面向比能耗的磨削加工建模及工藝參數(shù)分析

嚴(yán) 燦 梁 龍 畢仁貴

（吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南湘西416000）

1 數(shù)控磨床磨削比能耗模型的建立

為了更加詳細(xì)地描述數(shù)控磨床開(kāi)機(jī)、加工、停止等整個(gè)磨削加工不同階段的功率值，將數(shù)控磨床能耗系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖1所示的四種運(yùn)行狀態(tài)及每種狀態(tài)包含的不同機(jī)械系統(tǒng)，將簡(jiǎn)化的每個(gè)系統(tǒng)歸納到數(shù)控磨床不同運(yùn)行狀態(tài)的功率之中，數(shù)控磨床加工時(shí)采用各個(gè)系統(tǒng)單項(xiàng)順序啟動(dòng)的方式，由此建立數(shù)控磨床能耗模型。

圖1 數(shù)控磨床各狀態(tài)組成圖

根據(jù)上文數(shù)控磨床簡(jiǎn)化的四種運(yùn)行狀態(tài)，將數(shù)控磨床磨削加工總能耗Et（t）（單位：J）分解為基本啟動(dòng)能耗Eb（t）（單位：J）、待機(jī)運(yùn)行能耗Es（t）（單位：J）、空載運(yùn)行能耗Ee（t）（單位：J）、磨削加工能耗Eg（t）（單位：J），則數(shù)控磨床能耗模型可表示為：

其中，基本啟動(dòng)能耗Eb（t）是數(shù)控磨床啟動(dòng)之后維持基本運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的能量，包括的機(jī)械系統(tǒng)有數(shù)控、PLC控制、液壓、冷卻等系統(tǒng)。

待機(jī)運(yùn)行能耗Es（t）是在數(shù)控磨床啟動(dòng)平穩(wěn)之后開(kāi)啟其他輔助系統(tǒng)所消耗的能量，包括的機(jī)械系統(tǒng)有潤(rùn)滑、照明、清潔等系統(tǒng)。

空載運(yùn)行能耗Ee（t）是數(shù)控磨床在待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)之后，依次開(kāi)啟主軸電機(jī)以及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)后所消耗的能量，包括的機(jī)械系統(tǒng)有主傳動(dòng)、進(jìn)給傳動(dòng)等系統(tǒng)。

磨削加工能耗Eg（t）是數(shù)控磨床在空載運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到平穩(wěn)之后，去除被加工工件材料以達(dá)到加工精度要求時(shí)所消耗的能量，包含有磨床實(shí)際用于去除被加工工件材料所消耗的能量與在加工過(guò)程中產(chǎn)生的附加載荷損耗。

磨削加工比能耗eg是指數(shù)控磨床在磨削加工時(shí)去除單位體積被加工工件材料時(shí)所消耗的能量。比能耗反映數(shù)控磨床的節(jié)能程度，其值越小所對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)應(yīng)用于數(shù)控磨床實(shí)際生產(chǎn)中越節(jié)能。

由上文分析及定義可建立磨削加工比能耗模型：

2 實(shí)驗(yàn)研究與工藝參數(shù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用MGK7120×6/F型數(shù)控平面磨床加工45號(hào)鋼，工件尺寸為55 mm×14 mm×20 mm，磨削加工時(shí)采用乳化液冷卻潤(rùn)滑。設(shè)計(jì)全面的實(shí)驗(yàn)方法，選取砂輪線(xiàn)速度、工件進(jìn)給速度、磨削深度為實(shí)驗(yàn)因子，根據(jù)磨床及砂輪技術(shù)指標(biāo)確定因子水平。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)磨削加工比能耗的影響規(guī)律分析

2.2.1 砂輪線(xiàn)速度vs對(duì)磨削加工比能耗的影響規(guī)律

工件進(jìn)給速度vw為2 150 mm/min時(shí)數(shù)控平面磨床加工比能耗隨砂輪線(xiàn)速度vs變化的規(guī)律如圖2所示。由圖可知，隨著vs的增加，不同磨削深度的加工比能耗都會(huì)出現(xiàn)小幅度增大。這是由于當(dāng)工件進(jìn)給速度及砂輪磨削深度保持不變，即單位時(shí)間內(nèi)材料去除率為固定值時(shí)，隨著砂輪線(xiàn)速度vs的增加，單顆磨粒最大切屑厚度減小，又因工件為塑性材料，磨削加工過(guò)程中塑性劃痕增加，導(dǎo)致磨削比能耗增加。

2.2.2 工件進(jìn)給速度vw對(duì)磨削加工比能耗的影響規(guī)律

砂輪線(xiàn)速度vs為15.71 m/s時(shí)數(shù)控平面磨床加工比能耗隨工件進(jìn)給速度vw變化的規(guī)律如圖3所示。由圖可知，隨著工件進(jìn)給速度vw的增加，不同磨削深度的加工比能耗都會(huì)出現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣ぜM(jìn)給速度vw增大，磨削加工去除材料體積增大，單位時(shí)間內(nèi)材料去除率增大，從而單顆磨粒磨削厚度增加，工件材料更多地以大量級(jí)的形式被磨削加工去除，因此可大大降低去除被加工工件材料時(shí)所消耗的能量，磨削比能耗降低。

圖2 不同砂輪線(xiàn)速度對(duì)磨削加工比能耗的影響規(guī)律（vw=2 150 mm/min）

圖3 工作臺(tái)進(jìn)給速度對(duì)磨削加工比能耗的影響曲線(xiàn)（vs=15.71 m/s）

2.2.3 磨削深度ap對(duì)磨削加工比能耗的影響規(guī)律

工件進(jìn)給速度vw為2 150 mm/min時(shí)數(shù)控平面磨床加工比能耗隨磨削深度變化的規(guī)律如圖4所示。由圖可知，磨削比能耗隨著磨削深度ap的增加而減小。這是因?yàn)槟ハ魃疃萢p增大，磨削加工去除材料體積增大，單位時(shí)間內(nèi)材料去除率增大，從而單顆磨粒最大磨削厚度增加，工件材料塑性劃痕較少，大部分以脆性去除的方式被加工或剝落脫離，因此工件材料去除時(shí)所需的能量得到很大程度降低，磨削比能耗降低。

圖4 磨削深度對(duì)磨削加工比能耗的影響曲線(xiàn)（vw=2 150 mm/min）

3 結(jié)論

（1）數(shù)控磨床加工過(guò)程中能量流動(dòng)與消耗復(fù)雜多變，不同的加工狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的能量消耗，同一加工狀態(tài)下不同的磨削參數(shù)對(duì)應(yīng)著不同的磨削能耗，從而導(dǎo)致數(shù)控磨床磨削比能耗不同，磨床在加工過(guò)程中的節(jié)能程度不同。本文基于數(shù)控磨床能量消耗特性建立了數(shù)控磨床能耗模型以及磨削比能耗模型。

（2）數(shù)控磨床磨削比能耗與砂輪線(xiàn)速度呈正相關(guān)關(guān)系，而與工件進(jìn)給速度及磨削深度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。生產(chǎn)實(shí)際中，可通過(guò)改變工件進(jìn)給速度或磨削深度來(lái)降低機(jī)床比能耗，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際加工中的低耗生產(chǎn)。