автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Снижение энергетических затрат при наружном продольном точении заготовок на токарных станках

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСАМ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Приятия и терминология, используемые в работе.

1.2. Энергетические затраты на механическую обработку заготовок.

1.3. Потери энергии в приводах металлорежущего станка.

1.4. Построение операционных математических моделей процесса обработки.

1.5. Постановка цели и задач исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Сущность теоретических исследований.

2.2. Планирование экспериментальных исследований.

2.3. Структурная схема проведения исследований.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ПРИ ТОЧЕНИИ.;.

3.1. Математическое моделирование энергозатрат в технологической системе.о.

3.2. Влияние технологических факторов на энергоемкость токарной обработки и показатели энергетической эффективности технологической системы.

3.3. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСЦЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ.

4.1. Влияние элементов режима резания на энергозатраты.

4.2. Влияние износа резца на энергозатраты.

4.3. Математико-статистическая модель энергозатрат на обработку.

4.4. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ВЫБОР РЕЖИМОВ ТОЧЕНИЯ ИЗ УСЛОВИЯ МИНИМИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЗАДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ.

5.1. Построение операционной математической модели обработки.

5.1.1. Обоснование и выбор критерия оптимизации.

5.1.2. Формирование системы технических ограничений.

5.2. Числовые примеры расчета режимов обработки.

5.3. Экономический эффект от внедрения результатов исследований.

5.4. Выводы по главе 5.

Настоящая научная работа посвящена проблеме снижения энергоемкости токарной обработки заготовок из конструкционных сталей и чугунов на основе моделирования энергозатрат в технологической системе.

Актуальность проблемы. Механическая обработка в настоящее время занимает и будет занимать в обозримом будущем значительный удельный вес в обрабатывающей стадии. Несмотря на возникшие в последние годы трудности в машиностроительных отраслях промышленности, по всей стране обработкой резанием удаляются в год сотни тысяч тонн стружки. На это расходуется немалое количество электрической энергии, а в связи с постоянным повышением цен на топливо и энергоносители доля затрат на электроэнергию в общей себестоимости машиностроительной продукции неуклонно возрастает.

Согласно Федеральному закону Российской Федерации от 03.04.96 г. № 28-ФЗ «Об энергосбережении» отношения, возникающие в процессе деятельности, направленной на эффективное использование энергетических ресурсов при их производстве и потреблении, а также на создание и использование энергоэффективных технологий являются объектом государственного регулирования в области энергосбережения. Одними из основных принципов энергосберегающей политики государства являются приоритет эффективного использования энергетических ресурсов и осуществление государственного надзора в этом направлении.

В законе, в частности, указано, что весь объем потребляемых энергетических ресурсов с 2000 года подлежит обязательному учету и сертификации на соответствующие показатели энергоэффективности, а потребителям, осуществляющим мероприятия по энергосбережению, в том числе за счет производства продукции с лучшими, чем предусмотрено государственными стандартами показателями, предоставляются льготы.

Согласно ГОСТ 14.201-83 «ЕСТПП. Общие правила обеспечения технологичности конструкций изделий» и 14.205-83 «ЕСТПП. Технологичность конструкций изделий. Термины и определения» энергоемкость изделия наряду с трудоемкостью и материалоемкостью является одним из основных показателей технологичности его конструкции. Разновидностью этого показателя является энергоемкость изделия в изготовлении [83]. Поскольку на долю механической обработки заготовок при производстве деталей машин приходится значительное количество электрической энергии, снижение энергозатрат на обработку уменьшает общую энергоемкость изделий и, таким образом, повышает уровень технологичности их конструкций.

Однако, несмотря на остроту проблемы, до настоящего времени не существует комплексного подхода к экономии энергии при механической обработке. Так, при анализе энергетических критериев обработки учитываются, как правило, только процессы в зоне резания, и, наоборот, потери энергии в устройствах приводов металлорежущего станка рассматриваются без учета влияния на их величину режимов обработки.

Снижение потребления электроэнергии при обработке путем уменьшения энергозатрат на процесс резания и потерь энергии в приводах металлорежущих станков позволит снизить себестоимость и повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Целью работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по экономии электрической энергии при токарной обработке и, в частности, методологического подхода к выбору режимов продольного наружного точения, позволяющих минимизировать энергетические затраты с учетом обеспечения параметров шероховатости обработанных поверхностей.

Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить энергетические затраты в элементах системы преобразования потока энергии, подводимой в процессе обработки к приводам главного движения резания и движения подачи токарного станка из электрической сети, в работу формирования новой поверхности детали;

2. Выявить влияние условий обработки на энергетические показатели процесса резания и потери энергии в устройствах приводов станка;

3. Разработать математическую модель энергозатрат, учитывающую основные технологические факторы процесса точения и технические характеристики приводов станка;

4. Разработать инженерную методику выбора энергетически экономичных режимов обработки, обеспечивающих заданную производительность и параметры шероховатости поверхности.

Объектом исследований является черновое, получистовое и чистовое наружное продольное точение заготовок валов, изготовленных из конструкционных сталей и чугунов.

Научная новизна работы заключается в теоретическом решении задачи определения энергетически экономичных режимов обработки на основе математической модели энергозатрат, учитывающей потери энергии в зоне резания и приводах станка, а также в разработке методологического подхода к выбору режимов точения на основе следующих выявленных закономерностей:

- при повышении производительности процесса резания, вызванном увеличением глубины резания и подачи, удельные объемные затраты электроэнергии на обработку снижаются;

- при постоянной линейной производительности с точки зрения экономии энергии более выгодно увеличивать подачу по сравнению с частотой вращения шпинделя;

- при точении заготовок разного диаметра с одинаковой скоростью резания затраты энергии на обработку будут различными;

- частоты вращения шпинделя, соответствующие максимуму КПД станка и минимуму удельных энергозатрат, в общем случае не совпадают.

Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию процесса энергопотребления при обработке, заключающийся в структурном разбиении технологической системы на подсистемы, их моделировании и установлении взаимосвязей между ними. Теоретические исследования проводились на базе современных знаний о процессе резания металлов, теории электрических двигателей, теории механизмов и машин и методов оптимизации технологических процессов механической обработки. Экспериментальиые исследования проводились на универсальных токарно-винторезных станках с использованием статистических методов планирования и современной контрольно-измерительной аппаратуры. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВМ.

Практическую ценность работы составляет инженерная методика назначения энергетически экономичных режимов резания, обеспечивающих заданные параметры шероховатости обработанных поверхностей (Приложение 1).

По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ [3,18 - 25, 45 - 47].

Работа выполнена в рамках гранта Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области машиностроения «Теоретические основы оптимизации режимов механической обработки из условия обеспечения заданных показателей качества, производительности и энергозатрат» (шифр 97-24-3,2-20).

При проведении научной работы были получены следующие результаты:

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны научно обоснованные рекомендации по экономии электрической энергии при токарной обработке и предложен методологический подход к выбору режимов наружного продольного точения, позволяющих минимизировать энергетические затраты с учетом обеспечения параметров шероховатости обработанных поверхностей.

2. Разработана и экспериментально проверена математическая модель энергозатрат в технологической системе, учитывающая влияние элементов режима резания, геометрии резца, свойств обрабатываемого и инструментального материалов, размеров заготовки и технических характеристик приводов станка.

3. Как показывает анализ результатов исследований, при повышении производительности процесса резания, вызванном увеличением глубины резания и подачи, КПД станка возрастает, а удельные объемные затраты электроэнергии на обработку снижаются.

4. Зависимости КПД станка и удельных энергозатрат от частоты вращения шпинделя носят экстремальный характер. При этом положение максимума КПД определяется техническими характеристиками приводов станка и степенью влияния скорости резания на силу резания Р2. На положение минимума удельных энергозатрат влияют также глубина резания, подача, скорость резания, геометрия резца и свойства обрабатываемого материала. Частоты вращения, соответствующие максимуму КПД станка и минимуму удельных энергозатрат, как правило, не совпадают.

5. При постоянной линейной производительности обработки (скорости подачи) увеличение подачи при соответственном уменьшении частоты вращения шпинделя приводит к снижению энергозатрат, и это снижение описывается степенной зависимостью с показателем степени, составляющим в среднем около -0,4. Таким образом, с точки зрения экономии энергии более выгодно повышать подачу по сравнению с частотой вращения.

6. При точении заготовок разного диаметра с одинаковой скоростью резания энергозатраты на обработку будут различными в силу наличия потерь холостого хода, зависящих для рассматриваемого станка от частоты вращения шпинделя. Это приводит к тому, что при анализе энергозатрат следует различать изменение скорости резания, вызванное изменением частоты вращения, от изменения при точении заготовок другого диаметра.

7. Установлено, что на изменчивость (вариацию) удельных затрат электроэнергии в принятых для эксперимента пределах в наибольшей степени влияет подача (37,9%), затем - глубина резания (23,4%), диаметр обрабатываемой поверхности (14,2%) и частота вращения шпинделя (5,3%). Влияние на энергозатраты геометрических параметров резца (в диапазоне рациональных значений) и величины его износа (в допускаемых пределах) незначительно.

8. Разработана инженерная методика выбора режимов точения из условия минимизации энергетических затрат при обеспечении заданных параметров шероховатости Яг и На. При этом в качестве критерия оптимизации используется минимум удельных затрат электроэнергии на выполнение технологического перехода, а основными техническими ограничениями являются ограничения 9 по оптимальной температуре резания и допускаемой шероховатости.

9. Использование на практике результатов исследований позволяет получить значительный экономический эффект, что подтверждается актами внедрения. Так ожидаемый годовой эффект от внедрения предлагаемой методики назначения режимов обработки на ОАО «БАЗ» на токарных операциях составляет 13 500 руб., на ОАО «БМЗ-ЗТД» - 5 320 руб. Экономия электроэнергии составляет в среднем 15. 20%.

Таким образом, на основе теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в работе, во многом решены технологические задачи по выбору режимов наружного продольного точения заготовок из условия минимизации энергетических затрат. В итоге получили дальнейшее развитие научные основы оптимизации технологических процессов механической обработки и, в частности, предложено использовать критерий минимальных удельных затрат электроэнергии для определения режимов резания.

Предложенный подход может быть перенесен и на другие методы и виды обработки: поперечное точение, растачивание, обработку отверстий лезвийным инструментом, фрезерование, шлифование и т.д.