工业生产在给人类生活带来福利的同时,也给人类赖以生存的生态环境带来了巨大的负担,人类社会的发展越来越受到能源、资源和环境的约束,因而人们必须寻求一种可持续的发展模式。节能减排是人类社会实现可持续发展的第一步,而机床作为工业生产的母机,具有量大面广能效低的特点,蕴含着巨大的节能潜力。但由于机床能耗特性的复杂性,人们目前还缺乏对机床能耗特性的深入理解,在实际生产中仍然难以准确预测加工过程能耗,同时也由于缺乏有效的方法对机床能效水平进行评价,导致在实际生产中人们无法根据能效水平对机床进行分类管理和使用。以上问题对产业界降低机床使用过程能耗造成了巨大的困难,对此,本文以重型数控铣镗床这一关键设备为对象,从机床能耗建模、加工过程能耗预测、机床能耗特性研究和机床能效水平评价共四个方面进行了研究。基于功率流分析建立了机床能耗模型。定义了机床直接能耗计算边界,在此基础上将机床总功率划分为由运动子系统消耗的功率和由固定子系统消耗的功率,并称后者为机床基础功率。详细分析了主轴和进给轴的功率流,分别建立了相应的能耗模型。通过对比分析切削时和空载时机床功率的差异,发现切削时的机床功率和空载时的机床功率之间的差值并不等于材料去除功率,将这部分功率称为切削附加功率,并建立了其理论模型。进一步,通过切削附加功率,建立了机床切削功率和空载功率之间的联系,从而消除了机床能耗特性研究中由切削条件变化(如切削参数、刀具、工件材料等)所带来的复杂性,极大地简化了机床功率特性的研究过程。通过实验研究了重型数控铣镗床的能耗特性。搭建了机床功率测量系统,通过实验验证了所建立的机床能耗理论模型,重点研究了机床主轴系统和进给系统等子系统的空载能耗特性以及切削附加功率,并通过切削附加功率建立了机床空载功率和切削功率之间的联系。同时,以面向节能的切削参数优化为切入点,研究了切削参数变化对加工能耗的影响规律。提出了基于虚拟制造的加工过程能耗预测方法,并据此分析了重型数控铣镗床在实际加工中的能耗特性。从时间和空间两个维度联合定义了加工过程综合能耗的边界,且据此将加工过程综合能耗划分为直接能耗和间接能耗,并分别建立了各自的能耗计算模型。通过在传统虚拟制造系统上扩展和集成能耗分析功能,提出了基于虚拟制造技术的加工能耗预测方法,并开发了具有能耗评估功能的虚拟制造系统MEsim。验证了所开发MEsim系统的可靠性和所提出的加工过程能耗评估方法的准确性,以一个典型的加工过程为例,从实时功率、实时能耗、加工能耗构成、加工时间构成、不同加工状态下各机床子系统能耗、加工过程功率的统计学分析等多个维度对该加工过程中重型数控铣镗床的能耗特性进行了分析。为了指导机械制造企业节能,基于上述机床能耗特性研究,建立了机床能效水平评价体系。分析了机床能效水平评价的一般原则和需求,通过研究不同加工工况下的机床能耗特性,得到了机床能效关键影响因素,并同时从子系统层面和整机层面建立了机床能效水平评价关键指标集。利用DEMATEL方法将多个指标集成为了一个综合的机床能效水平评价指标,该指标能够全面反映机床能耗特性,具有物理意义明确、易于测量、能够同时满足不同人员对机床能效水平评价的需求等特点,并据此设计了机床能效水平标识。针对两台TK6920重型数控铣镗床,示范了所提出能效水平评价体系的应用。本文的研究将为机械制造行业降低能耗水平和制定机床能效评价标准提供理论依据。