一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法，主要包括：根据微量润滑切削加工的特点建立冷却润滑工艺参数优化目标函数，根据所述优化目标函数建立参数优化模型中的优化变量、约束条件，以保证冷却润滑效果因子取得最佳值为优化目标，给出了微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化设定方法，通过寻优算法可以得到最优参数组合，该方法可以有效提高冷却润滑效果，可以提高切削效率，降低刀具切削力，同时可以均匀降低加工区、刀具和工件的温度，有效抑制刀具磨损，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工质量。

An optimization method for cooling and lubricating process parameters in micro lubrication machining

The invention discloses a process parameter optimization method for cooling lubrication in micro lubrication cutting process. It mainly includes: setting up the optimization target function of the cooling lubrication process parameters according to the characteristics of the micro lubrication cutting processing, and establishing the optimization variable and the constraint condition in the parameter optimization model according to the optimized objective function, so as to ensure the cooling. The optimum value of the lubrication effect factor is optimized. The optimization setting method of the cooling lubrication process parameters in the micro lubrication cutting process is given. The optimal parameter combination can be obtained through the optimization algorithm. This method can effectively improve the cooling and lubrication effect, improve the cutting efficiency and reduce the cutting force of the cutting tool, and at the same time, the cutting force can be reduced. The temperature of machining area, cutting tool and workpiece can be reduced uniformly, the tool wear can be effectively suppressed, the tool life will be improved, and the machined quality of machined surface can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法
本专利涉及新型绿色数控切削加工领域，尤其涉及一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法。
技术介绍
微量润滑技术(MinimalQuantityLubrication，MQL)是将压缩气体与极微量润滑液混合汽化后喷射到加工区对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑，可以大大减少刀具-工件和刀具-切屑之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用。使用的润滑液很少而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染。微量润滑法所使用的润滑液用量非常少，一般为0.03～0.2L/h，而一台典型的加工中心在进行湿切削时，切削液用量高达20～l00L/min，而且微量润滑技术只要使用得当加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的处理，清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，完全不污染环境，故又称之为准干式切削。已有的研究结果表明微量润滑切削技术在一些难加工材料的切削加工中有着优异的效果，然而对此项技术的研究还存在着一些关键问题有待于进一步解决，主要有：(1)微量润滑切削对切削区的冷却润滑作用效果对被加工材料的切削性能有着重要的影响，而目前还欠缺对微量润滑切削的冷却润滑效果的评价；(2)对微量润滑切削技术还缺乏系统性的试验研究，难以对不同被加工材料提供微量润滑切削的优化工作参数及应用工艺数据。
技术实现思路
针对微量润滑切削技术研究中存在的问题及国内外对难加工材料低温高速切削研究工作甚少的现状，本专利技术公开了一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法，提出了一个微量润滑冷却润滑效果因子，并给出了微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化设定方法，为实际生产提供指导。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法，包括以下步骤：(a)根据微量润滑切削加工的特点建立冷却润滑工艺参数优化目标函数；(b)根据所述优化目标函数建立参数优化模型中的优化变量、约束条件；(c)求解步骤(a)和(b)建立的冷却润滑工艺参数优化模型。按上述方案，所述的步骤(a)中的目标函数为微量润滑的冷却润滑效果因子与最佳值差的绝对值，其表达式为G＝|η-η*|；式中，η—微量润滑的冷却润滑效果因子，该值越小，冷却能力越大，但是并不代表是最佳取值；η*—冷却润滑效果因子的最佳取值，与能耗、加工效率、碳排放量、切削力、切削温度、刀具磨损、已加工表面质量(包括已加工表面粗糙度、加工硬化、残余应力等)及切屑折断情况等有关，不同的加工条件是不一样的，但可以通过制造商的数据样本、产品手册、在线样本等数据；制造企业生产车间使用的切削数据；实验室切削加工数据；文献中的切削数据、数据手册等；切削加工仿真软件的仿真优化数据(不局限于这几种数据获取途径)等途径搜集大量切削数据，并结合专家系统及机器学习等方法，进行不断地自学习、不断地进行修正，最终可以得到一个固定的值。按上述方案，所述的微量润滑的冷却润滑效果因子η计算公式为式中，Qs—单位时间内基本变形区(剪切变形区)塑性变形产生的热量；Qf—单位时间内刀-屑接触区切屑摩擦产生的热量；Qm—单位时间内冷却润滑介质带走的热量。上述机床切削加工过程中的热量参数具体计算公式如下：需要说明的是，在本次计算中假定剪切面的塑性变形功完全变成热；忽略单位时间内刀面－工件接触区产生的热量；(1)计算单位时间内剪切面的塑性变形产生的热量Qs，其表达式为式中，Fc—主切削力(或切向力)，N；Fp—切深抗力(或背向力、径向力、吃刀力)，N；φ—剪切角，°；γ0—刀具前角，°；νc—切削速度，m/s；J—热功当量。(2)计算单位时间内刀-屑接触区切屑摩擦产生的热量Qf，其表达式为(3)计算单位时间内冷却润滑介质带走的热量Qm，其表达式为Qm＝hA(T-T0)；式中：h—换热系数，h0—自然空冷时的换热系数，W/(m2·K)；α0—喷嘴影响系数，与喷嘴形状、喷射角度、喷射距离有关；α1—压缩气体的压力影响系数；α2—切削液用量影响系数，与切削液油雾颗粒、流量及浓度大小有关；α3—与冷却方式有关(外冷、前刀面内冷、后刀面内冷、整体内冷等)；α4—气体介质影响系数，与气体介质种类有关(空气、氮气、CO2等)；P—供气压力，MPa；q—切削液用量，mL/h；A—换热面积，m2；T—切削区的平均温度，℃；T0—压缩气体的初始温度，℃。按上述方案，步骤(b)中的优化变量主要包括供气压力P，切削液用量q；约束条件主要包括供气压力约束Pmin≤P≤Pmax，切削液用量约束qmin≤q≤qmax；式中，Pmin—供气压力最小值Pmin；Pmax—供气压力最大值Pmax；qmin—润滑油供给量的最小值；qmax—润滑油供给量的最大值。按上述方案，步骤(c)具体包括以下由计算机执行的步骤：(c1)设定目标函数初始值G0，给定供气压力和切削液用量的初始值P0和q0；(c2)令P＝P0、q＝q0，判断约束条件不等式是否成立？如果成立，转入步骤(c3)，否则重新分配供气压力和切削液用量的初始值，转入步骤(c1)；(c3)计算目标函数G的值；(c4)判断不等式G＜G0是否成立？如果成立，则令G0＝G，供气压力Py＝P，切削液用量qy＝q，转入步骤(c5)，否则调整P0、q0的值，转入步骤(c1)；(c5)输出最优供气压力Py，最优切削液用量qy。本专利技术与现有技术相比具有如下优点和效果：与现有技术相比，本申请专利提出了一个微量润滑冷却润滑效果因子，对微量润滑切削的冷却润滑效果的评价，根据微量润滑切削加工时所用不同的冷却方式，以保证该因子取得最佳值为优化目标，通过寻优算法可以得到最优参数组合，该方法可以有效提高冷却润滑效果，可以提高切削效率，降低刀具切削力，同时可以均匀降低加工区、刀具和工件的温度，有效抑制刀具磨损，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工质量。附图说明图1一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法总流程图；图2步骤(c)的计算流程图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法，包括以下步骤(计算框图如图1所示)：(a)根据微量润滑切削加工的特点建立冷却润滑工艺参数优化目标函数；按上述方案，所述的步骤(a)中的目标函数为微量润滑的冷却润滑效果因子与最佳值差的绝对值，其表达式为G＝|η-η*|；式中，η—微量润滑的冷却润滑效果因子，该值越小，冷却能力越大，但是并不代表是最佳取值；η*—冷却润滑效果因子的最佳取值，与能耗、加工效率、碳排放量、切削力、切削温度、刀具磨损、已加工表面质量(包括已加工表面粗糙度、加工硬化、残余应力等)及切屑折断情况等有关，不同的加工条件是不一样的，但可以通过制造商的数据样本、产品手册、在线样本等数据；制造企业生产车间使用的切削数据；实验室切削加工数据；文献中的切削数据、数据手册等；切削加工仿真软件的仿真优化数据(不局限于这几种数据获取途径)等途径搜集大量切削数据，并结合专家系统及机器学习等方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(a)根据微量润滑切削加工的特点建立冷却润滑工艺参数优化目标函数；(b)根据所述优化目标函数建立参数优化模型中的优化变量、约束条件；(c)求解步骤(a)和(b)建立的冷却润滑工艺参数优化模型。

【技术特征摘要】
1.一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(a)根据微量润滑切削加工的特点建立冷却润滑工艺参数优化目标函数；(b)根据所述优化目标函数建立参数优化模型中的优化变量、约束条件；(c)求解步骤(a)和(b)建立的冷却润滑工艺参数优化模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(a)中的目标函数为微量润滑的冷却润滑效果因子与最佳值差的绝对值，其表达式为G＝|η-η*|；式中，η—微量润滑的冷却润滑效果因子，该值越小，冷却能力越大，但是并不代表是最佳取值；η*—冷却润滑效果因子的最佳取值，与能耗、加工效率、碳排放量、切削力、切削温度、刀具磨损、已加工表面质量(包括已加工表面粗糙度、加工硬化、残余应力等)及切屑折断情况等有关，不同的加工条件是不一样的，但可以通过制造商的数据样本、产品手册、在线样本等数据；制造企业生产车间使用的切削数据；实验室切削加工数据；文献中的切削数据、数据手册等；切削加工仿真软件的仿真优化数据(不局限于这几种数据获取途径)等途径搜集大量切削数据，并结合专家系统及机器学习等方法，进行不断地自学习、不断地进行修正，最终可以得到一个固定的值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的微量润滑的冷却润滑效果因子η计算公式为式中，Qs—单位时间内基本变形区(剪切变形区)塑性变形产生的热量；Qf—单位时间内刀-屑接触区切屑摩擦产生的热量；Qm—单位时间内冷却润滑介质带走的热量。上述机床切削加工过程中的热量参数具体计算公式如下：需要说明的是，在本次计算中假定剪切面的塑性变形功完全变成热；忽略单位时间内刀面－工件接触区产生的热量；(1)计算单位时间内剪切面的塑性变形产生的热量Qs，其表达式为式中，Fc—主切削力(或切向力)，N；Fp—切深抗力(或背向力、径向力、吃刀力)，N；φ—剪切角，°；γ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张以都，宋和川，吴琼，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11