机械零部件切削加工过程的能耗构成分析

姚柳

摘要：切削加工机床上电后，各能耗源会持续消耗能量，如：控制系统、冷却系统、润滑系统、照明等，切削加工过程不仅有切削做功的能耗，还有很多附加能耗，研究切削加工过程中的能耗构成，对实施绿色制造具有重要意义。

关键词：机械加工;能耗;构成

制造业是国民经济重要组成部分，其涉及行业及其广泛，如机械、航空航天、电子、军工、食品工程等。制造业制造商品会消耗了大量的能源，因此降低制造过程中的机床能耗成为亟需解决的难题。机械零件的生产大部分采用金属切削机床进行，影响机床切削加工的能耗因素众多，包括机床的机械特性、零件材料的机械性能、切削参数、刀具参数，从而导致机床切削加工能耗难以预测。如何准确地判定切削加工过程中的机床能耗构成，方便快捷地预测出不同加工条件、工艺参数、刀具参数条件下的能耗，对于降低能耗，实现绿色制造具有十分重要的意义。

本文以机械加工为对象研究其能耗构成。从特征来看，能耗构成表现出多样性。切削加工总能耗可看作是各构成单元能耗的总和，这些能耗构成单元之间相互联系、相互影响，在加工过程中伴随着物料流、能量流和信息流之间不断的流入与消耗。本文将能耗主要分为：加工动力系统能耗、控制系统能耗、辅助系统能耗和其它能耗，在此基础上进行研究。

1、加工动力系统能耗模型

加工动力系统是在变频电动机在系统的控制驱动下，通过机械传动，带动工件或刀具完成加工所需的相对运动，是整个加工过程中的主体部分。在该阶段中，能耗機理复杂，能量经各环节消耗后，最终输入到材料去除部分，其耗能量大小不仅取决于其运行参数也与其负载相关。加工动力系统能耗是最为复杂的能耗系统，主要包括驱动工件或者刀具完成旋转运动（特例：刨床无旋转运动）的动力系统或者驱动工件和刀具完成相对运动的动力系统。机床在此过程的能耗主要是主轴电机能耗+进给电机能耗，以及其他能耗损失，也就是在该过程中能耗主要有以下方面：完成铣削运动做功的能量损耗，即有效能耗，表示为E铣削;机床自身内部能量损失，其主要包括轴承摩擦对能耗的损失、系统平衡的能量损失等，表示为E内耗;加工过程中机械能转化热能的能耗损失，表示为E转化;以及铣削加工过程中其他能耗损失，表示为△E。于是可得加工动力系统能耗用E动力表示，其方程为：

2、控制系统能耗模型

控制系统是机床不可缺少的部分，在机床中起着至关重要的作用，是机床的核心构件。机床电气控制系统元件包括数控系统装置、主轴控制系统、进给控制系统、PLC装置等，这些组件相互作用、相互联系从而构成了机床控制系统。机床控制系统无论是否在完成切削，只要通电既体现出能量消耗，具有持续性，实施绿色制造若能减小其中一部分的能耗，将对整个机床节能起着很大的影响。控制系统能耗为各个子系统能耗的总和，可用E控制表示为：

在整个机床的切削加工过程中，这个部分能耗从机床开机到关机整个过程中功率大致不变，其能耗与时间成正比，设fi是子系统对应的功率关系系数，则各子系统其能耗表示为：

3、辅助系统能耗模型

机床的加工辅助系统包括空气动力系统、冷却系统、排屑系统、照明系统及各种外设系统等，在其加工过程期间，功率基本不变，由于辅助系统的各子系统能耗取决于系统是否处于工作状

态。设表示子系统是否处于开启状态的函数设，fi为各

子系统的特征函数，pi是子系统处于开启状态的功率，ti是子系统开启持续时间。则数控铣床的辅助系统能耗可表示为：

辅助动力系统能耗。辅助动力系统主要为机床提供辅助动力，如刀库门的开启、闭合、刀具夹持、刀库转动等。辅助动力系统能量输入主要是空压机或者液压工作站的电能输入，其能耗主要有：机床换刀提供动力能量损失;系统存储的能量损失;系统传递的能量损失。即辅助动力系统能耗平衡方程为：

冷却系统能耗。冷却系统主要是为机械零件加工过程提供冷却液，其作用主要是提高工件表面质量，防止局部温度过高损坏刀具，从而延长刀具使用寿命。其能耗主要与冷却水泵开机时间有关，与冷却液对应有关损耗主要包括加工前冷却液制备和加工后废旧无害化处理两个方面，因此冷却系统能耗可表示为：

排屑系统能耗。排屑系统主要是在工件加工过程中（粗加工需要连续排屑）或加工完成后（精加工完成后集中排屑），对机床进行清理，将废屑从机床中清除到机床外，以便下次进行加工操作，同时也能延长机床的使用寿命，排屑过程的能耗主要与废屑量和排屑时间有关，排屑系统能耗可表示为：

机床照明系统能耗。机床照明系统主要是工作台区域的照明，一般采用36V电源，其能耗主要与开灯时间有关且相对于机床能耗比重小表示为E照明。

4、其它能耗

其它能耗主要是为保证加工过程机床正常运行和产品质量，对机床加工环境等采取的其它措施的能耗，例如：部分大功率机床电气柜的空调系统、机床自身保护系统等。这部分能耗占整个加工系统能耗比重很小，受现场制造环境影响，不将其作为研究重点。

5、结论

本文研究针对切削加工过程中，机床各能耗源的能量消耗进行分析与建模，主要讨论了加工动力系统的能耗、控制系统的能耗、辅助系统的能耗以及其它能耗构成，通过对能耗构成进行分析，明确了各部分之间的详细能耗情况，为绿色制造的理论建立和实施可以提供支持。

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