單海江，侯祥林，叢嘉憶，郭文匯，李冬

應(yīng)用正交試驗(yàn)優(yōu)化銑削參數(shù)及降低能耗研究

單海江1,2，侯祥林1，叢嘉憶2，郭文匯2，李冬2

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110045）

銑削加工是一個(gè)復(fù)雜的能量消耗的過(guò)程，可以通過(guò)選取合理的銑削參數(shù)，降低銑削加工過(guò)程中設(shè)備的能量消耗。本研究將銑削加工過(guò)程的能耗簡(jiǎn)化為銑削加工功率和時(shí)間的線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)銑削試驗(yàn)，獲得在不同銑削參數(shù)下的銑削設(shè)備功率消耗及銑削加工時(shí)間；應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，將選取的銑削參數(shù)做進(jìn)一步的優(yōu)化，從試驗(yàn)中可以看出不同的銑削參數(shù)對(duì)銑削設(shè)備輸出功率的影響；同時(shí)，對(duì)不同銑削參數(shù)下的加工時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)表明，在選取的銑削參數(shù)中，每齒進(jìn)給量對(duì)銑削設(shè)備加工時(shí)的輸出功率和加工時(shí)間影響最大，其次是切削速度，影響最小的是背吃刀量。從而對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取，在保證加工效率及質(zhì)量的前提下，將銑削設(shè)備能耗降至最低。

銑削加工；銑削參數(shù)；正交試驗(yàn)；能耗

銑削加工在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中效率低、耗能多，存在巨大的節(jié)能空間。制造業(yè)中的機(jī)床能量利用率平均不高于30%。如果我國(guó)制造業(yè)的各類(lèi)機(jī)械產(chǎn)品的效率提高1%，相當(dāng)于每年節(jié)約數(shù)千萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。由此可見(jiàn)，研究機(jī)床在加工過(guò)程中的能耗對(duì)制造業(yè)，以及國(guó)家工業(yè)總體的高效低碳運(yùn)行具有重要意義。

本文從我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際現(xiàn)狀出發(fā)，使用最常用的硬質(zhì)合金銑刀，銑削廣泛使用的40Cr鋼材，選取不同的銑削參數(shù)，獲得了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，將銑削參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，最終選取合理參數(shù)，有效提高銑削機(jī)床加工效率，并將銑削能耗降至最低。

1 銑削加工試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

如圖1所示，試驗(yàn)使用Binsheng公司生產(chǎn)的MCV-L1165型加工中心，該設(shè)備經(jīng)過(guò)改進(jìn)，內(nèi)置功率及扭矩檢測(cè)傳感系統(tǒng)，能夠在機(jī)載操作箱上讀出主軸實(shí)時(shí)功率和主軸轉(zhuǎn)矩。使用Y330硬質(zhì)合金4齒螺旋立銑刀，規(guī)格30×53。試驗(yàn)毛坯材料為40Cr鋼，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3077－1999。

圖1 機(jī)加試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)選用的銑削參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，將毛坯零件固定在床面上的三爪夾盤(pán)上，找正中心，銑削方式為順銑、直走刀，主軸轉(zhuǎn)速分別選取1000 rad/min、800 rad/min、600 rad/min、400 rad/min；由公式＝π/1000，將主軸轉(zhuǎn)速（rad/min）變?yōu)榫€速度v（m/min）。參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)選取的銑削參數(shù)

2 基于正交試驗(yàn)的降低銑削加工能耗的研究

在試驗(yàn)中改變主軸轉(zhuǎn)速、刀具每齒進(jìn)給量及吃刀量等切削參數(shù)，研究了工件材料去除過(guò)程中，銑削機(jī)床能量消耗的情況[2]。其模型表達(dá)式為：

式中：E為銑削設(shè)備加工時(shí)的能耗，kW·h；P為設(shè)備加工時(shí)的功率，kW；t為銑削加工的時(shí)間，h。

通過(guò)選取不同的銑削參數(shù)以及盡量少的走刀次數(shù)，即，使用盡量少的銑削時(shí)間，來(lái)降低銑削加工過(guò)程中設(shè)備的能耗。

（1）明確試驗(yàn)?zāi)康?，即降低銑削加工設(shè)備的能耗。按照上面的模型，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有兩個(gè)：銑削時(shí)間及銑削加工時(shí)設(shè)備的銑削功率。銑削加工同一零件，最少的銑削時(shí)間、選用合理的切削參數(shù)使得銑削設(shè)備消耗最小的切削功率，即可得到銑削設(shè)備最小的能耗。

（2）試驗(yàn)涉及的因素，即銑削參數(shù)，主要包括銑削速度v、背吃刀量a、進(jìn)給量，直接影響銑削設(shè)備的功率及銑削時(shí)間。

2.1 基于正交試驗(yàn)的銑削功率的優(yōu)化

2.1.1 銑削加工參數(shù)的確定

銑削加工中，切削參數(shù)的選擇不僅直接關(guān)系到刀具耐用度和零件質(zhì)量，還關(guān)系到機(jī)床的功率消耗，進(jìn)而關(guān)系到生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。

由于銑削時(shí)各參數(shù)之間存在著一定的聯(lián)系，所以，需合理地調(diào)整各參數(shù)之間的關(guān)系，使其組合起來(lái)獲得最佳的切削質(zhì)量與生產(chǎn)效率，也就是切削參數(shù)的優(yōu)化選擇[3]。

在當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)中，銑削參數(shù)大多可以通過(guò)以下方法確定：

（1）從相關(guān)的“金屬切削手冊(cè)”[4]中進(jìn)行查找。一般來(lái)講，現(xiàn)在大部分的“金屬切削用量手冊(cè)”上都會(huì)標(biāo)出銑削參數(shù)的范圍，這些范圍比較寬泛，很難選取最佳的切削參數(shù)。

（2）憑長(zhǎng)期的銑削加工經(jīng)驗(yàn)確定。實(shí)際生產(chǎn)中操作者的技能水平、零件的批量、使用的刃具及加工的材料等生產(chǎn)條件不同，也不可能確定最合理的切削用量。

（3）通過(guò)大量的銑削試驗(yàn)來(lái)確定。雖然這個(gè)過(guò)程需要一定的成本，但基于正交法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，為其他的銑削加工過(guò)程提供準(zhǔn)確的低能耗的切削參數(shù)，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

2.1.2 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選用三個(gè)因素，每個(gè)因素定位4個(gè)水平（表1），根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論要求[5-6]，選擇常用的L16（45）正交表。將三個(gè)因素所取的水平數(shù)代入正交表中，如表2所示。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果的分析

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的均值、極差值，可看出各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響從主到次的順序?yàn)椋骸?。即每齒進(jìn)給量對(duì)銑削功率影響最大，是影響銑削功率的主要因素；切削速度v次之，背吃刀量a在這三個(gè)因素中影響最小。

由圖2可知，隨著切削速度v、每齒進(jìn)給量增大，銑削功率也增大；背吃刀量a增大，銑削功率也增大；但在背吃刀量a取值為2～2.5時(shí)，功率變化較大；為2.5～3時(shí)，變化相對(duì)較小。

對(duì)應(yīng)因素所在列，1號(hào)111，5號(hào)213，13號(hào)412，14號(hào)421四個(gè)試驗(yàn)銑削功率都較小，最優(yōu)的試驗(yàn)方案是14號(hào)試驗(yàn)421，即取v＝37.7 m/min、＝0.2 mm、a＝2 mm；但也可能是411，需要后續(xù)的試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

表2 功率試驗(yàn)的均值極差

圖2 功率效應(yīng)曲線

2.2 基于正交試驗(yàn)的銑削時(shí)間的優(yōu)化

2.2.1 銑削加工時(shí)間的確定

在實(shí)際銑削生產(chǎn)過(guò)程中，通常有兩個(gè)優(yōu)化指標(biāo)：最大生產(chǎn)率，最低制造成本。當(dāng)零件生產(chǎn)需要工期很短的時(shí)候，一般會(huì)優(yōu)先考慮生產(chǎn)效率，也就是以最大生產(chǎn)率作為優(yōu)化目標(biāo)；當(dāng)生產(chǎn)的零件工期要求不急時(shí)，則通?？紤]制造的經(jīng)濟(jì)性，即以最低生產(chǎn)成本作為優(yōu)化目標(biāo)[7]。

本節(jié)銑削加工時(shí)間確定的基本思路是：以最大生產(chǎn)率為目標(biāo)，對(duì)銑削同一零件的切削時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。在零件質(zhì)量穩(wěn)定可靠的前提下，使得銑削生產(chǎn)效率接近或者達(dá)到最高，即銑削加工相同體積的金屬層所用時(shí)間t最短，銑削時(shí)間與銑削參數(shù)關(guān)系為：

式中：為去處金屬毛坯的體積，cm3；為金屬去除率，cm3/min；v為進(jìn)給速度，mm/min；a為銑刀吃刀寬度，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，rad/min；d為銑刀直徑，mm。

2.2.2 銑削時(shí)間的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

如上所述，假設(shè)去除相同體積的毛坯金屬，金屬去除率越大，則銑削加工時(shí)間越少。為了結(jié)果更加準(zhǔn)確，試驗(yàn)時(shí)銑削設(shè)備、銑刀、毛坯、裝夾方式等試驗(yàn)條件全相同，結(jié)果如表3所示。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果的分析

通過(guò)表3可得，三個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的主次順序?yàn)椋骸?。即每齒進(jìn)給量對(duì)銑削時(shí)間影響最大，是主要因素；切削速度v次之，背吃刀量a在這三個(gè)因素中影響最小。

由圖3可知，隨著切削速度v、每齒進(jìn)給量增大，銑削時(shí)間縮短；背吃刀量a增大，銑削時(shí)間縮短；但在背吃刀量a取值為2～2.5時(shí)，對(duì)銑削時(shí)間幾乎沒(méi)有影響；為2.5～3時(shí)，時(shí)間有明顯變化。

由表3可知，4號(hào)試驗(yàn)144為最佳方案，即取v＝94.25 m/min、＝0.4 mm、a＝4 mm時(shí)，銑削時(shí)間最短。

表3 時(shí)間試驗(yàn)的均值極差

圖3 時(shí)間效應(yīng)曲線

2.3 基于正交試驗(yàn)的銑削加工能耗的優(yōu)化

通過(guò)以上兩項(xiàng)試驗(yàn)，分別看出了銑削參數(shù)對(duì)于銑削功率和銑削加工時(shí)間的影響，根據(jù)式（1），將兩組試驗(yàn)的結(jié)果相乘，即可得到銑削參數(shù)在銑削加工過(guò)程中的能耗情況，這也是正交試驗(yàn)里常用的綜合平衡法[5]。

現(xiàn)將兩組試驗(yàn)的結(jié)果相乘，即銑削時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果由分鐘換算成小時(shí)，再乘以銑削功率的試驗(yàn)結(jié)果，得到銑削加工過(guò)程中選用不同的切削參數(shù)對(duì)銑削設(shè)備能耗的影響，如表4所示。

表4 能耗試驗(yàn)的計(jì)算分析

同理，按照正交試驗(yàn)的均值極差分析法，可以看出，銑削參數(shù)中每齒進(jìn)給量對(duì)銑削能耗影響最大，是主要因素；切削速度v與背吃刀量a影響在本試驗(yàn)中處于同水平。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，12號(hào)試驗(yàn)341，即取v＝56.55 m/min、＝0.4 mm、a＝2 mm時(shí)，和16號(hào)試驗(yàn)443，即v＝37.7 m/min、＝0.4 mm、a＝3 mm時(shí)，銑削耗能最少。

除了這些銑削參數(shù)外，銑削加工還受到其他因素的限制[8-10]，限制條件如下。

（1）刀具耐用度滿足要求條件：

式中：T為計(jì)算刀具耐用度，h；為設(shè)定的刀具耐用度，h；C為耐用度系數(shù)；分別為各因素影響程度的指數(shù)。

（2）切削功率條件：

式中：P為計(jì)算功率，kW；P為機(jī)床額定功率，kW；為機(jī)床效率；為銑削力，N；C為系數(shù)，根據(jù)加工條件確定；x、y、z分別為各因素對(duì)切削力的影響程度指數(shù)；K為切削條件改變時(shí)的修正系數(shù)。

（3）機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度：

式中：F為銑削進(jìn)給方向上的切削力，N；F為機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)額定受力，N；為機(jī)床效率。為銑削力，N；C為系數(shù)，根據(jù)加工條件確定；xyz分別為各因素對(duì)切削力的影響程度指數(shù)；K為修正系數(shù)。

（4）粗糙度指標(biāo)：

式中：R為輪廓的最大峰值，mm；r為系數(shù)；R為輪廓最大高度，即輪廓封頂線和谷底線之間的距離，mm。

綜合這些條件考慮，12號(hào)試驗(yàn)341，即v＝56.55 m/min、＝0.4 mm、a＝2 mm時(shí)，對(duì)刀具的壽命有益，也能發(fā)揮銑削設(shè)備的性能，所以選取這組參數(shù)更適合，更符合實(shí)際銑削加工的需求。

由圖4可知，過(guò)高或者過(guò)低的切削速度v都會(huì)增加設(shè)備能耗；每齒進(jìn)給量的增加，會(huì)降低能耗；背吃刀量a較小或者較大時(shí)，銑削加工能耗反而較低。這是因?yàn)?，選用較大的背吃刀量a會(huì)大大降低銑削時(shí)間，而較小的背吃刀量a會(huì)降低銑削功率，當(dāng)背吃刀量a處于中間水平時(shí)，會(huì)增加銑削設(shè)備能耗。

3 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)的過(guò)程、結(jié)果分析，對(duì)銑削參數(shù)和銑削加工過(guò)程中的設(shè)備消耗功率、銑削時(shí)間分別進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出銑削參數(shù)對(duì)它們的主次影響，同時(shí)結(jié)合銑削設(shè)備的功耗模型，進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，最后得出在實(shí)際的銑削加工過(guò)程中，在刀具能夠承受的范圍內(nèi)，盡量選用較大的進(jìn)給量，機(jī)加余量較大時(shí)，優(yōu)先選擇較大的背吃刀量。

圖4 能耗效應(yīng)曲線

在使用Y330硬質(zhì)合金銑削40Cr鋼時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速600～800 r/min；半精加工時(shí)選取較小的背吃刀量，這樣不僅對(duì)零件表面質(zhì)量有利，而且能夠?qū)娤髟O(shè)備的能耗降至最低水平。

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Optimization of Milling Parameters and Reduction of Energy Consumption by Orthogonal Test

SHAN Haijiang1,2，HOU Xianglin1，CONG Jiayi2，GUO Wenhui2，LI Dong2

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2.Liaoshen Industrial Group Co. Ltd., Shenyang 110045, China )

This paper aims at recommending reasonable milling parameters in order to reduce energy consumption during milling process. Energy consumption of milling process is simplified as a linear relationship between milling power and time. Through milling experiments, the power consumption of milling equipment and milling time under different milling parameters are obtained.By using the method of orthogonal test design, the selected milling parameters are further optimized. The influence of different milling parameters on the output power of milling equipment is studied and the processing time under different milling parameters is compared and analyzed. The results show that, in the selected milling parameters, feed rate per tooth has the greatest influence on the output power and processing time, followed by cutting speed, and back draft shows the least influence.Therefore, the milling parameters are optimized and selected, and the energy consumption of the milling equipment is minimized on the premise of ensuring processing efficiency and quality.

milling；milling parameters；orthogonal test；energy consumption

TG54

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.010

1006－0316 (2020) 07－0063－06

2019－12－30

單海江（1980－），男，河北承德人，工程碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐娒衿饭に嚰夹g(shù)研究、工裝的設(shè)計(jì)優(yōu)化及制造、機(jī)床節(jié)能技術(shù)等，E-mail：shan1142003@163.com。