高效低碳数控加工参数多目标优化模型研究.docx

高效低碳数控加工参数多目标优化模型研究摘要数控加工是目前机械制造行业应用比较广泛的一种加工方法。为实现数控加工的高效低碳化需要优化实际加工中的各项参数。然而实际数控加工过程中数控加工的加工工序各有不同其所需要优化的目标就会有所差异。本文主要针对数控加工参数优化问题展开探讨将数控加工的切削速度和进给量确定为优化变量建立实现最短加工时间（高效）和最低碳排放（低碳）的优化模型并利用复合形法对优化模型求解通过实例验证所建立的模型的有效性。【关键词】高效低碳数控加工参数多目标优化在数控加工的实际生产过程中参数选择如果有误不仅难以保证加工产品的精度和加工成本而且可能因切削力过大等原因造成数控集成被迫停机。加工过程中切削力的大小直接影响着生产效率、生产成本和加工产品质量等。控制加工过程中的切削力不仅可以提高企业的生产效率还能够节省生产成本。企业一直以来都力求加工操作的时间和成本最小化随着国家对加工企业生产过程中环境产生影响的约束加工企业对此类问题也逐渐关注。以国家节能减排为背景需要加工企业迫切解决数控加工过程碳排放问题需要对加工参数进行一定的优化。目前国内外许多学者针对切削参数的优化问题进行了研究但很少有人关注能耗方面且大多采用单目标优化方法。文中以此为鉴对高效低碳数控加工参数的优化问题进行研究。1高效低碳数控加工参数优化模型的建立1.1确定优化变量数控切削加工中对切削力产生影响的三要素分别是切削速度、进给量、切削深度。一般的优化变量定为这三项但由于切削深度对机床的刀具寿命的影响最小、切削深度可以根据工作余量和加工要求来确定本文的研究中将其设为已知忽略了优化过程。因此优化变量主要为切削速度和进给量。1.2建立目标函数本文的优化目标为加工时间和加工过程的碳排放。1.2.1数控切削加工的时间函数数控加工的总时间包括切削加工时间、刀具更换时间和另外的辅助加工时间。最短加工时间内的切削加工能够实现最高生产效率。建立的时间函数模型如下：（1）（2）刀具寿命计算公式：（3）其中tm表示切削时间tct是刀具更换时间tot是辅助加工时间T是刀具寿命LW是加工长度S是加工余量n是转速d0是加工产品直径VC是切削速度f是进给量asp是切削深度CT是相关常数xyz是刀具寿命系数。则加工时间的函数模型为：（4）1.2.2切削加工过程的碳排放函数切削加工过程的碳排放主要包括原材料消耗引起的碳排放Cm、电能消耗引起的碳排放Ce、刀具使用和切削液的使用产生的碳排放Ct和Cc以及后期处理工作产生的碳排放Cs碳排放的构成图如图1。其中原材料的消耗量很大程度上由工艺设计所决定后期处理是加工完成后的工作。所以将优化目标放在电能消耗、刀具使用和切削液使用产生的碳排放上则加工过程的总碳排放为（5）。电能引起的碳排放计算是：Fe是碳排放因子Ee是电能消耗量。电能碳排放因子与电网的构成有着密切关系不同电网系统中的碳排放因子不同。（1）电能消耗量的计算是：（6）其中Pu0是加工空载状态下的最低空载功率A1、A2是主轴转速系数KFC、Cafe、XFC、sync、nfc表示与所加工产品的材料和切削条件有关的系数。（2）刀具使用产生的碳排放。一般情况下数控加工过程中刀具使用直接产生的碳排放较小主要是间接产生的。因此计算方法采用以刀具寿命周期为范围按时间标准折算到加工过程具体计算如下：（7）Ft表示刀具的碳排放因子Wt表示刀具质量。要确定刀具碳排放因子需要了解刀具制造过程中的能耗。刀具寿命是指新刀到报废为止所经历的切削时间其中也有多次重磨情况出现所以刀具寿命Tt=（N+1）T（8）。T即刀具寿命。（3）切削液使用产生的碳排放。本文主要考虑的是水溶性切削液。切削液使用产生的碳排放主要由纯矿物油制备引起的碳排放Co和切削液废弃处理引起的碳排放CW组成。更换切削液的周期较长而切削液引起的碳排放和刀具碳排放一样将其在一定周期内按时间标准折算到加工过程中计算如下：（9）其中F0表示纯矿物油碳排放因子FW表示切削液废弃处理CC放因子CC表示初始切削油用量AC表示附加切削油用量δ为切削液浓度TC为切削液更换周期。由于水溶性切削液浓度较低计算废弃切削液的碳排放因子可采用废水处理碳排放因子代替。切削液在使用也会发生蒸发、渗漏等现象需要不断添加纯矿物油和水来保证切削液的浓度。1.3参数取值条件通常只能在机床主轴转速、进给量、最大切削力、最大切削功率、加