機械零部件切削加工過程的能耗構(gòu)成分析

姚柳

摘要：切削加工機床上電后，各能耗源會持續(xù)消耗能量，如：控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、照明等，切削加工過程不僅有切削做功的能耗，還有很多附加能耗，研究切削加工過程中的能耗構(gòu)成，對實施綠色制造具有重要意義。

關(guān)鍵詞：機械加工;能耗;構(gòu)成

制造業(yè)是國民經(jīng)濟重要組成部分，其涉及行業(yè)及其廣泛，如機械、航空航天、電子、軍工、食品工程等。制造業(yè)制造商品會消耗了大量的能源，因此降低制造過程中的機床能耗成為亟需解決的難題。機械零件的生產(chǎn)大部分采用金屬切削機床進行，影響機床切削加工的能耗因素眾多，包括機床的機械特性、零件材料的機械性能、切削參數(shù)、刀具參數(shù)，從而導(dǎo)致機床切削加工能耗難以預(yù)測。如何準(zhǔn)確地判定切削加工過程中的機床能耗構(gòu)成，方便快捷地預(yù)測出不同加工條件、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)條件下的能耗，對于降低能耗，實現(xiàn)綠色制造具有十分重要的意義。

本文以機械加工為對象研究其能耗構(gòu)成。從特征來看，能耗構(gòu)成表現(xiàn)出多樣性。切削加工總能耗可看作是各構(gòu)成單元能耗的總和，這些能耗構(gòu)成單元之間相互聯(lián)系、相互影響，在加工過程中伴隨著物料流、能量流和信息流之間不斷的流入與消耗。本文將能耗主要分為：加工動力系統(tǒng)能耗、控制系統(tǒng)能耗、輔助系統(tǒng)能耗和其它能耗，在此基礎(chǔ)上進行研究。

1、加工動力系統(tǒng)能耗模型

加工動力系統(tǒng)是在變頻電動機在系統(tǒng)的控制驅(qū)動下，通過機械傳動，帶動工件或刀具完成加工所需的相對運動，是整個加工過程中的主體部分。在該階段中，能耗機理復(fù)雜，能量經(jīng)各環(huán)節(jié)消耗后，最終輸入到材料去除部分，其耗能量大小不僅取決于其運行參數(shù)也與其負(fù)載相關(guān)。加工動力系統(tǒng)能耗是最為復(fù)雜的能耗系統(tǒng)，主要包括驅(qū)動工件或者刀具完成旋轉(zhuǎn)運動（特例：刨床無旋轉(zhuǎn)運動）的動力系統(tǒng)或者驅(qū)動工件和刀具完成相對運動的動力系統(tǒng)。機床在此過程的能耗主要是主軸電機能耗+進給電機能耗，以及其他能耗損失，也就是在該過程中能耗主要有以下方面：完成銑削運動做功的能量損耗，即有效能耗，表示為E銑削;機床自身內(nèi)部能量損失，其主要包括軸承摩擦對能耗的損失、系統(tǒng)平衡的能量損失等，表示為E內(nèi)耗;加工過程中機械能轉(zhuǎn)化熱能的能耗損失，表示為E轉(zhuǎn)化;以及銑削加工過程中其他能耗損失，表示為△E。于是可得加工動力系統(tǒng)能耗用E動力表示，其方程為：

2、控制系統(tǒng)能耗模型

控制系統(tǒng)是機床不可缺少的部分，在機床中起著至關(guān)重要的作用，是機床的核心構(gòu)件。機床電氣控制系統(tǒng)元件包括數(shù)控系統(tǒng)裝置、主軸控制系統(tǒng)、進給控制系統(tǒng)、PLC裝置等，這些組件相互作用、相互聯(lián)系從而構(gòu)成了機床控制系統(tǒng)。機床控制系統(tǒng)無論是否在完成切削，只要通電既體現(xiàn)出能量消耗，具有持續(xù)性，實施綠色制造若能減小其中一部分的能耗，將對整個機床節(jié)能起著很大的影響。控制系統(tǒng)能耗為各個子系統(tǒng)能耗的總和，可用E控制表示為：

在整個機床的切削加工過程中，這個部分能耗從機床開機到關(guān)機整個過程中功率大致不變，其能耗與時間成正比，設(shè)fi是子系統(tǒng)對應(yīng)的功率關(guān)系系數(shù)，則各子系統(tǒng)其能耗表示為：

3、輔助系統(tǒng)能耗模型

機床的加工輔助系統(tǒng)包括空氣動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及各種外設(shè)系統(tǒng)等，在其加工過程期間，功率基本不變，由于輔助系統(tǒng)的各子系統(tǒng)能耗取決于系統(tǒng)是否處于工作狀

態(tài)。設(shè)表示子系統(tǒng)是否處于開啟狀態(tài)的函數(shù)設(shè)，fi為各

子系統(tǒng)的特征函數(shù)，pi是子系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)的功率，ti是子系統(tǒng)開啟持續(xù)時間。則數(shù)控銑床的輔助系統(tǒng)能耗可表示為：

輔助動力系統(tǒng)能耗。輔助動力系統(tǒng)主要為機床提供輔助動力，如刀庫門的開啟、閉合、刀具夾持、刀庫轉(zhuǎn)動等。輔助動力系統(tǒng)能量輸入主要是空壓機或者液壓工作站的電能輸入，其能耗主要有：機床換刀提供動力能量損失;系統(tǒng)存儲的能量損失;系統(tǒng)傳遞的能量損失。即輔助動力系統(tǒng)能耗平衡方程為：

冷卻系統(tǒng)能耗。冷卻系統(tǒng)主要是為機械零件加工過程提供冷卻液，其作用主要是提高工件表面質(zhì)量，防止局部溫度過高損壞刀具，從而延長刀具使用壽命。其能耗主要與冷卻水泵開機時間有關(guān)，與冷卻液對應(yīng)有關(guān)損耗主要包括加工前冷卻液制備和加工后廢舊無害化處理兩個方面，因此冷卻系統(tǒng)能耗可表示為：

排屑系統(tǒng)能耗。排屑系統(tǒng)主要是在工件加工過程中（粗加工需要連續(xù)排屑）或加工完成后（精加工完成后集中排屑），對機床進行清理，將廢屑從機床中清除到機床外，以便下次進行加工操作，同時也能延長機床的使用壽命，排屑過程的能耗主要與廢屑量和排屑時間有關(guān)，排屑系統(tǒng)能耗可表示為：

機床照明系統(tǒng)能耗。機床照明系統(tǒng)主要是工作臺區(qū)域的照明，一般采用36V電源，其能耗主要與開燈時間有關(guān)且相對于機床能耗比重小表示為E照明。

4、其它能耗

其它能耗主要是為保證加工過程機床正常運行和產(chǎn)品質(zhì)量，對機床加工環(huán)境等采取的其它措施的能耗，例如：部分大功率機床電氣柜的空調(diào)系統(tǒng)、機床自身保護系統(tǒng)等。這部分能耗占整個加工系統(tǒng)能耗比重很小，受現(xiàn)場制造環(huán)境影響，不將其作為研究重點。

5、結(jié)論

本文研究針對切削加工過程中，機床各能耗源的能量消耗進行分析與建模，主要討論了加工動力系統(tǒng)的能耗、控制系統(tǒng)的能耗、輔助系統(tǒng)的能耗以及其它能耗構(gòu)成，通過對能耗構(gòu)成進行分析，明確了各部分之間的詳細(xì)能耗情況，為綠色制造的理論建立和實施可以提供支持。

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