陳鳳光

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545007

山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸EN31合金鋼車削過程中功率消耗及溫度變化

陳鳳光

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545007

以某山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸EN31合金鋼為研究對象，利用瓦特表和紅外線測溫儀分別測量加工過程中機(jī)床功率消耗及工件加工最大溫度，對不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度深的車削過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度的增加，機(jī)床功率消耗、工件加工最大溫度均呈上升趨勢，上升趨勢由明顯變?yōu)槠骄彙?/p>

山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸；EN31合金；功率消耗；溫度

隨著現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)生逐漸實(shí)現(xiàn)了機(jī)械現(xiàn)代化，山藥收獲機(jī)由于其結(jié)構(gòu)的特殊化及復(fù)雜化，因此其傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)和加工得到了廣泛的關(guān)注。在農(nóng)業(yè)及工程領(lǐng)域中，金屬切削是機(jī)械加工中重要的工藝之一［1］。隨著能源危機(jī)的加劇，在高度競爭的市場下需要成本更低、質(zhì)量更高的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。EN31是合金鋼的一種，經(jīng)過不同的熱處理工藝用于不同的場合，這種材料又適于制造進(jìn)行碳氮共滲處理的各種傳動(dòng)零件，如直徑較大和低溫韌性好的齒輪和軸［2］。

車削是一個(gè)非常重要的加工方法，在農(nóng)業(yè)機(jī)械傳動(dòng)軸的車削加工過程中，機(jī)床功率消耗是由切削力和切削速度共同作用下決定的，功率消耗可用于監(jiān)測刀具的使用狀況，且切削過程中產(chǎn)生的最大溫度對農(nóng)業(yè)機(jī)械傳動(dòng)軸加工影響較大［3，4］。基于此，本文以某山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸EN31合金鋼工件為研究對象，利用瓦特表和紅外線測溫儀分別測量加工過程中機(jī)床功率消耗及工件加工最大溫度，對不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度深的車削過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，為將來農(nóng)業(yè)機(jī)械的加工作業(yè)、材料選擇與優(yōu)化提供一定的參考。

1 山藥收獲機(jī)主要組成機(jī)構(gòu)

山藥收獲機(jī)械屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械中的一種，其主要由輸送機(jī)構(gòu)、連接傳送機(jī)構(gòu)和挖深掘進(jìn)機(jī)構(gòu)等主要機(jī)構(gòu)組成，其具體如圖1所示。傳動(dòng)軸做為各機(jī)構(gòu)中的主要部件，其設(shè)計(jì)和加工直接對其性能影響較大，因此有必要對山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸的車削進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

選擇長為300 mm，直徑為50 mm的EN31合金鋼作為加工山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸的實(shí)驗(yàn)工件材料，實(shí)驗(yàn)中將工件安裝在CA6140機(jī)床上，實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)床如圖2所示。

圖1 山藥收獲機(jī)主要機(jī)構(gòu)Fig.1 Yam harvester main mechanism

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置與工件和涂層硬質(zhì)合金刀具Fig.2 Experimental setup with work-piece and coated carbide tool

山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸EN31合金鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1、表2所示［7］。

表1 EN31化學(xué)成分Table 1 Chemical components of EN31

表2 EN31力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of EN31

選擇刀尖處涂有TiNAl2O3TiCN、圓弧半徑為0.08 mm的硬質(zhì)合金刀具作為切削刀具，如圖1所示。刀尖處涂層使刀具在鋼加工過程中具有較好的耐磨性，同時(shí)涂層的存在可以為刀具提供了必要的切削阻力以延長刀具的使用壽命，這種類型的CVD涂層刀具具有良好的平衡韌性和耐磨性能。實(shí)驗(yàn)在干燥條件下、具有最大轉(zhuǎn)速為1600轉(zhuǎn)的CA6140車床上進(jìn)行，通過瓦特計(jì)測量功率消耗、利用紅外線測溫儀測量工件加工表面溫度，如圖3所示。

圖3 測量設(shè)備Fig.3 Measuring equipment：（a）Wattmeter，（b）infrared thermometer

車削過程中，選擇主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度作為不同輸入?yún)?shù)，分析它們對車床功率消耗、工件表面最大溫度的影響。分別做了15組不同輸入?yún)?shù)組合的實(shí)驗(yàn)，切削參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下文所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對主軸轉(zhuǎn)速（rpm）、進(jìn)給量（mm/rev）和切削深度深（mm）不同參數(shù)進(jìn)行組合，并對不同組合的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在加工過程中，使用瓦特計(jì)來測量機(jī)床的功率消耗。當(dāng)機(jī)床空轉(zhuǎn)時(shí)，即當(dāng)機(jī)床不進(jìn)行機(jī)械加工操作，功率消耗必定小于其它執(zhí)行加工操作時(shí)的功率消耗；表3中所得功率消耗的數(shù)值是切削過程中的實(shí)際消耗功率，其大小是機(jī)床切削過程中的測量值減去空轉(zhuǎn)時(shí)的測量值。使用紅外線測量工件加工過程中的實(shí)時(shí)溫度，最終取工件在切削過程中的最大表面溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得不同工況下的機(jī)床功率消耗、最大工件表面溫度如表3所示。

表3 EN31切削參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The various cutting parameters and response

功率消耗、工件表面最大溫度與主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度的影響分別如圖4、5、6所示。在分析主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度對功率消耗的影響時(shí)，為了消除測量誤差、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等外界不利因素的影響，在分析結(jié)果中給出線性功率消耗示意圖，目的是為了更好地不同監(jiān)測參數(shù)對功率消耗的影響，其中（a）為功率消耗，（b）為工件最大溫度。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速對監(jiān)測參數(shù)的影響Fig.4 The impact of spindle speed to the monitor parameters：（a）power consumption，（b）maximum temperature

從圖4（a）可以看出，當(dāng)進(jìn)給速度和切削深度保持恒定，大小分別取0.08 mm/rev，0.4 mm時(shí)，機(jī)床功率消耗雖有上下波動(dòng)，但隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加功率消耗有明顯的增加趨勢。從圖4（b）可以看出，主軸轉(zhuǎn)速從112 rpm增加到280 rpm時(shí)，最大工件加工溫度急劇增加；隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，工件表面溫度增加趨勢明顯降低，最后溫度增加趨于平緩。

圖5 進(jìn)給速度對監(jiān)測參數(shù)的影響Fig.5 The impact of feed speed to the monitor parameters：（a）power consumption，（b）maximum temperature

由圖5（a）可知，當(dāng)主軸和切削深度保持恒定，大小分別取710 rpm，0.4 mm時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增加，機(jī)床功率消耗波動(dòng)較大，整體呈增加趨勢。由圖5（b）可知，進(jìn)給速度從0.045 mm/rev增加到0.071 mm/rev時(shí)，工件加工最大溫度急劇增加；隨著進(jìn)給速度的增加，工件表面溫度增加趨勢降低。

圖6 切削深度對監(jiān)測參數(shù)的影響Fig.6 The impact of cutting depth to the monitor parameters：（a）power consumption，（b）maximum temperature

從圖6（a）可以看出，當(dāng)主軸和進(jìn)給速度保持恒定，大小分別取710 rpm，0.08 mm/rev時(shí)，隨著切削深度的增加，機(jī)床功率消耗呈增加趨勢。從圖6（b）可以看出，切削深度從0.4 mm增加到0.6 mm時(shí)，工件加工最大溫度急劇增加；隨著切削深度的繼續(xù)增加，工件表面溫度增加趨勢降低，最終幾乎保持不變。

4 結(jié)論

以某山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸EN31合金鋼為研究對象，利用瓦特表和紅外線測溫儀分別測量加工過程中機(jī)床功率消耗及工件加工最大溫度，對不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度深的車削過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

a）山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸EN31合金在車削過程中，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度極大地影響著機(jī)床功率消耗、工件加工最大溫度；

b）隨著主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度的增加，機(jī)床功率消耗及山藥收獲機(jī)傳動(dòng)軸EN31合金工件加工最大溫度均呈上升趨勢，且上升趨勢整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

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［3］王鶴，胡靜濤，高雷.農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航車輪轉(zhuǎn)角測量誤差補(bǔ)償模型［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（8）：33-37

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Power Consumption and Temperature Variation during Cutting EN31Alloy Shaft of Yam Harvester

CHEN Feng-guang
Department of Electromechanical Engineering，Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou 545007，China

A yam harvester shaft EN31 alloy steel was regarded as the research object，the power consumption of machine and the maximum temperature of workpiece during the process were measured by the watt meter and infrared thermometer. The experimental in different spindle speed，feed and cutting depth for the process of turning deep were analyzed.The experimental results showed that with the spindle speed，feed rate and cutting depth increased，the machine power consumption，maximum temperature of the processed workpiece were on a rise，the upward trend was obvious into flat.

Yam harvester shaft；EN31 alloy；cutting；power consumption；temperature

TG51

A

1000-2324（2015）01-0148-04

2013-04-23

2013-05-12

2012年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2012JGB408）

陳鳳光（1963-），女，廣西玉林人，大學(xué)本科，副教授，車工技師，研究方向：機(jī)械加工技術(shù)及高職教師職業(yè)能力提升研究.E-mail：qll116@163.com