韓 軍,熊鳳生,姚 晟,徐 睿
(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)
國家的發(fā)展離不開現(xiàn)代制造行業(yè)的進(jìn)步,在國家的大力推動(dòng)下,我國制造行業(yè)在快速的發(fā)展、規(guī)模在逐漸的擴(kuò)大、能源在大量消耗,為了提高能源的利用率降低能耗。國內(nèi)外學(xué)者做了一定的研究。文獻(xiàn)[1]運(yùn)用遺傳算法對(duì)離散刀位點(diǎn)連接先后順序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,求解出最優(yōu)的加工刀具路徑,采用實(shí)驗(yàn)法測(cè)出刀具路徑能耗;文獻(xiàn)[2]針對(duì)數(shù)控加工過程中每個(gè)加工環(huán)節(jié)能源消耗評(píng)估困難的問題,通過對(duì)Therblig能源模型與價(jià)值流映射方法進(jìn)行微觀的改進(jìn),克服了能源消耗評(píng)估的難題為加工節(jié)能方案的制定提供了依據(jù);文獻(xiàn)[3]通過對(duì)分析加工過程中的機(jī)器模塊、輔助單元和機(jī)器代碼與能耗之間的關(guān)系,建立了電能數(shù)學(xué)模型用于能耗的評(píng)估。研究將通過提出的?耗散法對(duì)數(shù)控加工刀具路徑進(jìn)行評(píng)估,在保證加工質(zhì)量的前提下,選擇加工能耗最少的刀具路徑,降低加工能耗。
?是指在周圍環(huán)境條件下任何一種形式的能量中理論上能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量的?或有效能[4]。熱力學(xué)第一定律主要是講能量的守恒和轉(zhuǎn)換,揭示不同類型能量之間的相互轉(zhuǎn)換,在不同物體之間的相互傳遞,但是能量的數(shù)量是不會(huì)變化的[5]。而?的理論則是從熱力學(xué)第二定律出發(fā)反映了不同類型的能量在做功上存在品質(zhì)上的差別,也就是數(shù)量上相同的能量,如果形式不同則做不出同等數(shù)量的功。為了計(jì)算不同形式的能量做功的大小。所以采用了?的分析來解決不同能量的做功問題。
數(shù)控機(jī)床在整個(gè)加工環(huán)節(jié)中需要電能、毛坯、刀具、切削液、電機(jī)、壓縮機(jī)等的共同參與才能完成產(chǎn)品的加工,而且這些資源中所含的能量有時(shí)不同的,其做功的能力也是不同的。當(dāng)然每個(gè)資源所含的能量會(huì)有一部分做的是有用功,一部分做的是無用功而消散,有的則會(huì)產(chǎn)生一些不利于環(huán)境的產(chǎn)物,如果要使能量高效的利用,減少廢物的排放達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的,就要縮小無用功的產(chǎn)生。由于這些能量所存在的形式不同,所以采用?來進(jìn)行衡量不同能量的做功問題。比如電能屬于輸入的能源?、毛坯及刀具屬于輸入的物料?、最后的加工產(chǎn)品屬于輸出產(chǎn)品的?、切削熱的散失刀具的磨損切削液的損耗電機(jī)的空轉(zhuǎn)等造成的能耗均屬于?耗散。因?yàn)?是平守恒的,所以?耗散的越少能量的利用率就越高,減少了能量的浪費(fèi)。?的平方程,如式(1)所示。
在切削加工的過程中所消耗的總電能,其中小部分電能用于切削工件材料,而絕大部分電能則在切削的過程中轉(zhuǎn)化為大量的切削熱,以熱能的形式釋放在周圍環(huán)境中,熱能的大小將根據(jù)不同的材料而有所不同,這部分熱功為切削熱?耗散能耗,則切削熱?耗散能耗的計(jì)算公式,如式(2)所示:
式中:Pq—切削熱產(chǎn)生功率(W);tcut—切削加工的時(shí)間(s)。
文獻(xiàn)[6]通過研究得出在材料切削的過程中,機(jī)床加工總功率是由切削過程的基本功率、空進(jìn)給功率以及切削功率組成,如式(3)所示。
式中:Pbasic—機(jī)床加工過程基本功率(W);Pfeed—空進(jìn)給功率(W);Pcut—去除材料功率(W)。
在機(jī)床切削加工之前的基本功率Pbasic為機(jī)床的待機(jī)功率、主軸空載功率以及切削液耗散功率的總和,其計(jì)算公式,如式(4)所示。
式中:Pstandby—機(jī)床待機(jī)功率(W);Pspindle—主軸空載功率(W);Pfluid—切削液耗散功率(W);通過Mativenga和文獻(xiàn)[7-8]實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論可知,機(jī)床的主軸空載功率和主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速二者之間呈線性關(guān)系,空載進(jìn)給功率Pfeed和進(jìn)給速率f兩者之間也呈線性的關(guān)系[6]其表達(dá)式,如式(6)所示。則主軸空載功率和空載進(jìn)給功率的計(jì)算公式,如式(5)所示。
式中:n1—主軸轉(zhuǎn)速(r∕min);k1—主軸電動(dòng)機(jī)功率系數(shù);b—主軸電動(dòng)機(jī)功率損耗系數(shù);k2—進(jìn)給電機(jī)功率系數(shù);f—進(jìn)給速率(mm∕t);c—進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率損耗系數(shù)。
把主軸空載功率的式(5)代入到式(4)中可得機(jī)床基本功率公式入式(7)所示。
把主軸空載功率的公式(6)代入到(3)中可得切削的總功率公式,如式(8)所示:
由于切削熱功率不易直接測(cè)得,可用能量守恒來間接得到切削熱產(chǎn)生功率公式,如式(9)所示。
把式(8)代入式(9)可得切削熱產(chǎn)生功率公式,如式(10)所示:
在工件進(jìn)行切削加工的過程中,空進(jìn)給運(yùn)動(dòng)沒有與工件接觸,所以不會(huì)對(duì)工件做功,故空載進(jìn)給功率Pfeed可以省略。則最終的可得切削熱產(chǎn)生功率公式,如式(11)所示。
文獻(xiàn)[6]通過實(shí)驗(yàn)研究得到機(jī)床加工的基本功率和機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速兩者之間為正比,應(yīng)用實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了關(guān)系表達(dá)式,如(12)所示。
式中:N—主軸轉(zhuǎn)速(r∕s)。
通過以上公式的推導(dǎo),最后可得切削熱?耗散能耗計(jì)算公式,如式(13)所示。
在對(duì)工件進(jìn)行數(shù)控加工時(shí),切削液的使用是不可避免的。在此過程中切削液就會(huì)有所消耗,例如切削液會(huì)粘連在工件上,由于某些因素切削液有所泄漏等都導(dǎo)致了切削液的損耗。所以需要加入切削原液和水來維持切削液正常濃度范圍,研究表明大約會(huì)有(10~30)%的切削液將會(huì)在加工的過程中散失[9],此次計(jì)算采取20%。切削原液在生產(chǎn)制造的過程中是需要消耗能量的,也就是需要?能的輸入。所以在對(duì)切削液的?耗散進(jìn)行計(jì)算時(shí),就能通過切削原液在生產(chǎn)時(shí)所輸入的?,即切削原液在生產(chǎn)過程中的總能耗。則切削液消耗?耗散能耗的計(jì)算公式,如式(14)所示。
式中:EXloss,fluid—消耗切削原液的質(zhì)量(kg);efluid—單位切削原液生產(chǎn)制造能耗(kJ∕kg);rfluid—切削原液的消耗速率(g∕s);tfluid—切削液消耗所占用的時(shí)間(s)。
文獻(xiàn)[9]用了12h對(duì)車間的數(shù)控機(jī)床加工過程中切削液的消耗情況進(jìn)行了研究,研究表明在12個(gè)小時(shí)的加工時(shí)間內(nèi)每個(gè)機(jī)床切削原液的消耗是0.779kg,按照20%的損失率計(jì)算可知每個(gè)機(jī)床的切削原液損失速度是3.68×10-3g∕s,文獻(xiàn)[11]的研究表明一般礦物油類原料生產(chǎn)為切削原液需要消耗的能量是(41868~42705)kJ∕kg,此次計(jì)算研究中選擇平均值為42287kJ∕kg。切削原液有關(guān)的參數(shù),如表1所示。
表1 切削原液參數(shù)表Tab.1 Parameters of Cutting Stock Solution
在機(jī)床切削加工之前需要做一些加工的準(zhǔn)備工作,比如工序的調(diào)整、加工程序的修改等操作,造成了一定的待機(jī)時(shí)間這些是不可避免的。在此期間沒有對(duì)工件進(jìn)行切削加工,但是機(jī)床內(nèi)部的用電設(shè)備依然會(huì)對(duì)電能進(jìn)行消耗,并轉(zhuǎn)化為不可回收的熱能消散在周圍的環(huán)境中,這些不可再利用的能耗,即為機(jī)床在待機(jī)時(shí)產(chǎn)生的?耗散,則待機(jī)時(shí)的?耗散能耗計(jì)算公式,如式(15)所示。
式中:tstandby—待機(jī)時(shí)間(s)。
通過式(4)可以得到機(jī)床的待機(jī)功率,如式(16)所示。
把式(12)代入到(16)可得,如式(17)所示。
把式(17)代入到(15)可得待機(jī)?耗散,如式(18)所示。
通過文獻(xiàn)[5]的研究可知主軸空載功率函數(shù),如(19)所示。
在機(jī)床待機(jī)期間切削液并沒有打開,所以切削液的耗散功率Pfluid=0,則最終的待機(jī)?耗散能耗計(jì)算,如(20)所示。
刀具在切削加工的過程中,因?yàn)榈毒吲c工件的相互作用刀具會(huì)產(chǎn)生磨損。這就造成了刀具的可用性降低,刀具在切削加工過程中的?等于刀片在制造過程中輸入的?值,刀片在制造時(shí)輸入的?包括兩部分,一部分是刀片材料隱含的能量,另一部分是刀片生產(chǎn)制造時(shí)所用的能耗[10],這兩部分的?將隨著刀具的磨損用于材料的去除過程中,文獻(xiàn)[9]的研究表明刀片的材料所擁有的能量大約在400MJ∕kg左右。文獻(xiàn)[7,11]的研究給出硬質(zhì)合金刀片在制造時(shí)的能耗一般是(1~2)MJ∕kg,本次計(jì)算選擇其平均值1.5MJ∕kg。切削時(shí)刀具磨損的?耗散能耗計(jì)算公式,如式(21)所示。
式中:etool—刀片生產(chǎn)時(shí)的輸入?(MJ∕kg);z—刀具齒數(shù);N tool—刀片上刀尖個(gè)數(shù);mtool—刀片質(zhì)量(g);Ttool—刀片耐用度(min)。
刀片的耐用度計(jì)算,如式(22)所示。公式中的系數(shù)可以通過切削的條件在切削用量手冊(cè)中進(jìn)行查找。通過主軸轉(zhuǎn)速n1=1000vc∕πd,可得vc=n1πd∕1000。
式中:d—刀具直徑(mm);v c—切削速度(cutting velocity);fz—每齒進(jìn)給(mm∕t);ap—軸向切深(mm);ae—徑向切深(mm);m、x、y、u、p、qv—刀具壽命相關(guān)參數(shù);Cv、kv—與切削條件有關(guān)的常數(shù)。
在加工的過程中壓縮空氣是一個(gè)很重要的功能,該功能用于工件的裝夾、機(jī)床的換刀、切屑的運(yùn)輸?shù)?。空氣的壓縮是由壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)的,隨著機(jī)床的加工,壓縮的空氣在不斷的消耗,因此壓縮空氣消耗的?可以通過壓縮機(jī)的工作過程進(jìn)行計(jì)算。則壓縮空氣耗散?耗散能耗計(jì)算公式,如式(23)所示。
式中:Ea—空氣壓縮機(jī)帶能消耗;M—空氣壓縮機(jī)供氣機(jī)床次數(shù);Pavg—空氣壓縮機(jī)平均工作功率(W);Pr—空氣壓縮機(jī)工作額定功率(W);twork—空氣壓縮機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)平均產(chǎn)氣時(shí)間(s);tuse—空氣壓縮機(jī)一個(gè)工作循環(huán)產(chǎn)氣量平均使用時(shí)間(s)。
把式(24)代入到式(23)中可得式,如式(25)所示。
通過以上各部分?的分析,得出了?的計(jì)算公式,機(jī)床在整個(gè)加工過程中?的總耗散就是把各個(gè)部分的?能耗加起來。所以機(jī)床加工過程中總?耗散能耗計(jì)算式,如式(26)所示。
為了驗(yàn)證?耗散方法的有效性,接下來將利用不同的切削路徑對(duì)自由曲面進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn),加工過程中除了刀具路徑不同外其他條件設(shè)為相同,來研究不同切削路徑的加工過程對(duì)能耗值。
實(shí)驗(yàn)采用DMG五軸數(shù)控加工中心,納普PM9200功率測(cè)試分析儀來檢測(cè)加工過程中機(jī)床的功率,切削加工的材料為鋁,切削的毛坯長為100mm寬為100mm高為60mm。加工出一個(gè)自由曲面,選擇直徑為16mm的硬質(zhì)合金球刀進(jìn)行銑削加工。加工相關(guān)參數(shù),如表2 所示。每刀切削深度為1mm 分10 刀切削完成。機(jī)床的平均產(chǎn)氣時(shí)間為177.5s,平均用氣時(shí)間為573.9s。
表2 加工相關(guān)參數(shù)Tab.2 Processing-Related Parameters
采用三種不同的刀具路徑對(duì)自由曲面進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn),三種加工方法去除材料的總體積相同。使用UG10.0軟件對(duì)曲面加工走刀路徑規(guī)劃并設(shè)置好加工的參數(shù),然后通過后處理輸出數(shù)控加工刀具路徑程序文件,便于后續(xù)的加工仿真驗(yàn)證。
加工刀具路徑方案一:對(duì)自由曲面采用循環(huán)往復(fù)的加工刀具路徑。使用UG軟件中的加工模塊,在“創(chuàng)建工序”對(duì)話框中選擇“固定輪廓銑”的加工方式,如圖1所示。路徑的驅(qū)動(dòng)方法設(shè)為“曲面”,切削模式設(shè)為“往復(fù)”。則生成的刀具路徑,如圖2所示。
圖1 創(chuàng)建工序Fig.1 Creating Processes
圖2 往復(fù)刀具路徑Fig.2 Reciprocating Tool Paths
加工刀具路徑方案二:對(duì)自由曲面采用斜45°加工刀具路徑。使用UG軟件中的加工模塊,在“創(chuàng)建工序”對(duì)話框中選擇“固定輪廓銑”的加工方式,如圖1所示。路徑的驅(qū)動(dòng)方法設(shè)為“區(qū)域銑削”,與XC的夾角設(shè)為“45”。則生成的刀具路徑,如圖3所示。
圖3 斜45°刀具路徑Fig.3 Inclined 45 Degree Tool Path
加工刀具路徑方案三:對(duì)自由曲面采用等間距環(huán)形加工刀具路徑。使用UG軟件中的加工模塊,在“創(chuàng)建工序”對(duì)話框中選擇“固定輪廓銑”的加工方式,如圖1所示。路徑的驅(qū)動(dòng)方法設(shè)為“曲面”,切削模式設(shè)為“跟隨部件”。則生成刀具路徑,如圖4所示。
圖4 等間距環(huán)形刀具路徑Fig.4 Equal-Spaced Annular Tool Path
VERICUT 是一款專門用于數(shù)控加工仿真軟件。在實(shí)際加工之前先在VERICUT 軟件中對(duì)要加工的工件進(jìn)行模擬仿真加工,此過程不僅能驗(yàn)證數(shù)控加工程序正確性,而且還能驗(yàn)證工件在加工的過程中是否會(huì)有過切、漏切和干涉現(xiàn)象,然后對(duì)加工不合理的地方進(jìn)行修改調(diào)整達(dá)到正確加工的目的。使用VERICUT8.1 仿真軟件對(duì)曲面的三種刀具路徑進(jìn)行加工仿真實(shí)驗(yàn)。仿真加工實(shí)驗(yàn)步驟如下:
(1)搭建DMG五軸數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)系統(tǒng)的選擇。(2)添加毛坯夾具。(3)添加毛坯。(4)設(shè)定加工坐標(biāo)系。(5)設(shè)定加工刀具。(6)導(dǎo)入數(shù)控加工程序。(7)開始仿真加工。
往復(fù)刀具路徑的仿真效果圖,如圖5所示。其加工的時(shí)間為435s,斜45°刀具路徑的仿真效果圖,如圖6所示。其加工的時(shí)間為457s,等間距環(huán)形刀具路徑的仿真效果圖,如圖7所示。其加工的時(shí)間為384s,通過仿真加工實(shí)驗(yàn)可知數(shù)控加工程序是可行。
圖5 往復(fù)刀具路徑仿真效果Fig.5 Simulation Results of Reciprocating Tool Path
圖6 斜45°刀具路徑仿真效果Fig.6 Simulation Results of 45-Degree Tool Path
圖7 等間距環(huán)形刀具路徑仿真效果Fig.7 Simulation Results of Equidistant Annular Tool Path
在實(shí)際加工過程中的待機(jī)時(shí)間為570s,由于三種加工方案在前期的準(zhǔn)備工作是一樣的,所以待機(jī)的耗時(shí)是相同,只是刀具路徑不同。?計(jì)算所需要的有關(guān)參數(shù),如表3所示。通過查閱機(jī)械加工工藝手冊(cè),刀片耐用度相關(guān)系數(shù),如表4所示。
表3 ?計(jì)算相關(guān)參數(shù)Tab.3 Calculation of Relevant Parameters
表4 刀片耐用度相關(guān)系數(shù)Tab.4 Relevance to Blade Durability
(1)Exloss,q切削熱?耗散能耗值計(jì)算
對(duì)往復(fù)刀具路徑的Exloss,q切削熱?耗散能耗值計(jì)算,通過表3可知N的數(shù)值為66.67轉(zhuǎn)每秒,切削的時(shí)間tcut為435s,將其代入式(13)中可得Exloss,q的值為437.33kJ;同理可以得到斜45°刀具路徑的Exloss,q的值為459.45kJ;得到等間距環(huán)形刀具路徑的Exloss,q的值為386.06kJ。
(2)Exloss,fluid切削液消耗?耗散能耗值計(jì)算
對(duì)往復(fù)刀具路徑的Exloss,fluid切削液消耗?耗散能耗值計(jì)算,如表1所示。切削原液參數(shù)表可知單位切削原液生產(chǎn)制造能耗efluid為42287kJ∕kg,切削原液的消耗速率rfluid為3.68×10-3g∕s 即3.68×10-6kg∕s,在切削時(shí),切削液是打開的狀態(tài)所以tfluid=tcut為435s,把數(shù)據(jù)代入式(14)中可得Exloss,fluid的值為67.69kJ;同理可以得到斜45°刀具路徑的Exloss,fluid的值為71.12kJ;得到等間距環(huán)形刀具路徑的Exloss,fluid的值為59.76kJ。
(3)Exloss,standby機(jī)床待機(jī)?耗散能耗值計(jì)算
對(duì)往復(fù)刀具路徑的Exloss,standby機(jī)床待機(jī)?耗散能耗值計(jì)算,通過表3可知N的數(shù)值為66.67轉(zhuǎn)每秒,n1的數(shù)值為4000轉(zhuǎn)每分鐘,待機(jī)的時(shí)長tstandby為570s,將其代入(式20)中可得Exloss,standby的值為39.54kJ;同理可以得到斜45°刀具路徑的Exloss,standby的值為39.54kJ;得到等間距環(huán)形刀具路徑的Exloss,standby的值為39.54kJ。
(4)Exloss,tool刀具切削磨損?耗散能耗值計(jì)算
對(duì)往復(fù)刀具路徑的Exloss,tool刀具切削磨損?耗散能耗值計(jì)算,通過表4可知計(jì)算刀具的耐用度相關(guān)系數(shù),ap為1mm,ae為1mm,把數(shù)據(jù)代入式(22)中可得刀片耐用度Ttool為93.95min,通過表3可知式(21)中的相關(guān)系數(shù)值,刀片制造的輸入?值etool為1.5MJ∕kg,刀片質(zhì)量mtool為9.5g,刀片上刀尖個(gè)數(shù)Ntool為2,切削時(shí)間tcut為435s,代入(21)中可得Exloss,tool的值為65.97kJ;同理可以得到斜45°刀具路徑的Exloss,tool值為69.32kJ;得到等間距環(huán)形刀具路徑的Exloss,tool值為58.24kJ。
(5)Exloss,gas壓縮空氣耗散?耗散能耗值計(jì)算
對(duì)往復(fù)刀具路徑的Exloss,gas壓縮空氣耗散?耗散能耗值計(jì)算,通過表3可知Pr為2.2kW,twork為177.5s,tuse為573.9s,M為1,把數(shù)據(jù)代入式(25)可得Exloss,gas的值295.98kJ;同理可以得到斜45°刀具路徑的Exloss,gas值為310.96kJ;得到等間距環(huán)形刀具路徑的Exloss,gas的值為261.29kJ。
(6)Exloss,all在機(jī)床的加工過程中總?耗散能耗值計(jì)算
通過(26)可計(jì)算出,往復(fù)刀具路徑的Exloss,all總?耗散能耗值為906.51kJ;斜45°刀具路徑的Exloss,all總?耗散能耗值為950.39kJ;等間距環(huán)形刀具路徑的Exloss,all總?耗散能耗值為804.89kJ。
將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型中,分別計(jì)算出切削熱?耗散能耗值、切削液?耗散能耗值、機(jī)床待機(jī)?耗散能耗值、刀具切削磨損?耗散能耗值、壓縮空氣耗散?耗散能耗值和整個(gè)加工過程總?耗散能耗值。各部分的?耗散能耗值和總?耗散能耗值,如表5所示。通過表5的數(shù)據(jù)可以分析得到等間距環(huán)形刀具路徑的耗散能耗最少為804.89kJ,往復(fù)刀具路徑的?耗散能耗為906.51kJ,斜45°刀具路徑的?耗散能耗最多為950.39kJ,通過對(duì)比等間距環(huán)形刀具路徑和往復(fù)刀具路徑,可知等間距環(huán)形刀具路徑比往復(fù)刀具路徑的總?耗散能耗降低了11.2%,通過對(duì)比等間距環(huán)形刀具路徑和斜45°刀具路徑,可知等間距環(huán)形刀具路徑比斜45°刀具路徑的總?耗散能耗降低了15%。
表5 不同刀具路徑產(chǎn)生的?耗散能耗值Tab.5 Energy Dissipation Values From Different Tool Paths
表6 各路徑實(shí)際切削加工功率Tab.6 Actual Cutting and Processing Power of Each Path
表7 各路徑實(shí)際待機(jī)功率Tab.7 Actual Standby Power for Each Path
由以上分析可知,采用等間距環(huán)形刀具路徑進(jìn)行加工時(shí),熱量的散失、切削液的耗散、刀具磨損以及壓縮機(jī)的能耗最少。在零件加工時(shí),可以通過此方法來選擇能耗少的加工刀具路徑,減少加工過程中能源過多的浪費(fèi),同時(shí)也增加了能源的利用率。
本實(shí)驗(yàn)在DMG五軸數(shù)控加工中心上進(jìn)行,如圖8所示。
圖8 DMG五軸數(shù)控銑削工中心Fig.8 DMG Five-Axis CNC Milling Center
使用納普PM9200功率測(cè)試分析儀檢測(cè)加工過程中機(jī)床的功率,分別用往復(fù)刀具路徑、斜45°刀具路徑、等間距環(huán)形刀具路徑對(duì)曲面進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證?耗散法評(píng)估能耗的有效性。實(shí)驗(yàn)將對(duì)三種不同的加工路徑分別進(jìn)行4次加工,取四次加工功率的平均值作為最終的功率。三種刀具路徑的實(shí)際加工圖,如圖9所示。
圖9 實(shí)際加工效果Fig.9 Actual Processing Effects
通過納普PM9200功率測(cè)試分析儀分別對(duì)每個(gè)加工路徑做4次加工功率測(cè)試取平均數(shù),切削功率進(jìn)行測(cè)試,如圖6所示。待機(jī)功率進(jìn)行測(cè)試,如圖7所示。
由圖6可知,等間距環(huán)形刀具路徑加工功率最小、斜45°刀具路徑加工功率最大,由于等間距環(huán)形刀具路徑加工時(shí)間最少,則能耗也最少;各路徑的實(shí)際加工能耗,如表8所示。
表8 各路徑實(shí)際加工能耗與?計(jì)算值對(duì)比Tab.8 Comparison Between Actual Processing Energy Consumption and Calculation Value of Each Path
由數(shù)據(jù)可得等間距環(huán)形刀具路徑加工能耗相對(duì)于往復(fù)刀具路徑加工能耗降低了10.93%,等間距環(huán)形刀具路徑加工能耗相對(duì)于斜45°刀具路徑加工能耗降低了15.24%,將實(shí)際的能耗單位(kW·h)換算成(kJ)單位,便于比較,比較后可知?耗散法計(jì)算評(píng)估的能耗與實(shí)際加工的能耗基本一致,驗(yàn)證了?耗散法的正確性。
研究針對(duì)不同的加工刀具路徑能耗問題,提出了一種?耗散方法,并對(duì)該方法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,通過建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,然后對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析比較得出結(jié)論。方法創(chuàng)新點(diǎn)在于把不同類型的能量轉(zhuǎn)化為同一形式進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)不同加工刀具路徑的?耗散能耗做出綜合比較,找出能耗最少的加工刀具路徑,減少加工能耗,提高能源利用率。