[01682354]面向低碳制造的数控车床能效评价及工艺优化系统

本课题来源于山东省重点研发计划项目（面向低碳制造的数控车床能效评价及工艺优化系统开发,编号2017GGX30114）。 全球能源危机以及气候变暖形势日益严峻,低碳经济和低碳制造上升为国家发展战略。如何降低加工制造业的能源消耗以减少碳排放,是目前我国制造业迫切需要解决的问题。我国是机床生产、消费第一大国,机床加工时能量效率的提高,会带来巨大的节能效益,但是用户并不了解数控机床各功能系统的功率特性,更不清楚所设计加工方案的能效特性。 山东理工大学与山东沂水机床厂有限公司合作,以广泛用于复杂回转体零件生产的数控车床为研究对象,面向低碳制造,以加工能耗和工件表面质量为优化目标,联合研发了数控车床能效评价及工艺系统优化方法： （1）基于机床运动学和动力学理论,设计了数控车床能耗检测平台,建立了主轴驱动系统、进给轴驱动系统、润滑系统等主要功能系统的功率特性;提出了数控车削时能量效率检测方法,以优化加工参数提高有效切削能耗在总消耗能量中所占比例;建立了基于车削参数和刀具磨损量的净去除材料比能预测模型,计算简单、预测精度高,有助于工艺人员优化车削参数和车削工艺以提高能量效率。 （2）基于金属切削理论,针对易切削材料、普通材料、难切削材料的车削加工,建立了机床比能模型并用于计算加工能耗;揭示了切削参数对加工能耗的影响规律。加工能耗与材料去除量成正比,与刀具磨损量和主轴转速呈线性关系;06Cr19Ni10不锈钢车削中当材料去除率小于100 mm3/s时,加工能耗随材料去除率的减小而急剧增大;当材料去除率大于200 mm3/s时,加工能耗随材料去除率的增大而缓慢减小。 （3）提出了一种基于车削加工程序的加工能耗预测计算方法,将数控车床能耗分为主轴空载能耗、切削能耗、换刀能耗和待机能耗。根据车削加工程序、毛坯尺寸及工艺参数,较准确的预测出执行该车削加工程序时数控车床加工能耗,对于如何优化工艺参数以降低数控车床加工能耗具有重要意义。 （4）基于机床-刀具-工件振动理论,以车削参数、工件直径、刀具磨损为自变量,建立了一种车削时工件表面粗糙度计算模型。该模型综合考虑了车削参数、工件振动及刀具磨损的影响来计算工件表面粗糙度,计算方法简单、精度高。 （5）提出一种基于熵权的灰色关联分析方法,用于机床比能、表面粗糙度和加工效率的多目标车削参数优化。在数据处理中充分考虑了各个优化目标的数据特性以及对综合评价的影响程度,优化结果相比常规灰色关联分析方法具有更高的客观性和准确性。 （6）基于机床功率流理论、金属切削理论以及提出的能效和能耗模型,在大量实验基础上,使用Delphi XE8可视化语言开发了CKJ6163数控车削时表面质量及加工能效分析计算软件,对表面粗糙度预测计算准确率在95%以上,对机床比能预测计算准确率在97%以上,可帮助用户制定高能效的数控车削工艺方案。 项目成果已在山东沂水机床厂有限公司、淄博水环真空泵厂有限公司等企业推广应用,帮助用户在掌握数控车床主要功能系统功率特性基础上,制定高能效、加工精度高的车削工艺方案,实现复杂回转体零件的低碳制造,有力的促进了数控车床产品的销售和节能运行,带来了巨大节能效益和社会效益。