制造过程机床切削能耗预测模型的研究..docxVIP

“绿色制造现状及发展趋势”研究报告科目：绿色制造现状及发展趋势教师：曹华军姓名：邱行学号： 20130702019t 专业：机械制造及其自动化类别：学术上课时间： 2013年10月至2013年12月考生成绩：阅卷评语：阅卷教师 (签名)制造过程机床切削能耗的预测模型研究摘要：本文利用响应曲面的方法建立了GFRP（玻璃纤维增强塑料）在切削加工过程中切削能量消耗的预测模型。该模型实际上是一种经验模型。文中机械加工过程选用三种不同的刀具：碳素钢刀具（K-20）、立方氮化硼刀具（CBN）、金刚石刀具（PCD），利用田口方法建立实验数据表，然后选用不同的切削参数包括切削速度、进给量、背吃刀量、工件材料进行实验，并获得了不同参数水平下的切削功率数据。最后利用方差分析技术以及响应曲面法建立了基于切削参数的二次功率模型。文章最后总结出来较低的切削能耗需要在低的切削速度，低的进给率，合适的切削深度以及较小的晶向角条件下才能实现。引言绿色制造有非常深刻的内涵，它涉及的问题领域包括三部分：一是制造问题，包括产品生命周期的全过程；二是环境影响问题；三是资源优化问题，绿色制造就是这三部分内容的交叉和集成。绿色制造考虑两个过程：一个是产品生命周期全过程和物流转化过程，即从原材料到最始产品的过程，通过绿色制造要达到两个目标：一个是减少环境污染，一个是实现资源优化。因此绿色制造包含的内容十分广泛，包括绿色设计绿色生产绿色再制造等现代设计和制造技术。结合目前课题研究方向，主要介绍制造过程机床的切削能耗优化的实现。由机械加工状态能量信息论可知，由于机床加工系统中切削状态和系统结构状态的改变，必然会导致机床某一部分能量状态的变化，进而会影响到机床的能量效率和能量利用率。因此，理论分析机床机械加工过程中切削能量消耗预测模型可以为机床加工过程的能耗定额制定、切削工艺参数节能性优化、能效评估等提供一定的实验数据支持。而机床加工过程也即是产品生成全过程，切削能耗预测模型同样可以为机床加工资源优化提供参考意见，最终实现机床节能优化的目的。2.预备知识2.1 GFRP材料GFRP（Glassfiber Reinforced Plastic，也叫GRP或FRP，中文名玻璃纤维增强塑料，俗称玻璃钢），是一种有机非金属跟无机非金属复合的塑料基复合材料，包含机体和增强体两部分。GFRP具有良好的电绝缘性能和粘结性能，较高的机械强度和耐热性，可塑性极强，成型收缩率小，体积较轻，施工方便。2.2响应曲面法响应曲面法(Response surface methodology，RSM)是一种数学和统计学试验设计，采用该法以建立连续变量曲面模型，对影响某研究变量的因子及其交互作用进行评价，确定最佳水平范围。在工程领域中，输出变量和一系列的可控变量间存在一定的关系，因此可以建立一种数学模型：式中期望得到的响应叫做响应曲面。进行响应曲面法进行函数拟合时首先是确定函数关系，一般的选择是响应曲面二次模型。3.实验过程通过田口方法建立不同水平的实验数据表，如下表：表1 切削参数表切削参数水平标称变量 -2-1012切削速度，m/minVX1406095145225进给量，mm/revfX20.0480.0960.1430.19102.38切削深度，mmdX30.250.50.751.01.25材料晶向，degφX43045607590实验采用KISTLER三向测力仪测取切削力的三向分力、、，三向分力的范围从0-1000N，实际测量时每水平测量三次，且切削力用的是平均力。图1 实验测量图4.最终模型利用响应曲面法，建立三种不同刀具的切削功率模型，具体情况如下碳素钢刀具切削功率模型：立方氮化硼刀具切削功率模型：金刚石刀具模型：然后利用方差分析的方法对三个模型的检验因子以及方差进行分析，对比得出模型的拟合程度。模型的值都大于，显示出模型和实验值之间的高度相关性。5.模型具体分析单独研究每个因素对机床的影响因素时，保证一定变量不变的情况下分析机床切削功率受到单个因素的影响情况，可以总结出机床切削功率模型中各因素影响的大小情况。文中依次分析了机床不同条件下切削刀具材料、切削速度、进给率、背吃刀深度对机床功率的影响大小。图2 因素分析图选例考虑各因素情况之后，对机床的三种不同刀具功率进行分析，并进行对比拟合，每种刀具的拟合情况均比较好。说明采用响应曲面法进行机床功率数据拟合很符合相应的要求。图3 碳素钢刀具切削功率实验值与预测值对比6.总结1）利用响应曲面法分析机床加工GFRP材料时切削功率的不同情况，得出该方法的适用度很高。2）二阶响应曲面模型可以很好的运用于机床切削能耗预测上，而且方差分析时拟合度达到95%。3）较低的切削能耗需要在低的切削速度，低的进给率，合适的切削深度以及较