1 面向绿色制造的刀具综合选择模型的建立

1. 面向绿色制造的刀具决策问题的目标体系
   面向绿色制造的刀具的综合选择问题实际上是一个多目标的、定性与定量相结合的复杂决策问题。通常，对刀具选择，切削过程的优化以最高生产率(或最短生产时间)、最低单件成本和最高利润率作为判据。随着21 世纪制造业可持续发展的要求，刀具制造业将由主要追求经济效益的单一目标模式转变为追求经济效益与社会效益、环境效益协调发展的多目标模式。影响刀具产业发展的要素将由传统刀具产业的功能、质量、成本、服务拓展为功能、质量成本、时间、环境和资源。面向绿色制造的刀具选择决策目标体系把时间(T)、质量(Q)、成本(C)、资源(R)、环境(E)作为重要因素加以考虑，相应的目标函数为加工时间T(X)、加工质量Q(X)、生产成本C(X)、资源消耗R(X)、环境影响E(X)。对这五个目标变量追求的变化结果，即加工时间希望越少越好，加工质量希望越高越好，生产成本希望越低越好，资源消耗越少越好，环境影响希望越小越好。以上五个决策目标之间存在着密切的联系，它们共同构成了面向绿色制造的刀具决策目标体系。相应的决策目标向量分解如图1所示:
   

   进行模糊变换， 并进行归一化处理。模糊变换公式为:B=A·R=(b₁，b₂，…，b_k，…，b₁)，归一化公式为:

   2 案例分析

   某机床厂的数控滚切削加工过程中使用的刀具是传统普通高速钢，加工过程中，产品表面加工质量、加工效率和刀具寿命都较低，刀具磨损量较大，且加工过程中产生的废油雾、切屑、噪声等造成的环境污染较大。该厂希望采用一种国内研制的TiN涂层高速钢刀具、进口TiN涂层高速钢刀具来代替传统的普通高速钢刀具以此来提高产品的竞争力，并要求作者们对此帮助做出决策。本文针对传统普通高速钢、TiN涂层高速钢、进口TiN涂层高速钢等三种不同材料的刀具在同一数控机床YKX31320上(全封闭式)，分别采用逆铣和顺铣的不同切削方式，在近似相同的加工参数条件下，对同一工件碎火45钢件0903201加工，刀具后刀面磨损试验遵循ISO3685～1977(E)国际标准，从面向绿色制造的角度对此问题作出系统决策。检测项目和检测结果如下表1所示。

   距离的标定 即求出衡量被分类对象间相似程度的统计量rij，从而确定论域上的模糊相似关系矩阵R。统计数据归一化，以便于分析比较，通常可用极值标准化公式: ，也可以用最小较大贴近度

   1. 变量描述(方案描述)

   表1 4种方案比较结果如下

   项目		A	B	C	D
   刀具 参数	材料	高速钢逆铣	涂层高速钢逆铣	进口高速钢逆铣	进口高速钢顺铣
   	模数	4	4	3.941/4.00	3.941/4.00
   	螺旋方向	右旋(2°20')	右旋(2°16')	右旋(4°27'14)	右旋(4°27'14)
   	规格	f40*f110*110
   	精度等级	AA
   切削 规范	切削次数	5
   	切削速度m/min	43.2	69	67.2
   	滚刀转数r/min	125	200
   	轴向进给mm/r	1.4
   	吃刀深度mm	8	5
   检测 项目	加工时间	19m6s	13m19s	6m56s	6m40s
   	表面粗造度	2.125	1.75	1.25	0.825
   	刀具寿命(切削长度m)	1.5	2.25	3.75	4.0
   	刀具磨损量	0.105	0.071	0.0425	0.040
   	能源消耗	2.6kw(其中主轴1.64kW)	3.9kW(其中主轴2.7kW)	3.6kW(其中主轴2.6kW)	3.45 kW(其中主轴2.5kW)
   	单件生产刀具成本(元)	4.27	3.64	5.2	4.83
   	成本(元)	9.56	9.33	9.0	8.55
   	机床噪声	78.5	78.0	77.3	76.6
   	切削液烟雾	极小	较小	一般
   	切削液消耗	1	0.70	0.37
   	安全性	0.5	0.6	0.8
   备注加工机床: YB3120 是三轴数控的数控机床;工件:钢45°，模数4，齿数49，外径209 ，切齿宽度40 。 注:切削液消耗是以普通高速钢为标准作为参照值;噪声是在同一个产生较大噪声点取值的。

   X=(x1，x2，x3，x4)　其中x i(i=1，2，3，4)=

   0 —不采用第i个方案 1 —采用第i 个方案

   目标函数及初步分析

   时间函数T(X)、质量函数Q(X)、成本函数C(X)、资源消耗函数R(X)、环境影响函数E(X)所包涵的内容如图1所示，依据面向绿色制造的刀具决策目标体系的分解内容建立4 种方案综合评价体系如表1所示，在此决策过程中，采用决策模型中给出的求解方法对此五目标函数进行综合评价，得到可以量化的结果，以此来反映出4 个方案的最后优化结果。

   4 种方案的综合评价结果

   依据上述模型的求解方法，得出4 种方案的综合评价矩阵B 和综合评价分数结果见表2 :

   X=

   (1，0，0，0)=方案A，即采用高速钢刀具逆铣方式(x1=1，x2=0，x3=0，x4=0) (0，1，0，0)=方案B，即采用国产涂层高速钢刀具逆铣方式(x1=0，x2=1，x3=0，x4=0) (0，0，1，0)=方案C，即采用进口涂层高速钢刀具逆铣方式(x1=0，x2=0，x3=1，x4=0) (0，0，0，1)=方案D，即采用进口涂层高速钢刀具顺铣方式(x1=0，x2=0，x3=0，x4=1)

   最终的综合评价结果表明:进口TiN涂层高速钢顺铣方式方案>进口TiN涂层高速钢逆铣方式方案>国内研制的TiN涂层高速钢刀具逆铣方式方案>普通高速钢逆铣方式方案。特别是实验数据描述能源消耗和环境影响目标体系的要素诸如在能源消耗、噪声、加工精度、表面粗糙度、以及刀具寿命和刀具磨损方面，进口TiN涂层高速钢刀具也依次优于TiN涂层高速钢刀具和普通高速钢刀具的结果;四种方案中刀具的磨损大小如表1 所示，若磨损标准为0.105mm，则国产TiN涂层高速钢刀具和进口TiN涂层高速钢刀具的耐用度分别比末涂层高速钢刀具提高约2倍和5倍。而涂层刀具加工的工件表面粗糙比末涂层刀具加工的工件表面粗糙度降低约50%。从表1中可以看出，尽管进口TiN涂层高速钢单件生产刀具成本很高，但由于效率的提高则使机床费用和人工费用有很大的降低，其综合成本降低，这也是工业发达国家制造业所采取的经营策略相一致。所以考虑在大规模批量生产下综合成本的因素下，该厂仍然采用进口TiN涂层高速钢刀具方案，并因此而取得了较显著的综合效益(经济效益和社会效益)。实践生产表明取得了良好的效果。

   4 结论

   分析了在现代切削加工中，刀具是切削加工中保证加工质量、提高生产效率、减少环境污染的一个重要因素，刀具的合理选择是提高切削加工绿色性能的重要途径之一。建立了面向绿色制造的刀具优选决策多目标体系，包括时间T、质量Q、成本C、资源消耗R、环境影响E 等五大决策目标，并对目标体系中决策向量进行分解。在此基础上，建立了面向绿色制造的刀具综合选择模型，并建议采用模糊聚类综合评价的定量分析和专家系统的定性推理相结合的方法进行模型求解方法。用实例对上述模型和方法进行了验证，说明该模型和求解方法的应用是可行的。

   
   
   
   

   表2 4种方案比较结果

   方案	综合评价矩阵	综合评价分数
   A	(0.486，0.302，0.205)	67.47
   B	(0.567，0.302，0.122)	72.79
   C	(0.757，0.179，0.07)	80.67
   D	(0.764，0.168，0.068)	81.12