數(shù)控電解加工機床的能耗研究*

劉亞娟 干為民 柳 林 李文靜

(①常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213164；②江蘇省特種加工重點實驗室(常州工學院)，江蘇 常州 213022)

隨著經濟社會和國家科技事業(yè)的發(fā)展，資源和能源的消耗也在不斷增長[1]。在各行各業(yè)的能源消耗中，工業(yè)所占的比重最大，據有關數(shù)據顯示，能源消耗總量中工業(yè)耗費能源比例已超過70%[2]。我國是個工業(yè)大國，機床在工業(yè)發(fā)展中起主導作用，但是我國機床的能源使用效率卻很低。在評價環(huán)境的指標中，機床加工流程中能耗問題逐漸成為重點指標[3]。

研究數(shù)控機床能耗可高效利用能源。國內外很多學者都對機床能耗展開了大量研究。Guoyong Zhao等[4]研究一種以主軸轉速、刀具磨損率以及材料去除率為影響因子的模型，用于加工材料難度大的車削機床耗能預測，試驗證明，差距最大的水平的預測值和實際值相差2.9%。上海理工大學張喆等[5]通過建立機床切削工藝過程能耗模型，定量分析比較不同工藝方案能耗大小，最終找出節(jié)能方案。本文通過分析數(shù)控電解加工過程的能耗模型，開展了不同加工間隙控制狀態(tài)、不同加工電壓、不同電導率下的對比試驗，為降低機床能耗提供了有效方案。

1 數(shù)控電解加工機床加工過程能耗模型

數(shù)控電解加工機床加工經過“開啟→待機→空載→加工”4個步驟，據此建立機床理論功率流模型如圖1所示。

按以上步驟，機床各功率表達式可依次表示為基本啟動功率Gbasis(t)、待機狀態(tài)功率Gstandby(t)、空載運行功率Gidling(t)以及加工狀態(tài)功率Gbmachining(t)[6]，由圖1得，機床功率相關平衡方程可寫為：

Gin(t)=Gmachining(t)=ΔG1+ΔG2+ΔG3+ΔG4

(1)

式中：Gin表示機床輸入總功率；ΔG1為機床從開機進入基本啟動狀態(tài)時功率增量；ΔG2為機床從基本啟動狀態(tài)到待機狀態(tài)的功率增量；ΔG3為機床從待機狀態(tài)轉變?yōu)榭蛰d狀態(tài)增量；ΔG4為機床從空載狀態(tài)進入加工狀態(tài)時功率增量。其中，空載運行功率Gidling(t)一般視為不變，所以降低機床的能耗即降低Δp4，而電解加工的本質是一種電化學反應，能耗來源主要是電能，則能耗公式為

W=UIt

(2)

式中：U為電源電壓，V；I為電流，A；t為時間，s。

2 數(shù)控電解機床的能耗試驗研究

電解加工作為特種加工技術的一種，被廣泛地應用在兵器、汽車、醫(yī)療器械、電子和模具等行業(yè)中，現(xiàn)已成為制造業(yè)中一種關鍵技術[7]。

由式(2)可知，機床能耗與電解加工電壓、電流及加工時間成正比。本試驗的目的是在保證加工效率和加工精度的前提下，實現(xiàn)能耗最小化。電解加工的表面質量主要與加工間隙、工件材質、電解液組成、電流密度、電解液流場以及電源有關[8]。主要是加工間隙和電解液。穩(wěn)定均勻的小間隙加工是保證加工效率和加工精度的重要途經[9]。電解液性能主要由電導率k決定。因此試驗中通過選用不同電解加工間隙控制狀態(tài)，工作電壓以及電導率進行能耗研究。

2.1 加工間隙控制對能耗的影響

實驗工裝簡圖如圖2所示，加工對象：平面；陰極、陽極材料均為0Cr18Ni9；電解液采用側向流動形式，陰極向下進給，完成電解加工過程。由前期試驗結果可知，當進給速度為0.6 mm/min時，加工間隙為0.319 mm，故初始加工間隙設置為0.3 mm。具體加工參數(shù)見表1(下同)。

表1 試驗加工參數(shù)表

由圖3可知，加工進行到接近60 s時，機床在非自動控制加工間隙狀態(tài)下電流激增，是因為工具陰極和工件陽極間發(fā)生短路，此時機床需要一定的反應時間才能恢復正常狀態(tài)，而且這種情況一定要避免發(fā)生；在自動控制加工間隙狀態(tài)下電流變化較小，且迅速恢復正常。

由表2a和表2b可知自動控制加工間隙較非自動控制加工間隙加工總能耗及單位時間內蝕除單位體積能耗低；加工質量上，非自動控制加工間隙下的電解加工出現(xiàn)短路，加工表面出現(xiàn)燒傷，而自動控制加工間隙進行的電解加工表面光潔，粗糙度值Ra=0.8m。綜上分析，自動控制加工間隙狀態(tài)下的電解加工節(jié)能。

表2 (a)加工間隙控制狀態(tài)各項數(shù)值

表2 (b)加工間隙控制狀態(tài)各項數(shù)值

2.2 加工電壓對能耗的影響

0Cr18Ni9材料加工電壓一般在10～20 V，本試驗選用12 V和16 V電壓。為了保證試驗結果，試驗均在自動控制加工間隙狀態(tài)下完成，且除加工電壓外，其余加工參數(shù)保持一致。

由圖4可以看出隨著電壓的增大，電流也在增大，但是電壓越高，電流變化越大，不利于穩(wěn)定加工。

由表3a和表3b可知在自動控制加工間隙條件下，隨著電壓的增大機床的總能耗及單位時間內蝕除單位體積能耗也隨之增大；另外，隨著電壓增大，表面質量下降，這符合電解加工規(guī)律。綜上分析，U=12 V時節(jié)能。

表3 (a)不同工作電壓下各項數(shù)值

表3 (b)不同工作電壓下各項數(shù)值

2.3 電導率對能耗的影響

NaNO3溶液電導率隨溫度升高而增大。為研究電導率對能耗的影響，試驗中通過改變溫度來調節(jié)電導率，其他參數(shù)不變，調節(jié)方案如表4。

表4 參數(shù)選擇

由圖5可知在相同加工電壓下，加工電流隨電導率的增加而增加，且兩種電導率加工過程中電流都突然減小然后趨于穩(wěn)定。原因是隨著加工的進行，電解液溫度升高，電導率增大，故電流減小。

表5 (a)不同電導率加工時各項數(shù)值

表5 (b)不同電導率加工時各項數(shù)值

由表5a和表4b可知在加工間隙自動控制條件下，電導率增大，機床的總能耗及單位時間內蝕除單位體積的能耗下降；當k=0.115 Ω-1·cm-1時，加工質量達到Ra=0.8m。綜上分析，當k=0.115Ω-1·cm-1時節(jié)能。

3 結語

分析數(shù)控電解加工機床能耗組成，保證加工效率和加工精度的前提下，以電解加工平面為例，開展了不同加工間隙控制狀態(tài)、不同加工電壓、不同電導率下的對比試驗，結果表明：數(shù)控電解加工機床在加工間隙自動控制，電壓為12 V，電解液電導率為0.115 Ω-1·cm-1時進行加工，能耗得到有效降低，表面粗糙Ra=0.8m，為數(shù)控電解加工機床能耗控制提供了參考。文中只選取了三個影響能耗的因素進行了試驗，今后還需對其他影響因素進行全面試驗研究，降低數(shù)控電解加工機床能耗。