【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯。專(zhuān)業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)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(xué)伯克利分校 制造與可持續(xù)性發(fā)展實(shí)驗(yàn)室 題名： 銑削機(jī)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(xué)伯克利分校 多費(fèi)爾德 大衛(wèi) ， 伯克利大學(xué) 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(guān)系 出版信息 ： 綠色制造與可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)系 ， 加州大學(xué)伯克利分校 制造與可持續(xù)性發(fā)展實(shí)驗(yàn)室 永久鏈接 ： 關(guān)鍵詞 ： 綠色機(jī)床 ， 降低能耗 ， 能量的特征 摘要 ： 機(jī)床因其生產(chǎn)生活功能被而被廣泛的運(yùn)用，因此，在運(yùn)用的過(guò)程中消耗了大量的寶貴的自然資源，帶來(lái)了很多有害的污染， 本研究回顧了銑削機(jī) 床 在使用過(guò)程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一臺(tái)微細(xì)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(guò)機(jī)床的比能來(lái)確定的。因此，為了研究切削鋼件的能耗情況，本次研究通過(guò)研究了機(jī)床 切割鋁和聚碳酸酯的工件 所需要消耗的 功率進(jìn) 來(lái)進(jìn)行了比較。 eScholarship為加州大學(xué)和全球?qū)W者提供了一個(gè)可開(kāi)放存取的空間和學(xué)術(shù)出版服務(wù)。 13 銑削 機(jī)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(mén)，多費(fèi)爾德 大衛(wèi) 美國(guó) 加州大學(xué)伯克利分校 制造與可持續(xù)性發(fā)展實(shí)驗(yàn)室 摘要 ： 機(jī)床因其生產(chǎn)生活功能被而被廣泛的運(yùn)用，因此，在運(yùn)用的過(guò)程中消耗了大量的寶貴的自然資源，帶來(lái)了很多有害的污染， 本研究回顧了銑削機(jī)床 在使用過(guò)程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一臺(tái)微細(xì)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(guò)機(jī)床的比能來(lái)確定的。因此，為了研究切削鋼件的能耗情況，本次研究通過(guò)研究了機(jī)床 切割鋁和聚碳酸酯的工件 所需要消耗的 功率進(jìn) 來(lái)進(jìn)行了比較。 關(guān)鍵詞 ： 綠色機(jī)床 ， 降低能耗 ， 能量的特征 1 簡(jiǎn)介 一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn) 周期要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段 ：制造，使用和使用終止。消費(fèi)品在其使用期中被其使用階段所支配，這些消費(fèi)品包括燈泡、計(jì)算機(jī)、冰箱和汽車(chē)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(jī)床就是這樣的一個(gè)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(gè)預(yù)測(cè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)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(duì)環(huán)境的影響 。 在進(jìn)行生命周期評(píng)估 時(shí)， 產(chǎn)品 設(shè)計(jì)師可以選擇在選擇的過(guò)程 、經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出 (EIO)過(guò)程或混合進(jìn)行。生命周期評(píng)估的缺點(diǎn)是這一方法需要獲取過(guò)程細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)，這是一個(gè)耗時(shí)而且資源密集型的方法。另一種是直接測(cè)量機(jī)床電能消耗，例如投入 —— 產(chǎn)出生命周期評(píng)估所做的數(shù)據(jù)整合那樣 [2]。因此一個(gè)投入 —— 產(chǎn)出生命周期評(píng)估是不具體設(shè)計(jì)特定的產(chǎn)品的。此處介紹的這個(gè)策略是為一個(gè)特定的產(chǎn)品提供一個(gè)更快的生產(chǎn)能耗評(píng)估的方法。 負(fù)荷切削剖面 正如迪亞茲在參考文獻(xiàn) [3]里所描述的那樣，一臺(tái)機(jī)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(jī)床型號(hào)是 日本森精 NV1500 DCG，相對(duì)于大型加工中心來(lái)說(shuō)這是一臺(tái)微型加工中心，機(jī)功率相對(duì)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(jī)床的能耗主要依賴于處理時(shí)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(xiàn) [4]給出了 這樣一個(gè)優(yōu)化刀具路徑的最低周期時(shí)間 的方法。 本文涉及到材料去除率對(duì)能源消 耗 的影響 。三軸聯(lián)動(dòng)加工中心的材料去除率可以由進(jìn)給速率、切削寬度和切削深度控制。由于發(fā)現(xiàn)提高進(jìn)階速率對(duì)刀具的壽命有可怕的后果，所以本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變竊謔寬度和切削深度來(lái)改變材 料去除率，來(lái)分析材料去除率對(duì)切削功率的影響，更重要的是對(duì)能耗的影響。雖然提高材料去除率減少了加工時(shí)間，但同時(shí)增加了主軸電機(jī)和主軸驅(qū)動(dòng)上的負(fù)載，提高了能耗。 因?yàn)槲覀兊闹饕d趣是能耗產(chǎn)品制造 ，對(duì)電力需求和加工時(shí)間之間的平衡的分析證實(shí)了因提高材料去除率而增加的負(fù)載并不會(huì)增加總能耗。 2 不同的材料去除率的能耗 由于機(jī)床程序員和操作者在制定一個(gè)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(jī)床加工工藝參數(shù)。 有關(guān)參數(shù)對(duì)材料去除率 (.)在 日本森精機(jī) NV1500不同而選擇合適的常規(guī)工具。 能量消耗 是通過(guò) Wattnode 總線瓦特計(jì)測(cè)量的。 在之前的實(shí)驗(yàn)中，是通過(guò)不同的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、 每齒進(jìn)給量 和 刀具類(lèi)型 來(lái)分析切削低碳鋼 AISI 1018鋼 時(shí)能耗的變化 [5]。同時(shí)， [6]進(jìn)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(shí)驗(yàn)。當(dāng)工藝參數(shù)的選擇原理推薦條件時(shí)，刀具磨損和刀具成本顯著增加。 所以在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn) 雖然 刀具類(lèi)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(shí)驗(yàn) 考慮到因改變道具類(lèi)型而造成能源節(jié)省，這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要集中于不同的材料切除率。第一個(gè)切口是增加 了 的寬度 ，用以下刀具進(jìn)行加工： 1. 兩齒無(wú)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(zhǎng)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(jìn)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(gè) 的切口。 表 1總結(jié)了切割條件使用。 為了避免過(guò)多的刀具磨損和破損，每齒的切削深度保持在 。 刀具 主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給速度 排屑量 材料去除率 轉(zhuǎn) /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(shí)驗(yàn) 在進(jìn)行每個(gè)切削寬度的切削能耗的測(cè)量之前，所測(cè)量的能耗是在機(jī)床空切狀態(tài)下，也就是機(jī)床在不切削材料時(shí)進(jìn)行測(cè)量的。用這一方法測(cè)量出來(lái)的能耗與切削過(guò)程中的能耗聯(lián)系起來(lái)，就可以知道在接下來(lái)所說(shuō)的切削能耗了。經(jīng)測(cè)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(shí)候呈一個(gè)微微的拋物線形式變化。 切削寬度為 時(shí)的功率幾乎是寬度為 1mm 時(shí)的功率的 9倍。由于機(jī)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(lái)考慮經(jīng)營(yíng)者還是選擇提高材料去除率來(lái)降低能源消耗。 15 圖 1：用（ 2）號(hào)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(hào)刀具作為前提下研究發(fā)現(xiàn)機(jī)床切削功率與材料去除率成拋物線的線性關(guān)系。其中 3號(hào)刀具的切削功率最大，但是主軸電機(jī)和主軸驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載卻比用 2號(hào)刀具在其余條件同等，將進(jìn)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(yàn) 切削深度實(shí)驗(yàn)同樣是在長(zhǎng)度為 101mm 的 1018號(hào)鋼的鋼件上進(jìn)行。用直徑為 8mm，兩齒的無(wú)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(kāi)槽切削條件（切削寬度為）。測(cè)量在切削深度為 4和 8mm 時(shí)機(jī) 床的切削功率。為了保證切削力相同，將幾把刀具的每齒進(jìn)給量設(shè)置為 。主軸轉(zhuǎn)速、緊急備率各不相同，盡管這樣會(huì)造成機(jī)床在進(jìn)行切削深度實(shí)驗(yàn)時(shí)負(fù)載的不同（ 見(jiàn)表 2為總結(jié)工藝條件 ） 道具類(lèi)型 主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給速率 排屑量 材料去除率 轉(zhuǎn) /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(shí)驗(yàn)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(fù)荷能耗仍然大幅下降。機(jī)床電力需求增長(zhǎng) 了 大約三分之二 ， 而能源消耗減少到低于它原來(lái)的三分之一。這說(shuō)明 ， 由于負(fù)荷 的增加， 有效 的減少了加工 時(shí)間 ，從而控制了電量的消耗 。 由于能耗也隨著負(fù)荷的增加而增加，但是 負(fù)荷 的 增加還不足以整體 的 提高能源消耗 ，所以接下來(lái)將對(duì)能耗與加工時(shí)間之間的平衡關(guān)系進(jìn)行分析。 圖 3：用 2號(hào)刀具在不同材料去除率是的能耗和電耗 17 能耗與加工時(shí)間之間的平衡關(guān)系 機(jī)床的能耗取決 于電能消耗 P avg和加工時(shí)間 Δ t，如公式（ 1）所示。 由由于機(jī)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(gè)部分組成。因此，能量損耗可以用下式表達(dá)： tte ppp a irc uta v g ????? *)(* (1) 兩個(gè)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(shí)間而增加了材料去除率。常 量 α和β是用來(lái)表示 切削電能消耗 P cut 和加工時(shí)間 ?t 的增量，各自計(jì)算如方程式（ 2）和（ 3）。 請(qǐng)注意 ,這兩個(gè)常數(shù)小于平均數(shù)。 pcutcut21p?? (2) t??? 12t? (3) 公式 (4)為假設(shè)兩個(gè)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(guān)系。 )1(** 21p ?? ??? pp a irav gav g (4) 如果空切電能消耗量的相對(duì)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(yuǎn)比 e1小。另外，隨著 η 2 增加（也就是，空切功率占總