前言:
在材料和現(xiàn)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(duì)工藝設(shè)計(jì)、加工中心參數(shù)和刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化,能夠有效地降低產(chǎn)品的制造能耗,更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)制造[1_2]。為了全面了解和評(píng)估加工中心工藝系統(tǒng)的能源消耗情況,尤其是CNC加工系統(tǒng)的能耗,需要在不同工藝參數(shù)下對(duì)CNC加工系統(tǒng)的能量使用情況和能源效率進(jìn)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(duì)其加以優(yōu)化。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)加工中心不同種類的直接能耗狀態(tài)進(jìn)行了建模,并對(duì)加工SiC硬質(zhì)A1合金的切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,以獲取最低的加工中心能耗和最長(zhǎng)的刀具壽命。類似研究還表明,在制造能耗中,加工中心基礎(chǔ)能耗占總能耗的比例,隨著制造精度、復(fù)雜程度和物流強(qiáng)度的提高而上升,從51.9%上升到85_2%[3]。現(xiàn)代CNC加工中心在制造過程中,用于切削的能量?jī)H占基礎(chǔ)能耗的61%?69%[6]。為了提高加工中心能效,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同加工材料,利用各種測(cè)試手段,建立了多種各有側(cè)重的切削能耗和加工中心能效模型,提出了實(shí)用的增效工藝措施[;9]。
隨著切削速度、進(jìn)給量、刀具強(qiáng)度、加工中心剛度和耐磨涂層性能的提高,綠色制造技術(shù)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(shù)條件下,加工硬質(zhì)材料時(shí),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(duì)環(huán)境存在著負(fù)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?yàn)槭∪チ死鋮s潤(rùn)滑和污水處理系統(tǒng),因此對(duì)能耗降低、水污染治理都會(huì)具有積極意義[14]。另一方面,對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界還缺乏比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和研究。因此,本文主要討論CNC銑削工藝系統(tǒng)在干式切削加工條件下的主要工藝參數(shù)對(duì)加工中心能效指標(biāo)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)曲面方法(response surface method,RSM)討論CNC銑削過程中工藝參數(shù)對(duì)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(yōu)工藝參數(shù)。
1響應(yīng)曲面方法
本文采用RSM研究分析不同切削參數(shù)變化給加工中心能耗帶來的影響。RSM是利用一系列數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)系統(tǒng)輸人變量和響應(yīng)變量之間的關(guān)系進(jìn)行定量建模的方法[15]。通過RSM分析,可以定量描述同時(shí)變化的各輸人變量對(duì)各響應(yīng)變量的影響趨向,在變量空間中建立輸人變量與響應(yīng)變量之間的特性響應(yīng)曲面[16]。通過回歸方程建立響應(yīng)曲面,可以找出最快的上升路徑,得到一組使響應(yīng)變量達(dá)到最優(yōu)值的輸人變量[1T18]。RSM除了用于對(duì)加工中心能耗的研究,還用于切削刀具壽命和潤(rùn)滑條件[|]的優(yōu)化,并擴(kuò)展應(yīng)用于對(duì)加工表面粗糙度和切削力的響應(yīng)預(yù)測(cè)[2”]。與多數(shù)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法相比,RSM的優(yōu)勢(shì)在于其使用非線性回歸模型去擬合響應(yīng)曲面,能有效提局te型響應(yīng)精度。
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結(jié)束語:
利用RSM建立了 XK713型CNC加工中心關(guān)于工藝參數(shù)的切削能耗模型,揭示了切削加工過程中工藝參數(shù)對(duì)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(yīng)該盡可能選取較大的工藝參數(shù)。使用大工藝參數(shù)一方面可以縮短切削時(shí)間,降低加工中心總能耗,另一方面可以增加單位時(shí)間內(nèi)的金屬去除量。干切削條件下,刀具磨損加劇,工件發(fā)熱量和加工中心總能耗較大,這些因素對(duì)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(shù)值增大對(duì)提高加工中心能效的作用。這是導(dǎo)致測(cè)試樣本中工藝參數(shù)最優(yōu)值均未出現(xiàn)在樣本參數(shù)最大值上的原因。加工中心待機(jī)以及空載狀態(tài)的能耗很大,設(shè)計(jì)加工中心時(shí)應(yīng)該盡可能降低加工中心的待機(jī)及空載能耗,加工時(shí)則盡可能減少待機(jī)以及空載時(shí)間。利用RSM可以得到響應(yīng)曲面的最優(yōu)上升路徑即獲取最優(yōu)的工藝參數(shù),從而有效降低單位切削能耗,提高加工中心能效。
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