矿用提升机主轴加工工艺优化与数控机床能耗研究与探讨

梁龙　严灿　曾钦　毕仁贵

【摘 要】针对矿用提升机主轴加工过程中数控机床用于切削、磨削产生的能耗较大问题，综述了国内外学者关于零件加工工艺优化与数控机床加工过程能耗建模及切削磨削比能预测研究现状，并就这一领域的深入研究工作做了探讨。

【关键词】矿用提升机;数控机床;能耗建模;比能预测

中图分类号： TD534文献标识码： A 文章编号： 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

近年来，随着我国先进矿山装备机械行业产品和产业结构调整力度的增强，矿山装备工业国产化率已提升到70%，矿用提升机在矿产开采中应用十分广泛。然而与国外产品相比，我国矿用提升机主轴的制造技术水平、产品精度、制造工艺水平与质量等方面存在较大差异，我国矿山机械设备关键机械零部件基本依赖进口，而可靠性又是先进矿山装备质量的一个关键指标。为了攻克制造工艺水平等发展限制，我国对先进矿山装备关键零部件质量和表面精度要求不断提高，因此精密数控机床在先进矿山装备等行业发挥着至关重要的作用。

目前，矿用提升机主轴的加工工艺中，车削、磨削等加工工艺占加工操作总支出的比重非常大，而这两道工艺对于主轴的加工也是关键的环节。数控机床在主轴加工过程中能源消耗的零部件众多，包含工作台、主轴、刀库、冷却系统等，其具备能源消耗的方式和规律复杂、动态变化大等一系列特点，研究难度大，涉及的学科问题多，其研究意义非常大。综上所述，研究先进矿山工程装备典型零部件矿用提升机主轴的制造能耗分析建模，对于提高资源利用率、实现绿色与可持续制造具有重要意义。

1 矿用提升机主轴加工工艺优化与数控机床能耗建模研究

矿用提升机主轴的制造工艺中，车削、磨削是主要加工方法，数控机床的能耗问题也开始成了研究热点。机床能耗部件涵盖了机、电、液等多方面零部件，能源消耗分析规律复杂，导致机床的能耗建模分析变得相当困难。近年来，不少国内外专家学者在轴类零件加工过程中通过对零件加工工艺优化、数控机床加工过程能耗控制、数控机床加工过程能耗监测与预测等手段来研究加工过程中的能耗问题。

国外学者中Timothy Gutowski教授团队提出加工过程中零件切削所消耗的功率占总功率比例小，机床的其他辅助加工零部件消耗了大量能量的理论，但在分析中没有提出总能耗的详细构成[1]。Balogun教授等人通过对数控机床的能耗测试并对其进行分析后得出了包含在零件加工过程中机床的准备功能、辅助功能、切削过程等消耗的能源形式，并在建立能耗模型时将其考虑进去[2]。Dietmair课题组提出了一种机床和工程能源消耗通用建模方法，该方法可以直接用于规划过程中对不同场景下不同配置的能源消耗进行预测，但其也没有提出总能耗的详细构成[3]。

国内研究的学者中张晓红、严灿等针对矿用提升机主轴的加工工艺要求，从主轴材料的选用，毛坯的形式、加工工艺过程的制定及最终的检验环节等进行了详细的研究[4-5]。李玲玲通过分析加床加工时的能耗时间段与能耗消耗占比的关系，构建了加工中的切削参数、零件工藝参数与零件转运的车间调度时间的能耗关系，通过参数优化解决了机械加工工艺规程与车间调度过程的最优化[6]。黄拯滔等学者通过对切削参数进行优化后建立了能耗模型，并搭建了数控铣床能耗测试平台，试验后达到了能耗降低的效果[7]。邓朝晖、付亚辉等学者建立了数控机床模块化能耗模型，并搭建了测试平台，并通过实验表明了主轴速度、进给速度、切削深度和宽度参数对加床加工过程中的能耗有影响[8]。臧维娜等学者通过以成本消费最低、能量消耗最小为目标得出主轴类零件加工的最优工艺路线，并提出加工过程中的切削参数、机床的选用、刀具和夹具的选择均与加工过程中的能耗相关的理论[9]。

上述学者在研究主轴零件加工工艺和机床能耗时均是从零件的加工工艺出发去考虑不同的工艺参数对加工能耗的影响，以及在加工过程中通过对不同数控机床的组成部分进行能耗模型的建立和测试吗，得到不同功能的零部件对零件加工过程中能耗的占比。但是，往往实际生产过程中零件的加工工艺数量和数控加床的种类及复杂程度多样，导致了这些研究并不能准确和全面的覆盖所有的加工情况。因此，我们不但要研究数控机床能耗的模型建立，还需对不同数控机床和加工零件对机床在主轴零件切削磨削过程中的能耗进行预测。

2 数控机床切削磨削比能预测研究

数控机床的切削磨削比能是指机床在加工时去除零件单位体积材料所消耗的能量，研究切削磨削比能够体现出数控机床在加工如矿用提升机主轴等轴类零件时的能源消耗情况，最终研究结果能反映数控机床的加工能耗[11]。国内外学者关于这一研究领域已开展了一定的研究，这些研究大都是通过建立数学模型进行切削磨削比能的预测。

国外学者中Diaz等在研究中建立了不同类型的材料在加工时关于去除率的切削比能模型，通过试验过程中对背吃刀量和切削宽度进行改变后得到了切削比能与去除率之间的关系，并有实验结果得到了可通过控制同一个零件的加工时间来降低数控机床的加工能耗的结论，但是对于结果的由来没有做相关计算方法的解释[11]。Bhushan等学者在比能耗研究中采用数控机床加工铝材实验用以获得零件加工过程中的切削比能与加工工艺参数存在的关系，并对其加工工艺参数进行优化，但模型过于复杂[12]。Guo等指出切削比能不仅与零件加工工艺参数相关，与工件尺寸大小也有关联，并在研究过程中通过切削不同直径的同一种工件的试验后，得出了加工对象的直径越小数控机床能耗越高的结论[13]。Stefan Velchev等学者则提出一种改进型的切削比能模型，此模型是在最小能量理论研究的基础上建立了零件切削比能与加工工艺参数的相关性，并进行了在机床上的实验验证[14]。

国内研究中徐金瑜、罗敏等学者以发动机曲轴为对象进行了车削和铣削两种工艺的能耗建模，通过分析数控机床能量流对加工功率曲线键分解，构建出能耗模型，计算后得到了待机、空程、切削三个过程所消耗的功率大小，及这三个部分能耗占比、切削比能等数据[15]。徐兴硕、李方义等学者采用比能耗法建立了数控机床能耗模型，实现零件加工过程中对数控机床的能耗预测和仿真，仿真测试结果能为零件的设计和零件加工工艺的优化提供参数[16]。严灿等学者对数控磨床建立磨削比能耗模型，模型中指出磨削比能耗与加工时的进给速度、砂轮线速度、磨削深度等工艺参数相关，通过改变进给速度与磨削深度可降低数控磨床的能耗[17]。李涛对数控机床进行切削是的切削单元、加工阶段整机、工艺单元三个层次进行了能耗分析总结，并从多方面对数控机床能耗模型的应用研究进行了论述[18]。

3 结论与探讨

国内外关于数控机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传统机床的功能和分类进行的，缺乏如矿用提升机主轴等典型零部件在采用数控机床加工时的加工工艺参数优化及加工过程中采用切削磨削时的比能耗相关数据，研究比能与工艺能耗比例计算和预测方法，具有重大的研究意义。

在数控机床切削磨削比能建模和预测研究领域，大部分能耗模型的建立均是通过材料去除率与切削磨削比能的关系来实现预测。因此，针对数控机床加工零件时的切削磨削能耗特性，对其进行零件加工工艺优化、加工过程的能耗分析、能耗模型的建立，并利用相应的手段实现切削磨削比能预测是今后需要深入研究的方向，其研究成果将会大大降低矿用提升机主轴等大型复杂零部件在数控加工过程中产生的能耗。

【参考文献】

[1]Gutowski T，Dahmus J，Thiriez A.Electrical en-ergy requirements for manufacturing processes[J].Energy， 2006， 2.

[2]Balogun V A，Mativenga P T.Modelling of d-irect energy requirements in mechanical machiningprocesses[J].Journal of Cleaner Production， 2013， 41（2）：179-186.

[3]Diemair A，Verl A.Energy consumption forecasting and optimization for tool[J].Machines，ModernMachinery （MM） Science Journal， 2009， 14（03）：62-67.

[4]张晓红，刘庆军.对提升机主轴及卷筒制造工艺的探讨[J].湖南农机，2014，41（09）：46-47.

[5]梁龙，严灿，曾钦，毕仁贵.矿用提升机主轴机械加工工艺分析与探讨[J].机电信息，2019（30）：86-87.

[6]李玲玲. 面向节能的机械加工工艺规划与车间调度集成优化模型与方法[D].重庆大学，2017.

[7]黄拯滔，杨杰，张超勇，周志恒，谢阳，林文文.面向能耗的数控铣削过程建模与参数优化[J].中国机械工程，2016，27（18）：2524-2532.

[8]邓朝晖，符亚辉，万林林，张华.面向绿色高效制造的铣削工艺参数多目标优化[J].中国机械工程，2017，28（19）：2365-2372.

[9]臧维娜，高国生.面向绿色制造的機床主轴加工工艺路线优化[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2015，28（02）：82-87.

[10]严灿. 典型机床加工能耗分析与切削磨削比能预测研究[D].湖南科技大学，2016.

[11]Diaz N， Redelsheimer E， Dornfeld D.Energy Consumption Characterization and Reduction Stra-tegies for Milling Machine Tool Use[M].SpringerBerlin Heidelberg，2011.

[12]Bhushan R K.Optimization of cuttingparam-eters for minimizing power consumption and maximizing tool life during machining of Al alloy SiCparticle composites[J].Journal of Cleaner Producti-on，2013，39（1）：242-254.

[13]Guo Y，Loenders J，Duflou J，et al.Optimizati-on of Energy Consumption and Surface Quality inFinish Turning[J].Procedia Cirp，2012， 1（9）：512-517.

[14]Velchev S， Kolev I， Ivanov K， et al.Empiric-al models for specific energy consumption and optimization of cutting parameters for minimizing e-nergy consumption during turning[J].Journal of Cl-eaner Production， 2014， 80：139-149.

[15]徐金瑜，罗敏，王婷，张鹏.发动机曲轴车拉与内铣工艺能耗建模及分析[J].设备管理与维修，2017（16）：78-81.

[16]徐兴硕，李方义，孔维森，于文凯，周金强，周丽蓉.基于Vericut的机床能耗建模与仿真[J].中国机械工程，2018，29（21）：2533-2538.

[17]严灿，梁龙，毕仁贵.面向比能耗的磨削加工建模及工艺参数分析[J].机电信息，2018（24）：94-95.

[18]李涛，孔露露，张洪潮，ASIF Iqbal.典型切削机床能耗模型的研究现状及发展趋势[J].机械工程学报，2014，50（07）：102-111.