К ВОПРОСУ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК ЛЕЗВИЙНЫМИ ИНСТРУМЕНТАМИ

 

Карпов А.В., Соколик Н.Л., Соколик А.И. (МИ (ф) ВлГУ, г. Муром, РФ)

 

The parameters of metal cutting effectivity are stated in the given paper. New energetic criterions of varied conditions of mechanical processes are also shown.

 

Машиностроение, как известно, характеризуется высоким коэффициентом электрификации рабочего оборудования и значительным (до 30-40 %) количеством электроэнергии, расходуемой на технологические цели [1]. Удельный вес энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции машиностроительных предприятий составляет до 25-30 % и имеет устойчивую тенденцию к дальнейшему возрастанию. Обработка заготовок лезвийными инструментами занимает наибольший удельный вес в обрабатывающей стадии машиностроительных производств, что объясняется технологической универсальностью процесса резания. Наибольшее распространение на машиностроительных предприятиях страны имеют универсальные металлорежущие станки образца 1940–1970-х гг. Однако, по материалоемкости, энергопотреблению и экологическим показателям такое оборудование является наиболее затратным. Ресурсосберегающие мероприятия при механической обработке конструкционных материалов должны быть направлены, на наш взгляд, на создание энергоэффективного станочного оборудования с возможностью интеграции в автоматизированные комплексы. Центральным звеном при этом является замена ступенчатых коробок передач глубокорегулируемым электроприводом на базе асинхронных двигателей как привода главного движения, так и приводов подач. Решение этой задачи предполагает наличие технологических методов и средств экономии энергии по цепи: питающая сеть  преобразователь электрической энергии в механическую  процесс резания и его параметры  обработка информации о ходе технологического процесса в режиме реального времени и адаптация (автоматическое управление) станочных режимов с целью минимизации энергозатрат.

Технологические мероприятия, направленные на снижение работы стружкообразования, должны базироваться на комплексной методике повышения энергетической эффективности эксплуатации режущих инструментов. Для создания такой методики представляется целесообразным рассмотреть резание металлов с позиций термодинамики и теории распространения трещин в твердом теле, чтобы на основе физических закономерностей контактирования обрабатываемого и инструментального материалов сформулировать критерии количественной оценки энергетической эффективности процессов удаления припуска и образования новых поверхностей детали. Показатель энергетической эффективности, на наш взгляд, можно записать в виде «КПД резания»

,                                          (1)

где  - полезная энергетическая составляющая, ответственная за процессы срезания припуска или образования новой поверхности детали;  - общая работа резания; ,  - соответственно удельные значения величин  и  по отношению к единице объема обрабатываемого материала.

Учитывая, что способы лезвийной обработки заготовок обязательно включают в себя процесс нарушения их сплошности за счет затрачиваемой на это определенной части работы инструмента, полезную составляющую  энергетического баланса процесса резания будем трактовать как потенциальную энергоемкость обрабатываемого материала, т.е. как предельный уровень поглощенной энергии, при котором наступает разрыв межатомных связей и отделение одной части заготовки от другой по линии среза [2]. Проведенный анализ известных концепций разрушения твердых тел показал, что в настоящее время отсутствует единый критерий, который бы связывал предельное состояние конструкционного материала с режимами его механической обработки и эксплуатации. В [3] приведено уравнение показателя энергетической эффективности предварительных переходов технологического процесса механической обработки, на которых расходуется наибольшее количество электроэнергии:

,                       (2)

где  - временное сопротивление;  - относительное равномерное сужение обрабатываемого материала;  - объем стружки, удаляемый в единицу времени;  - мощность резания;  - рабочая температура;  - точка плавления материала заготовки.

Показатель  можно привести к виду целевой функции практически любого способа механической обработки заготовок и использовать его как критерий структурной и параметрической оптимизации при технической подготовке производства новых изделий и при модернизации действующих технологических процессов. Так, при цилиндрическом и дисковом фрезеровании заготовок показатель энергоэффективности  принимает вид

.       (3)

где ,  - эмпирические коэффициенты, зависящие от условий обработки.

Из выражения (3) следует, что для увеличения энергетической эффективности эксплуатации цилиндрических и дисковых фрез нужно работать с наибольшими допустимыми режимами резания ,  и с наименьшим допустимым диаметром фрезы . Применение фрезы с меньшим диаметром приводит (при прочих равных условиях), с одной стороны, к сокращению длин путей врезания и перебега инструмента, с другой – к увеличению толщины срезаемого слоя. При этом сокращается основное технологическое время перехода, уменьшается удельная сила (давление) резания, что соответствует снижению величин потребного крутящего момента и мощности на шпинделе фрезерного станка. Выполнение условия , таким образом, способствует установлению технологических параметров, при котором наибольшая производительность станочного перехода будет достигаться при наименьших энергетических затратах в зоне резания.

 

Выводы:

1.       Решение актуальной проблемы экономии электроэнергии при механической обработке целесообразно разбить на три взаимозависимые составляющие: снижение энергозатрат в зоне резания; снижение энергетических потерь в приводах главного и вспомогательных движений станков; снижение энергетических потерь в электродвигателях приводов главного и вспомогательных движений станков.

2.       Снижение энергозатрат на процесс стружкообразования может быть реализовано на основе комплексной методики повышения энергетической эффективности эксплуатации режущих инструментов.

3.       Энергетическую эффективность процесса резания можно оценивать количественно с помощью безразмерного показателя , представляющего собой энергетический КПД механической обработки.

4.       Следует различать показатели энергетической эффективности предварительных (черновых) и окончательных (чистовых) переходов технологического процесса механической обработки: в первом случае, соответствующем наибольшему расходу электроэнергии, в качестве полезной составляющей (числителя КПД) принята удельная работа деформации в условной плоскости сдвига.

5.       Предложенный показатель энергетической эффективности отвечает всем требованиям, предъявляемым к критериям оптимальности технологических процессов, и потому может быть использован для параметрической оптимизации различных способов механической обработки заготовок деталей машин с целью минимизации энергетических затрат в зоне резания.

6.       Предложенный показатель энергетической эффективности может составить основу системы адаптивного управления параметрами процесса резания с целью минимизации технологической энергоемкости предварительных (черновых) переходов лезвийной обработки заготовок деталей машин.

 

Литература

1.       Трехов М.И., Горин Ф.И. Рациональное использование электроэнергии при обработке металлов резанием и давлением. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. – 104 с.

2.       Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. – М.: Машиностроение, 1985. – 264 с.

3.       Зелинский В.В., Карпов А.В., Малышев А.С. Оценка энергетической эффективности процессов формообразования деталей режущими инструментами//Материалы Международной научно-технической конференции  «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения Technology - 2003» 25–27 сентября 2003 года, г. Орел. – Орел: ОрелГТУ, 2003. – С. 46–49.