【導讀】畢業(yè)設計（論文）外文翻譯。專業(yè)機械工程及自動化

　　

【正文】 Foundation (MTTRF2020) 2020 Annual Meeting, pp. 4750, Shanghai, China. [6] Inamasu, Y.。 Fujishima, M.。 Hideta, M.。 Noguchi, K. (2020): The Effects of Cutting Condition on Power Consumption of Machine Tools, in: Proceedings of the 4th CIRP International Conference on High Performance Cutting (HPC2020), Vol. 1, pp. 267270, Gifu, Japan. [7] Gutowski, .。 Liow, .。 Sekulic, . (2020): Minimum Exergy Requirements for the Manufacturing of Carbon Nanotubes, IEEE International Symposium on Sustainable Systems and Technology (ISSST2020), Washington, . [8] Behrendt, T. (2020): Development of a SimulationBased Application to Derive and Estimate Potentials of Efficiency Measures for Diverse Machine Tool Processes, Diploma Thesis, Braunschweig University of Technology. [9] Ashby, . (2020): Materials and the Environment: Ecoinformed Material Choice, ButterworthHeinemann, Burlington, MA, USA. 12 加州大學伯克利分校 制造與可持續(xù)性發(fā)展實驗室 題名： 銑削機床使用 中的 能源消耗特性及 減排 策略 作者： 迪亞茲 南西 ， 加州大學伯克利分校 多費爾德 大衛(wèi) ， 伯克利大學 出版日期： 2020年 04月 05日 系列： 綠色制造與可持續(xù)生產(chǎn)的關系 出版信息 ： 綠色制造與可持續(xù)生產(chǎn)的關系 ， 加州大學伯克利分校 制造與可持續(xù)性發(fā)展實驗室 永久鏈接 ： 關鍵詞 ： 綠色機床 ， 降低能耗 ， 能量的特征 摘要 ： 機床因其生產(chǎn)生活功能被而被廣泛的運用，因此，在運用的過程中消耗了大量的寶貴的自然資源，帶來了很多有害的污染， 本研究回顧了銑削機 床 在使用過程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一臺微細加工中心在不同的材料去除率下切削低碳鋼所消耗的功率是通過機床的比能來確定的。因此，為了研究切削鋼件的能耗情況，本次研究通過研究了機床 切割鋁和聚碳酸酯的工件 所需要消耗的 功率進 來進行了比較。 eScholarship為加州大學和全球學者提供了一個可開放存取的空間和學術出版服務。 13 銑削 機床使用中的能源消耗特性及減排策略 南希 迪亞茲 ， 艾琳娜 利戴爾賽門，多費爾德 大衛(wèi) 美國 加州大學伯克利分校 制造與可持續(xù)性發(fā)展實驗室 摘要 ： 機床因其生產(chǎn)生活功能被而被廣泛的運用，因此，在運用的過程中消耗了大量的寶貴的自然資源，帶來了很多有害的污染， 本研究回顧了銑削機床 在使用過程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一臺微細加工中心在不同的材料去除率下切削低碳鋼所消耗的功率是通過機床的比能來確定的。因此，為了研究切削鋼件的能耗情況，本次研究通過研究了機床 切割鋁和聚碳酸酯的工件 所需要消耗的 功率進 來進行了比較。 關鍵詞 ： 綠色機床 ， 降低能耗 ， 能量的特征 1 簡介 一個產(chǎn)品的生產(chǎn) 周期要經(jīng)過三個階段 ：制造，使用和使用終止。消費品在其使用期中被其使用階段所支配，這些消費品包括燈泡、計算機、冰箱和汽車等這些被廣泛使用的日常用品。所有這些產(chǎn)品所消耗的資源，特別是能源是以電能或燃料為主要形式。 機床就是這樣的一個產(chǎn)品 。處于使用階段的銑床被發(fā)現(xiàn)其二氧化碳的排放量占了其生命周期的 60%到90%[1]。本研究提供了一個預測產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的電能消耗的方法，其目的是為了 消除 產(chǎn)品的生產(chǎn) 對環(huán)境的影響 。 在進行生命周期評估 時， 產(chǎn)品 設計師可以選擇在選擇的過程 、經(jīng)濟投入產(chǎn)出 (EIO)過程或混合進行。生命周期評估的缺點是這一方法需要獲取過程細節(jié)的數(shù)據(jù)，這是一個耗時而且資源密集型的方法。另一種是直接測量機床電能消耗，例如投入 —— 產(chǎn)出生命周期評估所做的數(shù)據(jù)整合那樣 [2]。因此一個投入 —— 產(chǎn)出生命周期評估是不具體設計特定的產(chǎn)品的。此處介紹的這個策略是為一個特定的產(chǎn)品提供一個更快的生產(chǎn)能耗評估的方法。 負荷切削剖面 正如迪亞茲在參考文獻 [3]里所描述的那樣，一臺機床的能耗由切削能耗、變量能耗、恒定能耗元件的能耗組成。切削能耗是用于去除材料 的額外能耗。這次用于分析的機床型號是 日本森精 NV1500 DCG，相對于大型加工中心來說這是一臺微型加工中心，機功率相對較低。因此切削能耗占了總能耗的大部分。 研究發(fā)現(xiàn)，高皮重機床的能耗主要依賴于處理時間方面，受制于 部分幾何、工具的路徑 、和 材料去除率 。參考文獻 [4]給出了 這樣一個優(yōu)化刀具路徑的最低周期時間 的方法。 本文涉及到材料去除率對能源消 耗 的影響 。三軸聯(lián)動加工中心的材料去除率可以由進給速率、切削寬度和切削深度控制。由于發(fā)現(xiàn)提高進階速率對刀具的壽命有可怕的后果，所以本實驗通過改變竊謔寬度和切削深度來改變材 料去除率，來分析材料去除率對切削功率的影響，更重要的是對能耗的影響。雖然提高材料去除率減少了加工時間，但同時增加了主軸電機和主軸驅動上的負載，提高了能耗。 因為我們的主要興趣是能耗產(chǎn)品制造 ，對電力需求和加工時間之間的平衡的分析證實了因提高材料去除率而增加的負載并不會增加總能耗。 2 不同的材料去除率的能耗 由于機床程序員和操作者在制定一個工件的生產(chǎn)工藝是有很多的選擇，所以本文分析努 14 力選取降低能耗的機床加工工藝參數(shù)。 有關參數(shù)對材料去除率 (.)在 日本森精機 NV1500不同而選擇合適的常規(guī)工具。 能量消耗 是通過 Wattnode 總線瓦特計測量的。 在之前的實驗中，是通過不同的主軸轉速、進給速率、 每齒進給量 和 刀具類型 來分析切削低碳鋼 AISI 1018鋼 時能耗的變化 [5]。同時， [6]進行了比較平銑、立銑、鉆孔銑等銑削加工在提高切削速度后的能耗、加工成本和刀具磨損的實驗。當工藝參數(shù)的選擇原理推薦條件時，刀具磨損和刀具成本顯著增加。 所以在接下來的實驗 雖然 刀具類型改為保持推薦工藝參數(shù) ,但加工能耗降低了 。 寬度切削實驗 考慮到因改變道具類型而造成能源節(jié)省，這個實驗項目主要集中于不同的材料切除率。第一個切口是增加 了 的寬度 ，用以下刀具進行加工： 1. 兩齒無涂層的硬質(zhì)合金立銑刀。 2. 兩齒的錫涂層的硬質(zhì)合金立銑刀。 3. 4齒的錫涂層的硬質(zhì)合金立銑刀。 切口是在長度為 101毫米的 1018鋼件上用直徑為 8毫米的立銑刀以 2毫米的切削深度沿著 Y 軸方向進行切削。切削深度以 1毫米作為增量在 1到 7毫米之間變化，此外，還有一個 的切口。 表 1總結了切割條件使用。 為了避免過多的刀具磨損和破損，每齒的切削深度保持在 。 刀具 主軸轉速 進給速度 排屑量 材料去除率 轉 /每分鐘 毫米 /每分鐘 毫米 /每齒 立方毫米 /每秒 1 5426 330 1183 2 7060 430 . 14108 3 7060 860 29215 表 1：切削寬度工藝參數(shù)實驗 在進行每個切削寬度的切削能耗的測量之前，所測量的能耗是在機床空切狀態(tài)下，也就是機床在不切削材料時進行測量的。用這一方法測量出來的能耗與切削過程中的能耗聯(lián)系起來，就可以知道在接下來所說的切削能耗了。經(jīng)測量刀具 2所用的切削參數(shù)的平均空切切削功率為 1510W，所以這是要從總的切削功率中減去的。圖 1顯示了刀具 2在不同的材料去除率下的切削功率。 圖形在材料去除率近于為 75立方毫米每秒的時候呈一個微微的拋物線形式變化。 切削寬度為 時的功率幾乎是寬度為 1mm 時的功率的 9倍。由于機床的空切功率為1510W，增加了材料去除率后的能量消耗也只是增加了 28%而已。因此，從能耗成本來考慮經(jīng)營者還是選擇提高材料去除率來降低能源消耗。 15 圖 1：用（ 2）號刀具切削 1080鋼的能耗 圖 2為精森 NV1500 DCG 立式加工中心用 1~3三 把刀具切削所消耗的功率。以用 1到 3號刀具作為前提下研究發(fā)現(xiàn)機床切削功率與材料去除率成拋物線的線性關系。其中 3號刀具的切削功率最大，但是主軸電機和主軸驅動器上的負載卻比用 2號刀具在其余條件同等，將進給速率調(diào)大兩倍或更大的倍率還要大。 圖 2：不同材料去除率所需的總功率 16 切削深度試驗 切削深度實驗同樣是在長度為 101mm 的 1018號鋼的鋼件上進行。用直徑為 8mm，兩齒的無涂層硬質(zhì)合金立銑刀和錫涂層兩齒硬質(zhì)合金立銑刀在同樣的開槽切削條件（切削寬度為）。測量在切削深度為 4和 8mm 時機 床的切削功率。為了保證切削力相同，將幾把刀具的每齒進給量設置為 。主軸轉速、緊急備率各不相同，盡管這樣會造成機床在進行切削深度實驗時負載的不同（ 見表 2為總結工藝條件 ） 道具類型 主軸轉速 進給速率 排屑量 材料去除率 轉 /每分鐘 毫米 /每分鐘 毫米 /每齒 立方毫米 /每秒 （ 1） 25003200 254325 40250 （ 2） 32504160 330425 50330 表 2：切削深度實驗工藝參數(shù) 圖 3為精森 NV1500 DCG 立式加工中心用 兩齒的錫涂層硬質(zhì)合金立銑刀（刀具 2）在不同的材料去除率是的所需功率。 隨著材料去除率 的提高， 雖然電力需求增加 ，但是 負荷能耗仍然大幅下降。機床電力需求增長 了 大約三分之二 ， 而能源消耗減少到低于它原來的三分之一。這說明 ， 由于負荷 的增加， 有效 的減少了加工 時間 ，從而控制了電量的消耗 。 由于能耗也隨著負荷的增加而增加，但是 負荷 的 增加還不足以整體 的 提高能源消耗 ，所以接下來將對能耗與加工時間之間的平衡關系進行分析。 圖 3：用 2號刀具在不同材料去除率是的能耗和電耗 17 能耗與加工時間之間的平衡關系 機床的能耗取決 于電能消耗 P avg和加工時間 Δ t，如公式（ 1）所示。 由由于機床內(nèi)部的冷卻單元 的影響電能消耗呈現(xiàn)了一些變化，平均電能消耗 P avg 將在此處用到。 像之前提到的一樣 ，平均電能消耗量由切削電能消耗 P cut 和空切 P air兩個部分組成。因此，能量損耗可以用下式表達： tte ppp a irc uta v g ????? *)(* (1) 兩個方案將做比較。 方案（ 1）是最基本的一種方案，方案（ 2）是為了減少加工時間而增加了材料去除率。常 量 α和β是用來表示 切削電能消耗 P cut 和加工時間 ?t 的增量，各自計算如方程式（ 2）和（ 3）。 請注意 ,這兩個常數(shù)小于平均數(shù)。 pcutcut21p?? (2) t??? 12t? (3) 公式 (4)為假設兩個方案空切電能消耗不變的前提下，平均電能消耗 P avg1與平均電能消耗 P avg2之間的關系。 )1(** 21p ?? ??? pp a irav gav g (4) 如果空切電能消耗量的相對比率用下式表示： ppavgairiii ?? (5) 系數(shù) i 為 1或 2分別代表方案 1和方案 2，不等式（ 6）為方案 2比方案 1節(jié)能必須滿足的條件。 ???? ??? 12 (6) 所以，如果 β比α小，則 e2永遠比 e1小。另外，隨著 η 2 增加（也就是，空切功率占總