数控机床是机电液一体化典型产品,在精密复杂零件加工、零件批量和多品种加工上有着广泛应用。我国是全球最大的机床消费市场,机床的年产量和年产值比例仍在逐步增长。作为制造业的基础装备,机床使用阶段耗电量巨大,间接碳排放高。对数控加工过程进行能耗建模、评估与优化可以节约能源,减少加工过程环境污染,增加企业利润,对制造业绿色健康发展具有战略意义。综合国内外能源资源消耗与环境排放形势,行业生产工艺现状与机床节能减排潜力,环境影响法律法规与我国绿色制造工程强国战略等,均对数控机床能耗建模及其加工过程能量效率提升相关课题研究提出了迫切需求。本文依托国家高技术研究发展计划项目(863计划)——面向机床和工程机械产品的绿色工艺技术评估及相关基础数据库开发,对数控机床产品能量消耗建模与面向能量的数控加工参数优化问题进行了深入研究,主要工作如下:(1)首先从数控机床能耗系统构成、能量传递与损耗环节、加工过程运行状态变化、能耗可变与固定属性角度对数控机床复杂能耗特点进行概述。其次从能耗分解方式、条件假设与忽略处理、数学建模方法、实验设计与数据处理上系统阐述了数控机床能耗建模方法。提出本文基于运行状态变化,以机理与经验分析并用方式建立数控机床能量与系统参数间数学关系。验证方法为选取数控车、铣床和立式加工中心各一台,通过功率仪等设备测试,验证所建模型的有效性。(2)建立数控机床弱电与强电回路下待机状态功率模型,其中强电待机状态包括预热阶段、润滑冷却装置供油阶段、润滑冷却装置停油阶段的待机状态功率。分析润滑冷却系统液压、容积、机械三类能量损耗,通过对机床润滑冷却装置功率传递与损耗平衡方程、最小理论供油周期和停油间隔的理论推导,揭示了润滑冷却装置间歇性工作特性对待机状态功率的影响规律。(3)建立数控机床辅助状态功率模型。通过对照明装置、切削液喷射装置、手动换刀、自动换刀装置、排屑装置、吹气装置等辅助功能部件工作原理、能耗形式进行分析,推导了其功率消耗经验方程。(4)建立数控机床主轴空载状态功率模型。首先推导了主轴系统变频器、电动机以及机械负载等功率损耗理论方程。通过简化理论模型,经验上将主轴功率作为主轴转速的一次函数。研究发现,随转速增加主轴功率呈增长趋势,基本服从线性关系;研究发现结构配置影响主轴功率,电动机直驱式主轴相比齿轮箱驱动式,由于其结构紧凑,摩擦转矩损耗小,主轴功率也小。车床主轴由于需带动大转动惯量夹具旋转导致其功率消耗比铣床主轴更大。(5)建立数控机床进给轴空载状态功率模型。首先推导了水平与垂直进给运动导轨和轴承摩擦转矩、切削负载和工作台重力转矩,并考虑粘性摩擦转矩,得到理论的水平与垂直进给轴空载功率平衡方程。然后通过简化理论模型,经验上将进给空载功率作为进给速度的二次多项式。研究发现,进给轴功率随进给速度单调递增,常用慢进给速度下进给功率增长斜率小,较大进给速度下进给功率有较大增长量,某些轴的进给电机在一定进给速度以上出现恒功率特性。由于向上运动需克服重力做功,因此向上进给功率比其他进给方向明显偏大。(6)建立适用于切削不同硬度金属材料的数控机床切削状态功率模型。首先对金属切削能量消耗机理进行分析,推导了包含金属剪切变形能量、刀具与切屑间摩擦能量的单位体积切削能理论计算公式。针对现有切削状态功率经验模型存在的问题,提出适用于切削不同硬度金属材料的数控机床切削状态功率模型。通过分析理论模型、平面铣削与外圆车削过程实验结果,阐释了金属材料硬度、主轴转速、材料去除率、切削参数对单位体积切削能的影响规律,特别是对等效剪切应力计算中弹塑性项、速度项、热软化项的影响规律。研究表明本文所提模型一定程度提高了对数控机床切削状态功率预测的准确性、快速性、适应性。研究发现,铣削时金属材料切削功率随着材料去除率的增加而增长。主轴转速影响金属材料等效剪切应力计算的速度项和热软化项、未变形平均切屑厚度,从而对金属材料切削功率表现出复杂影响规律。金属材料硬度影响等效剪切应力计算的弹塑性项,在相同切削条件下,随着材料硬度增加,金属材料切削功率不断增大。研究发现,车削时金属材料切削功率随材料去除率增加而增加。切削材料过软时,切屑与刀具前刀面间摩擦增加,使得切削功率增加;切削高硬度金属材料时,刀具承受更大的切削抗力使切削功率明显增加。(7)面向能量的数控加工参数优化研究。首先建立数控加工过程单位体积材料去除能耗函数和数控加工过程时间函数,并将二者共同最小作为优化目标。确定数控铣削优化变量为转速、进给速度、轴向与径向切深、;数控车削优化变量为转速、背吃刀量、进给量。然后建立了机床和刀具加工能力、表面粗糙度、刀具寿命、切削犁耕能量等约束方程,利用遗传算法求解优化模型。通过平面铣削工件作为案例,对所提模型进行了最优数控加工参数求解,讨论了数控加工参数对目标函数、约束方程间的影响关系。优化结果发现主轴能耗、切削能耗、刀具耐用度均受到主轴转速的显著影响。高进给速度减少了机床空载时间,但会加剧刀具磨损并使工件表面变得粗糙。当轴向切深和径向切深增大,使得材料去除率增长,从而使加工时间降低,也使切削能量增加,但由于时间降低量大于切削能耗增加量,最终使得加工过程单位体积材料去除能耗降低。径向切深、进给速度和主轴转速的变化将决定犁耕效应的发生与否,进而影响切削能量是否被有效利用。当犁耕效应发生,切削能量更多转化为非产出性犁耕能,难以转化为金属材料剪切变形能。