【正文】 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：銑削機床使用的能源消耗特性及減縮策略作者：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：2011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?qū)W者提供了一個可開放存取的空間和學術出版服務。銑削機床使用的能源消耗特性及減縮策略南希迪亞茲，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(qū)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(zhuǎn)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。表1總結(jié)了切割條件使用。為了避免過多的刀具磨損和破損。刀具主軸轉(zhuǎn)速進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15426330118327060430.141083706086029215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。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。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(qū)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 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（）。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。主軸轉(zhuǎn)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(jié)工藝條件）道具類型主軸轉(zhuǎn)速進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）2500320025432540250（2）3250416033042550330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 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Δt，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： (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)。 (2) (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。 (4)如果空切電能消耗量的相對比率用下式表示： (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。 (6)所以，如果β比α小，則e2永遠比e1小。另外，隨著η2 增加（也就是，空切功率占總功率的很大一部分）e2比e 1 小的概率也隨之增加。這是有著高的待機功率的、大的工作卷的機床的個例?？蛇M行進一步研究，假定空氣切功率不保持不變來分析能耗與加工時間之間的平衡關系。3 比能量的特征 谷土斯基等人在文獻[7]中已經(jīng)總結(jié)了各種機械加工方法的比能。但對于任意給定的生產(chǎn)過程中對數(shù)據(jù)僅限于一個樣本的過程率。這項研究中，在描述必能的特性時將重點放在銑床和具有可操作性的范圍表征加工中心上。在描述機床的能量消耗時，隨著材料去除率接近無限大時比能預計將達到為零的穩(wěn)態(tài)。但是，在給定的工作體積、主軸轉(zhuǎn)速、工作臺進給這些被機床所約束，同時，機床的主體框架無法提供無限大的極限載荷，主軸電機將損壞，一切辦法永遠都不可能使得材料去除率接近無限。所以，在以上這些約束條件下得到的材料去除率可得到以下形式的一條曲線： (7)這條曲線與數(shù)據(jù)寬度切和切削深度的實驗結(jié)果吻合。值得注意的是k本質(zhì)上是一個能量單位，b代表的是一個穩(wěn)態(tài)的比能量。切削能耗和空切能耗所占總的比能量的比例與材料去除率成反比關系（見圖4）?？涨心芎脑诳偟谋饶芰恐姓贾鲗У匚弧Ｇ邢髂芎膶Ρ饶芰康挠绊懯亲钚〉?，因為在高負荷（也就是大的材料去除率）下，加工時間顯著減少。比能量大幅下降，直到材料去除率達到75mm?3/s之后。在材料去除率低于75mm?3/s時，一些微小的材料去除率增量都可以使得比能量大幅下降，因為加工時間顯著的減少了。 當材料去除率大于100mm?3/s后，提高帶來的影響非常小，因為比能量已接近了穩(wěn)態(tài)值。當材料去除率很大時這個增量才可以使得肉眼能識別，但是本研究使用的機床是一臺微型加工中心，一個材料去除率大于100mm?3/s在給定了尺寸的工件上只能顯示一個微小的能耗減少量而已。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)最適合的數(shù)模公式為： (9) (10)這個比能模型可以用來估計切削時所消耗的總能耗。零件用什么機床加工取決于零件的特性和公差要求。最優(yōu)材料去除率可以由標準工藝參數(shù)決定，而標準工藝參數(shù)是根據(jù)所要生產(chǎn)的工件的材料和適合的加工刀具來確定。因此，切削總能耗可以將各個材料去除體積所估算出來的比能值倍增的計算出來。本論文用于分析的機床是微型加工中心。比這更大的機床可以以更大的切削參數(shù)進行加工，因此可以將比能曲線向右延伸。但由于其外圍設備[8] ，這些機床也將有著更高的待機功率，從而導致比能曲線左端上升（見圖5）。4 工件材料對電力需求的影響上述實驗是用材料為低碳鋼的工件進行的。但是，所用于加工的材料也是影響機床切削能耗的因素。例如塑料件加工時附加在主軸上的載荷比金屬件的要小，因此導致了加工塑料件的能耗更小一些。加工不同材料其切削載荷也不相同，下面的實驗測量的是精森NV1500 DCG在切削1018鋼、6061鋁和聚碳酸酯時的能耗。實驗時所用的加工深度和加工寬度分別為2 mm和4 mm。 mm/每齒，以便與研究刀具對加工與能源效率時進行比較。表3是實驗的加工工藝參數(shù)。參數(shù)單位1018 鋼6061 鋁聚碳酸酯背吃刀量Mm/tooth進給速度Mm/minute248621310主軸轉(zhuǎn)速Rev/minute4889122236112材料去除率mm?3/s44表3 各種材料的實驗加工參數(shù)在各種材料的推薦切削速度中，鋁的切削速度最高，接著到聚碳酸酯，最后才是鋼件。加工鋁件時推薦使用的冷卻劑是根據(jù)鋁的延展性和在刀具表面的堆積趨勢來選定。冷卻劑也被推薦用于聚碳酸酯的加工，以防止因高溫融化在刀具和工件界面。加工剛健可以不用冷卻劑（這將大大的減少機床的加工能耗），但是由于冷卻液有助于排屑，并且本課題主要關注的是不同材料的加工能耗，所以各種材料