發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸車?yán)c內(nèi)銑工藝能耗建模及分析

徐金瑜 ，羅 敏 ，王 婷 ，張 鵬

（1湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442002；2.東風(fēng)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，湖北十堰 442003）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸的加工工藝主要有車削、外銑，內(nèi)銑、車?yán)取１姸鄬W(xué)者對各種曲軸加工工藝，從不同角度做了對比研究。顧永生[1]從加工精度、柔性角度對比4種工藝，研究得出CNC車?yán)ê嚒嚴(yán)┘癈NC車削精度較高，CNC高速外銑及CNC內(nèi)銑柔性較好。LI W和KARA S[2]通過搭建LabVIEW功率測試平臺采集車床功率數(shù)據(jù)，解析車削能耗構(gòu)成，構(gòu)建基于加工工藝參數(shù)的能耗預(yù)測模型。ABELE等[3]研究機(jī)床主軸的能量耗散特性及規(guī)律，并分析了其節(jié)能的可能性。

通過搭建功率采集平臺，選取TBN200曲軸車?yán)瓩C(jī)床和CKM200曲軸內(nèi)銑機(jī)床，采集其功率數(shù)據(jù)，從能效角度對比分析2種加工工藝。

1 曲軸數(shù)控機(jī)床功率監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)平臺利用三相電參數(shù)采集器WB6830R2－P獲取數(shù)字量信號，采用RS485總線通信方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至組態(tài)王上位機(jī)，并實(shí)時(shí)存儲于SQL Server數(shù)據(jù)庫中。其中，電流互感器安裝在車?yán)瓩C(jī)床與內(nèi)銑機(jī)床三相進(jìn)線上，以及主軸電機(jī)進(jìn)線上，且與三相電參數(shù)采集器連接，可以監(jiān)測電網(wǎng)的電壓、電流、有無功功率、視在功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

2 工藝能耗建模

2.1 數(shù)控機(jī)床功率分解

車?yán)瓩C(jī)床與內(nèi)銑機(jī)床均采用日本住友公司的硬質(zhì)合金刀片，牌號統(tǒng)一選取CS6000。該類型刀具適于鋼、鑄鋼和合金鑄鐵的高速精加工。在此基礎(chǔ)上，以下2臺機(jī)床能耗才具有可比性。數(shù)控機(jī)床的能量源種類繁多，可分為加工動(dòng)力系統(tǒng)能量源和輔助系統(tǒng)能量源兩大類：前者提供加工和動(dòng)力傳輸所需要的直接能量，與機(jī)床載荷相關(guān)；后者用來支持完成加工任務(wù)的輔助操作。根據(jù)TBN200曲軸車?yán)瓩C(jī)床與CKM200曲軸內(nèi)銑機(jī)床的主要耗能部件，繪制出能量源構(gòu)成框架（圖1、圖2）。數(shù)控機(jī)床的能量源與加工狀態(tài)直接相關(guān)，因此將兩者結(jié)合進(jìn)行分析研究。

數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的總功率，包含待機(jī)功率Pb，空程功率Pr，切削功率Pc。待機(jī)是機(jī)床已開啟，等待NC程序運(yùn)行，這時(shí)主要是輔助系統(tǒng)在工作，所以一般待機(jī)功率是輔助系統(tǒng)運(yùn)行的功率。空程是NC程序已開始運(yùn)行，此時(shí)主軸已啟動(dòng)但刀具未進(jìn)入切削狀態(tài)，所以空程功率是主軸和進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)所消耗的功率。而切削功率是刀具去除多余材料所消耗的功率。

圖1 TBN200曲軸車?yán)瓩C(jī)床能量流架構(gòu)

圖2 CKM200曲軸內(nèi)銑機(jī)床能量流架構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)針對同一個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸毛坯的主軸頸和連桿頸加工過程，采集得到兩組功率數(shù)據(jù)。利用SPSS軟件工具分析該數(shù)據(jù)。

車?yán)瓩C(jī)床用于主軸頸加工，工件與刀具軸線之間的距離保持不變，刀具的徑向切入進(jìn)給是靠刀具刀齒的高度各不相同形成階梯式齒升來實(shí)現(xiàn)的。刀具一邊做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一邊沿徑向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切入進(jìn)給。車?yán)庸ぶ芷诟鱾€(gè)階段狀態(tài)分解如圖3所示。

CKM200曲軸內(nèi)銑機(jī)床有2個(gè)刀盤，雙刀盤同步切入、同步切出，刀盤2次切入完成4缸曲軸連桿頸內(nèi)銑。同相位的連桿頸一同加工，先銑削P2，P4，刀盤移位，再同時(shí)切入 P1，P3位置進(jìn)行第二次銑削。內(nèi)銑加工周期各個(gè)階段狀態(tài)分解如圖4所示。

2.2 數(shù)控機(jī)床能耗建模

根據(jù)圖3和圖4機(jī)床總功率的分解研究，可對兩種工藝在單位加工周期T內(nèi)的能耗建立數(shù)學(xué)模型。機(jī)床總能耗Etotal與待機(jī)能耗Ebasic，空程能耗Eready，切削能耗Ecutting的關(guān)系可以表示為：

若在一個(gè)周期T內(nèi)，機(jī)床待機(jī)狀態(tài)下時(shí)間為tb，機(jī)床空程狀態(tài)下時(shí)間為tr，機(jī)床切削加工的時(shí)間為tc，則可以將式（1）進(jìn)一步分解為式（2）～式（6）：

機(jī)床處于空程狀態(tài)tr時(shí)段，存在功率尖峰，因此將tr進(jìn)一步細(xì)分成兩種狀態(tài)：主軸啟動(dòng)狀態(tài)；主軸及進(jìn)給軸穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

兩種狀態(tài)下的能耗分別為空程啟動(dòng)能耗Eboot，空程穩(wěn)定能耗Esteady，其與空程能耗Eready的關(guān)系可以表示為：

式（8）中，Prb為空程啟動(dòng)功率，時(shí)長tbo；Prs為空程穩(wěn)定功率，時(shí)長tst。

圖3 TBN200曲軸車?yán)瓩C(jī)床總功率分解

圖4 CKM200曲軸內(nèi)銑機(jī)床總功率分解

3 工藝能效分析與優(yōu)化

3.1 能耗占比分析與優(yōu)化

根據(jù)本文構(gòu)建的能耗模型，計(jì)算并繪制車?yán)c內(nèi)銑機(jī)床的各部分能耗與功率占比圖，如圖5～圖8所示。

（1）車?yán)c內(nèi)銑加工節(jié)拍大致相當(dāng)，周期都為130 s左右；車?yán)瓩C(jī)床待機(jī)功率6249.2 W，內(nèi)銑機(jī)床4118.7 W。因此車?yán)瓩C(jī)床待機(jī)能耗高于內(nèi)銑機(jī)床。這是車?yán)瓩C(jī)床輔助系統(tǒng)功率遠(yuǎn)高于內(nèi)銑機(jī)床所致。

圖5 機(jī)床周期總能耗占比

圖6 空程能耗占比

圖7 機(jī)床功率占比

圖8 機(jī)床額定功率占比

（2）內(nèi)銑機(jī)床空程功率5911.8 W，車?yán)瓩C(jī)床2156.9 W，且內(nèi)銑空程時(shí)間較長，所以內(nèi)銑機(jī)床空程能耗高于車?yán)瓩C(jī)床。

（3）車?yán)龣C(jī)能耗占機(jī)床總能耗比例過半，達(dá)52%。可以考慮加快車?yán)瓩C(jī)床的節(jié)拍，縮短待機(jī)時(shí)間tb從而降低待機(jī)能耗。也可以考慮待機(jī)超過一定時(shí)間，即關(guān)斷機(jī)床液壓，待機(jī)床加工循環(huán)需要液壓動(dòng)作時(shí)，再自動(dòng)啟動(dòng)液壓電機(jī)。

（4）內(nèi)銑空程能耗占機(jī)床總能耗比例較高，達(dá)43.6%。由于空程功率主要是主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)所消耗的功率，可以考慮適當(dāng)延遲主軸啟動(dòng)和提前停止主軸，以降低空程能耗。

（5）空程時(shí)，車?yán)瓩C(jī)床和內(nèi)銑機(jī)床主軸電機(jī)負(fù)載率分別為5.9%和15.5%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.006和0.01，說明負(fù)載波動(dòng)極小，機(jī)床主運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)基本穩(wěn)定，工況良好。

（6）切削時(shí)，車?yán)瓩C(jī)床主軸電機(jī)負(fù)載率，粗加工在4.9%～36.3%，精加工在6.3%～10.6%；內(nèi)銑機(jī)床主軸電機(jī)負(fù)載率在21.8%～53.95%，反應(yīng)了刀具加工時(shí)的切削受力狀態(tài)，進(jìn)一步建模可以用于刀具壽命狀態(tài)分析。

3.2 工藝能效分析

金屬切削是一個(gè)材料逐步去除的過程，切削比能SEC（the specific energy consumption）是指去除單位體積材料所消耗的能量[4]。通過SEC可以反映出切削能耗與材料去除率之間的映射關(guān)系及機(jī)床能效能力[5－6]。

根據(jù)圖3和圖4機(jī)床總功率分解可以求出待機(jī)功率、空程功率、切削能耗。本實(shí)驗(yàn)中待加工的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為四缸曲軸，主軸頸和連桿頸各4個(gè)，加工尺寸見表1。

表1 四缸曲軸加工尺寸mm

（1）曲軸加工工藝周期去除量V

車?yán)瓩C(jī)床共4個(gè)刀盤，曲軸4個(gè)主軸頸一次加工完成。根據(jù)表1計(jì)算4個(gè)主軸頸總?cè)コ浚?/p>

內(nèi)銑機(jī)床共2個(gè)刀盤，曲軸4個(gè)連桿頸分兩次加工完成。根據(jù)表1計(jì)算4個(gè)連桿頸總?cè)コ浚?/p>

（2）切削比能SEC

曲軸車?yán)に嚽邢鞅饶?/p>

曲軸內(nèi)銑工藝切削比能

（3）切削比能橫向?qū)Ρ确治?/p>

根據(jù)計(jì)算SEC結(jié)果，車?yán)に噯挝涣⒎嚼迕兹コ磕芎臑?917.89 J，內(nèi)銑工藝單位立方厘米去除量的能耗為5327.16 J，表明內(nèi)銑工藝較車?yán)に嚹苄Ц摺?/p>

4 總結(jié)

搭建基于RS485總線的功率監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺，采集TBN200車?yán)瓩C(jī)床與CKM200內(nèi)銑機(jī)床分別在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主軸頸和連桿頸加工過程中的電參數(shù)。通過分析兩種工藝的數(shù)控機(jī)床能量流，分解加工功率曲線，構(gòu)建能耗數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算獲得2臺數(shù)控機(jī)床待機(jī)功率Pb，空程功率Pr，切削功率Pc以及各部分能耗占比、切削比能SEC數(shù)據(jù)。經(jīng)研究得到如下結(jié)論。

（1）內(nèi)銑工藝切削比能較車?yán)に嚫?0%，內(nèi)銑工藝切削能效更高；

（2）車?yán)瓩C(jī)床待機(jī)能耗高于內(nèi)銑機(jī)床。車?yán)c內(nèi)銑加工節(jié)拍大致相當(dāng)，車?yán)瓩C(jī)床輔助系統(tǒng)功率遠(yuǎn)高于內(nèi)銑機(jī)床，所以車?yán)瓩C(jī)床待機(jī)能耗更高；

（3）內(nèi)銑機(jī)床空程能耗高于車?yán)瓩C(jī)床。內(nèi)銑空程時(shí)間較長，且空程功率遠(yuǎn)高于車?yán)詢?nèi)銑空程能耗更高；

（4）針對車?yán)瓩C(jī)床待機(jī)能耗較高的特點(diǎn)，可以考慮待機(jī)超過一定時(shí)間，即關(guān)斷機(jī)床液壓，待機(jī)床加工循環(huán)需要液壓動(dòng)作時(shí)，再自動(dòng)啟動(dòng)液壓電機(jī)；

（5）針對內(nèi)銑機(jī)床空程能耗較高的特點(diǎn)，可以考慮適當(dāng)延遲主軸啟動(dòng)和提前停止主軸，以降低空程能耗；

（6）空程時(shí)主軸電機(jī)負(fù)載率反應(yīng)了機(jī)床主軸傳動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以用于判斷其工況是否正常；

（7）切削時(shí)主軸電機(jī)負(fù)載率反應(yīng)了刀具加工時(shí)的切削受力狀態(tài)，可以用于刀具壽命的推斷。

綜合上述分析，在軸頸粗加工工藝方案的選擇時(shí)，從能效角度考慮，優(yōu)先推薦采用內(nèi)銑工藝。

［1］顧永生.曲軸主軸頸和連桿軸頸的粗加工工藝分析［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場，2002（4）：45－48.

［2］LI W,KARA S.An experimental model for energy consumption of manufacturing processes：a case of turning process［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part B：Journal of Engineering and Manufacturing,2011（224）：1636－1649.

［3］ABELE E,SIELAFF T,SCHIFFLER A,et al.Analyzing energy consumption of machine tool spindle units and identification of potential for improvements of efficiency［J］.Globalized Solutions For Sustainability In Manufacturing,2011：274－279.

［4］WARREN R D.Analysis of material removal process［M］.New York,USA：Springer－verlag，1992.

［5］Vincent Aizebeoje Balogun,Paul Tarisai Mativenga.Modelling of direct energy requirements in mechanical machining processes［J］.Journal of Cleaner Production,2013：179－186.

［6］He Y.,Liu F.,Wu T.,Zhong,F.P.,Peng,B..Analysis and estimation of energy consumption for numerical control machining［J］.Proc.Inst.Mech.Eng.Part BJ.Eng.Manuf.2012，226（B2）：255－266.