礦用提升機主軸加工工藝優化與數控機床能耗研究與探討

梁龍　嚴燦　曾欽　畢仁貴

【摘 要】針對礦用提升機主軸加工過程中數控機床用于切削、磨削產生的能耗較大問題，綜述了國內外學者關于零件加工工藝優化與數控機床加工過程能耗建模及切削磨削比能預測研究現狀，并就這一領域的深入研究工作做了探討。

【關鍵詞】礦用提升機;數控機床;能耗建模;比能預測

中圖分類號： TD534文獻標識碼： 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產品和產業結構調整力度的增強，礦山裝備工業國產化率已提升到70%，礦用提升機在礦產開采中應用十分廣泛。然而與國外產品相比，我國礦用提升機主軸的制造技術水平、產品精度、制造工藝水平與質量等方面存在較大差異，我國礦山機械設備關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量的一個關鍵指標。為了攻克制造工藝水平等發展限制，我國對先進礦山裝備關鍵零部件質量和表面精度要求不斷提高，因此精密數控機床在先進礦山裝備等行業發揮著至關重要的作用。

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鍵的環節。數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、冷卻系統等，其具備能源消耗的方式和規律復雜、動態變化大等一系列特點，研究難度大，涉及的學科問題多，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、實現綠色與可持續制造具有重要意義。

1 礦用提升機主軸加工工藝優化與數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，能源消耗分析規律復雜，導致機床的能耗建模分析變得相當困難。近年來，不少國內外專家學者在軸類零件加工過程中通過對零件加工工藝優化、數控機床加工過程能耗控制、數控機床加工過程能耗監測與預測等手段來研究加工過程中的能耗問題。

國外學者中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構成[1]。Balogun教授等人通過對數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劃過程中對不同場景下不同配置的能源消耗進行預測，但其也沒有提出總能耗的詳細構成[3]。

國內研究的學者中張曉紅、嚴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節等進行了詳細的研究[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系，構建了加工中的切削參數、零件工藝參數與零件轉運的車間調度時間的能耗關系，通過參數優化解決了機械加工工藝規程與車間調度過程的最優化[6]。黃拯滔等學者通過對切削參數進行優化后建立了能耗模型，并搭建了數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、付亞輝等學者建立了數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對加床加工過程中的能耗有影響[8]。臧維娜等學者通過以成本消費最低、能量消耗最小為目標得出主軸類零件加工的最優工藝路線，并提出加工過程中的切削參數、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的理論[9]。

上述學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去考慮不同的工藝參數對加工能耗的影響，以及在加工過程中通過對不同數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，往往實際生產過程中零件的加工工藝數量和數控加床的種類及復雜程度多樣，導致了這些研究并不能準確和全面的覆蓋所有的加工情況。因此，我們不但要研究數控機床能耗的模型建立，還需對不同數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測。

2 數控機床切削磨削比能預測研究

數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出數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，最終研究結果能反映數控機床的加工能耗[11]。國內外學者關于這一研究領域已開展了一定的研究，這些研究大都是通過建立數學模型進行切削磨削比能的預測。

國外學者中Diaz等在研究中建立了不同類型的材料在加工時關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系，并有實驗結果得到了可通過控制同一個零件的加工時間來降低數控機床的加工能耗的結論，但是對于結果的由來沒有做相關計算方法的解釋[11]。Bhushan等學者在比能耗研究中采用數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存在的關系，并對其加工工藝參數進行優化，但模型過于復雜[12]。Guo等指出切削比能不僅與零件加工工藝參數相關，與工件尺寸大小也有關聯，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控機床能耗越高的結論[13]。Stefan Velchev等學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上建立了零件切削比能與加工工藝參數的相關性，并進行了在機床上的實驗驗證[14]。

國內研究中徐金瑜、羅敏等學者以發動機曲軸為對象進行了車削和銑削兩種工藝的能耗建模，通過分析數控機床能量流對加工功率曲線鍵分解，構建出能耗模型，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、切削比能等數據[15]。徐興碩、李方義等學者采用比能耗法建立了數控機床能耗模型，實現零件加工過程中對數控機床的能耗預測和仿真，仿真測試結果能為零件的設計和零件加工工藝的優化提供參數[16]。嚴燦等學者對數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相關，通過改變進給速度與磨削深度可降低數控磨床的能耗[17]。李濤對數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，并從多方面對數控機床能耗模型的應用研究進行了論述[18]。

3 結論與探討

國內外關于數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控機床加工時的加工工藝參數優化及加工過程中采用切削磨削時的比能耗相關數據，研究比能與工藝能耗比例計算和預測方法，具有重大的研究意義。

在數控機床切削磨削比能建模和預測研究領域，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系來實現預測。因此，針對數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化、加工過程的能耗分析、能耗模型的建立，并利用相應的手段實現切削磨削比能預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雜零部件在數控加工過程中產生的能耗。

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