基于响应面法的环网柜接线套管干切削工艺参数优化研究

陈志强，江朝加，张愉，陈浩，苟于江，何高辉，何辉波

(1.国网重庆市电力公司市区供电分公司，重庆 400015；2.西南大学工程技术学院，重庆 400100)

0 前言

环网供电技术是实现城乡电力系统稳定、可靠供电的重要保障。环网柜作为电力设备中一种新型配电设备，它集测量、通信、控制、保护等功能于一体，主要用于对输变电系统中高电压直流或交流、磁和感应等各类不同电压等级的线路进行电能转换，具有功能完善、结构简单以及操作方便等优点[1]。目前，国内电网系统中10 kV环网柜大多采用环网柜接线套管，主要与欧式前接头相连，可显示母线带电状态。该套管会因电力负荷过载、温度过高等诸多环境因素而在其表面产生细微裂痕、烧蚀痕迹等，导致套管绝缘强度下降、电力系统产生安全隐患，影响环网柜的正常运行，甚至造成引起电力故障、电网停运，当地居民、工业、商业的供电情况可能都会受到较大影响[2]。

目前，国内外针对电网系统中环网柜接线套管的修复工作研究的较少，我国电力系统中套管出现烧蚀、裂痕现象影响环网柜的正常运行时，通常采用更换或人工打磨的方式进行修复，这类方式虽然能有效避免放电现象的产生，但经济支出较大、人工效率低等问题较为显著。

干切削是一种无需使用任何切削液的绿色加工方式，不仅可减少对环境的污染，而且可有效降低成本，是一种重要的现代切削加工方式，而切削力是反映切削加工过程的重要因素[3-4]。国内外关于切削力的研究很多，如余浪等人[5]设计了三因素四水平的正交试验，研究了不同刀具对D840车轮材料切削力的影响，并通过试验验证了切削力预测模型与试验结果的一致性；YUE 等[6]采用AlCrN和TiAlSiN涂层刀具对30CrMnSi钢进行了干切削试验，结果表明：AlCrN涂层刀具的切削力和切削温度均低于TiAlSiN涂层刀具。

目前，国内外关于切削性能的研究较多[7-9]，但采用干切削修复表面损伤装置的研究相对较少。本文作者采用未涂层、TiAlCrN涂层、TiAlSiN涂层3种刀具，通过单因素试验方法探究切削速度、进给量、背吃刀量对切削力的影响规律；同时基于单因素的试验结果，选用TiAlSiN涂层刀具进行正交试验，通过建立回归模型、方差分析和响应面分析，得到最优切削参数组合，最后通过试验验证优化结果与试验结果的一致性。该研究可为干切削修复环网柜接线套管提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

此试验采用的环网柜接线套管(如图1(a)所示)为干切削试验工件材料，型号DJTG-12/630，耐压电压10 kV，颜色为棕色；其主要组成材料为环氧树脂，具有良好的机械性能和电气性能，主要用于电力系统欧式电缆分接箱、环网开关柜以及为欧式630A前、后接头提供线路接口，也可连接带电指示器及显示母线电路带电状态。

图1 切削工件及切削刀具

试验机床为沈阳第一机床厂生产的普通卧式车床CA6140A，主电机功率为7.5 kW，最大加工直径为400 mm，最大加工长度为900 mm，主轴转速为10～1 400 r/min。以切削力F(切向力Fc、轴向力Ff、径向力Fp)为性能评价指标，分别采用未涂层与2种涂层刀具进行单因素试验，未涂层刀具为YT15硬质合金车刀，涂层刀具为TiAlCrN、TiAlSiN，型号均为T31605F，工件及刀具实物如图1所示；刀具几何参数见表1，工件尺寸大小如图2所示；采用重庆迪佳科技有限公司生产的SDC-L3M型应变式切削力传感器和DJ-CL-1型三向力线性放大器来检测切削力，切削力测量系统简图如图3所示。

表1 刀具主要几何参数 单位：(°)

图2 环网柜接线套管工件尺寸

图3 切削力测量系统

1.2 试验方法

在CA6140A车床上采用未涂层与涂层刀具对环网柜接线套管工件进行干切削试验，首先运用单因素试验法，通过改变切削用量(切削速度v、进给量f、背吃刀量ap)分别研究未涂层与TiAlCrN、TiAlSiN涂层刀具对切削力的影响规律；然后基于单因素的试验结果，选定性能最优的TiAlSiN涂层刀具，运用Box-Behnken中心组合试验方法，以切削速度v、进给量f、背吃刀量ap为试验因素，以切向力Fc、轴向力Ff、径向力Fp为评价指标，设计三因素三水平正交试验，研究TiAlSiN涂层刀具在不同切削用量下对三向切削力的影响，正交试验因素水平方案见表2；同时建立回归模型，并进行方差分析和响应面优化，得到最优切削参数组合；最后对最优切削参数进行试验验证，以此评价优化参数的合理性。

表2 正交试验方案

2 试验结果分析

2.1 切削力影响分析

(1)切削速度对切削力的影响

保持进给量f=0.12 mm/r、背吃刀量ap=0.5 mm不变，仅改变切削速度v的情况下对工件进行切削性能试验，测得的切削力的变化如图4所示。

图4 切削速度对切削力的影响

由图4可知：随着切削速度的增加，三向切削力出现不同的变化趋势。切向力中未涂层刀具呈现缓慢下降趋势，这是由于切削速度增大，切削过程产生的热量使工件材料表面软化，使其强度和硬度下降，导致切削力减小；而TiAlCrN、TiAlSiN涂层刀具切削速度增大，切削力均出现缓慢上升的趋势，原因是涂层刀具降低了切削温度，在切削速度逐渐增大的过程中，受刀尖磨损导致切向力缓慢增大。此外，轴向力和径向力均随切削速度的增大而增大，主要原因是切削速度的增加使得刀尖磨损加速、工件表面层硬化以及机床-工件-刀具所组成的系统刚性不足所致[10]。

切向力是三向切削力中的主切削力，是评判刀具切削性能的重要参考指标[11]。在3种刀具中，切向力从大到小依次为：未涂层刀具、TiAlCrN涂层刀具、TiAlSiN涂层刀具。当切削速度为42.22 m/min时，未涂层刀具切向力最大，其值为155 N；切削速度增大为120.64 m/min时，切向力降为最小值，其值为133 N。TiAlSiN、TiAlCrN两种涂层刀具切向力相较未涂层刀具均有较大程度的降低，其主要原因是涂层刀具中的Cr、Al等元素在高温下容易形成Cr2O3、Al2O3等氧化物附着在刀具表面，增强其抗氧化性，使得涂层刀具的硬度、韧性较高[12]，导致切削工件时刀具的磨削程度较低，因此切削力较小。

(2)进给量对切削力的影响

保持切削速度v=75.40 m/min、背吃刀量ap=0.5 mm不变，仅改变进给量f的情况下对工件进行切削性能试验，切削力的变化如图5所示。

图5 进给量对切削力的影响

由图5可知：随着进给量的增加，三向切削力均呈现出逐渐增大的变化趋势，具有很好的一致性，进给量对三向切削力的影响程度(差值变化)依次为：切向力<轴向力<径向力。其中，切向力虽然随进给量增大而增大，但并不成比例增加，其原因是进给量不断增大使切削的厚度增大，切削层面积也会增大，导致切削力变大，但切屑变形系数和摩擦因数的减小导致切削力并不成倍增加[13-14]。而随着进给量的增加，轴向力和径向力逐渐增大的原因主要是切削时消耗的功率增大和已加工表面附着的切屑残留对刀具施加挤压力所致[15]。

由图5可知：TiAlSiN涂层刀具的切向力最小，其次是TiAlCrN涂层刀具，切向力最大的是未涂层刀具。并且涂层刀具的切向力和轴向力也低于未涂层刀具。其原因主要是涂层刀具能够有效提升刀具表面的硬度、抗氧化性以及抗磨损性能，进一步说明涂层刀具可以有效降低切削力，提高刀具的切削性能。

(3)背吃刀量对切削力的影响

保持切削速度75.40 m/min、进给量f=0.12 mm不变，仅改变背吃刀量ap的情况下对工件进行切削性能试验，切削力的变化如图6所示。

图6 进给量对切削力的影响

由图6可知：随着背吃刀量的增加，切向力和轴向力均呈现先上升后缓慢下降的变化趋势，而径向力则一直呈现下降趋势。根据切削力理论公式：

Fc=τsapf(1.4ξ+C)

(1)

式中：Fc为切向力；τs为工件材料的剪切屈服强度；ap为背吃刀量；f为进给量；ξ为切屑变形系数；C为与前角γ0有关的系数[16]。

由公式(1)可知：在其他参数不变的情况下，切向力与背吃刀量同比增加，但当背吃刀量超过一定数值区间时，背吃刀量与切向力会呈现非线性关系[17]。在图6(a)中，当背吃刀量在0.5～1.5 mm内变化时，切向力与背吃刀量近似成比例增加，而背吃刀量超过1.5 mm时，切向力下降，与背吃刀量呈现非线性变化。轴向力同样呈现先增大后减小的趋势，其原因是轴向上的切削面积增大使抗力增加导致轴向力增大[18]，而超过一定值后同径向力呈下降趋势，主要原因可能是切削温度变大使切削力降低，且轴向、径向方向上存在摩擦力、应力影响的缘故[19]。

由图6可知：3种刀具的三向切削力的变化趋势基本一样，TiAlSiN、TiAlCrN涂层刀具的切向力均小于未涂层刀具，说明涂层刀具可降低切削力，提高切削性能。

综合单因素试验结果可知：通过改变切削用量，刀具的切削力变化趋势不同，涂层刀具的主切削力明显低于未涂层刀具；改变切削速度、进给量时，TiAlSiN涂层刀具主切削力最小；改变背吃刀量时，TiAlCrN涂层刀具主切削力最小。通过对比观察工件表面，TiAlSiN涂层刀具比TiAlCrN涂层刀具切削后的工件表面质量、粗糙度性能更优。因此，选定TiAlSiN涂层刀具进行正交试验研究。

2.2 正交试验结果分析

(1)回归模型建立与方差分析

根据Box-Behnken试验设计原理设计三因素三水平正交试验[20]，试验方案包括17个试验点，试验方案及结果如表3所示。

表3 试验方案及结果

运用Design-Expert11软件对表3中的试验结果进行方差分析，建立三向切削力与各试验因素之间的回归模型，结果如表4所示。

表4 回归模型的方差分析

由表4可知：切向力、轴向力、径向力的模型显著性P值均小于0.05，表明回归模型显著。失拟项P值均大于0.05，表明回归方程拟合度高；决定系数R2值分别为0.984 6、0.988 5、0.913 5，说明模型拟合度较好，可用该模型代替真实试验结果进行试验预测分析。各因素对切向力影响显著性大小为：背吃刀量ap>进给量f>切削速度v；各因素对轴向力影响显著性大小为：背吃刀量ap>进给量f>切削速度v；各因素对径向力影响显著性大小为：进给量f>背吃刀量ap>切削速度v。

Fc=7.87-0.69v-1 286.55f+203.95ap-2.23vf-0.11vap+273.81fap+0.007v2+

(2)

Ff=-13.05-0.23v-2 457.36f+395.32ap-1.70vf-0.10vap+630.95fap-0.005v2+

(3)

Fp=-73.46-0.26v-1 546.75f+408.19ap-0.80vf-0.55vap+184.52fap-0.005v2+

(4)

剔除模型不显著项，对模型Fc、Ff、Fp进行优化后得：

Fc=7.87-1 286.55f+203.95ap+273.81fap+

(5)

Ff=-13.05-2 457.36f+395.32ap+

(6)

(7)

(2)交互因素对切削性能影响规律分析

为清晰、直观地分析切削力与切削用量之间的关系，应用Design-Expert11软件分析得到交互因素影响的响应曲面，如图7所示。

图7 交互因素对切向力、轴向力和径向力的影响

切削速度、进给量、背吃刀量交互因素对切向力影响的响应面曲线见图7(a)—(c)。从图7(a)可以看出：在同一切削速度下，随着进给量的增大，切向力呈逐渐增大的曲线变化，同一进给量下，切向力随着切削速度的增大而缓慢增大；从图7(b)可以看出：在同一切削速度下，切向力随背吃刀量的增大而增大，同一背吃刀量下，切向力随切削速度的增大呈先缓慢减小后逐渐增大的曲线变化；从图7(c)可以看出：在同一进给量下，切向力随背吃刀量的增大呈先上升后逐渐缓慢上升的曲线变化，同一背吃刀量下，切向力随进给量的增大呈先减小后快速增大的趋势变化。

切削速度、进给量、背吃刀量交互因素对轴向力影响的响应面曲线见图7(d)—(f)。从图7(d)可以看出：同一切削速度下，轴向力随进给量的增加呈逐渐增大的趋势变化，同一进给量下，轴向力随切削速度的增大而增大；从图7(e)可以看出：在同一背吃刀量下，轴向力随切削速度的增大而缓慢增大，同一切削速度下，轴向力随背吃刀量的增大呈先增大后逐渐减小的曲线变化；从图7(f)可以看出：在同一进给量下，轴向力随背吃刀量的增大呈先增大后减小的趋势变化，同一背吃刀量下，轴向力随进给量的增大呈先缓慢减小后增大的趋势变化。

切削速度、进给量、背吃刀量交互因素对径向力影响的响应面曲线见图7(g)—(i)。从图7(g)可以看出：同一切削速度下，径向力随进给量增加而缓慢增加，同一进给量下，轴向力随切削速度增大呈现出平稳的趋势变化；从图7(h)可以看出：在同一背吃刀量下，径向力随切削速度的增大而缓慢增大，同一切削速度下，径向力随背吃刀量的增大呈先增大后减小的趋势变化；从图7(i)可以看出：在同一进给量下，径向力随背吃刀量的增大呈先增大后缓慢减小的趋势变化，同一背吃刀量下，径向力随进给量的增大而逐渐增大。

3 参数优化与验证试验

3.1 参数优化

为了获得TiAlSiN涂层刀具的最佳切削加工性能，必须使切削过程的三向切削力尽可能小。由于各因素对切削力的影响不一致，需要进行全局多目标优化。以切向力、轴向力、径向力最小为目标函数，对切削速度、进给量、背吃刀量3个试验因素进行优化设计，优化约束条件为

(8)

基于以上优化约束条件寻求最佳参数组合，综合考虑3个因素对切削力的影响规律，利用Design-Expert11的中心组合响应曲面设计(Central Composite Design，CCD)对模型进行优化求解。得到最优参数组合为：切削速度94.589 m/min、进给量0.097 mm/r、背吃刀量0.501 mm，此时刀具切向力为11.75 N、轴向力为34.80 N、径向力为19.53 N。

3.2 验证试验

为了验证模型预测的准确性，采用上述参数进行验证性试验。为了便于切削加工的实际应用，对优化参数进行适当圆整，设置切削速度为95 m/min、进给量为0.10 mm/r、背吃刀量为0.5 mm，试验重复3次取平均值，预测值与真实值对比如表5所示。

表5 试验预测值与真实值对比

试验结果表明：最优参数组合条件下，切向力为12.5 N、轴向力为33.5 N、径向力为20 N；切向力、轴向力和径向力真实值与预测值的相对误差分别为6.38%、3.74%、2.4%，真实值与预测值较为吻合，说明该参数优化模型可靠。

4 结语

(1)采用单因素试验法研究了未涂层、TiAlCrN涂层、TiAlSiN涂层3种刀具对环网柜接线套管三向切削力的影响规律，结果表明：涂层刀具的切削力低于未涂层刀具，综合考虑工件表面质量，TiAlSiN涂层刀具对环网柜接线套管的切削修复性能最优。

(2)采用TiAlSiN涂层刀具结合Box-Behnken试验设计方法建立了以切向力、轴向力、径向力为响应指标的二次回归模型，通过对模型交互作用及响应曲面分析，得出了背吃刀量、进给量和切削速度对相应指标的影响变化规律。

(3)应用 Design-Expert11软件对所建立模型进行优化求解，得到切削性能最优参数组合为：切削速度94.589 m/min、进给量0.097 mm/r、背吃刀量0.501 mm，此时刀具切向力为11.75 N、轴向力为34.80 N、径向力为19.53 N。验证试验的结果表明：试验真实值与优化结果较为吻合，验证了优化结果的准确性，可为环网柜接线套管干切削修复加工工艺优化提供参考。