CN110442025A - 一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法，基于对铣削加工碳排放情况的分析，建立了一个涵盖低碳目标、材料去除率目标、碳效率目标的多目标优化模型，并针对该多目标问题，根据实际加工特征建立了一系列约束条件，以得到最优解，即通过该模型能计算出最优的切削参数组合，以提高数控铣削加工过程的能量利用率，降低铣削加工过程中的碳排放量。因此，本发明能实现加工过程中产生单位碳排放的同时去除更多的材料，这对于产品制造过程的节能减排具有至关重要的作用，有利于提高生产率、减少工业生产中温室气体的排放，改善环境。

Description

一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法

技术领域

本发明涉及一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法，属于低 碳制造研究技术领域。

背景技术

全球气候变暖是当今社会普遍关注的问题，随着工业化的发展， 人类大量的使用煤、石油等矿物燃料，导致了大量CO2等温室气体的 排放，形成了“温室效应”。中国作为世界第二大经济体，是世界 上能源消费最大的国家之一，根据国际能源署的统计资料显示，2013 年我国的CO2排放量高达89.8亿吨，占了世界CO2总排放量的27.9％。 根据美国能源情报署(EIA)的统计数据，2010年中国能耗为 112.914×1015千焦，CO2排放为8.38144×109吨，其中工业能耗 占比为71.3％；同比美国的能耗为103.703×1015千焦，CO2排放 为5.6006×109吨，工业能耗占比为30％。可见，我国已成为全球能 源消耗及二氧化碳排放大国。环境的恶化及大量化石能源的浪费，使 得人类的生存环境面临着前所未有的挑战。

我国是典型的制造业大国，机床，工业母机作为制造业的能源消 耗主体，被广泛的应用于各行各业的生产制造过程中，直接或间接产 生大量碳排放，因此，机床又是机械制造系统碳排放的主体。据相关 统计，我国的机床设备大约有800万台，机床拥有量世界排名第一， 然而机床能量利用效率却不尽如人意，据相关研究，一台机床在生命 周期内的能量利用率平均低于50％，低下的能量利用率为机床的节能 减排留下了巨大的研究空间。

机械加工业是国民经济的物质基础，也是整个制造业资源消耗与 碳排放的主要源头。因此，积极推进机械制造业低碳化进程，是在应 对全球气候变化新形势下，我国机械制造业的发展新趋势新挑战。低 碳制造的研究已成为新的学术热点并受到国内外学术界的关注，关于 工艺过程的能效及碳排放的定量计算、碳排放减量化理论及技术的研 究尤为受到关注。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种构建铣削切削参数低碳优化模型的 方法，该方法通过该模型能计算出最优的切削参数组合，实现加工过 程中产生单位碳排放的同时去除更多的材料，对于产品制造过程能效 优化及节能减排都有着至关重要的作用，有利于提高生产效率、减少 工业生产中温室气体的排放，改善环境。

本发明的技术方案：一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法， 基于铣削加工输入和输出特性分析，建立了一个涵盖低碳目标、材料 去除率目标、碳效率目标的多目标优化模型，以提高数控铣削加工过 程的能量利用率，降低铣削加工过程中的碳排放量，并针对该多目标 问题，根据实际加工特征建立了一系列约束条件，以得到最优解，即 最佳的切削参数配置，以工步为单元，其模型如下：

min[(P_kz+P_cut+P_fz)·F_e]

其中，MRR表示单位时间材料去除率(mm³/s)，t_is表示切削加工 时间(s)，表示铣削加工过程总的碳排放量，a_p为切削深度， a_e表示切削宽度，n表示主轴转速，z表示铣刀刀齿数，f_z表示每齿 进给量，P_kz表示机床的空载功率(KW)，P_cut表示切削功率(KW)， P_fz表示附加载荷耗损功率(KW)，F_e表示电能碳排放因子 (kgco₂e/KW·h)，M为机床扭矩(N·m)，M_max为机床最大扭矩(N·m)，F_cut表示铣削切削力(N)，η为传动效率，v_cmin为最小允许切削速度 (m/min)，v_cmax为最大允许切削速度(m/min)；P_max为机床主轴最 大功率(KW)，f_min最小允许进给量(mm/r)，f_max最大允许进给量 (mm/r)，Ra_max表示最大表面粗糙度(μm)，一般粗铣时取6.4μm， r_ξ表示刀具刀尖圆弧半径(mm)。

进一步，所述碳排放目标是指完成该工步加工任务全程产生的总 碳排放，包括直接用于切削的切削碳排放、机床闲置碳排放以及机床 的附加载荷碳排放。

进一步，所述的材料去除率是指利用指定加工方法去除工件余量 的快慢。

进一步，所述的碳效率是指产生单位碳排放可去除的材料体积。

由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：本方法在传统工 艺规划目标基础上引入了碳效率规划目标，与传统工艺规划目标构建 了一个多目标函数。本方法中引入了多个约束条件，包括机床扭矩约 束、切削功率约束、粗糙度约束、进给量约束以及切削速度约束，为 面向低碳切削参数优化求解限定了搜索区间。因此，本发明通过模型 能计算出最优的切削参数组合，实现加工过程中产生单位碳排放的同 时去除更多的材料，这对于产品制造过程的节能减排具有至关重要的 作用，有利于减少工业生产中温室气体的排放，改善环境。

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例 对本发明作进一步的详细说明。

本发明的实施例：一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法， 该方法包含了低碳目标、材料去除率目标、碳效率目标的多目标优化 模型。

碳排放目标利用指定方法求出在加工过程所产生的碳排放，包含 了三部分：机床空载运行碳排放、切削碳排放和附加载荷碳排放，空 载运行时的碳排放与设备相关参数有关，通过计算获得，切削碳排放 和附加载荷碳排放可根据相关文献及数据库查得对应参数后计算获 得，总碳排放用C_et表示如下：

式中k_FC、C_F表示切削力系数；a_p表示轴向切深(mm)，a_e表示径向 切深(mm)，f_z表示每齿进给量(mm/r)，x_F、y_F、u_F、w_r、q_r分别为相关参 数的影响指数，d_o表示铣刀直径(mm)。

材料去除率目标跟刀具参数和相关切削加工参数有关，通过计算 获得，材料去除率MRR如下所示：

碳效率目标跟碳排放及材料去除率目标相关，通过计算获得。

根据分析，建立了一个涵盖低碳目标、材料去除率目标、碳效率 目标的多目标优化模型，通过该模型计算出最优的切削参数组合，以 提高数控铣削加工过程的能量利用率，降低铣削加工过程中的碳排放 量，并针对该多目标问题，根据实际加工特征建立了一系列约束条件， 以得到最优解。以工步为单元，其模型如下：

min[(P_kz+P_cut+P_fz)·F_e]

其中MRR表示单位时间材料去除率(mm³/s)，t_is表示切削加工时 间(s)，表示铣削加工过程总的碳排放量，a_p为切削深度，a_e表示切削宽度，n表示主轴转速，z表示铣刀刀齿数，f_z表示每齿进 给量。P_kz表示机床的空载功率(KW)，P_cut表示切削功率(KW)，P_fz表示附加载荷耗损功率(KW)，F_e表示电能碳排放因子(kgco₂e/KW·h)， M为机床扭矩(N·m)，M_max为机床最大扭矩(N·m)，F_cut表示铣削切 削力(N)，η为传动效率，v_cmin为最小允许切削速度(m/min)，v_cmax为 最大允许切削速度(m/min)；P_max为机床主轴最大功率(KW)，f_min最小允许进给量(mm/r)，f_max最大允许进给量(mm/r)。Ra_max表示最 大表面粗糙度(μm)，一般粗铣时取6.4μm，r_ξ表示刀具刀尖圆弧 半径(mm)。

Claims (4)

1.一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法，其特征在于：基于铣削加工输入和输出特性分析，建立了一个涵盖低碳目标、材料去除率目标、碳效率目标的多目标优化模型，以提高数控铣削加工过程的能量利用率，降低铣削加工过程中的碳排放量，并针对该多目标问题，根据实际加工特征建立了一系列约束条件，以得到最优解，即最佳的切削参数配置，以工步为单元，其模型如下：

min[(P_kz+P_cut+P_fz)·F_e]

其中，MRR表示单位时间材料去除率(mm³/s)，t_is表示切削加工时间(s)，表示铣削加工过程总的碳排放量，a_p为切削深度，a_e表示切削宽度，n表示主轴转速，z表示铣刀刀齿数，f_z表示每齿进给量，P_kz表示机床的空载功率(KW)，P_cut表示切削功率(KW)，P_fz表示附加载荷耗损功率(KW)，F_e表示电能碳排放因子(kgco₂e/KW·h)，M为机床扭矩(N·m)，M_max为机床最大扭矩(N·m)，F_cut表示铣削切削力(N)，η为传动效率，v_cmin为最小允许切削速度(m/min)，v_cmax为最大允许切削速度(m/min)；P_max为机床主轴最大功率(KW)，f_min最小允许进给量(mm/r)，f_max最大允许进给量(mm/r)，Ra_max表示最大表面粗糙度(μm)，一般粗铣时取6.4μm，r_ξ表示刀具刀尖圆弧半径(mm)。

2.根据权利要求1所述的构建铣削切削参数低碳优化模型的方法，其特征在于：所述碳排放目标是指完成该工步加工任务全程产生的总碳排放，包括直接用于切削的切削碳排放、机床闲置碳排放以及机床的附加载荷碳排放。

3.根据权利要求1所述的构建铣削切削参数低碳优化模型的方法，其特征在于：所述的材料去除率是指利用指定加工方法去除工件余量的快慢。

4.根据权利要求1所述的构建铣削切削参数低碳优化模型的方法，其特征在于：所述的碳效率是指产生单位碳排放可去除的材料体积。