的突破口。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同的機(jī)床能耗進(jìn)行了深入研究。GUTOWSKI等[3]通過(guò)機(jī)床切削試驗(yàn)，對(duì)機(jī)械加工中的銑削加工、磨削加工等制造過(guò)程建立一系列相關(guān)模型，認(rèn)為機(jī)床在加工過(guò)程中，固定能耗占全部能耗的14.2%，其余為可變能耗。BEHRENDT等[4]提出了一種采用標(biāo)準(zhǔn)工件加工的機(jī)床能耗評(píng)估模型和一種機(jī)床能量消耗測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)程序，對(duì)機(jī)床空載和材料切削過(guò)程的能耗進(jìn)行評(píng)估。YOON等[5]利用響應(yīng)面方法對(duì)輕微磨損和嚴(yán)重磨損下的功率進(jìn)行建模，通過(guò)各種過(guò)程參量對(duì)機(jī)床的總能耗進(jìn)行精確評(píng)估，并進(jìn)行更準(zhǔn)確的磨損狀態(tài)預(yù)測(cè)。劉飛等[6]通過(guò)建立多傳動(dòng)鏈和多時(shí)段能量模型，將各啟動(dòng)時(shí)段能耗和各空載時(shí)段能耗的處理和分析簡(jiǎn)化，從而解決一系列能耗研究、切削參數(shù)工藝優(yōu)化的問(wèn)題。張西成[7]建立了機(jī)床的空載功率函數(shù)，提出了一種用于擬合計(jì)算空載功率函數(shù)的方法，最后獲得了機(jī)床伺服過(guò)程的有效能量。張碩[8]將機(jī)床工藝能耗進(jìn)行了主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、切削液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等不同層次的能耗分類。VELCHEV等[9]提出了一種關(guān)于切削比能和材料去除率改進(jìn)后的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停玫焦に噮?shù)和切削比能的影響關(guān)系，并通過(guò)CNC車削鋼進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。李小水等[10]以鉆削加工工藝為研究對(duì)象，對(duì)鉆削加工時(shí)機(jī)床的各種運(yùn)行狀態(tài)功率、切削比能耗及機(jī)床有效加工能效進(jìn)行了分析。

目前的研究多以車、銑加工工藝為研究對(duì)象，針對(duì)不同的加工工藝與能耗是否存在非線性映射關(guān)系做了大量研究，但是關(guān)于磨削能耗的研究，特別是超細(xì)硬質(zhì)合金加工的能耗研究較少。因此，本研究結(jié)合磨削工藝流程，將磨削能耗進(jìn)行分類，然后從功率角度進(jìn)行磨削各工作階段能耗分析，最后對(duì)磨削參數(shù)對(duì)磨削比能及有效加工能效的影響進(jìn)行研究，來(lái)實(shí)現(xiàn)低能耗磨削加工超細(xì)硬質(zhì)合金。

1 機(jī)床能耗理論分析

1.1 磨削比能模型

磨削比能是指磨床在磨削加工時(shí)去除單位體積被加工工件的總能耗，磨削比能能夠反映材料去除率與磨削能耗之間的影響關(guān)系[11]，常用于產(chǎn)品生產(chǎn)的節(jié)能低碳化評(píng)估。磨削比能越小，說(shuō)明此磨床越節(jié)能[12]。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：es為磨削比能；Ematerial為磨床加工過(guò)程總能耗；V為加工材料去除體積；Pmaterial為磨削總功率；MRR為材料去除率；b為工件寬度；vw為工件進(jìn)給速度；ap為磨削深度。

1.2 磨削有效加工能效模型

磨削有效加工能效為真正磨除材料的磨削能耗或有效磨削功率與磨削加工過(guò)程總能耗或總功率之比值[13]。磨削有效加工能效越高，說(shuō)明整個(gè)磨削加工過(guò)程的能量利用率越大[14]。磨床有效加工能效由公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：η為磨削有效加工能效；Pc為有效磨削功率；Ec為有效磨削能耗。

2 磨削試驗(yàn)條件與方法

在本試驗(yàn)中，砂輪為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪(ZZSM-1022519010304001)，砂輪基體采用鑄造鋁，其直徑ds為200 mm，磨料層寬度為12 mm，金剛石磨料粒度代號(hào)為230/270，濃度為100%。試驗(yàn)工件為超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金GU25UF(廈門金鷺特種合金有限公司)，試樣尺寸為20 mm ×9 mm ×9 mm,力學(xué)性能如表1所示。

磨削試驗(yàn)在精密平面磨床ORBIT 25(BLOHM)上進(jìn)行，功率測(cè)量設(shè)備采用WT330系列功率儀(橫河公司YOKOGAWA)，采樣頻率為100 kS/s。加工過(guò)程中使用切削液，其型號(hào)為嘉實(shí)多9930，試驗(yàn)加工功率測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。

表1 GU25UF的力學(xué)性能

圖1 磨削加工功率測(cè)試平臺(tái)

通過(guò)磨削比能es和磨削有效加工能效η研究磨削參數(shù)對(duì)磨削能耗的影響，共64組試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。表2中有3個(gè)因素，每個(gè)因素有4個(gè)水平，共組成64組試驗(yàn)。

表2 磨削試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磨削工作階段分析

根據(jù)磨削加工工藝過(guò)程，將工作階段分為磨削基本啟動(dòng)、磨削待機(jī)、磨削空載、磨削加工4階段。從啟動(dòng)到結(jié)束得到的不同工作階段功率曲線如圖2所示。圖2中的1為基本啟動(dòng)階段，此過(guò)程包括風(fēng)扇、數(shù)控、氣壓、冷卻、照明等輔助系統(tǒng)啟動(dòng)，此階段穩(wěn)定下來(lái)的平均功率為基本啟動(dòng)功率，得到磨床ORBIT 25基本啟動(dòng)功率Δp1約為263 W。2為數(shù)控系統(tǒng)完全開啟前的一小段時(shí)間差。3為磨床磨削加工前和磨削加工后的待機(jī)運(yùn)行階段，此過(guò)程中完全開啟磨床輔助系統(tǒng)，此時(shí)穩(wěn)定下來(lái)的平均功率為磨床待機(jī)運(yùn)行功率，得到磨床ORBIT 25待機(jī)運(yùn)行功率Pstand約為768 W，則Δp2為505 W。4為磨床空載運(yùn)行階段，此階段與磨削參數(shù)有關(guān)。5為磨床加工運(yùn)行階段，此階段也是磨床有效工作過(guò)程。6為關(guān)閉數(shù)控系統(tǒng)過(guò)程的運(yùn)行時(shí)段，部分功能已經(jīng)關(guān)閉，比待機(jī)時(shí)功率低。其中Δp3為主傳動(dòng)系統(tǒng)功率和進(jìn)給系統(tǒng)功率之和，Δp4為有效磨削加工功率。主軸啟動(dòng)和停止、上磁和卸磁、安全檢測(cè)時(shí)，功率雖然突然變化較大，但時(shí)間極短，不作考慮。

圖2 OBRIT 25 磨削加工不同工作時(shí)段的功率曲線圖

3.2 磨削各工作階段功率分析

將各工作階段功率占總功率的比值取平均值，得到功率分布圖如圖3所示。

圖3 磨削加工各運(yùn)行狀態(tài)功率分布圖

磨床空載和有效磨削的功率占比如圖4所示?？蛰d占92%，有效加工8%。為了實(shí)現(xiàn)磨削過(guò)程的降耗，應(yīng)盡量減少空載運(yùn)行時(shí)間。

圖4 空載運(yùn)行功率和有效磨削功率占比圖

3.3 磨削參數(shù)對(duì)磨削比能es的影響

當(dāng)vw固定為12 mm/s時(shí)，不同ap條件下的不同vs對(duì)es的影響如圖5所示。由圖5可以看出：同一ap條件下，隨著vs的不斷增大，es呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)。這是由于vs的增大，導(dǎo)致最大未變形切屑厚度減小，材料塑性去除增加，因此es增加。從磨削功率的角度分析，當(dāng)vw和ap一定時(shí)，去除材料的時(shí)間為一定值，單位時(shí)間內(nèi)去除材料量為定值，又由公式(1)知，此時(shí)es與磨削總功率成正比，vs增大導(dǎo)致Pmaterial緩慢增大，因此es緩慢增大。

圖5 不同磨削深度ap下vs 對(duì)磨削比能es的影響

當(dāng)vs= 15 m/s時(shí)，不同ap條件下的不同vw對(duì)es的影響如圖6所示。由圖6可以看出：同一ap條件下，隨著vw的不斷增大，es不斷減小。vw增大導(dǎo)致最大未變形切屑厚度的增大，材料脆性去除增大，es減小。若從磨削功率的角度分析，當(dāng)vw不斷增大時(shí)，在相同ap下，由于MRR不斷增大，磨削所需時(shí)間不斷減小，因此Ematerial下降，導(dǎo)致es減小。

當(dāng)vw為24 mm/s時(shí)，不同vs條件下的不同ap對(duì)es的影響如圖7所示。es隨著ap的不斷增大而不斷減小，且對(duì)vs的變化不敏感。ap增大導(dǎo)致最大未變形切屑厚度增大，材料脆性去除增大，es減小。若從磨削功率的角度分析，在磨削加工時(shí)間不變的前提下，ap的增大伴隨著去除材料量的增大，所以es減小。

圖6 不同磨削深度ap下vw對(duì)磨削比能es的影響

圖7 ap對(duì)磨削比能es的影響

以上結(jié)果證明：es隨vs的增大而增大，但變化幅度較?。浑Svw、ap的增大而減小。與參考文獻(xiàn)[15]對(duì)比可知，與普通硬質(zhì)合金相比，GU25UF的es有所降低。這主要是因?yàn)閃C顆粒小的硬質(zhì)合金Co層厚度小，Co對(duì)WC的黏結(jié)性能減小，把持力下降，磨削力減小，磨削能量減小，因此es減小。

機(jī)床es的主效應(yīng)圖如圖8所示。當(dāng)ap= 20 μm，vw=48 mm/s，vs=15 m/s時(shí)，es均值最小。利用回歸分析方法，發(fā)現(xiàn)對(duì)es的影響是vw>ap>vs。

3.4 磨削參數(shù)對(duì)磨削有效加工能效η的影響

當(dāng)vw固定為24 mm/s時(shí)，不同ap條件下的不同vs對(duì)η的影響如圖9所示。由圖9可以看出：同一ap條件下，隨著vs的增加，η不斷增大。這是由于vs的不斷增大，去除材料所需能耗在Ematerial中的占比也不斷增大，η不斷增大。

圖8 es主效應(yīng)圖

圖9 vs對(duì)η的影響圖

vs固定為15 m/s時(shí)，不同ap條件下的不同vw對(duì)η的影響如圖10所示。由圖10可以看出：同一ap條件下，η隨著vw的不斷增大而不斷增大。由于磨削總功率增大的部分是去除材料功率和空載運(yùn)行功率，當(dāng)進(jìn)給速度vw增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的空載功率勢(shì)必增大，但空載功率的增幅占總功率的增幅率不大。vw增大，MRR增大，該部分去除材料的能耗占Ematerial部分增大，使得η變大。

圖10 vw對(duì)η的影響圖

當(dāng)vw為24 mm/s時(shí)，不同vs下的不同ap對(duì)η的影響如圖11所示。由圖11可以看出：同一ap條件下，η隨ap的增大而增大。這是由于空載功率主要由vs和vw決定。固定vs和vw，則空載功率基本保持不變。在vw不變的前提下，去除材料的總時(shí)間不變。ap的增大導(dǎo)致MRR增大，此部分能耗在Ematerial的占比也不斷增大，使得η不斷增大。以上結(jié)果證明：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，η隨ap、vw和vs的增大而增大。

圖11 ap對(duì)η的影響圖

機(jī)床η的主效應(yīng)圖如圖12所示。當(dāng)ap= 20 μm，vs= 30 m/s ,vw= 48 mm/s時(shí)，η最大。利用回歸方法，發(fā)現(xiàn)對(duì)η的影響是ap>vs>vw。

圖12 η主效應(yīng)圖

4 結(jié)論

(1)結(jié)合磨削各工作階段的相應(yīng)功率值，分析各磨削工作階段的功率比值，發(fā)現(xiàn)減少磨削空載時(shí)間有利于磨削過(guò)程的節(jié)能降耗。

(2)與普通硬質(zhì)合金相比，超細(xì)硬質(zhì)合金具有更小的es，且es隨磨削深度ap和工件進(jìn)給速度vw的增大而減小，隨砂輪線速度vs的增大而增大。其中工件進(jìn)給速度vw對(duì)磨削比能es的影響最大，磨削深度ap次之，砂輪線速度vs最小。為達(dá)到最低的es，最優(yōu)參數(shù)組合為ap= 20 μm ，vs= 15 m/s，vw= 48 mm/s

(3)磨削有效加工能效η隨磨削深度ap、工件進(jìn)給速度vw和砂輪線速度vs的增大而增大。其中磨削深度ap對(duì)磨削有效加工能效η的影響最大，砂輪線速度vs次之，工件進(jìn)給速度vw最小。為達(dá)到最高的η，最優(yōu)參數(shù)組合為ap= 20 μm ，vs= 30 m/s，vw= 48 mm/s。