机床外文翻译-铣削机床使用的能源消耗特性及减缩策略【中文6220字】【中英文WORD】
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机床外文翻译-铣削机床使用的能源消耗特性及减缩策略【中文6220字】【中英文WORD】,中文6220字,中英文WORD,机床,外文,翻译,铣削,使用,能源消耗,特性,减缩,策略,中文,6220,中英文,WORD
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加州大学伯克利分校可持续性发展实验室题名：铣削机床使用的能源消耗特性及减缩策略作者：迪亚兹南西，加州大学伯克利分校多费尔德大卫，伯克利大学出版日期：2011年04月05日系列：绿色制造与可持续生产的关系出版信息：绿色制造与可持续生产的关系，加州大学伯克利分校制造与可持续性发展实验室永久链接：/uc/item/40g995w6关键词：绿色机床，降低能耗，能量的特征摘要：机床因其生产生活功能被而被广泛的运用，因此，在运用的过程中消耗了大量的宝贵的自然资源，带来了很多有害的污染，本研究回顾了铣削机床在使用过程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一台微细加工中心在不同的材料去除率下切削低碳钢所消耗的功率是通过机床的比能来确定的。因此，为了研究切削钢件的能耗情况，本次研究通过研究了机床切割铝和聚碳酸酯的工件所需要消耗的功率进来进行了比较。 eScholarship为加州大学和全球学者提供了一个可开放存取的空间和学术出版服务。铣削机床使用的能源消耗特性及减缩策略南希迪亚兹，艾琳娜利戴尔赛门，多费尔德大卫美国加州大学伯克利分校制造与可持续性发展实验室摘要：机床因其生产生活功能被而被广泛的运用，因此，在运用的过程中消耗了大量的宝贵的自然资源，带来了很多有害的污染，本研究回顾了铣削机床在使用过程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一台微细加工中心在不同的材料去除率下切削低碳钢所消耗的功率是通过机床的比能来确定的。因此，为了研究切削钢件的能耗情况，本次研究通过研究了机床切割铝和聚碳酸酯的工件所需要消耗的功率进来进行了比较。 关键词：绿色机床，降低能耗，能量的特征1 简介一个产品的生产周期要经过三个阶段：制造，使用和使用终止。消费品在其使用期中被其使用阶段所支配，这些消费品包括灯泡、计算机、冰箱和汽车等这些被广泛使用的日常用品。所有这些产品所消耗的资源，特别是能源是以电能或燃料为主要形式。机床就是这样的一个产品。处于使用阶段的铣床被发现其二氧化碳的排放量占了其生命周期的60%到90%1。本研究提供了一个预测产品的生产过程的电能消耗的方法，其目的是为了消除产品的生产对环境的影响。在进行生命周期评估时，产品设计师可以选择在选择的过程、经济投入产出(EIO)过程或混合进行。生命周期评估的缺点是这一方法需要获取过程细节的数据，这是一个耗时而且资源密集型的方法。另一种是直接测量机床电能消耗，例如投入产出生命周期评估所做的数据整合那样2。因此一个投入产出生命周期评估是不具体设计特定的产品的。此处介绍的这个策略是为一个特定的产品提供一个更快的生产能耗评估的方法。1.1 负荷切削剖面正如迪亚兹在参考文献3里所描述的那样，一台机床的能耗由切削能耗、变量能耗、恒定能耗元件的能耗组成。切削能耗是用于去除材料的额外能耗。这次用于分析的机床型号是日本森精NV1500 DCG，相对于大型加工中心来说这是一台微型加工中心，机功率相对较低。因此切削能耗占了总能耗的大部分。研究发现，高皮重机床的能耗主要依赖于处理时间方面，受制于部分几何、工具的路径、和材料去除率。参考文献4给出了这样一个优化刀具路径的最低周期时间的方法。本文涉及到材料去除率对能源消耗的影响。三轴联动加工中心的材料去除率可以由进给速率、切削宽度和切削深度控制。由于发现提高进阶速率对刀具的寿命有可怕的后果，所以本实验通过改变窃谑宽度和切削深度来改变材料去除率，来分析材料去除率对切削功率的影响，更重要的是对能耗的影响。虽然提高材料去除率减少了加工时间，但同时增加了主轴电机和主轴驱动上的负载，提高了能耗。因为我们的主要兴趣是能耗产品制造，对电力需求和加工时间之间的平衡的分析证实了因提高材料去除率而增加的负载并不会增加总能耗。2 不同的材料去除率的能耗由于机床程序员和操作者在制定一个工件的生产工艺是有很多的选择，所以本文分析努力选取降低能耗的机床加工工艺参数。有关参数对材料去除率(M.R.R.)在日本森精机NV1500不同而选择合适的常规工具。能量消耗是通过Wattnode总线瓦特计测量的。在之前的实验中，是通过不同的主轴转速、进给速率、每齿进给量和刀具类型来分析切削低碳钢AISI 1018钢时能耗的变化5。同时，6进行了比较平铣、立铣、钻孔铣等铣削加工在提高切削速度后的能耗、加工成本和刀具磨损的实验。当工艺参数的选择原理推荐条件时，刀具磨损和刀具成本显著增加。所以在接下来的实验虽然刀具类型改为保持推荐工艺参数,但加工能耗降低了。2.1 宽度切削实验考虑到因改变道具类型而造成能源节省，这个实验项目主要集中于不同的材料切除率。第一个切口是增加了的宽度，用以下刀具进行加工：1. 两齿无涂层的硬质合金立铣刀。2. 两齿的锡涂层的硬质合金立铣刀。3. 4齿的锡涂层的硬质合金立铣刀。切口是在长度为101毫米的1018钢件上用直径为8毫米的立铣刀以2毫米的切削深度沿着Y轴方向进行切削。切削深度以1毫米作为增量在1到7毫米之间变化，此外，还有一个7.5毫米深的切口。表1总结了切割条件使用。为了避免过多的刀具磨损和破损，每齿的切削深度保持在0.03毫米左右。刀具主轴转速进给速度排屑量材料去除率转/每分钟毫米/每分钟毫米/每齿立方毫米/每秒154263300.03311-83270604300.03.14-108370608600.03029-215表1：切削宽度工艺参数实验在进行每个切削宽度的切削能耗的测量之前，所测量的能耗是在机床空切状态下，也就是机床在不切削材料时进行测量的。用这一方法测量出来的能耗与切削过程中的能耗联系起来，就可以知道在接下来所说的切削能耗了。经测量刀具2所用的切削参数的平均空切切削功率为1510W，所以这是要从总的切削功率中减去的。图1显示了刀具2在不同的材料去除率下的切削功率。图形在材料去除率近于为75立方毫米每秒的时候呈一个微微的抛物线形式变化。切削宽度为7.5mm时的功率几乎是宽度为1mm时的功率的9倍。由于机床的空切功率为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，从能耗成本来考虑经营者还是选择提高材料去除率来降低能源消耗。图1：用（2）号刀具切削1080钢的能耗图2为精森NV1500 DCG立式加工中心用13三把刀具切削所消耗的功率。以用1到3号刀具作为前提下研究发现机床切削功率与材料去除率成抛物线的线性关系。其中3号刀具的切削功率最大，但是主轴电机和主轴驱动器上的负载却比用2号刀具在其余条件同等，将进给速率调大两倍或更大的倍率还要大。图2：不同材料去除率所需的总功率2.2 切削深度试验切削深度实验同样是在长度为101mm的1018号钢的钢件上进行。用直径为8mm，两齿的无涂层硬质合金立铣刀和锡涂层两齿硬质合金立铣刀在同样的开槽切削条件（切削宽度为7.5mm）。测量在切削深度为1、2、4和8mm时机床的切削功率。为了保证切削力相同，将几把刀具的每齿进给量设置为0.051mm。主轴转速、紧急备率各不相同，尽管这样会造成机床在进行切削深度实验时负载的不同（见表2为总结工艺条件）道具类型主轴转速进给速率排屑量材料去除率转/每分钟毫米/每分钟毫米/每齿立方毫米/每秒（1）2500-3200254-3250.05140-250（2）3250-4160330-4250.05150-330表2：切削深度实验工艺参数图3为精森NV1500 DCG立式加工中心用两齿的锡涂层硬质合金立铣刀（刀具2）在不同的材料去除率是的所需功率。随着材料去除率的提高，虽然电力需求增加，但是负荷能耗仍然大幅下降。机床电力需求增长了大约三分之二，而能源消耗减少到低于它原来的三分之一。这说明，由于负荷的增加，有效的减少了加工时间，从而控制了电量的消耗。由于能耗也随着负荷的增加而增加，但是负荷的增加还不足以整体的提高能源消耗，所以接下来将对能耗与加工时间之间的平衡关系进行分析。图3：用2号刀具在不同材料去除率是的能耗和电耗2.3 能耗与加工时间之间的平衡关系机床的能耗取决于电能消耗P avg和加工时间t，如公式（1）所示。由由于机床内部的冷却单元的影响电能消耗呈现了一些变化，平均电能消耗P avg将在此处用到。像之前提到的一样，平均电能消耗量由切削电能消耗P cut和空切P air两个部分组成。因此，能量损耗可以用下式表达： (1)两个方案将做比较。方案（1）是最基本的一种方案，方案（2）是为了减少加工时间而增加了材料去除率。常量和是用来表示切削电能消耗P cut和加工时间t的增量，各自计算如方程式（2）和（3）。请注意,这两个常数小于平均数。 (2) (3)公式(4)为假设两个方案空切电能消耗不变的前提下，平均电能消耗P avg1与平均电能消耗P avg2之间的关系。 (4)如果空切电能消耗量的相对比率用下式表示： (5)系数i为1或2分别代表方案1和方案2，不等式（6）为方案2比方案1节能必须满足的条件。 (6)所以，如果比小，则e2永远比e1小。另外，随着2 增加（也就是，空切功率占总功率的很大一部分）e2比e 1 小的概率也随之增加。这是有着高的待机功率的、大的工作卷的机床的个例。可进行进一步研究，假定空气切功率不保持不变来分析能耗与加工时间之间的平衡关系。3 比能量的特征 谷土斯基等人在文献7中已经总结了各种机械加工方法的比能。但对于任意给定的生产过程中对数据仅限于一个样本的过程率。这项研究中，在描述必能的特性时将重点放在铣床和具有可操作性的范围表征加工中心上。在描述机床的能量消耗时，随着材料去除率接近无限大时比能预计将达到为零的稳态。但是，在给定的工作体积、主轴转速、工作台进给这些被机床所约束，同时，机床的主体框架无法提供无限大的极限载荷，主轴电机将损坏，一切办法永远都不可能使得材料去除率接近无限。所以，在以上这些约束条件下得到的材料去除率可得到以下形式的一条曲线： (7)这条曲线与数据宽度切和切削深度的实验结果吻合。值得注意的是k本质上是一个能量单位，b代表的是一个稳态的比能量。切削能耗和空切能耗所占总的比能量的比例与材料去除率成反比关系（见图4）。空切能耗在总的比能量中占主导地位。切削能耗对比能量的影响是最小的，因为在高负荷（也就是大的材料去除率）下，加工时间显著减少。比能量大幅下降，直到材料去除率达到75mm3/s之后。在材料去除率低于75mm3/s时，一些微小的材料去除率增量都可以使得比能量大幅下降，因为加工时间显著的减少了。 当材料去除率大于100mm3/s后，提高带来的影响非常小，因为比能量已接近了稳态值。当材料去除率很大时这个增量才可以使得肉眼能识别，但是本研究使用的机床是一台微型加工中心，一个材料去除率大于100mm3/s在给定了尺寸的工件上只能显示一个微小的能耗减少量而已。经研究发现最适合的数模公式为： (9) (10)这个比能模型可以用来估计切削时所消耗的总能耗。零件用什么机床加工取决于零件的特性和公差要求。最优材料去除率可以由标准工艺参数决定，而标准工艺参数是根据所要生产的工件的材料和适合的加工刀具来确定。因此，切削总能耗可以将各个材料去除体积所估算出来的比能值倍增的计算出来。本论文用于分析的机床是微型加工中心。比这更大的机床可以以更大的切削参数进行加工，因此可以将比能曲线向右延伸。但由于其外围设备8 ，这些机床也将有着更高的待机功率，从而导致比能曲线左端上升（见图5）。4 工件材料对电力需求的影响上述实验是用材料为低碳钢的工件进行的。但是，所用于加工的材料也是影响机床切削能耗的因素。例如塑料件加工时附加在主轴上的载荷比金属件的要小，因此导致了加工塑料件的能耗更小一些。加工不同材料其切削载荷也不相同，下面的实验测量的是精森NV1500 DCG在切削1018钢、6061铝和聚碳酸酯时的能耗。实验时所用的加工深度和加工宽度分别为2 mm和4 mm。排屑量取0.0254 mm/每齿，以便与研究刀具对加工与能源效率时进行比较。表3是实验的加工工艺参数。参数单位1018 钢6061 铝聚碳酸酯背吃刀量Mm/tooth0.02540.02540.0254进给速度Mm/minute248621310主轴转速Rev/minute4889122236112材料去除率mm3/s4482.841.3表3 各种材料的实验加工参数在各种材料的推荐切削速度中，铝的切削速度最高，接着到聚碳酸酯，最后才是钢件。加工铝件时推荐使用的冷却剂是根据铝的延展性和在刀具表面的堆积趋势来选定。冷却剂也被推荐用于聚碳酸酯的加工，以防止因高温融化在刀具和工件界面。加工刚健可以不用冷却剂（这将大大的减少机床的加工能耗），但是由于冷却液有助于排屑，并且本课题主要关注的是不同材料的加工能耗，所以各种材料的加工都使用冷却液。精森NV1500 DCG型加工中心的加工能耗已在图6中表示出来，它可以分解成空切和切削能耗。在切削三种材料时的空切能耗大致相同。造成不同之处的主要在于各个主轴转速不一样，加工铝件时用的转速最高。尽管加工铝件所用的进给速度为加工钢件的两倍以上，但是主轴驱动能耗的变化几乎微不足道。加工三种材料的能耗有很大的变化。加工钢件时的切削能耗是最高的。实际上，钢件的切削能耗占总能耗的7%。这可能是由于它具有很高的拉伸强度，其次是铝，然后是聚碳酸酯。加工聚碳酸酯时的切削能耗是最小的微不足道的，只占总能耗的1%。图6 精森NV1500 DCG机床加工钢、铝、聚碳酸酯三种材料的工件的能耗在可持续性的机加工能效过程中，机床的加工参数能在保持最小刀具磨损的同时还能获得良好的表面光洁度。将来进行的以比较机床切削能耗的实验应该尽可能的使切层在被研究的工件表面层叠交叉进行。同时，主轴电机和主轴驱动器的能耗应该直接计算出来，因为切削能耗就是机床总能耗减去空切能耗的值。5 总结本研究表明，高皮重机床的加工时间决定了加工能耗。此外，本研究还提供了一个如何根据过程速率描述机床的比能，这一方法可以延伸到其他的加工形式上。比能模型让产品设计者在加工他们的产品时有了一个计算他们的产品的加工能耗的模型。由于微型加工中心在各种材料去除率的影响下的变化是成一个很大的数量级的，它对于工艺参数、刀具参数和电能消耗的精确计算极其重要。这个模型将被用于9所提供的机械加工方法的总能量的计算或用于替代进行混合生命周期评估时的有着巨大的不确定性的流程评估过程。6 鸣谢这项工作得到了森精机制作所数字技术实验室(DTL)，机床基础技术研究实验室 (MTTRF)，肯纳公司以及制造与可持续性发展实验室(LMAS)的其他合作伙伴的大力支持。本文作者在这里也感谢加州大学伯克利分校机械工
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