面向可持續(xù)的干濕切過程比較研究

雷治煉，陳超宇，肖 圳，遲開元

（1.重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400030；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

切削加工是制造業(yè)的基本生產(chǎn)單元，伴隨其產(chǎn)生的環(huán)境問題備受關(guān)注[1]。為減輕制造過程對環(huán)境的負面影響，金屬切削加工領(lǐng)域引入了可持續(xù)的制造理念[2]。

干切和濕切加工是金屬切削加工常用的加工方式。目前，已有大量研究從能耗、刀具磨損、環(huán)境影響等方面出發(fā)對干、濕切加工進行對比分析。從能耗角度，文獻[3]研究了不同機床在干切和濕切下單元工藝能耗，指出濕切加工需要額外的能量來啟動和運行切削液泵，在相同的材料去除率情況下，干切比濕切加工更節(jié)能。文獻[4]研究了在干切、油霧、濕切環(huán)境下車削Ti-6Al-4V的加工性能，指出干切加工能耗最低。從刀具磨損角度，文獻[5]研究指出濕切過程切削液降低了切削區(qū)域的溫度和切削力，從而減輕刀具的磨損。干切過程對刀具性能要求更高，尤其在硬干切時，需要昂貴的高性能刀具[6]。從環(huán)境影響和健康危害角度，文獻[7]指出切削液會引起環(huán)境和健康問題，濕切過程中產(chǎn)生的污染主要來自廢切削液。文獻[8]指出使用切削液加工會產(chǎn)生酸化、溫室氣體排放等環(huán)境問題。但是，文獻[9]指出干切加工過程會產(chǎn)生大量金屬粉塵，對機床操作者的健康有害。可以看出，切削液的使用會同時從能量和物料資源兩方面影響切削過程，并且伴隨著對環(huán)境影響的差異。文獻[10]提出可持續(xù)制造理念關(guān)鍵要素之一就是減少能源、水、物料資源的消耗。為了比較干切和濕切過程資源消耗，以往的研究都只是單一的從能量流或物料流分析，不能綜合比較評估干切和濕切過程資源損耗。因此，研究從結(jié)合能量流和物料流的綜合資源損耗角度出發(fā)對干、濕切過程進行比較評估。研究綜合考慮能量和物料資源，從資源損耗的角度比較評估干濕切過程可持續(xù)性。為了在統(tǒng)一的標(biāo)準下量化能量和物料資源，引入熱力學(xué)?分析方法，建立了切削過程?損失模型，以總?損失作為衡量綜合資源損耗的指標(biāo)。進行干車和濕車加工對比實驗研究，揭示切削液使用和切削參數(shù)的變化對切削加工過程資源損耗的影響，對比分析干、濕車過程總?損失和各單位?損失情況及其隨切削速度的變化規(guī)律。研究結(jié)果能夠為改善實際加工過程的資源利用和提高加工可持續(xù)性提供指導(dǎo)。

2 切削過程?分析

?是對各種能量形式的有用性、價值或質(zhì)量的度量[11]。作為一種評價能量價值的參數(shù)，?從“量”和“質(zhì)”兩個方面評估能量的“價值”。熱力學(xué)將?定義為：系統(tǒng)或物質(zhì)流或能量流在參考環(huán)境作用下，經(jīng)可逆過程達到與參考環(huán)境平衡狀態(tài)時產(chǎn)生的最大可用功[11]。參考環(huán)境狀態(tài)通常取實際周圍環(huán)境，用T0表示環(huán)境溫度，P0表示環(huán)境壓力。?分析方法是建立在熱力學(xué)第一定律和第二定律?概念的基礎(chǔ)上，考慮質(zhì)量流，傳熱和做功的全部信息來分析評估進出系統(tǒng)的所有形式的能量，如圖1所示。

圖1 ?分析的物理模型[13]Fig.1 Physical Model of Radon Analysis During Cutting

利用?分析方法可以將切削過程的能量流和物料流在統(tǒng)一標(biāo)準下量化評估，以“?值”作為“能值”量化指標(biāo)。參照文獻[12]中定義，物質(zhì)流（物料）的?值可以使用物質(zhì)的化學(xué)?值或以物料制備能耗?值當(dāng)量為物料?值。此外，非物質(zhì)流包含電能、熱能等能量流，因為電能可以完全轉(zhuǎn)化為機械能做功，因此其?值就等于電能值：

式中：Exe—電能?值；We—電能值。熱量?值與熱量的溫度和參考環(huán)境狀態(tài)有關(guān)，計算公式如下：

式中：ExQ—熱量?值；Q—熱量值；T0—環(huán)境溫度；T—熱源的溫度。

利用?分析方法分析切削過程，得到切削過程的?平衡原理圖，如圖2所示。

圖2 切削過程?平衡原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Exergy Balance During Cutti ng

根據(jù)切削過程?平衡分析，可建立如下?平衡方程：

3 切削過程?損失建模

由切削過程?分析可知，切削加工過程?損失包含切削過程能量轉(zhuǎn)換（電能-機械能-熱能）產(chǎn)生的內(nèi)部?損失（能量流損失）和刀具磨損、切削液消耗、切屑等導(dǎo)致的內(nèi)部?損失（物料流損失）。依據(jù)資源損耗類型可將總?損失劃分為能量流?損失和物料流?損失，建立切削過程總?損失模型：

（1）電能耗?損失

切削過程中只有少部分電能用于材料去除過程，大部分的非材料去除能耗（啟動、空載等）經(jīng)過轉(zhuǎn)化以熱量的形式散失到環(huán)境中。因此，電能耗?損失當(dāng)量于非材料去除能耗?值，建立電能耗?損失模型如下：

式中：P0—非材料切削功率；tsetup、tcutting、tchange—設(shè)置時間、切削時間和刀具更換時間；t—刀具壽命。

切削時間tcutting可用下面公式計算：

式中：V—去除材料的體積；Rmm—材料去除率；f—切削進給速度；

vc—切削速度；a—切削深度。

（2）刀具?損失

切削過程中刀具會產(chǎn)生磨損，由于刀具磨損的不可逆性導(dǎo)致可用性降低產(chǎn)生刀具?損失。刀具的?值可當(dāng)量于制造刀具的能耗?值，采用在刀具壽命周期內(nèi)將刀具?值按時間折算到加工過程的方法來衡量刀具?損失。因此，建立刀具?損失模型如下：

式中：Ext—刀具?值；tcutting—切削時間；t—刀具壽命。

（3）切削液?損失

切削液在加工過程中會由于吸附（切屑表面）、蒸發(fā)等因素而逐漸消耗，需要周期性地加入水和切削原液（礦物油）來保持其恒定的體積和濃度。此外，由于切削液的生命周期有限，需要定期更換[14]。切削液?值包含切削原液（礦物油）?值和水?值兩部分，考慮以切削原液消耗和水資源消耗衡量加工過程切削液?損失。建立切削液?損失模型如下：

式中：Exo、Exh—單位切削原液?值和單位水?值；mo、mh—切削原液消耗的質(zhì)量和水損耗質(zhì)量；ro、rh—切削原液消耗速率和水損耗速率。

（4）切屑?損失

切削加工過程中去除部分工件材料，形成切屑。切屑材料的可用性降低導(dǎo)致?損失，可通過回收冶煉制成工件坯料再利用。因此，切屑?損失可當(dāng)量于材料經(jīng)回收熔煉成工件坯料所需的能量?值，建立切屑?損失模型如下：

式中：Ec—單位工件材料（切屑）冶煉能耗；Qc—單位工件材料（切屑）冶煉吸收的熱量；mc—工件去除材料（切屑）的重量；pc—工件材料的密度；T0—環(huán)境溫度；Tm—切屑材料冶煉熔點溫度；V—工件去除材料（切屑）的體積。

（5）切削過程總?損失

任何能量形式的?損失都會導(dǎo)致資源浪費，對于環(huán)境的負面影響可以用總?損失來衡量[13]。結(jié)合式（4）～式（9）得到切削過程的總?損失模型：

式（10）綜合考慮了切削過程的能量流和物料流的?損失，建立了切削過程總?損失與加工參數(shù)之間的關(guān)系。

4 實驗驗證與分析

4.1 實驗方案

針對不同切削環(huán)境（干切和濕切）和不同切削速度下切削過程?損失進行比較評估。在數(shù)控加工中心進行車削實驗，使用數(shù)字功率計測量切削加工過程的功率需求。實驗裝置示意圖如圖3所示。實驗材料為常用鋼材，工件直徑60mm，長度800mm，實驗刀具為硬質(zhì)合金涂層刀具。濕車過程使用水基切削液，常用的水基切削液是水（體積約95%）和礦物油（不超過5%）的混合物[15]。實驗設(shè)定單次試驗切削去除材料體積為10000mm3。切削環(huán)境和切削參數(shù)變量，如表1所示。

圖3 車削實驗示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Turning Experiment

表1 切削環(huán)境和切削參數(shù)變量列表Tab.1 List of Cutting Rnvironment and Cutting Parameter Variables

4.2 刀具磨損和壽命方程

根據(jù)ISO 3685標(biāo)準選擇0.6mm的后刀面磨損值（VB）為刀具壽命標(biāo)準，文獻[16]研究了硬質(zhì)合金涂層刀具在干車和濕車的磨損性能和刀具壽命。實驗材料為鋼材，進給速度0.14mm/rev，切削深度1mm?；趯嶒灁?shù)據(jù)得到對數(shù)尺度下刀具壽命的與切削速度之間的線性關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同切削速度下干車和濕車刀具壽命Fig.4 Tool Life During Dry and Wet Turning at Varying Cutting Speed

擬合得到對數(shù)尺度下干車和濕車加工刀具壽命的與切削速度之間的線性方程。利用式（11）、式（12）可以獲得在各個切削速度下的刀具壽命。

4.3 ?損失分析

切削過程中，系統(tǒng)啟動、待機、定位等能耗與切削環(huán)境和切削參數(shù)無關(guān)，可以通過優(yōu)化切削路徑、提高設(shè)備性能等實現(xiàn)。同時，干、濕車過程的能量和物料資源損耗的差異主要發(fā)生在材料去除階段切削液的使用以及刀具壽命不同導(dǎo)致的潛在換刀能耗。為了更準確的定量分析比較干、濕車過程資源損耗，針對切削過程材料去除階段進行分析，即tsetup=0?；谑剑?0）計算干、濕車過程總?損失，計算所需參數(shù)，如表2所示。

表2 計算車削過程?損失參數(shù)表Tab.2 Parameters for Calculating Exergy Loss During Turning

4.3.1 不同切削環(huán)境車削過程?損失組成

車削過程物料流?損失是過程總?損失大部分來源，濕車過程有額外的切削液?損失，如圖5所示。

圖5 車削過程?損失分布圖（vc=210m/min）Fig.5 Distribution of Exergy Loss During Turning（vc=210m/min）

從?損失組成分析，切屑?損失是切削過程?損失的最主要組成部分，其次為電能耗?損失，刀具磨損和切削液消耗產(chǎn)生的?損失占據(jù)小部分。因此，降低物料資源消耗是減少車削過程資源損耗的優(yōu)先選擇。針對產(chǎn)品切削加工，應(yīng)盡量選取較小切削余量的工件進行加工，或在工藝設(shè)計階段優(yōu)化，以減少材料去除體積，從而減少切屑?損失。

4.3.2 不同切削環(huán)境車削過程?損失

不同切削環(huán)境車削加工過程的總?損失隨切削參數(shù)變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 干、濕車削過程總?損失隨切削速度的變化Fig.6 Variation of Total Exergy Loss with Cutting Speed During Dry and Wet Turning

從圖中可以看出整體上濕車過程總?損失大于干車加工總?損失，隨著切削速度的增加干車和濕車過程總?損失存在相似的變化規(guī)律，都表現(xiàn)為在開始階段快速降低，達到一定切削速度時，降低幅度變小，變化趨于平緩的現(xiàn)象。此外，可以看出隨著切削速度的增大，濕車過程總?損失與干車過程總?損失的差值有逐漸縮小的趨勢。

由切屑?損失模型可知，加工去除材料體積一定時，切屑?損失為定值，與切削參數(shù)無關(guān)。因此，干、濕車過程的切屑?損失相等且在切削速度變化方向上保持不變?？?損失的變化取決于電能耗?損失、刀具?損失和切削液?損失三者隨切削速度的變化，如圖7所示。

圖7 干、濕車削過程單位?損失隨切削速度的變化Fig.7 Variation of Unit Exergy Loss with Cutting Speed During Dry and Wet Turning

從圖中看出，電能耗?損失、切削液?損失隨著切削速度增大而降低，因為切削速度的增大減少了材料去除時間，從而減少非材料切削能耗和切削液消耗。

刀具?損失隨著切削速度的增加而增大，當(dāng)切削速度達到一定時，濕車過程刀具?損失超過切削液?損失。比較分析發(fā)現(xiàn)在速度較低階段，干、濕車過程刀具?損失沒有明顯區(qū)別，隨著切削速度增大，干車過程刀具?損失相比濕車刀具?損失更加顯著。由此，可以推測在較高的切削速度下切削液的潤滑、冷卻功能更加突出，對刀具的保護性能更好，從而顯著地減少濕車過程的刀具磨損。

此外，隨著切削速度增大，干車過程能量流和物料流?損失都逐漸趨近于濕車過程，解釋了干、濕車過程總?損失差值隨著切削速度增大而逐漸縮小的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

研究引入了熱力學(xué)?分析方法綜合能量流和物料流資源損耗分析切削過程，建立了切削過程總?損失模型，基于?損失比較評估干、濕車過程的可持續(xù)性。研究得出以下結(jié)論：

（1）從?損失的資源類別分析，車削過程的物料流?損失是最主要的資源損耗來源。因此，降低物料資源消耗是減少切削過程?損失的優(yōu)先選擇，應(yīng)選擇較小加工余量的工件進行產(chǎn)品加工，或在工藝設(shè)計階段優(yōu)化。

（2）相同加工參數(shù)下，濕車加工過程總?損失更大。切削液能夠減少加工過程刀具?損失，但同時從能量和物料兩方面增大了加工過程總?損失。

（3）切削速度的變化對切削過程的?損失有一定的影響，在合適的范圍內(nèi)增大切削速度可以減少?損失，從而減少資源損耗，提高加工可持續(xù)性。

（4）相同切削參數(shù)下，干車過程總?損失更小，資源損耗更少，是可持續(xù)的加工選擇。但隨著切削速度增大，干車過程總?損失與濕車過程總?損失的差值減小，在低速切削時干車相比濕車過程有更顯著的資源節(jié)約優(yōu)勢。