劉香浪,張英杰,李云龍,高瑞

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安)

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面向低碳制造的切削液供給系統(tǒng)優(yōu)化研究

劉香浪,張英杰,李云龍,高瑞

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安)

針對傳統(tǒng)切削液粗放式的供給方式所帶來的污染和浪費(fèi)問題,提出了一種面向低碳制造的切削液供給系統(tǒng)優(yōu)化方法。該方法建立了制造車間切削液循環(huán)系統(tǒng)的資源消耗模型,指出切削液系統(tǒng)的優(yōu)化包括切削液供給設(shè)備的改進(jìn)及切削液使用工藝的優(yōu)化。在系統(tǒng)模型分析的基礎(chǔ)上,研究了切削液對加工過程的影響,從切削液的潤滑及冷卻效果出發(fā),提出了依據(jù)切削區(qū)域摩擦因數(shù)及溫度進(jìn)行切削液噴射流量、壓力、距離等參數(shù)的優(yōu)化實(shí)施方法。構(gòu)建了面向低碳制造過程的智能切削液系統(tǒng)控制平臺(tái),并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:切削液的實(shí)際作用效果主要包括潤滑和冷卻,都與切削液在切削區(qū)域的流動(dòng)情況有著密切的關(guān)系;隨著潤滑效果的提升,切削變形量有所減小,振動(dòng)能量分布趨于均勻,切削力和溫度也呈較明顯的下降趨勢;依據(jù)切削區(qū)域摩擦因數(shù)與溫度進(jìn)行切削液噴射參數(shù)調(diào)整具有一定可行性。研究內(nèi)容為面向低碳制造過程的機(jī)械制造車間切削液系統(tǒng)優(yōu)化問題提供了一條可行的實(shí)施途徑。

切削液;低碳制造;資源消耗

切削液被廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造領(lǐng)域,其作用包括冷卻、潤滑、去屑(清洗)、防銹等。冷卻和潤滑功能作為切削液的主要功能,大大延長了刀具的壽命,提高了加工質(zhì)量和加工效率。作為機(jī)械制造過程中的輔助工藝,為了滿足加工質(zhì)量需求,傳統(tǒng)切削液供給方式采用了粗放式的澆注方法,對其供給過程的優(yōu)化沒有足夠重視,因而存在著較嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。有研究表明,在大型機(jī)加工車間且有較高精度要求的條件下,切削液相關(guān)成本占總制造成本的7%～17%[1]。雖然切削液相關(guān)成本如此之高,但是從已有研究成果來看,切削液相關(guān)工藝改進(jìn)類的文獻(xiàn)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于切削用量優(yōu)化、刀具磨損以及加工效率優(yōu)化等其他相關(guān)研究。面對全球可利用資源的枯竭性威脅和環(huán)境的日益惡化,節(jié)約能源、提高資源的利用率已經(jīng)成了不可忽視的問題。在低碳制造概念[2-3]的驅(qū)動(dòng)下,研究者們逐漸轉(zhuǎn)向研究新型的切削潤滑方法,近年來提出了干切削、微量潤滑切削(MQL)、低溫切削等新型切削潤滑技術(shù)。

干切削技術(shù)[4]是基于刀具及其涂層材料的發(fā)展而被提出的,它不使用切削液,從而避免了切削液帶來的系列問題,但其當(dāng)前所能適應(yīng)的加工工藝范圍極其有限。MQL技術(shù)[5-6]將微量切削液以霧狀噴射至切削接觸區(qū)域,具有較好的潤滑效果,但存在冷卻效果不足的缺陷,而且產(chǎn)生超高空氣懸浮顆粒和呼吸性粉塵,對工人健康造成了一定威脅。此外,還有其他新型的冷卻潤滑及相關(guān)改進(jìn)技術(shù),如低溫切削、高壓冷卻、內(nèi)冷技術(shù)、低溫MQL技術(shù)等均處在實(shí)驗(yàn)室研究階段,還有較多技術(shù)問題有待解決[7-9]。

調(diào)查顯示,目前國內(nèi)超過70%的切削液用戶仍采用傳統(tǒng)澆注式噴射方法且取得了良好的加工效果,但存在著浪費(fèi)嚴(yán)重及排放處理困難的問題。面對這一現(xiàn)狀,目前國內(nèi)外對傳統(tǒng)澆注方式提出改進(jìn)建議的文獻(xiàn)并不多見[10]。在傳統(tǒng)切削液供給方式存在較多缺陷的情況下,當(dāng)前新型切削潤滑技術(shù)并沒能被廣泛推廣包含著多方面原因,而這些技術(shù)本身所存在的缺陷為主要因素。從近些年來的研究文獻(xiàn)分布狀況來看,研究者們將研究重點(diǎn)放在了提出及改進(jìn)新型切削潤滑技術(shù)上,然而并沒有提出統(tǒng)一的技術(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11],這導(dǎo)致了工程人員在面對多種新型冷卻潤滑方式的選擇時(shí)存在隨意性,除此之外,工程人員對整個(gè)低碳制造系統(tǒng)中切削液所連帶的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境成本問題缺乏足夠認(rèn)識(shí)。

本文從新的角度認(rèn)識(shí)切削液供給技術(shù)的優(yōu)化方向,提出面向低碳制造過程的切削液供給系統(tǒng)優(yōu)化方法,從整個(gè)切削液循環(huán)系統(tǒng)消耗模型和切削液噴射工藝優(yōu)化方法兩個(gè)方面探討了切削液供給過程優(yōu)化的實(shí)施方法,最終開發(fā)出面向智能化和低碳化制造車間的切削液循環(huán)系統(tǒng)控制平臺(tái)。

1 切削液循環(huán)系統(tǒng)的資源消耗模型

在機(jī)械加工行業(yè)中的大規(guī)模(如汽車、飛機(jī)制造業(yè)等)生產(chǎn)條件下,多采用集中切削液循環(huán)系統(tǒng)。制造系統(tǒng)中整條生產(chǎn)線上的幾十、上百臺(tái)機(jī)床的供液系統(tǒng)串聯(lián)在一起,切削液由泵統(tǒng)一輸送,加工后的切削液又統(tǒng)一流回儲(chǔ)液槽進(jìn)行集中過濾循環(huán)處理。相對于傳統(tǒng)單機(jī)供液方式,集中切削液循環(huán)供給系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)及能耗成本低、環(huán)境污染少、維護(hù)管理方便、切削液質(zhì)量可靠等優(yōu)勢,是未來機(jī)械制造車間中切削液供給方式的發(fā)展趨勢。

集中切削液循環(huán)處理系統(tǒng)主要包括集中過濾系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、供液系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等組成部分。系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)包括:切削液的日常維護(hù)、切削液過濾循環(huán)處理、廢液排放處理、向加工單元泵送清潔切削液及其他輔助任務(wù)。其中,切削液回收循環(huán)處理環(huán)節(jié)承擔(dān)著對回收切削液多級(jí)過濾的任務(wù),復(fù)雜的過濾系統(tǒng)也是整個(gè)切削液系統(tǒng)中使用及維護(hù)成本最大的部分。過濾機(jī)組實(shí)物圖及循環(huán)處理系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

(a)過濾機(jī)組實(shí)物圖

(b)切削液循環(huán)系統(tǒng)示意圖圖1 切削液循環(huán)系統(tǒng)

過濾系統(tǒng)是切削液循環(huán)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。通常用于描述過濾系統(tǒng)的指標(biāo),除了包括過濾精度等技術(shù)指標(biāo)外,還經(jīng)常使用切削液循環(huán)周轉(zhuǎn)率(R)來衡量系統(tǒng)在使用過程中的工作效率。切削液循環(huán)周轉(zhuǎn)率定義為單位時(shí)間內(nèi)過濾系統(tǒng)中的切削液循環(huán)次數(shù),表達(dá)式如下

(1)

式中:q表示單位時(shí)間過濾系統(tǒng)的切削液吞吐量,m3/h;V表示過濾系統(tǒng)容量,m3。

通常q大于單位時(shí)間內(nèi)加工單元的實(shí)際切削液使用總量,這是由于存在切削液的黏附、蒸發(fā)、擴(kuò)散等現(xiàn)象,供給加工單元的切削液使用量(qm)并沒有被全部回收。若用k1表示加工單元切削液回流量占總供給量的比值,該值可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得?；厥涨邢饕毫魅胙h(huán)系統(tǒng)進(jìn)行過濾操作,假定k2為可再使用切削液的比例,該值為過濾系統(tǒng)的清潔率,其大小反映了過濾系統(tǒng)的回收能力。建立圖2所示數(shù)學(xué)模型來反映切削液的回收過程,依據(jù)該模型可計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)過濾系統(tǒng)的吞吐量為

q=(1+k1-k1k2)qm=kqm

(2)

式中:k為杠桿系數(shù),反映車間或生產(chǎn)線的切削液循環(huán)回收能力,值大于1,k越小表明回收能力越強(qiáng),當(dāng)取極限值1時(shí)意味著所有已使用切削液可完全回收利用。

圖2 切削液循環(huán)過程數(shù)學(xué)模型

若用K表示每循環(huán)一次切削液系統(tǒng)的資源(如電能)消耗成本,C0表示供液系統(tǒng)的基本維護(hù)成本,則集中切削液循環(huán)系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的總成本

(3)

模型中的成本C既可表示經(jīng)濟(jì)成本,也可表示環(huán)境成本(碳排放、環(huán)境污染)。從式(3)可以看出,降低切削液成本的主要手段包括改進(jìn)切削液循環(huán)設(shè)備(降低K)和減少切削液的使用量(減小qm)。其中,切削液循環(huán)設(shè)備的改進(jìn)通常側(cè)重于動(dòng)力設(shè)備的功率優(yōu)化,而切削液使用過程的改進(jìn)則為機(jī)械制造工藝優(yōu)化的研究內(nèi)容。切削液循環(huán)設(shè)備的能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化長期被研究者關(guān)注,其往往涉及較多的技術(shù)難題,改進(jìn)成本大。相比而言,從切削液噴射工藝優(yōu)化方面的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)成本低,且具有較大的優(yōu)化空間。通過對切削液使用工藝的改進(jìn),能減小對高功耗循環(huán)設(shè)備的依賴,從而盡可能大程度地降低切削液輔助系統(tǒng)帶來的多種負(fù)面影響。此外,針對現(xiàn)有的傳統(tǒng)機(jī)加工車間切削液使用中存在大量浪費(fèi)的現(xiàn)狀,設(shè)法減少切削液浪費(fèi)可視為現(xiàn)有車間低碳化和低成本化改造的主要方式。新型切削潤滑技術(shù),包括干切削、MQL技術(shù)等也都著力于減少切削液的浪費(fèi)和提高其使用效率。

2 切削液噴射工藝的優(yōu)化方法

切削液噴射過程是切削液循環(huán)系統(tǒng)的最終作用環(huán)節(jié),噴射工藝中切削液的使用效率直接決定了切削液的使用量。本節(jié)從切削液的主要作用,即潤滑和冷卻兩個(gè)方面出發(fā),通過分析切削液對切削過程變量的影響來判斷切削液的作用效果,從而提出切削液噴射工藝的優(yōu)化方案,為提高切削液使用效率提供依據(jù)。

2.1 切削液對切削過程的影響分析

切削液的潤滑作用表現(xiàn)為降低切削區(qū)域的接觸面摩擦因數(shù)。以切屑與前刀面的摩擦接觸區(qū)域?yàn)槔?切削液主要通過毛細(xì)管現(xiàn)象泵吸進(jìn)入接觸區(qū)域的微小的縫隙中,使摩擦條件由干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔鐫櫥瑺顟B(tài)。用μ表示切屑與前刀面接觸區(qū)域的平均摩擦因數(shù),使用不同的切削液或在同一種切削液的不同噴射參數(shù)下,μ值可從干摩擦條件下的0.9下降至0.5[12]。潤滑作用對切削過程最直接的影響便是改變了切屑與前刀面的摩擦因數(shù),從而影響切削力、熱、變形及切削振動(dòng)信號(hào)等切削過程變量。通常隨著μ的減小,切削變形降低,切削力減小,切削溫度降低,切削振動(dòng)總能量減小且趨于均勻[11],并最終提高刀具的壽命以及工件表面質(zhì)量。切削過程變量隨切削液噴射工藝參數(shù)的變化規(guī)律為切削液噴射參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

切削液的冷卻作用表現(xiàn)為低溫切削液流動(dòng)在高溫切削區(qū)域表面,從而帶走切削區(qū)域熱量。在噴射過程中,切削液的溫度、流量、壓力、噴射角度及固有物理屬性都直接或間接影響其換熱性能。假設(shè)切削液在切削區(qū)域表面的流動(dòng)主要表現(xiàn)為層流,依據(jù)普朗特層流理論,通常在普朗特?cái)?shù)Pr>1的條件下,溫度邊界層小于速度邊界層,而只有溫度邊界層內(nèi)部的切削液有溫度梯度,即具有冷卻作用,速度邊界層內(nèi)的切削液對底層切削液起推動(dòng)流動(dòng)作用,因此處在速度邊界層外的切削液被浪費(fèi)掉。因此,從切削液的冷卻作用效果來看,切削液的使用量并非越多越好。這一分析解釋了傳統(tǒng)粗放式切削液噴射方法存在嚴(yán)重浪費(fèi)的根本原因。

此外,由于發(fā)熱區(qū)域處在刀尖位置附近并包含在切削區(qū)域內(nèi)部,切削液并不能直接到達(dá)并實(shí)現(xiàn)冷卻,因此切削液噴射在切削區(qū)域的位置及角度會(huì)影響到熱源熱量的傳遞方向。例如,若采取一定措施使切削液主要被噴射在前刀面,使前刀面的溫度遠(yuǎn)低于切屑及工件,便引導(dǎo)熱源中更多的熱量流向刀具,從而增加刀具的熱負(fù)荷并影響刀具壽命。因此,在分析切削液對切削區(qū)域的冷卻效果時(shí),不能僅以前刀面溫度為依據(jù),還需考慮其對切削熱在整個(gè)區(qū)域的分配的影響。

2.2 切削液作用效果仿真實(shí)驗(yàn)

(a)μ=0.9 (b)μ=0.8

(c)μ=0.72 (d)μ=0.66

(e)μ=0.6 (f)μ=0.5圖3 切削變形隨摩擦因數(shù)的變化

切屑與前刀面的摩擦因數(shù)反映了切削液的潤滑效果,因此切削液潤滑效果仿真實(shí)驗(yàn)可以用于探索前刀面-切屑之間的摩擦因數(shù)與切削過程變量的關(guān)系。仿真條件如下:刀具和工件材料分別選擇高速鋼和45鋼,仿真環(huán)境為基于Deform-2D的有限元平臺(tái)。進(jìn)行正交切削動(dòng)態(tài)模擬,在不同μ的條件下,輸出切削力、溫度、變形及振動(dòng)信號(hào)的變化情況。圖3為在不同摩擦因數(shù)條件下切削變形相對穩(wěn)定后的切屑形態(tài)截圖,從中可以看出,隨著摩擦因數(shù)的降低,切削變形量有所減小。通過多層小波包分解及能量計(jì)算,圖4展示了切削振動(dòng)信號(hào)在不同頻段上的能量分布隨摩擦因數(shù)的變動(dòng)情況,從中可以看出,隨著摩擦因數(shù)的降低,振動(dòng)能量分布趨于均勻。此外,切削力和切削溫度也隨著潤滑效果的提升而呈較明顯的下降趨勢。

圖4 背向振動(dòng)信號(hào)能量分布隨摩擦因數(shù)的變化

切削液冷卻效果仿真實(shí)驗(yàn)用于探索切削液對切削區(qū)域溫度分布的影響。仿真條件如下:在Fluent軟件平臺(tái)上,假定切削接觸區(qū)域無相對運(yùn)動(dòng),在剪切區(qū)域和摩擦區(qū)域加恒定熱源。仿真結(jié)果顯示,切削液流動(dòng)場分布被切屑在空間上分為兩個(gè)部分,即切屑與前刀面所夾空間A以及切屑與未加工表面所夾空間B,如圖5a所示,在A和B區(qū)域存在旋渦現(xiàn)象。圖5b顯示溫度場也形成類似流場的旋渦狀分布,依此可以看出,切削區(qū)域表面溫度分布與切削液流場分布有著密切關(guān)系。為探索切削液對切削熱在工件、切屑及刀具上的分配的影響,改變切削液的噴射角度用以研究切削液對切削熱分配的影響關(guān)系。切削熱的分配通過在工件、切屑、刀具表面上各選取一個(gè)溫度測試點(diǎn)(P1,P2,P3)來反映。圖6a、6b分別反映噴嘴角度調(diào)整方法和溫度測試點(diǎn)的選取方法,測試結(jié)果如圖7所示。隨著噴嘴軸線與前刀面法線夾角的增大,刀具前刀面P3點(diǎn)的溫度逐漸降低,而工件表面P1點(diǎn)的溫度稍有上升。這一現(xiàn)象表明,當(dāng)A區(qū)域的換熱條件有所提高時(shí),更有利于其對前刀面熱量的疏導(dǎo)。

(a)切削液速度場 (b)切削區(qū)域溫度場圖5 切削液冷卻過程仿真結(jié)果

(a)噴嘴角度調(diào)整方法 (b)溫度測試點(diǎn)的選擇圖6 仿真實(shí)驗(yàn)方案

圖7 測試點(diǎn)溫度隨噴嘴角度調(diào)整的變化

通過仿真分析可知,切削液的實(shí)際作用效果主要包括潤滑和冷卻,與切削液在切削區(qū)域的流動(dòng)情況有著密切的關(guān)系。因此,切削液的噴射參數(shù)如壓力、流量、噴射方位等與切削液的實(shí)際作用效果及利用率產(chǎn)生了重要的關(guān)聯(lián)。通過切削液的作用效果及使用效率指標(biāo)進(jìn)行切削液供給參數(shù)優(yōu)化調(diào)整是提高切削液使用率、降低浪費(fèi)的有效途徑。

2.3 切削液噴射工藝優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方案

切削液的潤滑效果指標(biāo)可以用摩擦因數(shù)μ來表示,而切削液的冷卻性能指標(biāo)則可以選擇目標(biāo)點(diǎn)的溫度與切削區(qū)域平均溫度的比值來表示,其中切削區(qū)域平均溫度可以通過切削溫度經(jīng)驗(yàn)公式獲得。

理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)指出,切削液的潤滑效果及冷卻效果對切削過程的影響可以從切削過程變量(力、溫度、振動(dòng)、變形等)反映出來。因此,可以通過測量切削過程變量來判斷切削液的作用效果,進(jìn)而指導(dǎo)切削液的選擇、供給方式及參數(shù)優(yōu)化。在實(shí)際加工過程中,切削液的供給參數(shù)優(yōu)化過程見圖8,使用液壓閥門及機(jī)械機(jī)構(gòu)對切削液流量、壓力、噴嘴噴射方位進(jìn)行調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)切削液供給參數(shù)的控制,在切削加工中監(jiān)測切削過程變量信息并進(jìn)行切削液冷卻和潤滑指標(biāo)計(jì)算。通過不斷調(diào)整切削液供給參數(shù)并計(jì)算其冷卻潤滑效果指標(biāo),最終尋找出特定冷卻及潤滑效果邊界條件下的最低切削液使用量和相應(yīng)供給參數(shù)。

圖8 切削液供給參數(shù)優(yōu)化過程示圖

在上述優(yōu)化過程中,切削液的作用效果指標(biāo)需要通過切削過程變量擬合獲得。這一擬合過程對切削液作用效果評價(jià)至關(guān)重要,其必須同時(shí)考慮到多個(gè)切削過程變量之間的內(nèi)部聯(lián)系以及它們與切削液冷卻潤滑效果指標(biāo)之間的聯(lián)系。此外,擬合過程需要盡可能濾除傳感器所獲得數(shù)據(jù)存在的隨機(jī)誤差?，F(xiàn)代智能計(jì)算方法,如BP網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機(jī)等,具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力、非線性擬合能力和穩(wěn)定性,可用在切削液作用效果的擬合過程中。表1所示數(shù)據(jù)顯示了BP網(wǎng)絡(luò)算法對于擬合μ值的可靠性。

表1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測的μ值與真值的對比

在實(shí)際加工中,切削過程變量通常還會(huì)受到加工材料、刀具參數(shù)、切削用量等多方面因素的影響,因此在切削液作用性能擬合的過程中可以選取較重要的影響因素作為輸入?yún)?shù)一并參與計(jì)算。需要指出的是,在選取切削液的作用效果指標(biāo)時(shí)通常還會(huì)考慮其使用條件,在低速加工及精加工條件下通常以潤滑作用為主,此時(shí)可選用潤滑性能指標(biāo)作為切削液供給參數(shù)調(diào)整依據(jù),高速加工和粗加工條件下則與之相反。刀具磨損、加工精度以及工件表面質(zhì)量通常作為選取及確定切削液作用效果指標(biāo)的約束條件。

3 切削液循環(huán)系統(tǒng)控制平臺(tái)

3.1 切削液系統(tǒng)碳排放量計(jì)算

低碳制造可被描述為在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中釋放盡可能少的二氧化碳的制造過程[3]。碳排放量是評價(jià)系統(tǒng)低碳化程度的重要指標(biāo)。切削液輔助系統(tǒng)的碳排放總量劃分為切削液資源消耗(S)、循環(huán)系統(tǒng)電能消耗(E)以及切削液浪費(fèi)(W)3個(gè)部分的相關(guān)碳排放,具體表達(dá)為

QC=f(E,S,W)

(4)

式中:QC代表碳排放總量。在計(jì)算過程中,碳排放總量等于各個(gè)部分的資源消耗形式乘以相應(yīng)的碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)再求和。

通過本文前兩節(jié)的研究可知,依據(jù)切削液的作用效果指標(biāo)進(jìn)行切削液噴射工藝優(yōu)化直接降低了切削液使用量,在間接上降低了切削液輔助系統(tǒng)電能消耗,從而能夠有效降低切削液輔助系統(tǒng)的碳排放總量。

3.2 切削液循環(huán)系統(tǒng)智能控制平臺(tái)

作為制造車間中重要的輔助系統(tǒng),切削液循環(huán)系統(tǒng)可以被看作是與機(jī)床設(shè)備并行運(yùn)行的相對獨(dú)立系統(tǒng),其負(fù)責(zé)切削液的供給、噴射、回收、過濾、排放等循環(huán)程序。在智能化及低碳化制造體系下,切削液循環(huán)系統(tǒng)的碳排放及運(yùn)行狀況也需要同生產(chǎn)線上的機(jī)床群體一樣被考慮。因此,在切削液循環(huán)系統(tǒng)模型和噴射工藝優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上,有必要開發(fā)面向低碳制造車間的切削液系統(tǒng)智能控制平臺(tái)。

依據(jù)切削液的冷卻潤滑效果指標(biāo)指導(dǎo)切削液的供給方式,為改進(jìn)切削液的使用工藝提供了重要的參考依據(jù)。然而,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測切削液噴射過程中切削過程變量來擬合切削液作用效果指標(biāo)并不容易實(shí)現(xiàn),因此建立切削液使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫成為了必要。該數(shù)據(jù)庫在一定量切削試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立,能夠指導(dǎo)切削液使用的工藝過程,提高其使用效率。

圖9 面向低碳制造過程的智能切削液系統(tǒng)控制平臺(tái)功能模塊

通過上述分析可知,系統(tǒng)控制平臺(tái)在完成對切削液設(shè)備及切削液狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,還需包含切削液使用數(shù)據(jù)庫以及碳排放指標(biāo)運(yùn)算模塊,以實(shí)現(xiàn)對切削液使用過程的指導(dǎo)、評價(jià)和優(yōu)化。依此設(shè)計(jì)智能切削液循環(huán)系統(tǒng)控制平臺(tái),其功能模塊如圖9所示,包含:設(shè)備運(yùn)行及切削液狀態(tài)監(jiān)測模塊,其保證循環(huán)設(shè)備的正常運(yùn)行及切削液濃度、pH值等指標(biāo)合格;循環(huán)系統(tǒng)指標(biāo)運(yùn)算及優(yōu)化模塊,用于對系統(tǒng)的過濾精度、回收能力、周轉(zhuǎn)率、碳排放量等指標(biāo)的計(jì)算,并在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置;切削液噴射控制與指導(dǎo)模塊(系統(tǒng)界面見圖10),包含切削液使用數(shù)據(jù)庫并能指導(dǎo)切削液噴射工藝參數(shù)的確定,該模塊依據(jù)切削工藝條件設(shè)定切削液噴射工藝參數(shù)以及供給泵工作參數(shù),促進(jìn)了切削液供給過程的智能化轉(zhuǎn)變。

圖10 切削液噴射控制模塊界面

4 結(jié) 論

本文提出了一種面向低碳化和智能化的切削液循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化方法,從切削液循環(huán)系統(tǒng)模型和噴射工藝優(yōu)化兩個(gè)方面進(jìn)行了研究,主要研究結(jié)論如下。

(1)面向低碳制造過程的切削液系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)主要包括切削液相關(guān)設(shè)備改進(jìn)和切削液使用工藝的優(yōu)化。

(2)依據(jù)切削液的作用效果指標(biāo)(如切削區(qū)域摩擦因數(shù)、溫度)進(jìn)行切削液供給參數(shù)的調(diào)整及優(yōu)化是切削液使用工藝優(yōu)化的可行途徑。

(3)設(shè)計(jì)了面向低碳制造的切削液循環(huán)系統(tǒng)智能控制平臺(tái)。本文研究內(nèi)容對傳統(tǒng)切削液供給系統(tǒng)的改進(jìn)以及新型切削潤滑技術(shù)的推廣有著重要的指導(dǎo)意義。

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(編輯 杜秀杰)

Cutting Fluid System Optimization for Low-Carbon Oriented Manufacturing Process

LIU Xianglang,ZHANG Yingjie,LI Yunlong,GAO Rui

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A strategy of cutting fluid system optimization for low-carbon oriented manufacturing is proposed to reduce pollution and waste in the extensive supplying systems of traditional manufacturing. A resource consummation model for cutting fluid cycling system in workshop is constructed, which indicates two ways for low-carbon oriented cutting fluid system optimization, supplying equipment improvement and cutting fluid volume optimization. Then the influences of cutting fluid on machining process are analyzed. A system controlling software platform is established and some numerical simulations are carried out. It is feasible to adjust the flux volume, pressure and jetting distance of cutting fluid according to the friction coefficient and temperature in cutting zone. Good lubricating and cooling effects greatly owe to the good flow state of cutting fluid in cutting zone, the chip deformation and cutting force as well as temperature reduction and vibration energy distributes more uniformly with the reduced friction coefficient, which validates the reliability of this strategy.

cutting fluid; low-carbon manufacturing; resource consumption

2015-07-04。

劉香浪(1991—),男,碩士生;張英杰(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375377)。

時(shí)間:2015-11-11

10.7652/xjtuxb201602016

TG506

A

0253-987X(2016)02-0091-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151111.1813.008.html