能源成本不断走高，通过分析切削设备刀具能源消耗与切削工序，可确定能效提升的具体方法；同时，优化刀具和切削工序已成为其中一项主要着眼点。

现代制造业与工业已离不开能源消耗。随着全球人口不断膨胀，生活水平提升与经济日益增长正将能源消耗推向更高峰。然而，煤炭、石油和生物燃料等能源正处于使用受限地步。在能源需求不断上扬的同时，众多局限也逐渐产生，这导致了能源成本的长期走高。在这样的大背景下，生产过程能源效率便成为今后实现现代制造业的技术推动力。然而，切削生产能源效率如何才能得到具体提升？如何找到关键方法才能有助于提升切削能效？

倘若考虑润滑系统在内的机床能耗，则有多种方法提升能效，包括：

针对能耗，优化机床及其零部件。

非生产期间切断电源，最大程度降低机器运行时间。

优化切削工序及其所用刀具（图1）。

选用变速泵降低CLS装置能耗

通常，生产设备自身能耗相当于大规模主要切削生产总能耗的80%[1，2]。冷却润滑系统能耗占50%以上，而绝大多数能耗来自于机床、驱动系和液压。选用符合要求的冷却润滑剂（即使用变速泵），可先降低冷却润滑装置的能源消耗。结果，冷却润滑装置能耗可在某种情况下减少60%[3]。本例中，仅仅通过优化冷却润滑系统，整台机器能源需求便可下降30%。

通常，切削刀具主工作时间仅为总时间的1/3或更少，设备剩余运行时间为等候时间和调整与刀具更换时间[4]。由此，便可得出两条能耗相关结论：非生产期间，应使用自动备用管理装置，切断高能耗次要零部件电源。某些情况下，该类措施可节约20%以上的机床总能耗[3]。

多数情况下，只有购买全新优化节能机床，才能实现本文所述的节能潜在性。一般来说，仅在重置购买到期时，该类设备投资价值方呈现眼前。然而，鉴于德国已拥有大量使用寿命较长的机床，因此，有必要采用现有设备，对刀具与工序进行优化，进而挖掘、发挥节能潜力。

至于刀具和工序优化方面，有意识地制定出不同于图2的机床能耗结构图。然后，设备所有装置按长期或随时准备就绪，进行分门归类。以上负载所需能耗归为设备基础能源。冷却润滑系统相关全部装置所需能源归为CLS能源。加工期间，车床所需的基础能源之外的其他能源称为加工能源。上述每项能源乘以运行时间，便可得出每项能源的能耗总值（加工能源、CLS能源加工设备所需能源）。

最后，整体优化还应有意识地结合切削刀具制造所需能源，否则，用户所需最佳能源将会与极短的刀具使用寿命相冲突，从而，制造刀具将会消耗大量能源。

选用易切削刀具减少加工能源需求

诚然，能源总需求中的上述四类能源比重极大地取决于机床与加工过程。不过，加工能源在多数情况下，低于20%能源总量。如选用内部高压冷却系统，CLS能源将占绝大比例。

因此，降低加工能源的一大明显方法是选用极易切削刀具，从而在微观及宏观几何参数较合适（小切削刃半径、大切削角），以及涂料摩擦度低的前提下，能确保切削力度相对较低。采用上述方法，成形切削所需能源以及切削力度均会有大幅下降。选用9个实心硬质合金钻头对不锈钢进行基准钻孔测试后，发现成形切削的切削力度与所需能源在相同生产能力下，两者不同点竟高达24%（图3）。然而，计算加工能源24%潜在节能后，得出加工过程能源总量仅下降3%～4%（图4）。以上数字参照汽车业大规模生产所需的常用加工中心测量结果（Alfing 2主轴），以及批量生产、刀具制造与成型工序所需的更进一步加工中心测量结果。

设备繁忙运行对总能源的影响

多数情形下，恒定生产率的切削力度减小对能源消耗仅有轻微影响。只有在加工能源占总能耗较大比例的切削工序中（如粗切削工序），恒定生产率下降低切削力度才会大幅提升能效。不过，刀口稳定性与工序安全性需要引起充分注意。就能耗而言，切削速度因进给速度较低或进给深度下降而有所降低，但仍未达到预期目标。相反，切削力度会因加工时间较长提高能源要求。

通常，加工设备运行所需的基础能源与必要能源占总电功率和总能源的较大比重。故此，设备运行繁忙时，会对总能源造成较大影响。所以，主要与次要时间内节能处理应尽量保持较低。

提高生产率往往是切削优化目标。此领域有一系列降低能耗的有效措施，图5中的钻孔便是其中一例。

刀具优化后，主要时间节省了70%，主要时间内的能源需求降低了60%。刀具几何参数的最重要变化则是，导向槽配备全新装置，防止钻机塞在现有钻孔内。此外，切削材料与涂料也有所变化。

刀具颤振限制生产率

进一步提升生产率和能效可加快进给转速。在使用多刀钻孔器进行精细加工期间，凭借工件合理几何参数，可选用几乎无细长空间的刀具。结果，刀片数和可以达到的进给速度均有大幅增加。

很多情况下，切削工序生产率受刀具颤振限制。因此，刀具及主轴功率会容许较高生产率（进给速度更快，和/或进给深度更深）。然而，为避免颤振期间发生自己振动，进给速度与进给深度须有所限制。

在此情形下，若降低刀具颤振倾向，可较大提升生产率。

图6为两例刀具优化相关示例。右图中，不同扭转角刀片指代刀具。结果表明，单个频率较少激励形成，从而降低了颤振倾向，提升了切削量。

图6左图为专用大进给铣削刀具几何参数与传统铣刀对比图。这些刀具常用于刀具生产与成型过程。借助小规模轴向横进给与极快进给速度，大进给铣削横贯而过，刀具冲角极小。这说明，刀具径向力较小，轴向力较大。刀具轴向硬度强，使得强轴向力不成问题。刀具径向较软，调整角度较小，可大大加快进给速度，并且，同环面与圆柱形铣刀相比，材料去除速度可大幅提升。

使用组合刀具可较大程度有效降低主要与次要时间。加工中心大规模批量生产期间，常允许若干个工序选用同一刀具。这一方面说明，刀具更换时间及其相关能耗已有降低；另一方面，多点同时处理也大大降低主要时间。图7为该类刀具示意图，其中该刀具整合了9种不同加工步骤。某些情形下，此类组合式刀具也容许进行不同类型的加工过程。图7右图为先后用于钻孔与圆铣的刀具示意图。

选用现有设备最多可节能25%

当前，能效已引起众多企业的广泛兴趣，协助企业降低能源与总成本。未来，随着能源价格持续上扬，这一话题对越来越多的制造企业来说，重要性显而易见。加工生产过程中，存在众多能效提升出发点。至于泵机、电动机、空气压缩技术和照明等普通科技来说，几乎不费吹灰之力，便能有所提升。

尤其是，当设备全新投资到期时，设备便会出现巨大节能潜力。这点特别适用于冷却润滑系统、机械冷却和液压。考虑生命周期成本有助于证实运用昂贵技术节约大量能源。机构措施在减少非生产设备运行时间外，还可提升生产能效。

不过，考虑到机床使用寿命较长，故而，有望提高现有设备运行的能源效率。通常，减少生产过程期间的主要与次要时间极其有效，这在提升能效的同时，还可降低设备成本。如考虑机床能耗（含供应冷却润滑剂与压缩空气在内），节能效果可达25%以上，刀具优化资金无须过多投入。

Eckehard Kalhöfer：工程博士，阿伦应用技术大学切削生产领域首席教授，电话：（0 73 61）5 76-22 89，E-mail：eckehard.kalhoefer@htw-aalen.de。Jochen Kress：博士，Mapal Dr. Kress KG公司董事会成员，电话：（0 73 61) 5 85-0，E-mail：jochen.kress@de.mapal.com。

参考文献

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[2] Mussa，S.，Tilch，D.：Energieeffiziente Werkzeugmaschine-Systematik und praktische Umsetzung. Tagung：Energieeffiziente Werkzeugmaschine，Düsseldorf，24.02.2010.
[3] Rothenbücher，S.，Kuhrke，B.：Trendbericht：Energiekosten bei spanenden Werkzeugmaschinen. Werkstatt und Betrieb（2010）9，S. 130-137.
[4] Neugebauer，H.，Westk?mper，E.，Klocke，F.，Kuhn，A.，Schenk，M.，Michaelis，A.，Spath，D.，Weidner，E.：Untersuchung zur Energieeffizienz in der Produktion. Abschlussbericht，Fraunhofer- Gesellschaft zur F?rderung der angewandten Forschung e.V.，Chemnitz，2008.