丁文政，賀文權(quán)，張虎，張金

(1.南京工程學(xué)院工業(yè)中心，江蘇南京 211167；2.南京工大數(shù)控科技有限公司，江蘇南京 211816)

0 前言

2014年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了機(jī)床環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]，目的是提高機(jī)床能量效率，實(shí)現(xiàn)制造過程節(jié)能降耗。磨削作為精密加工的重要方法，是所有金屬切削中單位能耗最高的工藝[2]。面對(duì)日趨嚴(yán)峻的低碳制造要求，對(duì)磨削能耗問題的研究越發(fā)迫切。

目前國內(nèi)外有關(guān)金屬切削機(jī)床的能耗已有了不少成果。周麗蓉[3]針對(duì)車削過程中工件直徑和主軸轉(zhuǎn)速不斷變化的特點(diǎn)，提出了基于切削參數(shù)的指數(shù)型功率模型。黃拯滔等[4]建立了數(shù)控銑床穩(wěn)定切削階段的單位體積能耗函數(shù)，并以銑床性能和表面質(zhì)量為約束，進(jìn)行切削參數(shù)的能效優(yōu)化。MORI等[5]開發(fā)了主軸和進(jìn)給軸的加速度同步控制方法，來減少鉆削過程的能量消耗。SATO等[6]研究了五軸加工中心中，工件安裝位置對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)能耗的影響。BEHRENDT等[7]提出了采用標(biāo)準(zhǔn)化試件加工來評(píng)估機(jī)床能耗的方法，并開發(fā)了不同的測(cè)試程序。YOON等[8]綜合考慮軸移動(dòng)方向、速度和重力影響等因素，建立了機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的精確功率消耗模型。謝俊等人[9]認(rèn)為機(jī)床能量消耗由切削能耗、空載能耗和載荷附加能耗構(gòu)成，并將切削能耗與總能耗的比值作為能效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。鄢威等人[10]從多源能量流的角度出發(fā)，針對(duì)能耗動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，將機(jī)床子系統(tǒng)劃分為時(shí)變能耗單元和非時(shí)變能耗單元，并以數(shù)控加工中心為研究對(duì)象建立能耗模型，該模型體現(xiàn)了能量消耗動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。沈南燕等[11]建立了異形零件非圓磨削加工過程中的磨削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并結(jié)合零件的受力情況，構(gòu)建了非圓磨削的能耗計(jì)算模型。

但是關(guān)于齒輪成形磨削的能耗研究較少。高精度齒輪被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、風(fēng)電等傳動(dòng)領(lǐng)域，市場(chǎng)需求量大，成形磨削是其精加工的最后工序。由于成形磨齒機(jī)制較為復(fù)雜[12-15]，很難應(yīng)用物理模型研究磨削能耗，而且成形磨齒的表面質(zhì)量與磨削能耗之間的關(guān)聯(lián)性一直缺乏分析。

為此，本文作者從數(shù)控成形磨齒機(jī)床的部件組成層面出發(fā)，對(duì)機(jī)床磨削過程的能耗情況進(jìn)行分析，給出了齒輪成形磨削能耗的評(píng)估模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的能耗測(cè)量試驗(yàn)；通過對(duì)磨削過程數(shù)據(jù)的處理，定量研究了齒輪成形磨削能耗特性，并分析了磨削能耗與表面粗糙度之間的關(guān)系。

1 齒輪成形磨削能耗評(píng)估模型

機(jī)床切削中的能量消耗依賴于很多因素，包括：工件材料、刀具材料、切削特征以及機(jī)床結(jié)構(gòu)等，大量的影響因素使得很難建立統(tǒng)一的能耗評(píng)估模型。數(shù)控成形磨齒機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)床運(yùn)行過程中消耗能量的主要部件是磨削主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、金剛輪主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和伺服軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其他能量消耗還包括液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)等。其中主軸和進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)占到整個(gè)機(jī)床能耗的近60%[16]，主要消耗在兩個(gè)方面：(1)克服慣性、摩擦和重力來加減速主軸和進(jìn)給軸；(2)提供切削力，形成磨削表面?？梢娗邢髁ο牡哪芰颗c加工表面質(zhì)量緊密相關(guān)，這里將其定義為齒輪成形磨削凈能耗，是文中研究的主要方面。

圖1 大型數(shù)控成形磨齒機(jī)床結(jié)構(gòu)簡圖

由于磨削過程中切削力很難準(zhǔn)確測(cè)量和精確建模，而切削力又正比于材料切除率，且與主軸功率大小緊密相關(guān)[17-18]，功率是磨削過程中比較方便檢測(cè)的加工信號(hào)，本文作者試圖通過功率和材料切除率來評(píng)估齒輪成形磨削能耗變化。齒輪成形磨削時(shí)主軸的總功率Pst(W)可表示為

Pst=Psi+Pm

(1)

其中：Psi為主軸空載運(yùn)行時(shí)的功率，W；Pm為齒輪成形磨削的凈功率，W。

因而，齒輪成形磨削的凈能耗Em(J)可表示為

(2)

其中：t為齒輪成形磨削時(shí)間，s。

齒輪成形磨削中切除材料的體積V(mm3)可表示為

V=w×d×f/60×t

(3)

其中：w為磨削寬度，mm；d為磨削深度，mm；f為磨削進(jìn)給速度，mm/min。

令QMRR=w×d×f/60,表示材料切除率(mm3/s),則齒輪成形磨削凈能耗密度km(J/cm3)可表示為

(4)

由于機(jī)床結(jié)構(gòu)和類型的廣泛變化，不同機(jī)床之間的部件能耗沒有可比性。而km將齒輪成形磨削的能耗單位化，提供了一個(gè)普遍適用的機(jī)床切削能耗精確評(píng)估方法，可用來定量比較不同機(jī)床、不同工件材料和不同工況下的齒輪成形磨削的凈能耗。

2 齒輪成形磨削能耗測(cè)量

齒輪成形磨削試驗(yàn)在SKMC-3000數(shù)控成形磨齒機(jī)上進(jìn)行，磨削標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪，使用巴索Blasogrind 15 RZ冷卻液，砂輪采用3MCubitronTMII。軸向磨削進(jìn)給速度f為2 000～3 500 mm/min，磨削深度d為5～20 μm，磨削主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min，線速度約40 m/s，每個(gè)齒槽磨6個(gè)沖程，共進(jìn)行4組試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)組合見表1，工件和刀具參數(shù)見表2。

表1 齒輪成形磨削參數(shù)組合

表2 齒輪成形磨削工件和刀具參數(shù)

磨削過程中的功率采用福祿克Norma 4000多功能功率分析儀測(cè)量，測(cè)量原理見圖2。采樣頻率為341 kHz，數(shù)據(jù)每100 ms記錄一次，所有電氣接線均采用標(biāo)準(zhǔn)的三相四線制。測(cè)量分為兩步：第一步是測(cè)量主軸空載運(yùn)行時(shí)的主軸功率，運(yùn)行時(shí)間4 s；第二步連續(xù)測(cè)量磨削一個(gè)齒槽6個(gè)沖程的主軸功率。圖3—圖6分別是表1中不同工況下磨削一個(gè)齒槽測(cè)得的功率曲線，圖中每一個(gè)波峰是一個(gè)磨削沖程。

圖2 能耗測(cè)量試驗(yàn)原理

圖3 d=5 μm時(shí)磨削功率曲線

圖4 d=10 μm時(shí)磨削功率曲線

圖5 d=15 μm時(shí)磨削功率曲線

圖6 d=20 μm時(shí)磨削功率曲線

3 能耗與表面粗糙度關(guān)聯(lián)性分析

從圖3—圖6可以看出：隨著磨削進(jìn)給速度和磨削深度的逐漸增加，磨削功率在同步增大。每一次磨削中前2個(gè)沖程的功率消耗普遍低一些，主要是由于開始時(shí)砂輪沒能和整個(gè)齒面接觸；隨后的3次沖程，磨削功率消耗基本均達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，這時(shí)砂輪與整個(gè)齒面完全接觸；最后一個(gè)沖程功率消耗增大，主要是由于此時(shí)齒槽底部也與砂輪接觸。

這里取6個(gè)沖程功率平均值作為齒輪成形磨削時(shí)主軸總功率，主軸空載運(yùn)行時(shí)的功率取4種工況下空載功率的平均值，數(shù)值見表3。每次磨削完成后，用三豐SJ201粗糙度儀檢測(cè)齒面粗糙度值，粗糙度檢測(cè)時(shí)的測(cè)量長度選擇0.8 mm，取樣長度選擇0.8 mm×5 mm，即進(jìn)行5次采樣測(cè)量，4組磨削的表面粗糙度測(cè)量值見表3。齒輪成形磨削能耗與表面粗糙度的關(guān)聯(lián)性如圖7所示，可以看出：當(dāng)凈能耗密度增加時(shí)，表面粗糙度會(huì)減小，但隨著凈能耗密度的持續(xù)增加，表面粗糙度減小的幅度急劇下降并達(dá)到極限值。

表3 齒輪成形磨削測(cè)量值

圖7 齒輪成形磨削凈能耗密度與表面粗糙度相關(guān)性

傳統(tǒng)的表面粗糙度研究更多的是切削參數(shù)優(yōu)化，工藝和操作人員很少關(guān)注加工過程的能量消耗。而從上述分析發(fā)現(xiàn)，改變切削參數(shù)可以減小表面粗糙度，但表面粗糙度越小，磨削凈能耗密度越大，因此在加工中需要考慮能耗與加工質(zhì)量的協(xié)同控制優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)從數(shù)控成形磨齒機(jī)床的部件組成層面分析了齒輪成形磨削的能耗組成部分，基于磨削功率和材料切除率，建立了齒輪成形磨削的凈能耗密度模型，來評(píng)估磨削能耗變化。

(2)基于不同工況下的齒輪成形磨削試驗(yàn)，得到了齒輪成形磨削能耗與表面粗糙度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)增加磨削能耗，表面粗糙度會(huì)減小，但隨著能耗的持續(xù)增加，表面粗糙度減小幅度有限，因此在加工中需要協(xié)同優(yōu)化能耗與加工質(zhì)量之間的關(guān)系。

本文作者僅分析了磨削能耗與表面粗糙度之間的關(guān)系，后續(xù)還需深入研究能耗與表面硬度和表面殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，才能全面評(píng)估磨削過程能耗與加工質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性，從而促進(jìn)低碳制造的發(fā)展。