不銹鋼銑削中機(jī)床比能預(yù)測模型

于碩，趙國勇，李春霄，徐雙，鄭志富

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255000)

0 前言

在全球工業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，“綠色制造”逐漸成為制造業(yè)發(fā)展的趨勢。數(shù)控機(jī)床應(yīng)用廣泛，但同時(shí)存在加工能耗大、效率低、加工周期長等問題。選擇合理的切削參數(shù)以降低加工能耗、提高加工效率是亟需研究的熱點(diǎn)問題。目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者對于數(shù)控機(jī)床的能耗問題已有較為深入的研究。GUTOWSKI等[1]設(shè)計(jì)了車削實(shí)驗(yàn)探究數(shù)控機(jī)床加工過程能耗構(gòu)成，將機(jī)床能耗劃分為固有能耗和可變能耗。針對固有能耗，LI等[2]通過監(jiān)測不同制造工藝機(jī)床待機(jī)功率，分析機(jī)床固有能耗來源，提出通過優(yōu)化機(jī)床組件配置和給定組件功率的方法降低固有能耗的優(yōu)化策略；周麗蓉等[3]通過研究機(jī)床從啟動(dòng)、預(yù)熱到正常待機(jī)狀態(tài)的功率變化，提出了分段函數(shù)模型來描述機(jī)床待機(jī)能耗。針對可變能耗，ZHAO等[4]建立了凈去除比能與切削參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并分析切削參數(shù)和刀具磨損對可變能耗的影響規(guī)律；王秋蓮和劉飛[5]分析能量源與加工狀態(tài)的關(guān)聯(lián)特性，建立了數(shù)控機(jī)床多源能量流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，為預(yù)測加工過程可變能耗提供了依據(jù)；DRAGANESCU等[6]通過鋁合金工件端面銑削實(shí)驗(yàn)，采用響應(yīng)面分析法建立了機(jī)床可變能耗與切削參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，得到銑削加工中最佳節(jié)能參數(shù)。上述研究中建立的能耗與切削參數(shù)關(guān)系模型，不僅能在生產(chǎn)中高效評定能耗，對于機(jī)床的節(jié)能設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值[7]。以上數(shù)學(xué)模型大多基于易切削材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。XU等[8]通過研究304不銹鋼在銑削過程中表面粗糙度以及切削力的變化，探究工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律。李小水等[9]通過監(jiān)測HT200灰鑄鐵鉆削加工中不同階段功率的變化，得到工藝參數(shù)對切削比能的影響規(guī)律。

本文作者以難加工材料304不銹鋼銑削能耗為研究對象，建立考慮刀具磨損的機(jī)床比能模型?；谔锟诜ㄔO(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，以驗(yàn)證模型的有效性，同時(shí)分析切削參數(shù)和刀具磨損對機(jī)床比能的影響規(guī)律。研究結(jié)果為實(shí)際生產(chǎn)中難加工材料切削參數(shù)的選擇提供參考。

1 機(jī)床比能模型建立

切削比能是評價(jià)機(jī)床效率和加工能耗的重要指標(biāo)?，F(xiàn)有切削比能研究可概括為兩方面：

(1)建立切削比能與材料去除率的關(guān)系模型。例如：KARA和LI[10]建立切削比能與材料去除量的關(guān)系模型，對實(shí)際生產(chǎn)制造過程的能耗進(jìn)行更準(zhǔn)確的評估；LI等[11]建立切削比能與材料去除率和主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系模型，并通過中碳鋼銑削試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(2)建立切削比能與加工參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，分析切削參數(shù)對加工能耗的影響規(guī)律。例如：李聰波等[12]通過優(yōu)化比能與工藝參數(shù)的關(guān)系模型，得出高效節(jié)能銑削的最優(yōu)切削參數(shù)組合；張洪潮等[13]根據(jù)切削力的經(jīng)驗(yàn)公式，建立切削比能與切削參數(shù)的指數(shù)模型，并對參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行細(xì)化分析；謝東等人[14]提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測切削比能的方法，并使用遺傳算法尋優(yōu)節(jié)能參數(shù)；王德超等[15]通過45鋼干銑削正交試驗(yàn)驗(yàn)證切削比能預(yù)測模型，通過多目標(biāo)優(yōu)化比能和表面粗糙度得到低能耗、高質(zhì)量的最優(yōu)切削參數(shù)。

本文作者在現(xiàn)有切削比能數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合難加工材料的能耗規(guī)律，建立機(jī)床比能與切削參數(shù)的關(guān)系模型，以定量分析難加工材料切削過程的總能耗。將機(jī)床比能分為兩部分：與負(fù)載無關(guān)的待機(jī)比能耗FSEC；與負(fù)載相關(guān)的去除材料比能耗TSEC。FSEC如式(1)所示：

(1)

式中：Efixed為機(jī)床待機(jī)時(shí)段總能耗，J；VMR為銑削過程去除材料體積，mm3；RMR為材料去除率，mm3/s；t為銑削加工時(shí)間，s；Pidle和Pcool分別為機(jī)床待機(jī)功率和冷卻系統(tǒng)功率，W；兩部分功率與加工過程的參數(shù)變化無關(guān)，因此視為常數(shù)A；vf為進(jìn)給速度，mm/min。vf與fz的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

式中：Z為銑刀齒數(shù)；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；d為銑刀刀柄直徑，mm。

針對與負(fù)載相關(guān)的去除材料比能耗TSEC，類比車削三要素與比能的指數(shù)關(guān)系，銑削中比能耗與銑削參數(shù)也呈指數(shù)關(guān)系，如式(3)所示：

(3)

式中：B、b、c、d、e、k為系數(shù)。

選擇銑削深度ap(mm)、銑削寬度ae(mm)、每齒進(jìn)給量fz(mm)、銑削速度vc(m/min)和銑刀片主后刀面磨損值VB(mm)作為模型的輸入，根據(jù)比能的定義計(jì)算機(jī)床比能MSEC(J/mm3)，如式(4)所示：

(4)

2 數(shù)控銑削試驗(yàn)

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田口法設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，選擇銑削深度ap、銑削寬度ae、銑削速度vc和每齒進(jìn)給量fz4個(gè)參數(shù)作為可控因素，根據(jù)硬質(zhì)合金銑刀半精加工不銹鋼材料的切削用量范圍，確定各參數(shù)水平，得到正交試驗(yàn)表如表1、表2所示。

表1 切削參數(shù)及水平

表2 L16(44)正交試驗(yàn)表及模型擬合結(jié)果

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與數(shù)據(jù)采集

選擇304奧氏體不銹鋼塊(50 mm×50 mm×30 mm)進(jìn)行平面半精干銑削試驗(yàn)，銑削加工如圖1所示，材料成分如表3所示。加工設(shè)備為某機(jī)床廠生產(chǎn)的VMC650E數(shù)控加工中心，機(jī)床參數(shù)如表4所示。采用WT500功率分析儀采集數(shù)控加工中心銑削過程中功率和能量信號，并使用配套軟件WTViewerEfree進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用式(5)計(jì)算試驗(yàn)所得機(jī)床比能MSEC(J/mm3)。刀具選用直徑25 mm的可轉(zhuǎn)位直角立銑刀(TAP400R-2525-160)，使用單個(gè)京瓷硬質(zhì)合金刀片(APMT1604PDER-KZ)進(jìn)行銑削加工，刀具參數(shù)如表5所示。使用RTP120粗糙度測試儀測量每組試驗(yàn)加工后工件表面粗糙度，確保加工過程中工件表面粗糙度小于0.8 μm。用高清數(shù)碼顯微鏡(500×)測量銑刀片主后刀面磨損量VB，取試驗(yàn)前后兩次測量的VBa和VBb的平均值作為該組試驗(yàn)的后刀面磨損值VB1。

表3 材料成分

表4 機(jī)床參數(shù)

表5 刀具參數(shù)

圖1 銑削加工示意

(5)

式中：ΣPW為功率分析儀采集的每個(gè)數(shù)據(jù)更新周期內(nèi)正負(fù)有功功率總和，W·h；N為積分時(shí)間的采樣計(jì)數(shù)；u(n)和i(n)分別為第n次電壓和電流的測量值；T為采樣過程總時(shí)間，h。

3 機(jī)床比能模型預(yù)測

3.1 機(jī)床比能模型擬合及驗(yàn)證

根據(jù)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對式(4)所述模型進(jìn)行非線性擬合(Z=1，d=25 mm)。采用決定系數(shù)R2作為評價(jià)指標(biāo)來評定模型的擬合程度，模型擬合結(jié)果如式(6)所示。得到機(jī)床比能模型的R2為99.3%，將R2調(diào)整到98.7%。擬合結(jié)果如圖2所示，方差分析如表6所示。采用表7所示的3組半精銑削參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證擬合模型的預(yù)測精度。對比模型計(jì)算值，得出3組驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確率均在97%以上，因此所提模型具有較高的預(yù)測精度。

表6 機(jī)床比能模型方差分析

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

圖2 機(jī)床比能模型擬合結(jié)果

(6)

3.2 參數(shù)分析

304不銹鋼銑削中，銑削參數(shù)和刀具磨損對機(jī)床比能的影響規(guī)律如圖3所示。可知：銑削深度、銑削寬度和每齒進(jìn)給量對機(jī)床比能的影響較為顯著，隨著銑削深度、銑削寬度和每齒進(jìn)給量的增大，材料去除率RMR增大，機(jī)床比能隨之減??；隨著銑削速度的增加，加工過程產(chǎn)生大量的切削熱，材料表面溫度升高，從而硬度降低，切削力隨之減小，使比能耗降低。根據(jù)銑削速度的變化規(guī)律，在銑削速度超過100 m/min后機(jī)床比能變化較小，基本達(dá)到不銹鋼半精加工的最適宜參數(shù)范圍。機(jī)床比能在一定范圍內(nèi)隨著刀具磨損的增加線性增加。原因是刀片主后刀面磨損增大時(shí)，刀尖與工件的接觸面積也變大，這使得切削力不斷增加，導(dǎo)致機(jī)床比能增大。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在切削難加工材料時(shí)，選擇較低的銑削深度會(huì)使刀片接觸工件時(shí)刀尖碰撞劇烈，極易出現(xiàn)刀具崩刃。

圖3 銑削參數(shù)對機(jī)床比能的影響規(guī)律

4 結(jié)論

本文作者建立了機(jī)床比能模型以預(yù)測銑削加工能耗，通過304不銹鋼銑削試驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性。結(jié)果表明：(1)所擬合的機(jī)床比能模型對難加工材料銑削能耗的預(yù)測準(zhǔn)確率在96%以上；(2)在模型中考慮刀具磨損的影響，并得出機(jī)床比能隨刀具磨損線性增加；(3)切削難加工材料時(shí)刀具主后刀面磨損控制在0.15 mm內(nèi)并選擇較大的銑削深度，在降低能耗的同時(shí)可以減緩刀具磨損速度；(4)該模型為實(shí)際生產(chǎn)中難加工材料切削能耗預(yù)測和節(jié)能參數(shù)的選擇提供了參考。難加工材料銑削刀具磨損機(jī)制是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。