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干式銑削加工中心能效分析

伯特利數控 加工中心 鉆攻中心

前言：

在材料和現有制造工藝、裝備都沒有根本性變革的情況下，在制造過程中對工藝設計、加工中心參數和刀具路徑進行優化，能夠有效地降低產品的制造能耗，更經濟地實現綠色、可持續制造[1_2]。為了全面了解和評估加工中心工藝系統的能源消耗情況，尤其是CNC加工系統的能耗，需要在不同工藝參數下對CNC加工系統的能量使用情況和能源效率進行建模和分析，從而找出顯著影響加工中心能耗的因素，并對其加以優化。文獻[3-4]對加工中心不同種類的直接能耗狀態進行了建模，并對加工SiC硬質A1合金的切削參數進行了優化，以獲取最低的加工中心能耗和最長的刀具壽命。類似研究還表明，在制造能耗中，加工中心基礎能耗占總能耗的比例，隨著制造精度、復雜程度和物流強度的提高而上升，從51.9%上升到85_2%[3]?，F代CNC加工中心在制造過程中，用于切削的能量僅占基礎能耗的61%?69%[6]。為了提高加工中心能效，國內外學者針對不同加工材料，利用各種測試手段，建立了多種各有側重的切削能耗和加工中心能效模型，提出了實用的增效工藝措施[;9]。

隨著切削速度、進給量、刀具強度、加工中心剛度和耐磨涂層性能的提高，綠色制造技術更傾向于使用少切削液工藝和干式切削[1”11]。但在目前的技術條件下，加工硬質材料時，少切削液工藝是最好選擇，而不宜使用干切削[12]。切削液的處理對環境存在著負面的影響[13]，并且散熱效率還有待提高。研究表明，無切削液工藝因為省去了冷卻潤滑和污水處理系統，因此對能耗降低、水污染治理都會具有積極意義[14]。另一方面，對于干式切削能耗和加工中心能效特性與濕式切削之間的差異，目前國內外學術界還缺乏比較系統的認識和研究。因此，本文主要討論CNC銑削工藝系統在干式切削加工條件下的主要工藝參數對加工中心能效指標的影響，以揭示干式切削工藝的單位加工中心能耗的能效特性。然后在實驗數據基礎上，利用響應曲面方法（response surface method，RSM)討論CNC銑削過程中工藝參數對切削能耗和加工中心能效的影

響，找出能耗最低、能效最高的最優工藝參數。

1響應曲面方法

本文采用RSM研究分析不同切削參數變化給加工中心能耗帶來的影響。RSM是利用一系列數學和統計學方法，對系統輸人變量和響應變量之間的關系進行定量建模的方法[15]。通過RSM分析，可以定量描述同時變化的各輸人變量對各響應變量的影響趨向，在變量空間中建立輸人變量與響應變量之間的特性響應曲面[16]。通過回歸方程建立響應曲面，可以找出最快的上升路徑，得到一組使響應變量達到最優值的輸人變量[1T18]。RSM除了用于對加工中心能耗的研究，還用于切削刀具壽命和潤滑條件[|]的優化，并擴展應用于對加工表面粗糙度和切削力的響應預測[2”]。與多數傳統的實驗數據處理方法相比，RSM的優勢在于其使用非線性回歸模型去擬合響應曲面，能有效提局te型響應精度。

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結束語：

利用RSM建立了 XK713型CNC加工中心關于工藝參數的切削能耗模型，揭示了切削加工過程中工藝參數對加工中心能耗的某些影響特征。加工中心能耗隨著材料去除率的增大而減小，要想獲得較低的單位切削能耗和較高的加工中心能效，應該盡可能選取較大的工藝參數。使用大工藝參數一方面可以縮短切削時間，降低加工中心總能耗，另一方面可以增加單位時間內的金屬去除量。干切削條件下，刀具磨損加劇，工件發熱量和加工中心總能耗較大，這些因素對單位切削能耗和加工中心能效的影響顯著，抑制了工藝參數值增大對提高加工中心能效的作用。這是導致測試樣本中工藝參數最優值均未出現在樣本參數最大值上的原因。加工中心待機以及空載狀態的能耗很大，設計加工中心時應該盡可能降低加工中心的待機及空載能耗，加工時則盡可能減少待機以及空載時間。利用RSM可以得到響應曲面的最優上升路徑即獲取最優的工藝參數，從而有效降低單位切削能耗，提高加工中心能效。

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分類：加工中心

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