机床加工功耗预测是进行加工过程精细化能耗管理与实现低能耗制造的关键性基础,对于实现我国制造业发展水平升级、增强制造业核心竞争力以及提升制造业能源利用效率均具有重要意义。已有研究中机床加工功耗预测模型多是在理想刀具条件下构建,与真实加工工况存在差异,导致预测误差较大、应用推广价值较低。同时,现有模型的预测原理多以材料去除率与机床功耗的相关性为基础,缺乏加工功耗理论层面的影响因素及影响机制分析。目前,如何进行适应实际工况条件的机床加工功耗理论建模和精确预测,已经成为关系到制造业装备发展、工艺优化升级以及实现加工过程智能化在线监测与优化的重要问题之一。本文以数控机床加工功耗预测以及刀具磨损状态对功耗的影响为研究对象,深入探讨机床加工功耗的理论建模,并通过对磨损刀具的切削力建模分析,实现更趋实际工况的磨损刀具切削机床加工功耗预测模型的解析与构建;同时基于模型的逆向推导,达到利用机床加工功耗对刀具磨损状态监测和刀具寿命的预测,进而实现对加工表面质量的有效控制。具体而言,主要研究内容及创新性贡献如下:1.建立了机床加工功耗预测理论模型。针对切削过程中机床功耗无法准确预测的问题,在已有研究基础上,以刀具切削做功产生的理论机制为基点,以考虑切削参数间相关性为前提条件,采用数理建模的方法,根据对机床不同运行状态功率消耗特征来源的分析和立铣刀的切削运动特点,建立了一种基于主轴转速与进给速度确立的机床空切功耗模型、以及利用瞬时切削力构建的切削负载功耗模型的机床加工过程功耗预测理论模型。2.提出了机床加工功耗预测理论模型未知影响因子的标定方法。针对全新刀具切削过程中的机床加工功耗进行实验研究,并对实际测量的功耗数据集进行统计回归分析,以确定理论模型中未知影响因子系数值。应用已标定影响因子系数的完整模型对机床加工功耗预测模型开展一般性工况验证与对比分析,验证了本文所提出的建模理论以及预测模型合理、可行。3.建立了磨损刀具切削力预测模型。考虑到实际加工过程中切削力对于刀具磨损特征的敏感性,基于正交切削力→斜角切削力→斜角磨损力的建模思路,对刀具后刀面磨损特征为主的切削力预测问题展开研究,在分析磨损区域与加工表面相互作用力的基础上,引入加工表面回弹作用对磨损刀具后刀面的受力状态,建立了磨损刀具斜角切削力预测模型,同时发现切削力分量中切向力和轴向力的切削力系数与切削刃倾角呈较强相关性。依据斜角切削力预测模型,实现了对磨损刀具三维铣削力预测模型的构建。基于磨损刀具铣削力实验,通过对刀具不同磨损状态下铣削力预测值与实验测量值的误差分析,验证了该铣削力模型的合理性和准确性。4.建立了刀具时变状态下的机床加工功耗预测模型。针对刀具全寿命周期内磨损量对切削功耗的影响规律分析,引入后刀面磨损量对初始切削功耗的影响函数,结合刀具初始状态的机床加工功耗模型,对刀具全寿命周期内不同磨损阶段切削功耗进行拟合,确定刀具磨损特征影响函数的具体形式及未知系数,进而建立了刀具时变状态下的机床加工功耗模型。最后通过实验验证了该功耗模型在不同切削参数时刀具寿命周期内各磨损阶段的机床加工功耗预测精度水平,并由误差分析验证了该预测模型的有效性。5.提出了一种铣削加工刀具磨损预测方法。基于磨损刀具切削机床加工功耗模型所具有的双向循环效应,提出了一种刀具磨损量的预测方法,能够实现利用机床加工功耗,对切削过程中刀具后刀面磨损量的准确预测。通过不同切削参数组合的立铣刀磨损切削功耗实验,对该预测方法进行了验证,实验结果表明通过对机床加工功耗的测定能较为准确的预测刀具磨损状态。本研究实现了对实际加工过程机床功耗和刀具磨损的精确预测,为有效优化机床耗能、准确判定刀具寿命、进而为控制加工表面质量提供了重要的理论基础与实验方法的支撑。