Снижение энергетических затрат

Снижение энергетических затрат в процессе резания обеспечивается за счет микро- и макрогеометрии режущих инструментов (изображение: Mapal)

Стоимость энергии постоянно растет. Чтобы определить конкретные возможности повышения энергоэффективности, необходим анализ энергопотребления металлорежущих станков и процессов резания, утверждают Эккехард Кальхёфер и Йохен Кресс.*

Современное производство и промышленность в целом невозможно представить без энергии. Интенсивный прирост населения, повышение уровня жизни и экономическое развитие выводят потребление энергии на недостижимый ранее уровень.

В то же время человечество сталкивается с ограниченностью энергоресурсов, таких как уголь, нефть и биотопливо. Растущие потребности в энергии наряду с ограниченными ее запасами обуславливают бесконечное повышение цен. В сложившейся ситуации энергоэффективность производственных процессов является движущей силой для развития технологий современного и перспективного производства. Но как и какими средствами могут быть достигнуты конкретные результаты оптимизации энергозатрат при обработке заготовок резанием?

Рассматривая энергопотребление станка, включая систему смазки, можно выделить несколько подходов к повышению энергетической эффективности:

  • Оптимизация станка и его компонентов в плане экономии энергии.
  • Минимизация времени работы путем отключения на период простоя.
  • Оптимизация процесса резания и используемых инструментов.

Экономия энергии системы СОЖ с насосами переменного рабочего объема

В условиях крупносерийного производства с преобладанием процессов резания доля энергозатрат самого станка от общего объема потребляемой энергии составляет, как правило, 80%. Система подачи смазочно-охлаждающей жидкости потребляет более 50% энергии от этого объема. Остальная часть энергии распределяется между системой охлаждения, приводной системой и гидросистемой.

Способы повышения энергоэффективности процессов резания

Соотношение потребления энергии отдельными компонентами обрабатывающего центра (MAG XS211) в ходе серийного производства в три смены

Расход энергии системой подачи СОЖ может быть значительно снижен посредством целевой подачи смазочно-охлаждающей жидкости, например, с помощью насосов переменного рабочего объема. В итоге потребление энергии системы в некоторых случаях снижается на 60%. В данном примере расход энергии станком в целом может быть снижен на 30% только лишь за счет оптимизации системы подачи СОЖ.

Основное время работы металлообрабатывающих станков занимает всего треть от общего времени эксплуатации или даже менее. Остальное время составляют периоды ожидания и смены инструмента (вспомогательное время). Основываясь на данных сведениях, можно выделить следующие рекомендации по повышению энергоэффективности: на время таких «непроизводительных» периодов в режиме ожидания следует предусмотреть отключение второстепенных компонентов с высоким расходом энергии. В некоторых случаях такие меры могут сэкономить свыше 20% от общей энергии, потребляемой станком.

Альтернатива покупке нового оборудования

На данный момент упомянутые возможности снижения затрат энергии в большинстве случаев могут быть реализованы лишь путем покупки новых станков с оптимизированными показателями энергоэффективности. Однако вложение средств в такой станок оправдано только в случае, если оборудование действительно требует замены. Учитывая большое количество и продолжительный срок службы действующего металлорежущего оборудования в таких странах, как Германия, требуется изучение и реализация потенциальных способов экономии путем оптимизации инструментов и технологических процессов работающих станков.

В целях оптимизации инструментов и процессов следует классифицировать потребление энергии различными компонентами оборудования. Здесь рассматриваются все устройства станка, которые постоянно или периодически находятся в режиме готовности. Мощность, необходимая для таких нагрузок, представляет собой базовую мощность станка. Мощность, потребляемая всеми устройствами системы смазки и охлаждения, определена как мощность системы подачи СОЖ. Дополнительная мощность помимо базовой, потребляемая приводом режущего инструмента в ходе обработки, называется мощностью процесса резания. Умножение данных видов мощности на число рабочих циклов дает величину суммарной энергии по каждому из них – базовой, энергии подачи СОЖ и энергии процесса резания.

Наконец, для оптимизации в целом важно учитывать энергию производства режущего инструмента. Поскольку  срок его службы может оказаться крайне малым, оптимальная для пользователя величина энергии может быть увеличена за счет его изготовления.

«Легкорежущие» инструменты – экономичное резание

Снижение мощности резания

Снижение мощности резания путем оптимизации режущих кромок

Доля каждого из этих четырех видов энергии в общем объеме потребления, безусловно, определяется типом станка и процесса. При этом в большинстве случаев мощность процесса резания составляет менее 20% от суммарной энергии. Мощность системы СОЖ может составлять существенно бо́льшую долю при условии подачи смазочно-охлаждающей жидкости под высоким давлением.

Наиболее очевидный способ экономии энергии резания – использование специализированных «легкорежущих» инструментов. Они обеспечивают сравнительно низкое усилие благодаря соответствующей микро- и макрогеометрии (малый радиус режущей кромки, большой передний угол) и антифрикционному покрытию. Это позволяет значительно сократить энергозатраты на образование стружки, а следовательно, и усилие реза. Стендовые испытания на сверление нержавеющей стали с использованием девяти цельных твердосплавных сверл показали разницу в усилии резания и энергии для образования стружки вплоть до 24% при аналогичной производительности. Однако в расчете из данной экономии энергии резания в размере 24% суммарная энергия, затрачиваемая на процесс обработки, снизилась всего на 3 — 4 %. Данные показатели были получены при работе на обычных обрабатывающих центрах, используемых для серийного производства (2-шпиндельный станок Alfing) и изготовления пресс-форм (HermleC30).

Общая экономия энергии определяется в процессе резания

Как правило, снижение усилия резания на постоянной скорости оказывает лишь незначительное влияние на расход энергии. Лишь непосредственно в ходе обработки, когда в общем объеме расходуемой энергии преобладает энергия резания (например, при тяжелых черновых операциях), снижение усилия ведет к существенному повышению энергоэффективности.

Снижение энергозатрат требует компромисса

Возможная экономия при резании

Общая возможная экономия при сокращении потребляемой на резание мощности

Принимая во внимание вышесказанное, не следует пренебрегать стабильностью режущей кромки и безопасностью процесса в конкретных условиях работы. Малое усилие резания при низких скоростях подачи или небольшой глубине реза не дает результатов в плане энергоэффективности, поскольку при этом увеличивается время обработки с соответствующим повышением энергозатрат.

Как правило, базовая мощность, а следовательно и энергия, необходимая для эксплуатационной готовности оборудования, составляют относительно большую долю в общем объеме мощности и энергии. Таким образом, суммарная энергия по большей части определяется вспомогательным временем работы станка. Из этого можно сделать вывод, что для обеспечения энергоэффективности процесса и основное, и вспомогательное время должны быть как можно меньше.

Комбинированный инструмент для сокращения основного и вспомогательного времени работы

Комбинированный инструмент для сокращения основного и вспомогательного времени работы

Повышение производительности всегда было задачей оптимизации процесса резания. В этой области существует ряд эффективных мер по снижению расхода энергии.

Оптимизация инструмента позволяет достичь сокращения основного времени работы на 70% и снижения энергопотребления в процессе работы на 60%. Самым важным изменением в геометрии является новое расположение направляющих фасок для предотвращения защемления сверла в отверстии. Также модифицируется режущий материал и покрытие.

Вибрация инструмента – еще один фактор снижения производительности

Инструмент со сниженной склонностью к вибрации. Слева: с уменьшенной радиальной нагрузкой

Инструмент со сниженной склонностью к вибрации. Слева: с уменьшенной радиальной нагрузкой. Справа: с разными углами наклона винтовой линии лезвий

Производительность, а следовательно и энергоэффективность, также может быть повышена за счет увеличения скорости подачи на оборот. Имея подходящую геометрию заготовки, чистовую обработку можно производить развертками с канавками минимального размера. В результате может быть существенно увеличено число лезвий и, соответственно, доступная скорость подачи.

Зачастую производительность процесса резания ограничивается вибрацией инструмента. При отсутствии вибрации инструмент, а также привод главного шпинделя способны обеспечить большую скорость подачи и/или глубину резания. Однако во избежание самопроизвольных колебаний данные параметры необходимо ограничить, что, в свою очередь, позволит значительно увеличить продуктивность работы.

На следующей странице представлено два примера, демонстрирующих оптимизированные таким образом инструменты. Справа показан инструмент с различными углами наклона лезвий, что обеспечивает меньшее возбуждение отдельных колебаний, и, как следствие, снижение вибрации и повышение производительности резания.

Слева изображена геометрия специальных фрез для высоких скоростей подачи в сравнении с традиционными круглыми фрезами. Такие инструменты обычно используются для изготовления оснастки и пресс-форм. При поперечной подаче таких высокоскоростных фрез величины осевой подачи крайне малы, а скорости – велики, поскольку они обладают незначительным углом врезания. Это обуславливает наличие относительно малой радиальной и высокой осевой нагрузки на инструмент. Инструмент обладает значительной жесткостью в осевом направлении, что устраняет негативные последствия осевой нагрузки. В радиальном направлении инструмент довольно податлив. Уменьшенная доля нагрузки в радиальном направлении в сочетании с малым установочным углом обеспечивает крайне высокую скорость подачи и существенно увеличенную интенсивность съема металла по сравнению с круглыми и цилиндрическими фрезами.

Хорошие возможности по сокращению как основного, так и вспомогательного времени обеспечивают комбинированные инструменты. Как правило, в крупносерийном производстве на обрабатывающих центрах они позволяют осуществлять несколько процессов с помощью одного инструмента. С одной стороны это означает сокращение времени смены инструмента и потребляемой при этом энергии. С другой стороны, одновременная обработка в нескольких точках также существенно сокращает и основное время. Одно такое устройство может объединять в себе девять различных рабочих этапов. В некоторых случаях данные комбинированные инструменты также позволяют выполнять различные технологические процессы.

Экономия до 25% на действующем оборудовании

Сокращение основного времени работы и энергии

Сокращение основного времени работы и энергии путем повышения производительности

На сегодняшний день проблема энергоэффективности представляет интерес для ряда компаний, стремящихся сократить энергопотребление и общие расходы. В будущем, с непрекращающимся ростом цен на энергию, данный вопрос станет актуальным для множества производственных предприятий.

В сфере металлообработки существует большое количество отправных точек для повышения энергоэффективности. В таких широко распространенных системах, как насосы, электродвигатели, пневматические системы и системы освещения, оптимизация требует относительно небольших технических усовершенствований.

В частности, при необходимости модернизации сам станок может иметь огромный ресурс для экономии. В особенности это касается системы подачи смазочно-охлаждающей жидкости, системы охлаждения и гидросистемы. Анализ эксплуатационных затрат данных систем может помочь окупить изначально дорогостоящую технологию, которая впоследствии позволит сэкономить значительный объем энергии. Кроме того, на энергоэффективность производства положительно влияют организационные меры по сокращению непроизводительного времени станка.

Принимая во внимание продолжительный срок службы станков, достижение более высокой энергоэффективности действующего оборудования крайне важно. Зачастую хорошие результаты дает сокращение основного и вспомогательного времени работы, позволяя помимо экономии энергозатрат также экономить и эксплуатационные затраты.

Если рассматривать энергопотребление станка, включая системы подачи СОЖ и сжатого воздуха, при сравнительно невысоких вложениях в оптимизацию инструментов можно без труда достичь экономии энергии свыше 25%.

*Эккехард Кальхёфер (Eckehard Kalhöfer) – заведующий кафедрой металлообработки в Ааленском университете (Германия, г. Аален). Йохен Кресс (JochenKress) – член совета директоров компании Mapal Dr. Kress KG, расположенной в г. Аален.

Источник материала: перевод статьи
Ways to increase the energy efficiency of cutting processes,
Etmm-online.com

Автор статьи-оригинала:
Рюдигер Крох (Rüdiger Kroh)

Статья-оригинал была изначально опубликована
на немецком языке в партнерском журнале «
MM Maschinenmarkt».



Понравилась статья? Поделитесь: