一种基于工件几何特征优化的能耗模型及应用

制造过程中能耗的影响因素很多,加工工艺、工艺路线、工件加工特性等都会影响制造系统能耗。针对工件加工制造过程能耗优化问题,首先在工件加工特征层面,提出特征能耗单元概念,并建立特征能耗单元模型。然后利用物元法,结合工件几何特征类树,构建了以特征能耗单元为基础的工件几何特征能耗物元模型。从该模型中提取能耗影响因子k,优化工件几何特征,直观地达到控制工件特征来优化加工制造过程能耗的目的,为控制需加工实现的工件几何特征的目标能耗提供理论参考。最后,以轴类工件外圆特征车削加工为例验证分析了该模型的有效性。     

一种考虑工件材料表面硬度的铣床功率模型

为了降低车间加工能耗、提高制造过程能量效率,建立了铣床待机状态、辅助状态、空载状态、切削状态下的功率模型。针对铣床切削功率,提出一种考虑材料硬度和主轴转速对材料去除功率影响的切削功率改进模型,对同一机床铣削多种工件材料情况的能耗进行评估,从而在一定程度上扩展现有铣削功率模型的适用范围。针对被测试机床润滑冷却系统工作特性导致待机功率存在间歇变化,提出一种分段函数式待机功率表达模型,相比现有常数式待机功率模型,该模型能够更好地反映机床待机功率情况;经实验研究和实例验证,所提改进功率建模方法及其模型具有良好的平面铣削加工能耗预测准确性。     

基于动素的切削功率建模方法及其在车外圆中的应用

为了更加科学准确地建立机械加工过程能量模型,为低碳制造奠定基础,提出一种基于动素的切削功率建模方法.将切削功率分解为空走刀功率和材料切削功率,进一步将两部分功率映射为动素功率并借助实验建立切削功率模型.通过对某圆柱形工件的车削过程切削功率的评估,验证了所提方法的有效性.     

虚拟加工过程薄壁工件铣削变形模型研究

在薄壁工件的切削加工中,工件的受力变形是影响加工过程的一个主要因素,文中针对薄壁工件侧面的立铣加工,建立了不同复杂度的切削过程模型,以仿真工件薄壁在加工中受到切削力发生的变形,虚拟实现受到工件变形影响下的切削过程。通过仿真创成的工件表面形貌与实际切成的工件表面的比较,对文中各模型进行了验证。     

金属表面挤压切削及仿真研究

挤压切削是一种特殊的切削加工工艺,它对提高工件加工精度和改善表面质量具有重要的作用.描述和研究了挤压切削的特征,建立了挤压切削的力学模型.对二维正交挤压切削过程进行了仿真模拟,得出了不同挤压切削条件对工件的等效应力的影响,对挤压切削的理论研究和实际应用有重要的参考价值.     

超声切削过程冲击接触特性的研究

超声切削过程中刀具与工件产生动力冲击,接触过程是非线性的.针对这种非线性冲击接触现象,分析超声振动切削动态冲击接触特征,从理论上推导出这个过程的动态接触力和位移模型.基于该模型提出动态和稳态位移、力的概念,由此分析动态位移、力和稳态位移、力对工件作用的不同效果.根据接触过程不同能量对工件作用的不同,揭示超声切削提高刚度和降低切削力的工艺实质.针对金属材料,利用标准机夹刀具在恒进给状态下,进行切削加工实验.实验结果表明理论模型与实际结果一致,证明超声切削过程存在静态和动态力两种作用.     

机械制造过程能耗评估模型及其在工艺规划中的应用

机械制造业是我国能源消耗和二氧化碳排放的重要源头。以齿轮加工为例分析了典型机械产品机械制造工艺流程,指出制造过程全过程包括能源制造阶段、辅助材料制造阶段,原材料制造阶段,产品制造阶段,将机加工工艺能耗分为直接能耗及间接能耗两大类,直接能耗指用于实现零件的切削加工能耗,间接能耗指物料能耗,是指在生产原材料及辅助物料的过程中产生的能耗,并建立了相应的估算模型。结合两个案例分析说明了将工艺能耗引入作为工艺规划又一目标,对加工方法及加工顺序选择的影响。     

基于STEP-NC的数控加工能耗估算方法

为了给低能耗的数控加工提供支持、满足当今低碳制造的需求,提出了一种基于STEP-NC的能耗估算方法。将数控机床按照其组件耗能性质的不同分为基本能耗组件、选择能耗组件以及运动能耗组件。以STEPNC的工步为研究对象,将其执行过程分为特征加工辅助、接近制造特征、特征加工以及远离制造特征4个状态,在对机床组件分类的基础上,给出了每种状态的能耗计算方法,依次相加便可得到单个工步的耗能,进一步即可计算出工件的加工能耗。基于此方法开发了能耗估算软件,通过一个零件的STEP-NC文件进行了测试,结果表明该方法可用于数控加工的能耗估算,并具有一定的实用性。     

基于参考功率曲线的大型工件加工进度状态信息的自动采集新方法

大型工件是大型装备制造业生产过程中常见的加工件,管理和调度人员掌握现场大型工件加工进度信息,对加工任务的按时完成,提高加工效率,优化生产过程管理,支持动态优化调度等具有多方面的重要意义。大型工件加工时间长,且许多情况是单件加工,因此加工进度状态信息的自动采集比较困难。基于此,提出一种利用机床主传动系统功率信息进行大型工件加工进度状态信息采集的方法。该方法通过所事先测得的机床主传动系统启动功率和空载功率数据库,以及工件加工工艺所确定的切削用量、加工材料和过程时间等参数,可获得虽不十分精确但足够反映出形状特征的工件加工过程的参考功率曲线;加工中对工件加工过程的机床主传动系统功率曲线进行实时采集,将采集到的功率曲线与参考功率曲线进行形状特征上的定性比较和时间过程的定量比较,可获取该工件的加工进度状态信息。在某冶金装备制造车间大型工件加工过程的应用验证表明,上述方法具有很好的应用前景。     

基于布尔运算的球头铣刀瞬时切削厚度建模及分析

在五轴球头铣刀的铣削加工中,瞬时切削厚度模型的建立是准确预测切削力的关键步骤之一。目前大部分模型注重刀具和工件接触区域的建模,仅考虑了参与切削的刀刃切削厚度,而忽略了刀刃对工件的影响。本文提出一种基于布尔运算理论的瞬时切削厚度建模方法,从瞬时切削厚度的理论出发,考虑了所有刀刃对工件切削厚度的影响,并引入根据球刃曲线创建的辅助实体模型对瞬时切削厚度进行提取,并经铣削力试验验证了该模型的有效性。     

面向加工特征的刀具和切削参数计算机辅助选择系统

切削刀具制造商面临围绕大量工件材料和加工特征为客户提供合理刀具和切削参数的现状,切削工艺规划的核心步骤也是刀具和切削参数的确定。确定刀具和切削参数一般多从零件材料角度出发,可能导致工件与刀具不匹配。文中提出面向加工特征的刀具和切削参数计算机辅助选择系统的开发。系统包括车削特征、铣削特征、钻削和镗削加工特征,系统利用特征图形作为用户交互式接口,采用关系数据库结合数据驱动和规则推理逻辑来选择刀具和切削参数,利用数学模型计算过程参数包括单工步加工工时、切削功率、最大粗糙度等,并辅助制定工序。以车刀和车削参数选择为例,介绍该系统的实现方法。该系统可以辅助设计师及工艺人员选择合理的刀具和切削参数。     

大型圆环类工件高效锯切系统设计及负载研究

针对传统金属带锯床锯切大型圆环类工件存在的锯切效率低、精度差和能耗高的问题,研究设计了一种新型高效锯切系统。不同于传统锯架进给锯切方式,所设计的大型圆环类工件的锯切系统采用工件进给锯切方式。分析了该锯切系统的主要组成以及工作原理,特别对工件旋转装置进行了详细设计;基于西门子300系列PLC,设计了该锯床的电气控制系统;此外,基于经典锯切负载模型,通过对锯切过程中参与锯切齿数的分段计算,建立了该系统的锯切负载数学建模,并进行了Matlab仿真研究。研究结果表明:切削进给方式改变后,所设计的锯切系统不仅锯架体积较小,而且锯切效率、精度、能耗以及带锯条使用寿命等指标较传统带锯床都有大幅度提升。     

Progressive development of an absolute sensorless compensation system for cutting force-induced error

Cutting forces in traditional machining processes solely originates from the contact points on the cutting tool and workpiece. Therefore comprehensive mechanistic modeling of the machining process offers a means for realizing a sensorless cutting force monitoring system. This paper presents the progressive development of a sensorless compensation system for cutting force-induced error, whereby a learning and intelligent computer system is established, based on machining mechanics modeling and a reference compensation system. Experiences from normal machining sessions of new cutting tools and workpieces are modeled progressively and incorporated into the system. Finally with ample experience available, a full-fledged sensorless system is developed as a stand-alone solution. The sensorless system is economical, convenient, reliable and efficient. Administered on a CNC face milling machine, the model demonstrated exceptional performance and robustness.     

基于加工要素的切削工艺优化方法研究

机械加工过程中,同一工件有不同的加工工艺路线,但在多种路线中存在一条最优工艺路线,能耗最低或材耗最少或排放最小。而计算分析过程中能耗、材耗及排放的量化一直是个难题,论文提出以加工要素为量化基准,研究了基于加工要素的切削工艺路线优化方法,并通过简单实例对该方法进行了应用说明。     

[绿色设计]基于Vericut的机床能耗建模与仿真

为实现数控加工制造过程的能耗预测与仿真,采用比能耗法建立了基于Vericut Force模块的机床能耗模型,并结合UG CAM模块与Vericut Force模块搭建了CAD-CAM-ECS能耗仿真平台,实现零件在加工过程中能耗的仿真。结果表明,基于Vericut中过程毛坯（IPW）条件的机床能耗模型可有效预测零件在加工过程中的机床能耗状态,CAD-CAM-ECS能耗仿真平台可实现加工过程能耗仿真并准确映射能耗高的设计特征,为零件的设计及工艺的优化提供依据。     

Optimization of machining economics and energy consumption in face milling operations

Metal cutting (or machining) is one important aspect of the manufacturing system. Selecting optimal cutting conditions for machining is then a crucial process planning task for manufacturing. Traditionally, solving such machining problems was only focused on economic objectives such as maximizing profit or minimizing production time requirement. In the recent decade, however, minimizing energy consumption in manufacturing processes has attracted increased attention due to increasing energy costs and concern with greenhouse gas emissions. Energy loss could be avoided by carefully selecting cutting parameters. This paper develops a multi-objective mathematical model to minimize unit production costs along with energy consumption for face milling operations. In addition, an evolutionary strategy (ES)-based optimization approach is used to identify optimal cutting conditions for the proposed model.     

Increasing the Accuracy of Off-Line Generated Tool Paths by Compensation of Workpiece Tolerances

Due to its high flexibility and its high accuracy laser machining has become the common process to perform three-dimensional cutting on deep-drawn workpieces especially when small lot sizes are to be machined. In the last few years the programming of laser machines has changed from teach-in to off-line programming, where the tool path definition is done in a CAM system based on a CAD model of the workpiece. Owing to tolerances in workpiece geometry and positioning, the off-line programmed tool paths often do not fit exactly the surface of the real workpiece. In this publication, a software system is proposed which adapts the CAD models to their corresponding real workpiece by compensating deviations in shape and location. As a result cutting quality and accuracy are improved.     

浅析工作状态下影响数控机床切削能耗的因素分析

随着经济等方面的不断发展,居民生活以及生产力水平得到了极大地提高,就在工业化进程飞速加快当中,能源问题越发严峻,以至于各界人士对节能减排工作形成了高度重视。其中以我国制造行业为核心,面对严重能源消耗的现象,做到节能减排的关注核心,实际制造企业生产过程中,最基础的部分就是机械加工,那么制造行业实施节能减排处理,可以从加工零件方面出发,构件完善的数控加工计划,达到能源节约利用,高效低耗的加工效果。在接下来的文章中,将站在数控机床切削状态下,围绕切削能耗关键因素影响方面进行了详细的分析,希望能够给相关人士提供些许参考依据。     

硬脆及黑色金属材料的单点金刚石车削加工技术综述

单点金刚石车削技术是产生纳米特征表面的光学元件重要制造工艺之一。此加工技术在空间科学、生物医学工程、军事、国防和光学等领域有着广泛的应用。然而,金刚石刀具在切削硬脆和黑色金属材料时受到限制,如刀具磨损加剧、刀具寿命缩短以及工件表面加工质量降低等。为了减少刀具磨损和提高工件表面加工质量,相关学者提出了不同的解决方案,将从单点金刚石车削辅助工艺、工件改性、刀具性能改善和超硬材料及刀具方面梳理面向提高硬脆和黑色金属材料加工质量的单点金刚石车削加工技术相关研究,分析当前各种加工技术的优势与局限,提出未来将多种能场辅助的单点金刚石车削技术和基于聚焦离子束改性的金刚石刀具技术作为研究的重点。     

工件分特征下的五轴数控机床关键几何误差分析与补偿方法

提出了工件分特征下的五轴数控机床关键几何误差分析与补偿方法,将复杂工件进行特征分解,通过灵敏度分析辨识工件分特征下的关键几何误差并补偿,从而提高工件整体加工精度。以某一复杂工件为例,首先,将其分解为平面、斜面、圆柱和圆锥台四个典型特征;然后,基于灵敏度分析分别辨识出各典型特征对应的关键几何误差;最后,分特征地进行误差补偿。在AC双转台五轴数控机床上进行了实验验证,实验结果表明,辨识得到的关键几何误差灵敏度系数之和占比均大于90%,补偿后工件四个典型特征的加工精度提高了20%~30%。研究结果表明,所提方法能有效辨识不同工件分特征下的关键几何误差,从而提高复杂工件的加工精度。