山药收获机传动轴EN31合金钢车削过程中功率消耗及温度变化

陈凤光

柳州铁道职业技术学院机电工程系，广西柳州545007

山药收获机传动轴EN31合金钢车削过程中功率消耗及温度变化

陈凤光

柳州铁道职业技术学院机电工程系，广西柳州545007

以某山药收获机传动轴EN31合金钢为研究对象，利用瓦特表和红外线测温仪分别测量加工过程中机床功率消耗及工件加工最大温度，对不同主轴转速、进给量、切削深度深的车削过程进行实验分析。实验结果表明，随着主轴转速、进给速度和切削深度的增加，机床功率消耗、工件加工最大温度均呈上升趋势，上升趋势由明显变为平缓。

山药收获机传动轴；EN31合金；功率消耗；温度

随着现代化的不断发展，农业产生逐渐实现了机械现代化，山药收获机由于其结构的特殊化及复杂化，因此其传动轴设计和加工得到了广泛的关注。在农业及工程领域中，金属切削是机械加工中重要的工艺之一［1］。随着能源危机的加剧，在高度竞争的市场下需要成本更低、质量更高的工农业产品。EN31是合金钢的一种，经过不同的热处理工艺用于不同的场合，这种材料又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴［2］。

车削是一个非常重要的加工方法，在农业机械传动轴的车削加工过程中，机床功率消耗是由切削力和切削速度共同作用下决定的，功率消耗可用于监测刀具的使用状况，且切削过程中产生的最大温度对农业机械传动轴加工影响较大［3，4］。基于此，本文以某山药收获机传动轴EN31合金钢工件为研究对象，利用瓦特表和红外线测温仪分别测量加工过程中机床功率消耗及工件加工最大温度，对不同主轴转速、进给量、切削深度深的车削过程进行实验分析，为将来农业机械的加工作业、材料选择与优化提供一定的参考。

1 山药收获机主要组成机构

山药收获机械属于农业机械中的一种，其主要由输送机构、连接传送机构和挖深掘进机构等主要机构组成，其具体如图1所示。传动轴做为各机构中的主要部件，其设计和加工直接对其性能影响较大，因此有必要对山药收获机传动轴的车削进行研究。

2 实验设备和方法

选择长为300 mm，直径为50 mm的EN31合金钢作为加工山药收获机传动轴的实验工件材料，实验中将工件安装在CA6140机床上，实验所用的机床如图2所示。

图1 山药收获机主要机构Fig.1 Yam harvester main mechanism

图2 实验装置与工件和涂层硬质合金刀具Fig.2 Experimental setup with work-piece and coated carbide tool

山药收获机传动轴EN31合金钢的化学成分和机械性能如表1、表2所示［7］。

表1 EN31化学成分Table 1 Chemical components of EN31

表2 EN31力学性能Table 2 Mechanical properties of EN31

选择刀尖处涂有TiNAl2O3TiCN、圆弧半径为0.08 mm的硬质合金刀具作为切削刀具，如图1所示。刀尖处涂层使刀具在钢加工过程中具有较好的耐磨性，同时涂层的存在可以为刀具提供了必要的切削阻力以延长刀具的使用寿命，这种类型的CVD涂层刀具具有良好的平衡韧性和耐磨性能。实验在干燥条件下、具有最大转速为1600转的CA6140车床上进行，通过瓦特计测量功率消耗、利用红外线测温仪测量工件加工表面温度，如图3所示。

图3 测量设备Fig.3 Measuring equipment：（a）Wattmeter，（b）infrared thermometer

车削过程中，选择主轴转速、进给速度和切削深度作为不同输入参数，分析它们对车床功率消耗、工件表面最大温度的影响。分别做了15组不同输入参数组合的实验，切削参数及实验结果如下文所示。

3 实验结果分析

通过对主轴转速（rpm）、进给量（mm/rev）和切削深度深（mm）不同参数进行组合，并对不同组合的参数进行实验。在加工过程中，使用瓦特计来测量机床的功率消耗。当机床空转时，即当机床不进行机械加工操作，功率消耗必定小于其它执行加工操作时的功率消耗；表3中所得功率消耗的数值是切削过程中的实际消耗功率，其大小是机床切削过程中的测量值减去空转时的测量值。使用红外线测量工件加工过程中的实时温度，最终取工件在切削过程中的最大表面温度。根据实验可得不同工况下的机床功率消耗、最大工件表面温度如表3所示。

表3 EN31切削参数及实验结果Table 3 The various cutting parameters and response

功率消耗、工件表面最大温度与主轴转速、进给速度和切削深度的影响分别如图4、5、6所示。在分析主轴转速、进给速度和切削深度对功率消耗的影响时，为了消除测量误差、实验环境等外界不利因素的影响，在分析结果中给出线性功率消耗示意图，目的是为了更好地不同监测参数对功率消耗的影响，其中（a）为功率消耗，（b）为工件最大温度。

图4 主轴转速对监测参数的影响Fig.4 The impact of spindle speed to the monitor parameters：（a）power consumption，（b）maximum temperature

从图4（a）可以看出，当进给速度和切削深度保持恒定，大小分别取0.08 mm/rev，0.4 mm时，机床功率消耗虽有上下波动，但随着主轴转速的增加功率消耗有明显的增加趋势。从图4（b）可以看出，主轴转速从112 rpm增加到280 rpm时，最大工件加工温度急剧增加；随着主轴转速的增加，工件表面温度增加趋势明显降低，最后温度增加趋于平缓。

图5 进给速度对监测参数的影响Fig.5 The impact of feed speed to the monitor parameters：（a）power consumption，（b）maximum temperature

由图5（a）可知，当主轴和切削深度保持恒定，大小分别取710 rpm，0.4 mm时，随着进给速度的增加，机床功率消耗波动较大，整体呈增加趋势。由图5（b）可知，进给速度从0.045 mm/rev增加到0.071 mm/rev时，工件加工最大温度急剧增加；随着进给速度的增加，工件表面温度增加趋势降低。

图6 切削深度对监测参数的影响Fig.6 The impact of cutting depth to the monitor parameters：（a）power consumption，（b）maximum temperature

从图6（a）可以看出，当主轴和进给速度保持恒定，大小分别取710 rpm，0.08 mm/rev时，随着切削深度的增加，机床功率消耗呈增加趋势。从图6（b）可以看出，切削深度从0.4 mm增加到0.6 mm时，工件加工最大温度急剧增加；随着切削深度的继续增加，工件表面温度增加趋势降低，最终几乎保持不变。

4 结论

以某山药收获机传动轴EN31合金钢为研究对象，利用瓦特表和红外线测温仪分别测量加工过程中机床功率消耗及工件加工最大温度，对不同主轴转速、进给量、切削深度深的车削过程进行实验分析。实验结果表明：

a）山药收获机传动轴EN31合金在车削过程中，主轴转速、进给速度和切削深度极大地影响着机床功率消耗、工件加工最大温度；

b）随着主轴转速、进给速度和切削深度的增加，机床功率消耗及山药收获机传动轴EN31合金工件加工最大温度均呈上升趋势，且上升趋势整体呈现先增加后减小的趋势。

［1］韦丽君，陈廷卫，张邦成，等.免耕播种机新型圆盘式破茬刀设计与优化［J］.农机化研究，2014，10：107-111

［2］黄正明，李玲，宋德庆.分形理论在农业物料应力应变特性研究中的应用［J］.农机化研究，2014，9：202-205

［3］王鹤，胡静涛，高雷.农业机械自动导航车轮转角测量误差补偿模型［J］.农业机械学报，2014，45（8）：33-37

［4］于晓旭，赵匀，陈宝成，等.移栽机械发展现状与展望［J］.农业机械学报，2014，45（8）：44-53

［5］罗蓬，胡侨丹，夏巨谌.车削过程的三维有限元数值模拟［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2006，34（4）：89-92

［6］肖艳军，于万胜，刘鹏，等.新型山药收获机切削阻力和功耗的研究［J］.农机化研究，2014，8：36-39

［7］Abhang L B，Hameedullah.Power prediction model for Turning En-31 steel Using Response surface methodology［J］. Journal of Engineering Science and Technology Review，2010，3（1）：116-122

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年度广西高等教育教学改革工程项目（2012JGB408）

陈凤光（1963-），女，广西玉林人，大学本科，副教授，车工技师，研究方向：机械加工技术及高职教师职业能力提升研究.E-mail：qll116@163.com