基于多參量信息融合的切削測試分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】為提高工件加工質(zhì)量的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一套基于切削力、切削溫度信號的多參量信息融合的切削測試系統(tǒng)，從而優(yōu)化切削參數(shù)，提升整體加工效能?！痉椒ā渴紫?，分析切削力、切削溫度的經(jīng)驗(yàn)性模型，并選擇切削深度、切削速度、進(jìn)給量這三個(gè)因素，研究對切削力、切削溫度的影響程度；其次，選擇方差分析法的離差平方和SS、平均離差平方和MS對正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評價(jià)；最后通過試驗(yàn)進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】分析結(jié)果表明，這3個(gè)因素對切削力、切削溫度的影響程度從大到小依次為切削深度、進(jìn)給量、切削速度。【結(jié)論】在實(shí)際加工過程中，切削用量可根據(jù)這3個(gè)切削因數(shù)對切削力、切削溫度的影響進(jìn)行合理設(shè)置，提升切削效率。

關(guān)鍵詞：切削深度；切削速度；進(jìn)給量；切削力；切削溫度

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.002

Design of Cutting Test Analysis System Based on Multi Parameter

Information Fusion

YANG Xue

（Chongqing Polytechnic University of Electronic Technology， Chongqing 401331， China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the accuracy and stability of workpiece machining quality，a cutting test system based on multi-parameter information fusion of cutting force and cutting temperature signals was designed， so as to optimize cutting parameters and improve the overall machining efficiency. [Methods] Firstly， the empirical model of cutting force and cutting temperature was analyzed， and the three factors of cutting depth， cutting speed and feed rate are selected to study the degree of influence on cutting force and cutting temperature. Then， the sum of squares of deviation of variance analysis （SS） and the sum of mean squares of deviation （MS） were selected to analyze and evaluate the data of orthogonal test. Finally， the experimental analysis was carried out. [Findings] The analysis results show that the influence degree of these three factors on cutting force and cutting temperature was from large to small， in order of back cutting quantity， feed quantity and cutting speed. [Conclusions] Therefore， in the actual machining process， the cutting parameters can be reasonably interposed according to the influence of these three cutting factors on the cutting force and cutting temperature， and the cutting efficiency can be improved.

Keywords： cutting depth; cutting speed; the amount of feed; cutting force; cutting temperature

0 引言

在智能制造浪潮的推動下，數(shù)控車床正迎來智能化、集成化的變革。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床加工制造模式，往往依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定加工參數(shù)，然而，這種方式已逐漸無法適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)對高精度、高質(zhì)量加工的嚴(yán)苛要求。因此，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)研究數(shù)控機(jī)床的切削加工機(jī)理，并精準(zhǔn)掌握加工過程中各種特征參數(shù)對切削質(zhì)量的具體影響，顯得尤為重要。這不僅有助于提升加工效率，而且能確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，為智能制造的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 影響切削性能的因素研究

切削力和切削溫度對切削效果的影響最為顯著，這主要源于它們在切削過程中的核心作用和對刀具、工件性能的直接影響。其中，切削深度、切削速度、進(jìn)給量等切削用量參數(shù)對切削力、切削溫度有直接影響［1］。趙海越等［2］采用遺傳算法對切削深度、切削速度、進(jìn)給量等多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化求解，有效降低了切削溫度和切削力。李良良等［3］采用單因素法研究了切削參數(shù)對切削力、切削溫度的影響。目前，數(shù)控機(jī)床切削力、切削溫度展示方法主要依賴于靜態(tài)預(yù)設(shè)值，缺乏根據(jù)實(shí)時(shí)切削條件進(jìn)行動態(tài)展示的能力。基于此，本研究設(shè)計(jì)了一套基于切削溫度、切削力的多參量信息融合的切削測試分析系統(tǒng)，以此來輸出切削力、切削溫度的數(shù)值，動態(tài)調(diào)整切削參數(shù)，從而提高切削加工的效率和質(zhì)量。

2 切削加工模型構(gòu)建

2.1 切削加工機(jī)理模型

切削加工數(shù)學(xué)模型是深入理解切削過程并優(yōu)化加工參數(shù)的關(guān)鍵工具。一般而言，這些模型可以分為理論性模型和經(jīng)驗(yàn)性模型兩大類。在實(shí)際切削加工中，由于加工條件的多變性和復(fù)雜性，理論性模型往往難以全面考慮所有影響因素，因此其預(yù)測結(jié)果與實(shí)際切削情況之間往往存在較大誤差。相比之下，經(jīng)驗(yàn)性模型雖然精度可能稍遜于理論性模型，但其基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，能夠更好地反映出切削加工中的實(shí)際情況。通過合理選擇和使用經(jīng)驗(yàn)公式，可以對切削加工過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述和預(yù)測［4］。此外，經(jīng)驗(yàn)性模型還具有較好的適應(yīng)性和靈活性，能夠根據(jù)不同的加工條件和需求進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。因此，本研究選用經(jīng)驗(yàn)性模型來研究數(shù)控機(jī)床切削加工的切削力、切削溫度［5-6］。

2.2 切削力和切削溫度經(jīng)驗(yàn)性模型

本研究選擇切削深度、切削速度、進(jìn)給量作為切削力、切削溫度經(jīng)驗(yàn)公式的主要影響因素。為便于研究，將切削力分解為切向力、徑向力、軸向力，并分別搭建其經(jīng)驗(yàn)公式。

切向力經(jīng)驗(yàn)公式見式（1）。

[Fc=CFcaxFcpfyFcvnFcc] （1）

徑向力經(jīng)驗(yàn)公式見式（2）。

[Fp=CFpaxFppfyFpvnFpcKFp] （2）

軸向力經(jīng)驗(yàn)公式見式（3）。

[Ff=CFfaxFfpfyFfvnFfcKFf] （3）

切削力的經(jīng)驗(yàn)公式見式（4）

[F=F2c+F2p+F2f] （4）

式中：[Fc、Fp、Ff]分別為切削力的三個(gè)分量，分別為切向力、徑向力、軸心力；[CFc、CFp、CFf]分別為工件材料、切削條件等的影響因子；[axFcp、axFpp、axFfp]分別為切削深度的影響因子；[fyFc、fyFp、fyFf]分別為進(jìn)給量的影響因子；[vnFcc、vnFpc、vnFfc]分別為切削速度的影響因子；[KFc、KFp、KFf]分別為切削過程中切削用量的綜合影響因子。

切削溫度經(jīng)驗(yàn)公式見式（5）。

[T=CTaxTpfyTvnTcKT] （5）

式中：[T]為切削溫度；[CT]為工件材料、切削條件等的影響因子；[axTp]為切削深度的影響因子；[fyT] 為進(jìn)給量的影響因子；[vnTc] 為切削速度的影響因子；[KT] 為切削過程中切削用量的綜合影響因子。

從以上公式可以看出，切削力、切削溫度的主要影響因素均為切削深度、切削速度、進(jìn)給量，采用奇異值分解總體最小二乘法（SVD-TLS）對切削力、切削溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而獲得其經(jīng)驗(yàn)公式。

3 測試分析系統(tǒng)的組成

切削測試分析系統(tǒng)主要用于研究切削深度、切削速度、進(jìn)給量對數(shù)控機(jī)床切削加工過程中的切削力、切削溫度的影響程度，通過數(shù)據(jù)的采集和處理，輸出當(dāng)下切削溫度、切削力的經(jīng)驗(yàn)公式，從而獲得數(shù)控機(jī)床最佳的切削參數(shù)。本研究依據(jù)數(shù)控車床切削過程設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床切削測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由四個(gè)子模塊組成：傳感器模塊、信號預(yù)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LABVIEW軟件模塊。當(dāng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削加工時(shí)，測試分析系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)控機(jī)床切削力和切削溫度的信號，將采集到的信號經(jīng)過信號預(yù)處理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊后，傳送到LABVIEW軟件模塊中，進(jìn)行切削力和切削溫度數(shù)據(jù)的處理和分析，然后輸出當(dāng)前切削參量下的切削力、切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式。

4 評價(jià)方法

該測試分析系統(tǒng)主要研究切削深度、切削速度、進(jìn)給量這三個(gè)因數(shù)對切削力、切削溫度的影響，因此，本研究引入方差分析法的離差平方和SS、平均離差平方和MS對切削力、切削溫度的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。

①離差平方和SS。

總離差平方和見式（6）。

[SST=i?1n（xi?x）2] （6）

各因素離差平方和見式（7）。

[SSA=1ai?1na（j?1axij）2?1ni?1na（j?1axij）2] （7）

試驗(yàn)離方差見式（8）。

[SSE=SST?SSA] （8）

以上式中：[n]為總試驗(yàn)次數(shù)；[xi]為第[i]次試驗(yàn)數(shù)據(jù)；x為總平均值；[a]為每個(gè)水平的試驗(yàn)次數(shù)；[xij]為第[i]個(gè)水平的第[j]次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

②平均離差平方和MS。

各因素平均離差平方和見式（9）。

[MSA=SSAfA] （9）

試驗(yàn)誤差平均離差平方和見式（10）。

[MSE=SSEf?fA] （10）

以上式中：[fA]為因數(shù)的自由度；[ f]為總自由度。

F檢驗(yàn)?zāi)軌蛴行Я炕饕蛩貙?shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度大小，F(xiàn)值越大，表明該因素影響程度越顯著。因此，本研究選擇F檢驗(yàn)評價(jià)切削深度、切削速度、進(jìn)給量對切削力、切削溫度的影響程度。

5 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證測試分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，選擇C2-6136HK臥式數(shù)控車床進(jìn)行切削試驗(yàn)。切削過程中，切削深度、切削速度、進(jìn)給量分別選擇三因素三水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

5.1 切削力試驗(yàn)

在切削力研究過程中，為了獲得更加精確和可靠的經(jīng)驗(yàn)公式，本研究運(yùn)用了測試分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交處理。這一步驟的目的是消除數(shù)據(jù)中的非獨(dú)立因素，使得處理后的數(shù)據(jù)能夠更好地反映各因素與切削力之間的真實(shí)關(guān)系。隨后，采用奇異值分解總體最小二乘法（SVD-TLS）對正交處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。在擬合分析過程中，綜合考慮切削過程中的切削速度、切削深度、進(jìn)給量等因素的影響，通過SVD-TLS迭代計(jì)算，得到切削力的經(jīng)驗(yàn)公式，如圖1所示。

結(jié)合方差分析法分析切削力正交切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析結(jié)果見表2。

因[F0.95（2，2）=19.0]，則切削深度在顯著水平0.05上是顯著的；[F0.90（2，2）=9.0]，則進(jìn)給量在顯著水平0.10上是顯著的。結(jié)果表明切削力隨切削深度、進(jìn)給量的增大而增大，切削速度對切削力影響不顯著。因此，這三個(gè)因素對切削力影響程度從大到小依次為切削深度、進(jìn)給量、切削速度。

5.2 切削溫度試驗(yàn)

切削溫度的試驗(yàn)同切削力一樣，數(shù)據(jù)通過SVD-TLS的迭代計(jì)算，得到切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，如圖2所示。

同樣結(jié)合方差分析法分析切削溫度正交切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析結(jié)果見表3。

從表3可知，切削深度、進(jìn)給量、切削速度在顯著水平0.05與0.10上都是顯著的，表明切削溫度隨切削深度、進(jìn)給量、切削速度的增大而增大。并且這三個(gè)因素對切削溫度影響效果從大到小依次為切削深度、進(jìn)給量、切削速度。

綜上所述，切削深度、進(jìn)給量、切削速度對切削力、切削溫度的影響程度符合其經(jīng)驗(yàn)公式擬合結(jié)果。因此，在實(shí)際加工過程Po8J/fHoLHgluplcO4BEDgQTnD37CKNTjSJzKisUsGw=中，切削用量可根據(jù)切削深度、進(jìn)給量、切削速度這三個(gè)切削因數(shù)影響切削過程中的程度進(jìn)行切削用量的最優(yōu)設(shè)置。

6 結(jié)論

本研究從切削加工過程的內(nèi)在機(jī)理出發(fā)，深入研究了切削深度、進(jìn)給量、切削速度等關(guān)鍵切削因素對切削力、切削溫度的影響。為全面、準(zhǔn)確地掌握這些因素的影響規(guī)律，開發(fā)了一套基于切削力和切削溫度的多參數(shù)信息融合測試分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對切削過程中多參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測量。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地反映切削過程中各因素的變化情況，并推導(dǎo)出切削力和切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，分析出切削深度、進(jìn)給量、切削速度對切削力、切削溫度的影響程度，從而合理地選擇切削量。

參考文獻(xiàn)：

［1］牛湛皓，史耀耀，黃新春，等.GH4169G高溫合金車削切削力與切削溫度有限元仿真研究［J］.工具技術(shù)，2024，58（1）：95-100.

［2］趙海越，曹巖，黃亮，等.基于遺傳算法的ZL205A鋁合金切削參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2023，46（5）：58-65.

［3］李良良，金成哲，胡子暉，等.高速銑削GH4169鎳基高溫合金切削溫度的研究［J］.工具技術(shù)，2024，58（3）：68-72.

［4］朱浩陽，郜偉，張銀霞，等.車削工藝參數(shù)對18CrNiMo7-6鋼切削力及表面粗糙度的影響［J］.工具技術(shù)，2024，58（2）：9-14.

［5］牛湛皓，史耀耀，黃新春，等.GH4169G高溫合金車削切削力與切削溫度有限元仿真研究［J］.工具技術(shù)，2024，58（1）：95-100.

［6］謝英星，王成勇.涂層刀具高速銑削高硬度淬硬鋼切削力研究［J］.工具技術(shù)，2023，57（12）：36-43.

收稿日期：2024-04-15

基金項(xiàng)目：重慶電子工程職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目“基于多參量信息融合的切削參數(shù)監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)研究”（22XJZXYB08）；重慶市教育委員會、重慶市財(cái)政局2023年度市教委科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目“基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人能耗預(yù)測方法研究”（K23YG3090327）。

作者簡介：楊雪（1990—），女，碩士，講師，研究方向：仿真分析。