CN109800541A - 一种外圆车削时净去除材料比能计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外圆车削时净去除材料比能计算方法，采用以下步骤：1）建立外圆车削时净去除材料比能计算模型，2）建立外圆车削时净去除材料比能测量方法，3）计算外圆车削时净去除材料比能计算模型中各待定系数，4）根据车削参数、刀具磨损量，计算外圆车削时净去除材料比能。首先根据外圆车削中切削功率特性以及切削力与车削参数的关系，建立外圆车削时净去除材料比能计算模型；基于功率测量仪器建立外圆车削时净去除材料比能测量方法；计算出模型中待定系数后，可根据外圆车削参数及刀具磨损量计算预测净去除材料比能。本发明考虑了车削参数、刀具磨损量的影响，计算简单、精度高，对于优化车削参数、车削工艺以提高能量效率具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种净去除材料比能计算方法，特别是涉及一种外圆车削时净去除材料比能计算方法。
背景技术
数控车床常用来加工轴类及盘类零件的外圆，是使用量最大、覆盖面最广的一种数控机床。数控车床本体主要包括主轴系统、进给运动系统、床身、导轨和换刀系统等。数控车床在车削过程中能耗很大。数控车床在开机后并且主轴系统、进给运动系统、换刀系统、冷却液泵等均不工作情况下的功率称为数控车床待机功率，是个常数。所以数控车床待机能耗取决于机床工作时间，即从开机到关机的时间。主轴系统一般夹持工件做旋转运动，在主轴系统空载旋转不进行车削加工时，主轴系统消耗功率称为主轴空载功率。主轴空载功率与主轴转速密切相关。在车削加工中经常需要通冷却液以降低刀具温度、提高工件表面质量，冷却液泵电机消耗功率为常数。
在数控车削中，使用功率测量仪器可测出数控车床能耗、数控车床待机能耗、主轴空载能耗、冷却液泵电机能耗，当干切削时冷却液泵电机能耗为0。从数控车床能耗中分离出数控车床待机能耗、主轴空载能耗及冷却液泵电机能耗，则得到车削中净去除材料能耗。该测量计算过程需借助多通道功率测量仪器做多次测量，计算复杂。
车削时净去除材料比能定义为车削时净去除材料能耗与去除材料体积之比，与车削参数、刀具状况密切相关，是分析和优化车削工艺能效特性的一个重要指标参数。
如何在车削前，根据车削参数、刀具磨损状况，简单准确的计算预测出外圆车削时净去除材料比能，对于研究如何优化车削参数、车削工艺以提高能量效率具有重要意义，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、准确的外圆车削时净去除材料比能计算预测方法。其技术方案为：采用以下步骤：1）建立外圆车削时净去除材料比能计算模型，2）建立外圆车削时净去除材料比能测量方法，3）计算外圆车削时净去除材料比能计算模型中各待定系数，4）根据车削参数、刀具磨损量，计算外圆车削时净去除材料比能。
其特征在于：
步骤1）中，根据外圆车削中切削功率特性以及切削力与车削参数的关系，建立外圆车削时净去除材料比能计算模型：
Unet=b×ap c×fd×ne×(1+w)f (1)
其中，Unet是外圆车削时净去除材料比能；ap是背吃刀量；f是进给速度；n是主轴转速；w是车刀磨损量；b、c、d、e、f是待定系数。
步骤2）中，建立外圆车削时净去除材料比能测量方法，先用功率测量仪器测量并计算外圆车削时净去除材料能耗，再根据去除材料体积计算外圆车削时净去除材料比能：
Enet=EM-Eidle-Esu-Ecool (2)
Unet= Enet∕Q (3)
其中，Enet是外圆车削时净去除材料能耗；EM是从外圆车削开始到车削结束数控车床能耗；Eidle是从外圆车削开始到车削结束数控车床待机能耗；Esu是从外圆车削开始到车削结束，数控车床主轴以设定转速空载旋转时主轴空载能耗；Ecool是从外圆车削开始到车削结束，通冷却液时冷却液泵电机能耗，如果干切削则冷却液泵电机能耗Ecool为0；Q是外圆车削中去除材料体积，与车削参数、工件尺寸有关。
步骤3）中，计算外圆车削时净去除材料比能计算模型中各待定系数：在工件材料、刀具材料确定后，对于每次外圆车削加工，在加工前和加工后分别测量车刀后刀面磨损量，取平均值作为该次外圆车削中车刀磨损量w；选取13组以上车削参数进行外圆车削实验，将背吃刀量ap、进给速度f、主轴转速n、刀具磨损量w，以及用公式（2）（3）测量得到的外圆车削时净去除材料比能Unet，代入公式（1）得到一个超定方程组，基于最小二乘法计算待定系数b、c、d、e、f。
步骤4）中，使用与步骤3）相同的刀具、工件材料，根据背吃刀量ap、进给速度f、主轴转速n以及刀具磨损量w，由公式（1）计算预测外圆车削时净去除材料比能。
本发明与现有方法相比，其优点是：综合考虑了车削参数、刀具磨损状况来计算外圆车削时净去除材料比能，计算方法简单，计算精度高。
附图说明
图1是本发明的外圆车削时净去除材料比能计算流程图。
图2是本发明的外圆车削时净去除材料比能计算模型中待定系数计算流程图。
具体实施方式
下面结合图1图2对本发明做进一步详细描述：
步骤1）中，根据外圆车削中切削功率特性以及切削力与车削参数的关系，建立外圆车削时净去除材料比能计算模型：
Unet=b×ap c×fd×ne×(1+w)f (1)
其中，Unet是外圆车削时净去除材料比能；ap是背吃刀量；f是进给速度；n是主轴转速；w是车刀磨损量；b、c、d、e、f是待定系数。
步骤2）中，建立外圆车削时净去除材料比能测量方法，先用功率测量仪器测量并计算外圆车削时净去除材料能耗，再根据去除材料体积计算外圆车削时净去除材料比能：
Enet=EM-Eidle-Esu-Ecool (2)
Unet= Enet∕Q (3)
其中，Enet是外圆车削时净去除材料能耗；EM是从外圆车削开始到车削结束数控车床能耗；Eidle是从外圆车削开始到车削结束数控车床待机能耗；Esu是从外圆车削开始到车削结束，数控车床主轴以设定转速空载旋转时主轴空载能耗；Ecool是从外圆车削开始到车削结束，通冷却液时冷却液泵电机能耗，如果干切削则冷却液泵电机能耗Ecool为0；Q是外圆车削中去除材料体积，与车削参数、工件尺寸有关。
步骤3）中，计算外圆车削时净去除材料比能计算模型中各待定系数：在工件材料、刀具材料确定后，对于每次外圆车削加工，在加工前和加工后分别测量车刀后刀面磨损量，取平均值作为该次外圆车削中车刀磨损量w；选取13组以上车削参数进行外圆车削实验，将背吃刀量ap、进给速度f、主轴转速n、刀具磨损量w，以及用公式（2）（3）测量得到的外圆车削时净去除材料比能Unet，代入公式（1）得到一个超定方程组，基于最小二乘法计算待定系数b、c、d、e、f。
步骤4）中，使用与步骤3）相同的刀具、工件材料，根据背吃刀量ap、进给速度f、主轴转速n以及刀具磨损量w，由公式（1）计算预测外圆车削时净去除材料比能。
本发明在CKJ6163数控车床中获得实现。所用车削工件为45#钢圆棒，直径50mm，长度200mm，采用硬质合金车刀CNMG120408 4025，车削中通冷却液，采用WT1800功率分析仪进行功率测量和分析。进行了14次外圆车削实验，每次试验中加工前和加工后分别测量车刀后刀面磨损量，取平均值作为该次车削实验中车刀磨损量w。在车削实验前，先用功率分析仪测出数控车床待机功率，针对不同转速时主轴空载功率，以及冷却液泵电机功率。试验中车削参数、刀具磨损量及净去除材料比能如表1所示。
表1 车削试验及实测的刀具磨损量、净去除材料比能
将表1中14组数据代入公式（1）得到一个超定方程组，基于最小二乘法求出待定系数为：b=0.1011，c=-0.2615，d=0.0643，e=0.4625，f=2.10。则基于刀具磨损量的外圆车削净去除材料比能计算模型为：
Unet=0.1011×ap -0.2615×f0.0643×n0.4625×(1+w)2.10 (4)
用一组新的车削参数来验证该外圆车削时净去除材料比能计算方法的计算精度，如表2所示，实测净去除材料比能为3.0217 J/mm3，用公式（4）计算的净去除材料比能为2.8840J/mm3，计算预测精度为95.4%。针对45#钢的外圆车削实验证明，该模型计算预测精度稳定在90%以上。
表2 对所建立外圆车削时净去除材料比能计算模型的验证试验
本发明综合考虑了车削参数、刀具磨损量的影响来计算预测外圆车削时净去除材料比能，计算方法简单，精度高。该发明内容有助于优化车削参数、车削工艺以提高能量效率，实现低碳制造。
Claims (1)
1.一种外圆车削时净去除材料比能计算方法，采用以下步骤：1）建立外圆车削时净去除材料比能计算模型，2）建立外圆车削时净去除材料比能测量方法，3）计算外圆车削时净去除材料比能计算模型中各待定系数，4）根据车削参数、刀具磨损量，计算外圆车削时净去除材料比能，其特征在于：
步骤1）中，根据外圆车削中切削功率特性以及切削力与车削参数的关系，建立外圆车削时净去除材料比能计算模型：
Unet=b×ap c×fd×ne×(1+w)f (1)
其中，Unet是外圆车削时净去除材料比能；ap是背吃刀量；f是进给速度；n是主轴转速；w是车刀磨损量；b、c、d、e、f是待定系数；
步骤2）中，建立外圆车削时净去除材料比能测量方法，先用功率测量仪器测量并计算外圆车削时净去除材料能耗，再根据去除材料体积计算外圆车削时净去除材料比能：
Enet=EM-Eidle-Esu-Ecool (2)
Unet= Enet∕Q (3)
其中，Enet是外圆车削时净去除材料能耗；EM是从外圆车削开始到车削结束数控车床能耗；Eidle是从外圆车削开始到车削结束数控车床待机能耗；Esu是从外圆车削开始到车削结束，数控车床主轴以设定转速空载旋转时主轴空载能耗；Ecool是从外圆车削开始到车削结束，通冷却液时冷却液泵电机能耗，如果干切削则冷却液泵电机能耗Ecool为0；Q是外圆车削中去除材料体积，与车削参数、工件尺寸有关；
步骤3）中，计算外圆车削时净去除材料比能计算模型中各待定系数：在工件材料、刀具材料确定后，对于每次外圆车削加工，在加工前和加工后分别测量车刀后刀面磨损量，取平均值作为该次外圆车削中车刀磨损量w；选取13组以上车削参数进行外圆车削实验，将背吃刀量ap、进给速度f、主轴转速n、刀具磨损量w，以及用公式（2）（3）测量得到的外圆车削时净去除材料比能Unet，代入公式（1）得到一个超定方程组，基于最小二乘法计算待定系数b、c、d、e、f；
步骤4）中，使用与步骤3）相同的刀具、工件材料，根据背吃刀量ap、进给速度f、主轴转速n以及刀具磨损量w，由公式（1）计算预测外圆车削时净去除材料比能。
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