发动机曲轴车拉与内铣工艺能耗建模及分析

徐金瑜 ，罗 敏 ，王 婷 ，张 鹏

（1湖北汽车工业学院，湖北十堰 442002；2.东风轻型发动机有限公司，湖北十堰 442003）

0 引言

发动机曲轴轴颈的加工工艺主要有车削、外铣，内铣、车拉等。众多学者对各种曲轴加工工艺，从不同角度做了对比研究。顾永生[1]从加工精度、柔性角度对比4种工艺，研究得出CNC车拉（含车—车拉）及CNC车削精度较高，CNC高速外铣及CNC内铣柔性较好。LI W和KARA S[2]通过搭建LabVIEW功率测试平台采集车床功率数据，解析车削能耗构成，构建基于加工工艺参数的能耗预测模型。ABELE等[3]研究机床主轴的能量耗散特性及规律，并分析了其节能的可能性。

通过搭建功率采集平台，选取TBN200曲轴车拉机床和CKM200曲轴内铣机床，采集其功率数据，从能效角度对比分析2种加工工艺。

1 曲轴数控机床功率监控实验

该实验平台利用三相电参数采集器WB6830R2－P获取数字量信号，采用RS485总线通信方式，将数据发送至组态王上位机，并实时存储于SQL Server数据库中。其中，电流互感器安装在车拉机床与内铣机床三相进线上，以及主轴电机进线上，且与三相电参数采集器连接，可以监测电网的电压、电流、有无功功率、视在功率、功率因数等参数。

2 工艺能耗建模

2.1 数控机床功率分解

车拉机床与内铣机床均采用日本住友公司的硬质合金刀片，牌号统一选取CS6000。该类型刀具适于钢、铸钢和合金铸铁的高速精加工。在此基础上，以下2台机床能耗才具有可比性。数控机床的能量源种类繁多，可分为加工动力系统能量源和辅助系统能量源两大类：前者提供加工和动力传输所需要的直接能量，与机床载荷相关；后者用来支持完成加工任务的辅助操作。根据TBN200曲轴车拉机床与CKM200曲轴内铣机床的主要耗能部件，绘制出能量源构成框架（图1、图2）。数控机床的能量源与加工状态直接相关，因此将两者结合进行分析研究。

数控机床系统的总功率，包含待机功率Pb，空程功率Pr，切削功率Pc。待机是机床已开启，等待NC程序运行，这时主要是辅助系统在工作，所以一般待机功率是辅助系统运行的功率。空程是NC程序已开始运行，此时主轴已启动但刀具未进入切削状态，所以空程功率是主轴和进给轴驱动机械传动系统所消耗的功率。而切削功率是刀具去除多余材料所消耗的功率。

图1 TBN200曲轴车拉机床能量流架构

图2 CKM200曲轴内铣机床能量流架构

本实验针对同一个四缸发动机曲轴毛坯的主轴颈和连杆颈加工过程，采集得到两组功率数据。利用SPSS软件工具分析该数据。

车拉机床用于主轴颈加工，工件与刀具轴线之间的距离保持不变，刀具的径向切入进给是靠刀具刀齿的高度各不相同形成阶梯式齿升来实现的。刀具一边做旋转运动一边沿径向运动实现切入进给。车拉加工周期各个阶段状态分解如图3所示。

CKM200曲轴内铣机床有2个刀盘，双刀盘同步切入、同步切出，刀盘2次切入完成4缸曲轴连杆颈内铣。同相位的连杆颈一同加工，先铣削P2，P4，刀盘移位，再同时切入 P1，P3位置进行第二次铣削。内铣加工周期各个阶段状态分解如图4所示。

2.2 数控机床能耗建模

根据图3和图4机床总功率的分解研究，可对两种工艺在单位加工周期T内的能耗建立数学模型。机床总能耗Etotal与待机能耗Ebasic，空程能耗Eready，切削能耗Ecutting的关系可以表示为：

若在一个周期T内，机床待机状态下时间为tb，机床空程状态下时间为tr，机床切削加工的时间为tc，则可以将式（1）进一步分解为式（2）～式（6）：

机床处于空程状态tr时段，存在功率尖峰，因此将tr进一步细分成两种状态：主轴启动状态；主轴及进给轴稳定运行状态。

两种状态下的能耗分别为空程启动能耗Eboot，空程稳定能耗Esteady，其与空程能耗Eready的关系可以表示为：

式（8）中，Prb为空程启动功率，时长tbo；Prs为空程稳定功率，时长tst。

图3 TBN200曲轴车拉机床总功率分解

图4 CKM200曲轴内铣机床总功率分解

3 工艺能效分析与优化

3.1 能耗占比分析与优化

根据本文构建的能耗模型，计算并绘制车拉与内铣机床的各部分能耗与功率占比图，如图5～图8所示。

（1）车拉与内铣加工节拍大致相当，周期都为130 s左右；车拉机床待机功率6249.2 W，内铣机床4118.7 W。因此车拉机床待机能耗高于内铣机床。这是车拉机床辅助系统功率远高于内铣机床所致。

图5 机床周期总能耗占比

图6 空程能耗占比

图7 机床功率占比

图8 机床额定功率占比

（2）内铣机床空程功率5911.8 W，车拉机床2156.9 W，且内铣空程时间较长，所以内铣机床空程能耗高于车拉机床。

（3）车拉待机能耗占机床总能耗比例过半，达52%。可以考虑加快车拉机床的节拍，缩短待机时间tb从而降低待机能耗。也可以考虑待机超过一定时间，即关断机床液压，待机床加工循环需要液压动作时，再自动启动液压电机。

（4）内铣空程能耗占机床总能耗比例较高，达43.6%。由于空程功率主要是主轴电机和进给电机驱动机械传动系统所消耗的功率，可以考虑适当延迟主轴启动和提前停止主轴，以降低空程能耗。

（5）空程时，车拉机床和内铣机床主轴电机负载率分别为5.9%和15.5%，标准差分别为0.006和0.01，说明负载波动极小，机床主运动机械传动的运行状态基本稳定，工况良好。

（6）切削时，车拉机床主轴电机负载率，粗加工在4.9%～36.3%，精加工在6.3%～10.6%；内铣机床主轴电机负载率在21.8%～53.95%，反应了刀具加工时的切削受力状态，进一步建模可以用于刀具寿命状态分析。

3.2 工艺能效分析

金属切削是一个材料逐步去除的过程，切削比能SEC（the specific energy consumption）是指去除单位体积材料所消耗的能量[4]。通过SEC可以反映出切削能耗与材料去除率之间的映射关系及机床能效能力[5－6]。

根据图3和图4机床总功率分解可以求出待机功率、空程功率、切削能耗。本实验中待加工的发动机曲轴为四缸曲轴，主轴颈和连杆颈各4个，加工尺寸见表1。

表1 四缸曲轴加工尺寸mm

（1）曲轴加工工艺周期去除量V

车拉机床共4个刀盘，曲轴4个主轴颈一次加工完成。根据表1计算4个主轴颈总去除量：

内铣机床共2个刀盘，曲轴4个连杆颈分两次加工完成。根据表1计算4个连杆颈总去除量：

（2）切削比能SEC

曲轴车拉工艺切削比能

曲轴内铣工艺切削比能

（3）切削比能横向对比分析

根据计算SEC结果，车拉工艺单位立方厘米去除量能耗为5917.89 J，内铣工艺单位立方厘米去除量的能耗为5327.16 J，表明内铣工艺较车拉工艺能效更高。

4 总结

搭建基于RS485总线的功率监控实验平台，采集TBN200车拉机床与CKM200内铣机床分别在四缸发动机曲轴主轴颈和连杆颈加工过程中的电参数。通过分析两种工艺的数控机床能量流，分解加工功率曲线，构建能耗数学模型，并计算获得2台数控机床待机功率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数据。经研究得到如下结论。

（1）内铣工艺切削比能较车拉工艺高10%，内铣工艺切削能效更高；

（2）车拉机床待机能耗高于内铣机床。车拉与内铣加工节拍大致相当，车拉机床辅助系统功率远高于内铣机床，所以车拉机床待机能耗更高；

（3）内铣机床空程能耗高于车拉机床。内铣空程时间较长，且空程功率远高于车拉，所以内铣空程能耗更高；

（4）针对车拉机床待机能耗较高的特点，可以考虑待机超过一定时间，即关断机床液压，待机床加工循环需要液压动作时，再自动启动液压电机；

（5）针对内铣机床空程能耗较高的特点，可以考虑适当延迟主轴启动和提前停止主轴，以降低空程能耗；

（6）空程时主轴电机负载率反应了机床主轴传动的运行状态，可以用于判断其工况是否正常；

（7）切削时主轴电机负载率反应了刀具加工时的切削受力状态，可以用于刀具寿命的推断。

综合上述分析，在轴颈粗加工工艺方案的选择时，从能效角度考虑，优先推荐采用内铣工艺。

［1］顾永生.曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工工艺分析［J］.世界制造技术与装备市场，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.