7 REFERENCES
[1] Diaz, N.; Helu, M.; Jayanathan, S.; Chen, Y.; Horvath, A.; Dornfeld, D. (2010): Environmental Analysis of Milling Machine Tool Use in Various Manufacturing Environments, IEEE International Symposium on Sustainable Systems and Technology (ISSST2010), Washington, D.C.
[2] Carnegie Mellon University Green Design Institute. (2010): Economic Input-Output Life Cycle Assessment (EIO-LCA), Available from: http://www.eiolca.net/
[3] Diaz, N.; Choi, S.; Helu, M.; Chen, Y.; Jayanathan, S.; Yasui, Y.; Kong, D.; Pavanaskar, S.; Dornfeld, D. (2010): Machine Tool Design and Operation Strategies for Green Manufacturing, in: Proceedings of the 4th CIRP International Conference on High Performance Cutting (HPC2010), Vol. 1, pp. 271-276, Gifu, Japan.
[4] Rangarajan, A.; Dornfeld, D. (2004): Efficient Tool Paths and Part Orientation for Face Milling, in: Annals of the CIRP, Vol. 53, No. 1, pp. 73-76. [5] Diaz, N.; Helu, M.; Jarvis, A.; T?nissen, S.; Dornfeld, D.; Schlosser, R. (2009): Strategies for Minimum Energy Operation for Precision Machining, in: Proceedings of the Machine Tool Technologies Research Foundation (MTTRF2009) 2009 Annual Meeting, pp. 47-50, Shanghai, China.
[6] Inamasu, Y.; Fujishima, M.; Hideta, M.; Noguchi, K. (2010): The Effects of Cutting Condition on Power Consumption of Machine Tools, in: Proceedings of the 4th CIRP International Conference on High Performance Cutting (HPC2010), Vol. 1, pp. 267-270, Gifu, Japan.
[7] Gutowski, T.G.; Liow, J.Y.H.; Sekulic, D.P. (2010): Minimum Exergy Requirements for the Manufacturing of Carbon Nanotubes, IEEE International Symposium on Sustainable Systems and Technology (ISSST2010), Washington, D.C.
[8] Behrendt, T. (2010): Development of a Simulation-Based Application to Derive and Estimate Potentials of Efficiency Measures for Diverse Machine Tool Processes, Diploma Thesis, Braunschweig University of Technology.
[9] Ashby, M.F. (2009): Materials and the Environment: Eco-informed Material Choice, Butterworth-Heinemann, Burlington, MA, USA.
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加州大学伯克利分校 制造与可持续性发展实验室
题名：
铣削机床使用的能源消耗特性及减缩策略 作者：
迪亚兹·南西，加州大学伯克利分校 多费尔德·大卫，伯克利大学 出版日期： 2011年04月05日 系列：
绿色制造与可持续生产的关系 出版信息：
绿色制造与可持续生产的关系，加州大学伯克利分校制造与可持续性发展实验室 永久链接：
http://escholarship.org/uc/item/40g995w6 关键词：
绿色机床，降低能耗，能量的特征 摘要：
机床因其生产生活功能被而被广泛的运用，因此，在运用的过程中消耗了大量的宝贵的自然资源，带来了很多有害的污染，本研究回顾了铣削机床在使用过程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一台微细加工中心在不同的材料去除率下切削低碳钢所消耗的功率是通过机床的比能来确定的。因此，为了研究切削钢件的能耗情况，本次研究通过研究了机床切割铝和聚碳酸酯的工件所需要消耗的功率进来进行了比较。
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铣削机床使用的能源消耗特性及
减缩策略
南希·迪亚兹，艾琳娜·利戴尔赛门，多费尔德·大卫 美国加州大学伯克利分校制造与可持续性发展实验室
摘要：
机床因其生产生活功能被而被广泛的运用，因此，在运用的过程中消耗了大量的宝贵的自然资源，带来了很多有害的污染，本研究回顾了铣削机床在使用过程中的能量特征和降低能耗的一些策略。一台微细加工中心在不同的材料去除率下切削低碳钢所消耗的功率是通过机床的比能来确定的。因此，为了研究切削钢件的能耗情况，本次研究通过研究了机床切割铝和聚碳酸酯的工件所需要消耗的功率进来进行了比较。
关键词：绿色机床，降低能耗，能量的特征 1 简介
一个产品的生产周期要经过三个阶段：制造，使用和使用终止。消费品在其使用期中被其使用阶段所支配，这些消费品包括灯泡、计算机、冰箱和汽车等这些被广泛使用的日常用品。所有这些产品所消耗的资源，特别是能源是以电能或燃料为主要形式。机床就是这样的一个产品。处于使用阶段的铣床被发现其二氧化碳的排放量占了其生命周期的60%到90%[1]。本研究提供了一个预测产品的生产过程的电能消耗的方法，其目的是为了消除产品的生产对环境的影响。
在进行生命周期评估时，产品设计师可以选择在选择的过程、经济投入产出(EIO)过程或混合进行。生命周期评估的缺点是这一方法需要获取过程细节的数据，这是一个耗时而且资源密集型的方法。另一种是直接测量机床电能消耗，例如投入——产出生命周期评估所做的数据整合那样[2]。因此一个投入——产出生命周期评估是不具体设计特定的产品的。此处介绍的这个策略是为一个特定的产品提供一个更快的生产能耗评估的方法。 1.1 负荷切削剖面
正如迪亚兹在参考文献[3]里所描述的那样，一台机床的能耗由切削能耗、变量能耗、恒定能耗元件的能耗组成。切削能耗是用于去除材料的额外能耗。这次用于分析的机床型号是日本森精NV1500 DCG，相对于大型加工中心来说这是一台微型加工中心，机功率相对较低。因此切削能耗占了总能耗的大部分。
研究发现，高皮重机床的能耗主要依赖于处理时间方面，受制于部分几何、工具的路径、和材料去除率。参考文献[4]给出了这样一个优化刀具路径的最低周期时间的方法。 本文涉及到材料去除率对能源消耗的影响。三轴联动加工中心的材料去除率可以由进给速率、切削宽度和切削深度控制。由于发现提高进阶速率对刀具的寿命有可怕的后果，所以本实验通过改变窃谑宽度和切削深度来改变材料去除率，来分析材料去除率对切削功率的影响，更重要的是对能耗的影响。虽然提高材料去除率减少了加工时间，但同时增加了主轴电机和主轴驱动上的负载，提高了能耗。因为我们的主要兴趣是能耗产品制造，对电力需求和加工时间之间的平衡的分析证实了因提高材料去除率而增加的负载并不会增加总能耗。
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2 不同的材料去除率的能耗
由于机床程序员和操作者在制定一个工件的生产工艺是有很多的选择，所以本文分析努力选取降低能耗的机床加工工艺参数。有关参数对材料去除率(M.R.R.)在日本森精机NV1500不同而选择合适的常规工具。能量消耗是通过Wattnode总线瓦特计测量的。
在之前的实验中，是通过不同的主轴转速、进给速率、每齿进给量和刀具类型来分析切削低碳钢AISI 1018钢时能耗的变化[5]。同时，[6]进行了比较平铣、立铣、钻孔铣等铣削加工在提高切削速度后的能耗、加工成本和刀具磨损的实验。当工艺参数的选择原理推荐条件时，刀具磨损和刀具成本显著增加。所以在接下来的实验虽然刀具类型改为保持推荐工艺参数,但加工能耗降低了。 2.1 宽度切削实验
考虑到因改变道具类型而造成能源节省，这个实验项目主要集中于不同的材料切除率。第一个切口是增加了的宽度，用以下刀具进行加工： 1. 两齿无涂层的硬质合金立铣刀。 2. 两齿的锡涂层的硬质合金立铣刀。 3. 4齿的锡涂层的硬质合金立铣刀。
切口是在长度为101毫米的1018钢件上用直径为8毫米的立铣刀以2毫米的切削深度沿着Y轴方向进行切削。切削深度以1毫米作为增量在1到7毫米之间变化，此外，还有一个7.5毫米深的切口。表1总结了切割条件使用。为了避免过多的刀具磨损和破损，每齿的切削深度保持在0.03毫米左右。
刀具 转/每分钟 毫米/每分钟 毫米/每齿 立方毫米/每秒 主轴转速 进给速度 排屑量 材料去除率 1 2 3 5426 7060 7060 330 430 860 表1：切削宽度工艺参数实验
0.033 0.03. 0.030 11-83 14-108 29-215 在进行每个切削宽度的切削能耗的测量之前，所测量的能耗是在机床空切状态下，也就是机床在不切削材料时进行测量的。用这一方法测量出来的能耗与切削过程中的能耗联系起来，就可以知道在接下来所说的切削能耗了。经测量刀具2所用的切削参数的平均空切切削功率为1510W，所以这是要从总的切削功率中减去的。图1显示了刀具2在不同的材料去除率下的切削功率。图形在材料去除率近于为75立方毫米每秒的时候呈一个微微的抛物线形式变化。
切削宽度为7.5mm时的功率几乎是宽度为1mm时的功率的9倍。由于机床的空切功率为1510W，增加了材料去除率后的能量消耗也只是增加了28%而已。因此，从能耗成本来考虑经营者还是选择提高材料去除率来降低能源消耗。
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图1：用（2）号刀具切削1080钢的能耗
图2为精森NV1500 DCG立式加工中心用1~3三把刀具切削所消耗的功率。以用1到3号刀具作为前提下研究发现机床切削功率与材料去除率成抛物线的线性关系。其中3号刀具的切削功率最大，但是主轴电机和主轴驱动器上的负载却比用2号刀具在其余条件同等，将进给速率调大两倍或更大的倍率还要大。
图2：不同材料去除率所需的总功率
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