CN104636597A - 基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，包括如下步骤：1）试切；2）由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a；3）计算满功率对应的材料去除率；4）满扭矩切削验证；5）将步骤1）至步骤3）计算结果分别填写测试表，由第2）步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将机床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，作为评价机床能力极限，对机床进行切削能力评价。使用本方法，有助于了解被测机床的切削能力，即单位时间可去除的最大材料体积。能够评价和比较不同机床的切削性能。并依据机床最大MRR，合理选择切削参数。

Description

基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法

技术领域

本发明创造一种数控车床满扭矩切削检验和评价方法，属于通用型数控车床切削负荷检验和评价领域

背景技术

数控机床的切削负荷试验一般也称为重切削试验，是检验机床实际切削能力的重要检验试验。试验目的是为了了解机床生产后的真实加工能力，检验机床是否达到设计指标，重点关注主轴电机的功率、扭矩、主轴相对工作台的切削抗力以及主要部件的切削抗振性，有时也关注近满负荷加工时的振动量以及加工质量。我国对机床切削负荷的检验方法主要依据1988年建立的国家标准GB 9061《金属切削机床通用技术条件》，其内容主要包括机床的空运转试验、主传动系统的扭矩试验、机床切削抗力试验、主传动系统达到的最大功率试验，以及抗振性切削试验等。其中涉及主传动系统的扭矩试验包括机床注传动系统最大扭矩试验和机床短时间超过最大扭矩25％的试验两项内容，标准中规定“试验时在小于或等于机床技术转速的转速范围内选一适当转速，逐级改变进给量或取消深度，时机床达到规定扭矩。检验机床传动系统各传动原件和变速机构是否可靠，以及机床是否平稳和运动是否准确。”另外，对于成批生产的机床“允许在2/3倍最大扭矩下进行试验，但应定期进行最大扭矩和短时间超出最大扭矩25％的抽查性试验”。

随后，机械行业标准《JBT 4368.3-1996数控卧式车床技术条件》、《JB 4368.4－1996数控卧式车床性能试验规范》、《JBT 8325.2-1996简式重型卧式车床技术条件》、《JBT 9895.2-1999数控立式卡盘车床技术条件》、《JBT9934.2-1999立车技术条件》、《JBT 9934.2-2006数控立式车床第2部分：技术条件》陆续建立起来，其内容主要围绕GB 9061的检验项目、检验方法给出了较为详细的规定。北京机床研究所于2006年更新了GB9061标准的《GB 9061-2006金属切削机床通用技术条件》，但其中有关切削负荷检验的检验内容几乎没有变化。

另外，美国《ASME B5.57-1998Methods for performance evaluation of computernumerically controlled lathes and turning centers》中涉及切削负荷检验的内容主要围绕主轴的空运转损耗和切削颤振机械两个方面做了简略的说明，其中并未对主轴驱动能力和切削去除量的检验。

尽管我国国家标准和机械行业标准有着众多与机床切削负荷检验有关的标准，但是，上述方法存在一定的不足，主要表现在三个方面：1.检验流程不具体，检验中需要用到的刀具不明确，切削参数没有明确规定等，造成不同的机床制造企业在理解和应用标准时，难以做到相同条件进行试验，其检测和验收结果不能作为统一依据进行类比，验收可信性出现偏差；2.最大扭矩和超出最大扭矩25％的试验检测会对新机床造成破坏，一旦新机床无法通过满扭矩检验，势必会引起主轴憋停，导致机床精度丧失和关键部件的损伤。3.标准主要服务于普通车床，传统普车由于当时技术条件限制，加工不同零件对切削扭矩、主轴转速的需求还主要停留在离合器换挡调速层面上。随着数控机床技术的发展，上述标准很难继续服务于数控车床，并且有些标准还明文规定其检测项目要求“数控机床除外”。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种数控车床满扭矩切削检验的评价方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其理论依据如下：

(1)扭矩的计算

实际测试中，机床扭矩的测量需要较复杂的仪器和工装，相比之下，功率的测量较容易获得。因此，通过测量切削功率，并由公式(1)电机扭矩与功率关系可以计算出机床扭矩；

$T=9549\×\frac{P-P_0}{n}---\left(1\right)$

式中T——扭矩，单位Nm

P——切削时电动机的输入功率，kW

P₀——机床装有工件时的空运转功率，kW

n——机床主轴转速，rpm

(2)材料去除率的计算

由式(2)计算对应参数下的材料去除率：

MRR＝a_p×f_r×π×D×n/1000   (2)

式中MRR——材料去除率，单位cm³/mim

a_p——工件单边径向切削深度，mm

f_r——进给率，mm/r；

(3)车削力理论公式

式(3)为车削加工中的切削力计算理论公式：

F＝K_ca_pf_r+K_ef_r   (3)

其中，K_c为车削加工的切削力系数，K_e为刃口力系数。

(4)建立数控车床切削能力关系模型

由扭矩与切削功率关系公式(1)、和的切削力计算公式(3)，可得

$\frac{K_c{a}_p{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}=\frac{F\·D\·n}{2\×9549}=\frac{T\·n}{9549}=P-P_0---\left(4\right)$

将式(4)结合材料去除率计算公式(2)可得功率和材料去除率两者之间的联系，如式(5)。

$P=\frac{K_c{a}_p{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+P_0=k\·\mathrm{MRR}+a---\left(5\right)$

$k=\frac{1000K_c}{2\×9549\mathrm{\π}}$

其中， $a=\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+P_0$

对于任意一台机床，主轴电机功率与材料去除率都存在一条关系曲线，且对应唯一的k和a值。这里定义斜率k为数控机床的切削能力系数。另外，由式(6)可发现，空转功率P0与切削能力特性曲线的截距a有关系，定义截距a为数控机床的空运转功率损耗系数。

$P_0=a-\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}---\left(6\right)$

空转功率与主轴转速有关和工件直径有关，由于车削加工中刃口力系数K_e远小于切削力系数K_c，一般K_c＝10²K_e，并且Ke一般只有10～100，因此，一般很小，改变切削参数a_p、f_r、n对P₀影响较小。

由式(5)发现，若通过试切试验得到至少两组MRR及其对应的Power，即可计算得到相应的k和a，并初步确定下来函数。此时，由额定功率Power_r可计算得到对应的MRR，即为达到额定功率时的最大材料去除率，该值即为被测机床的最大切削能力。这时，无论切削用量中的各个参数如何匹配，只有满足其乘积MRR低于MRR_r，机床就能够满足切削要求。

具体的测试方法包括如下步骤：

第一步、试切：选取不同切削参数进行试切操作，试切次数不少于5次，记录切削参数直径，转速、切削深度、进给量，并测试获取功率数据；

第二步：由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式(5)，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a。

第三步：计算满功率对应的材料去除率：

将机床主轴电机额定功率或超出额定功率30％的功率代入式(5)分别计算在满功率或超出30％满功率时对应的理论最大材料去除率；

第四步：满扭矩切削验证：

按照第三步计算得到的理论去除率按不同的切削参数选取目的分解，并进行切削试验验证，以检验计算得到的理论材料去除率是否正确。

第五步：将步骤一至步骤三计算结果分别填写测试表，表中参数包括(直径D，转速n、切削深度a_p、进给量f_r、材料去除率MRR)。由前述第二步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将机床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，即认为是被评价机床在额定功率输出下的理论切削材料去除率，并以此作为评价机床能力极限。在进行实际切削验证时，考虑到切削振动、刀具和工件的安装状况等因素，实际切削能力会与理论值间存在一些误差，因此，建议将理论切削能力的80％～90％作为评价机床切削能力的指标，并对机床进行切削能力评价。同理，可评价机床超出额定功率30％时的切削能力。

本发明的有益效果：使用本方法，有助于了解被测机床的切削能力，即单位时间可去除的最大材料体积。能够评价和比较不同机床的切削性能。并依据机床最大MRR，合理选择切削参数。

附图说明

图1切削功率和材料去除率的关系图。

图2材料去除率和切削截面积关系图。

图3(a)第一台机床斜率状态图。

图3(b)第二台机床斜率状态图。

图4实施实例试切结果

具体实施方式

(一)本方法技术方案的实现过程及相关理论依据：

1.检验目的：在小于或等于机床计算转速的转速范围内选一适当转速，逐级改变进给量或切削深度，使机床达到规定扭矩。检验机床传动系统各传动元件和变速机构是否可靠，检验机床是否平稳和运动是否准确。计算相应切削参数下的材料去除率。

2.分析方法：

1)建立材料去除率与功率的大致关系：两者基本呈线性分布，如图1。

2)在棒料直径的消耗上，直径对材料去除率影响有限，ARR和MRR基本线性

3)记录加工参数(切深、转速、进给)、棒料直径和相应的材料去除率，从而利用材料去除率实现切削负荷的预测。

表1参数记录表

D	ap	n	fr	MRR

研究发现，Power&MRR线性，材料去除率可由以下公式(2)得到。

4)Power与各参数的关系:

由式(1)可知，在转速一定时，切削功率与切削扭矩成正比，而切削扭矩与切削力成正比，即F&T&P，如式(7)。

$F=\frac{2T}{D}---\left(7\right)$

5)找出切削参数的影响权重

利用正交试验确定各切削参数对切削功率的影响权重，如表2。

表2切削参数的影响权重

用极差来反映各因素的水平变动对试验结果(提取量)影响的大小。极差大就表示该因素的水平变动对试验结果的影响大，极差小就表示该因素的水平变动对试验结果的影响小。得到因素的主次顺序，主要因素应取最好的水平，而次要因素则可根据成本、时间、收益、损耗等方面的统筹考虑选取适当的水平。由此得到各因素产生最大功率的搭配。

6)分析和结论

由图1功率和材料去除率两者之间的联系得到式(5)；

若通过试切试验得到至少两组MRR及其对应的Power，即可计算得到相应的k和a，并初步确定下来函数。此时，由额定功率Power_r可计算得到对应的MRR，即为达到额定功率时的最大材料去除率，该值即为被测机床的最大切削能力。这时，无论切削用量中的各个参数如何匹配，只有满足其乘积MRR低于MRR_r，机床就能够满足切削要求。

另外，由图2材料去除率与切削截面积之间的线性关系，可发现工件棒料的直径在一定范围内对材料去除率和功率的计算没有明显影响。注：图2例中工件直径在切削试验评价过程中在106mm～140mm范围内。

利用材料去除率和功率关系预测和评定机床切削能力的方法。

同时，比较不同斜率和截距，也可以评定机床的性能，如图3(a)、(b)两台不同机床的比较，斜率小的机床其切削能力更强。这样还可以简化验证环境，省去一定的测试工作量。

(二)具体方案实现步骤：

检验项目：空载功率、振动速度(选项)等

检验工具：功率计或其他测量功率仪器、振动测量仪(选项)

刀具：主偏角45°的机夹车刀，刀尖角90一。

工件：直径D_c/4≤D≤D_c/2，尽可能接近大值，D_c机床最大回转直径；长度L＝D_c/4；材质45钢。

切削长度：10≤l≤20mm

主轴转速：对于电主轴、直连主轴、无变档主轴，主轴转速选择在主轴电机转速的恒扭矩范围；对于传动齿轮箱传动且存在多个档位的机床主轴，转速选择在第一档的恒扭矩范围内。

第一步：试切

表3满扭矩试验试切测试

第二步：由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式(5)，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a。

第三步：计算满功率对应的材料去除率

由于主轴电机输出功率与材料去除率成正比，因此，计算在满扭矩和超出30％满扭矩时对应的材料去除率。并将相应的去除率分解为适当比例的切削参数，以便通过满扭矩测试进行检验。

第四步：满扭矩切削验证

满扭矩切削时，对应的主轴转速集中在电机恒扭矩和恒功率的临界转速附近，因此，满扭矩切削的验证主要以实现较大切深或较大进给量为目的。

此外，还需要对恒扭矩区间内，对半最大功率对应的扭矩区间内选取相应的切削深度和进给量进行切削验证。

表4满扭矩测试

按公式(1)近似计算出机床扭矩，该扭矩应等于机床的最大扭矩。试验时，一般应在等于或小于机床计算转速范围内选一适当转速，通过逐级改变进给量或切削深度，使机床达到规定扭矩。由式(2)计算对应参数下的材料去除率。

另外，能够实现机床最大切削能力的材料去除率时恒扭矩区间的最大主轴转速(临界转速)，即

MRR_max＝a_p×f_r×π×D×n_max/1000   (8)

第五步：将步骤一至步骤三计算结果分别填写测试表，表中参数包括直径D、转速n、切削深度a_p、进给量f_r、材料去除率MRR；由前述第二步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将机床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，即认为是被评价机床在额定功率输出下的理论切削材料去除率，并以此作为评价机床能力极限；在进行实际切削验证时，将理论切削能力的80％～90％作为评价机床切削能力的指标，并对机床进行切削能力评价；同理，可评价机床超出额定功率30％时的切削能力。

(三)、具体应用例：

以沈阳机床生产的某型数控车削中心为例，具体说明本发明的技术应用效果。

机床电机在恒扭矩和恒功率的临界转速为1000r/min，主电机到主轴的传动比1:1.7。额定功率11kW，30min超出最大功率的功率是15kW。额定扭矩105Nm，30min超出最大扭矩的扭矩是151Nm。卡盘最大回转直径500mm。

第一步：试切

该主轴的临界转速是588r/min，选取4组不同匹配的参数组合，测量主轴电机功率和振动量(选做)。

表5满扭矩试切试验实测

第二步：由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，如图4，并拟合得到该机床切削功率和材料去除率的线性关系式(9)，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a。

Power＝0.028MRR+1.228   (9)

第三步：计算满功率对应的材料去除率

由表6可得到各切削参数对功率的影响权重，该正交试验只需切削一次即可，其他机床在评价时，可以此次试验结果作为依据。此处给出是为了具体说明效果，通常，在一台新机床评价时可省略此步骤。

表6切削参数的影响权重实测

用极差来反映各因素的水平变动对试验结果(提取量)影响的大小。极差大就表示该因素的水平变动对试验结果的影响大，极差小就表示该因素的水平变动对试验结果的影响小。得到因素的主次顺序依次为进给率(因素C)、主轴转速(因素A)、切削深度(因素B)。主要因素应取最好的水平，而次要因素则可根据成本、时间、收益等方面的统筹考虑选取适当的水平。由此得到各因素产生最大功率的搭配为C3A3B3，最小为B1C1A1。

第三步：满扭矩切削验证

为了确保验证试验不对新机床造成损耗，验证试验所选取的参数如表7，

表7满扭矩测试实测

由表7可知，验证试验结果全部超出对应转速的额定功率(300r/min时5.709kW，400r/min时7.612kW，500r/min时9.515kW)，但尚未达到超出最大功率30min最大功率(300r/min时7.785kW，400r/min时10.38kW，500r/min时12.975kW)。综上，得到该机床的最大切削能力不小于290cm³/min。

Claims (3)

1.基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、试切：选取不同切削参数进行试切操作，试切次数不少于5次，记录切削参数直径，转速、切削深度、进给量，并测试获取功率数据；

第二步：由试切选取的切削参数和试验测得的主轴功率拟合得到切削能力特性曲线，即功率与材料去除率的关系式(5)，得到切削能力系数k和空转功率损耗系数a；

所述的关系式(5)如下：

$P=\frac{K_c{q}_p{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+P_0=k\·\mathrm{MRR}+a---\left(5\right)$

$k=\frac{1000K_c}{2\×9549\mathrm{\π}}$

其中， $a=\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+P_0;$

第三步：计算满功率对应的材料去除率：

将机床主轴电机额定功率或超出额定功率30％的功率代入式(5)分别计算在满功率或超出30％满功率时对应的理论最大材料去除率；

第四步：满扭矩切削验证：

按照第三步计算得到的理论去除率按不同的切削参数选取目的分解，并进行切削试验验证，以检验计算得到的理论材料去除率是否正确；

第五步：将步骤一至步骤三计算结果分别填写测试表，表中参数包括直径D、转速n、切削深度a_p、进给量fr、材料去除率MRR；由前述第二步所建立的材料去除率和功率的函数关系，将机床主轴电机额定功率输入函数模型，得到对应的材料去除率，即认为是被评价机床在额定功率输出下的理论切削材料去除率，并以此作为评价机床能力极限；在进行实际切削验证时，将理论切削能力的80％～90％作为评价机床切削能力的指标，并对机床进行切削能力评价；同理，可评价机床超出额定功率30％时的切削能力。

2.根据权利要求1所述的基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其特征在于，所述的材料去除率与功率两者基本呈线性分布，建立两者间的函数关系，过程如下：

(1)扭矩的计算

实际测试中，机床扭矩的测量需要较复杂的仪器和工装，相比之下，功率的测量较容易获得。因此，通过测量切削功率，并由公式(1)电机扭矩与功率关系可以计算出机床扭矩；

$T=9549\×\frac{P-P_0}{n}---\left(1\right)$

式中T——扭矩，单位Nm

P——切削时电动机的输入功率，kW

P₀——机床装有工件时的空运转功率，kW

n——机床主轴转速，rpm

(2)材料去除率的计算

由式(2)计算对应参数下的材料去除率：

MRR＝a_p×f_r×π×D×n/1000   (2)

式中MRR——材料去除率，单位cm³/min

a_p——工件单边径向切削深度，mm

f_r——进给率，mm/r；

(3)车削力理论公式

式(3)为车削加工中的切削力计算理论公式：

F＝K_ca_pf_r+K_ef_r   (3)

其中，Kc为车削加工的切削力系数，Ke为刃口力系数。

(4)建立数控车床切削能力关系模型

由扭矩与切削功率关系公式(1)、和的切削力计算公式(3)，可得

$\frac{K_c{a}_p{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}=\frac{F\·D\·n}{2\×9549}=\frac{T\·n}{9549}=P-P_0---\left(4\right)$

将式(4)结合材料去除率计算公式(2)可得功率和材料去除率两者之间的联系，如式(5)；

$P=\frac{K_c{a}_p{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+P_0=k\·\mathrm{MRR}+a---\left(5\right)$

$k=\frac{1000K_c}{2\×9549\mathrm{\π}}$

其中， $a=\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}+P_0$

对于任意一台机床，主轴电机功率与材料去除率都存在一条关系曲线，且对应唯一的斜率k和截距a值；因此，定义斜率k为数控机床的切削能力系数；另外，由式(6)可知，空转功率P₀与切削能力特性曲线的截距a有关系，定义截距a为数控机床的空运转功率损耗系数；

$P_0=a-\frac{K_e{f}_r\mathrm{Dn}}{2\×9549}---\left(6\right).$

3.根据权利要求2所述的基于材料去除率的通用数控车床满扭矩切削检验和评价方法，其特征在于，所述的材料去除率和功率的关系模型中的斜率k代表切削能力系数；截距a代表空转功率损耗系数；二者用于评价机床切削能力，在比较不同机床的最大切削负荷性能时，斜率k用于反映机床切削功率损耗升速快慢的因素，截距a用于反映机床功率无切削时损耗优劣的因素。