礦用提升機主軸加工工藝優(yōu)化與數(shù)控機床能耗研究與探討

梁龍　嚴(yán)燦　曾欽　畢仁貴

【摘 要】針對礦用提升機主軸加工過程中數(shù)控機床用于切削、磨削產(chǎn)生的能耗較大問題，綜述了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于零件加工工藝優(yōu)化與數(shù)控機床加工過程能耗建模及切削磨削比能預(yù)測研究現(xiàn)狀，并就這一領(lǐng)域的深入研究工作做了探討。

【關(guān)鍵詞】礦用提升機;數(shù)控機床;能耗建模;比能預(yù)測

中圖分類號： TD534文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）36-0022-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.010

Analysis and Discussion on Energy Consumption of Numerical Control Machine Tool for Spindle Machining of Mine Hoist

LIANG Long YAN Can* ZENG Qin BI Ren-gui

（College of Physics and Mechanical & Electrical Engineering，Jishou University，Jishou Hunan 416000， China）

【Abstract】According to the large energy consumption of NC machine tools used for cutting and grinding in the process of mining hoist spindle processing. the research status of energy consumption modeling and specific energy prediction of cutting and grinding of NC machine parts are summarized by the domestic and foreign scholars in this paper. It also gives the prospect of this direction in further study.

【Key words】Mine hoist; NC machine tool; Energy modeling; Specific energy prediction

0 引言

近年來，隨著我國先進礦山裝備機械行業(yè)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的增強，礦山裝備工業(yè)國產(chǎn)化率已提升到70%，礦用提升機在礦產(chǎn)開采中應(yīng)用十分廣泛。然而與國外產(chǎn)品相比，我國礦用提升機主軸的制造技術(shù)水平、產(chǎn)品精度、制造工藝水平與質(zhì)量等方面存在較大差異，我國礦山機械設(shè)備關(guān)鍵機械零部件基本依賴進口，而可靠性又是先進礦山裝備質(zhì)量的一個關(guān)鍵指標(biāo)。為了攻克制造工藝水平等發(fā)展限制，我國對先進礦山裝備關(guān)鍵零部件質(zhì)量和表面精度要求不斷提高，因此精密數(shù)控機床在先進礦山裝備等行業(yè)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

目前，礦用提升機主軸的加工工藝中，車削、磨削等加工工藝占加工操作總支出的比重非常大，而這兩道工藝對于主軸的加工也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。數(shù)控機床在主軸加工過程中能源消耗的零部件眾多，包含工作臺、主軸、刀庫、冷卻系統(tǒng)等，其具備能源消耗的方式和規(guī)律復(fù)雜、動態(tài)變化大等一系列特點，研究難度大，涉及的學(xué)科問題多，其研究意義非常大。綜上所述，研究先進礦山工程裝備典型零部件礦用提升機主軸的制造能耗分析建模，對于提高資源利用率、實現(xiàn)綠色與可持續(xù)制造具有重要意義。

1 礦用提升機主軸加工工藝優(yōu)化與數(shù)控機床能耗建模研究

礦用提升機主軸的制造工藝中，車削、磨削是主要加工方法，數(shù)控機床的能耗問題也開始成了研究熱點。機床能耗部件涵蓋了機、電、液等多方面零部件，能源消耗分析規(guī)律復(fù)雜，導(dǎo)致機床的能耗建模分析變得相當(dāng)困難。近年來，不少國內(nèi)外專家學(xué)者在軸類零件加工過程中通過對零件加工工藝優(yōu)化、數(shù)控機床加工過程能耗控制、數(shù)控機床加工過程能耗監(jiān)測與預(yù)測等手段來研究加工過程中的能耗問題。

國外學(xué)者中Timothy Gutowski教授團隊提出加工過程中零件切削所消耗的功率占總功率比例小，機床的其他輔助加工零部件消耗了大量能量的理論，但在分析中沒有提出總能耗的詳細(xì)構(gòu)成[1]。Balogun教授等人通過對數(shù)控機床的能耗測試并對其進行分析后得出了包含在零件加工過程中機床的準(zhǔn)備功能、輔助功能、切削過程等消耗的能源形式，并在建立能耗模型時將其考慮進去[2]。Dietmair課題組提出了一種機床和工程能源消耗通用建模方法，該方法可以直接用于規(guī)劃過程中對不同場景下不同配置的能源消耗進行預(yù)測，但其也沒有提出總能耗的詳細(xì)構(gòu)成[3]。

國內(nèi)研究的學(xué)者中張曉紅、嚴(yán)燦等針對礦用提升機主軸的加工工藝要求，從主軸材料的選用，毛坯的形式、加工工藝過程的制定及最終的檢驗環(huán)節(jié)等進行了詳細(xì)的研究[4-5]。李玲玲通過分析加床加工時的能耗時間段與能耗消耗占比的關(guān)系，構(gòu)建了加工中的切削參數(shù)、零件工藝參數(shù)與零件轉(zhuǎn)運的車間調(diào)度時間的能耗關(guān)系，通過參數(shù)優(yōu)化解決了機械加工工藝規(guī)程與車間調(diào)度過程的最優(yōu)化[6]。黃拯滔等學(xué)者通過對切削參數(shù)進行優(yōu)化后建立了能耗模型，并搭建了數(shù)控銑床能耗測試平臺，試驗后達到了能耗降低的效果[7]。鄧朝暉、付亞輝等學(xué)者建立了數(shù)控機床模塊化能耗模型，并搭建了測試平臺，并通過實驗表明了主軸速度、進給速度、切削深度和寬度參數(shù)對加床加工過程中的能耗有影響[8]。臧維娜等學(xué)者通過以成本消費最低、能量消耗最小為目標(biāo)得出主軸類零件加工的最優(yōu)工藝路線，并提出加工過程中的切削參數(shù)、機床的選用、刀具和夾具的選擇均與加工過程中的能耗相關(guān)的理論[9]。

上述學(xué)者在研究主軸零件加工工藝和機床能耗時均是從零件的加工工藝出發(fā)去考慮不同的工藝參數(shù)對加工能耗的影響，以及在加工過程中通過對不同數(shù)控機床的組成部分進行能耗模型的建立和測試嗎，得到不同功能的零部件對零件加工過程中能耗的占比。但是，往往實際生產(chǎn)過程中零件的加工工藝數(shù)量和數(shù)控加床的種類及復(fù)雜程度多樣，導(dǎo)致了這些研究并不能準(zhǔn)確和全面的覆蓋所有的加工情況。因此，我們不但要研究數(shù)控機床能耗的模型建立，還需對不同數(shù)控機床和加工零件對機床在主軸零件切削磨削過程中的能耗進行預(yù)測。

2 數(shù)控機床切削磨削比能預(yù)測研究

數(shù)控機床的切削磨削比能是指機床在加工時去除零件單位體積材料所消耗的能量，研究切削磨削比能夠體現(xiàn)出數(shù)控機床在加工如礦用提升機主軸等軸類零件時的能源消耗情況，最終研究結(jié)果能反映數(shù)控機床的加工能耗[11]。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于這一研究領(lǐng)域已開展了一定的研究，這些研究大都是通過建立數(shù)學(xué)模型進行切削磨削比能的預(yù)測。

國外學(xué)者中Diaz等在研究中建立了不同類型的材料在加工時關(guān)于去除率的切削比能模型，通過試驗過程中對背吃刀量和切削寬度進行改變后得到了切削比能與去除率之間的關(guān)系，并有實驗結(jié)果得到了可通過控制同一個零件的加工時間來降低數(shù)控機床的加工能耗的結(jié)論，但是對于結(jié)果的由來沒有做相關(guān)計算方法的解釋[11]。Bhushan等學(xué)者在比能耗研究中采用數(shù)控機床加工鋁材實驗用以獲得零件加工過程中的切削比能與加工工藝參數(shù)存在的關(guān)系，并對其加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化，但模型過于復(fù)雜[12]。Guo等指出切削比能不僅與零件加工工藝參數(shù)相關(guān)，與工件尺寸大小也有關(guān)聯(lián)，并在研究過程中通過切削不同直徑的同一種工件的試驗后，得出了加工對象的直徑越小數(shù)控機床能耗越高的結(jié)論[13]。Stefan Velchev等學(xué)者則提出一種改進型的切削比能模型，此模型是在最小能量理論研究的基礎(chǔ)上建立了零件切削比能與加工工藝參數(shù)的相關(guān)性，并進行了在機床上的實驗驗證[14]。

國內(nèi)研究中徐金瑜、羅敏等學(xué)者以發(fā)動機曲軸為對象進行了車削和銑削兩種工藝的能耗建模，通過分析數(shù)控機床能量流對加工功率曲線鍵分解，構(gòu)建出能耗模型，計算后得到了待機、空程、切削三個過程所消耗的功率大小，及這三個部分能耗占比、切削比能等數(shù)據(jù)[15]。徐興碩、李方義等學(xué)者采用比能耗法建立了數(shù)控機床能耗模型，實現(xiàn)零件加工過程中對數(shù)控機床的能耗預(yù)測和仿真，仿真測試結(jié)果能為零件的設(shè)計和零件加工工藝的優(yōu)化提供參數(shù)[16]。嚴(yán)燦等學(xué)者對數(shù)控磨床建立磨削比能耗模型，模型中指出磨削比能耗與加工時的進給速度、砂輪線速度、磨削深度等工藝參數(shù)相關(guān)，通過改變進給速度與磨削深度可降低數(shù)控磨床的能耗[17]。李濤對數(shù)控機床進行切削是的切削單元、加工階段整機、工藝單元三個層次進行了能耗分析總結(jié)，并從多方面對數(shù)控機床能耗模型的應(yīng)用研究進行了論述[18]。

3 結(jié)論與探討

國內(nèi)外關(guān)于數(shù)控機床能耗的研究已取得了一定成果，但是有很大一部分研究都是基于傳統(tǒng)機床的功能和分類進行的，缺乏如礦用提升機主軸等典型零部件在采用數(shù)控機床加工時的加工工藝參數(shù)優(yōu)化及加工過程中采用切削磨削時的比能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，研究比能與工藝能耗比例計算和預(yù)測方法，具有重大的研究意義。

在數(shù)控機床切削磨削比能建模和預(yù)測研究領(lǐng)域，大部分能耗模型的建立均是通過材料去除率與切削磨削比能的關(guān)系來實現(xiàn)預(yù)測。因此，針對數(shù)控機床加工零件時的切削磨削能耗特性，對其進行零件加工工藝優(yōu)化、加工過程的能耗分析、能耗模型的建立，并利用相應(yīng)的手段實現(xiàn)切削磨削比能預(yù)測是今后需要深入研究的方向，其研究成果將會大大降低礦用提升機主軸等大型復(fù)雜零部件在數(shù)控加工過程中產(chǎn)生的能耗。

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