面向綠色製造的切削液綜合選擇模型及其應用實例

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面向綠色製造的切削液綜合選擇模型及其應用實例
* |' r) |; ^+ z9 T4 }環 境、資源、人口是當今人類社會面臨的三大主要 問題。人類活動引起的環境惡化正對人類社會的生存與發展構成嚴重威脅。近年來，國際標準化組織相繼頒布了質量管理體系標準(ISO9000 系列)、環境管理體系標準(ISO14001)和職業安全與衛生管理體系標準(OHSAS18001)，將質量管理、環境管理和職業安全與衛生管理納入企 業綜合管理，為企業全面提高管理水平、加強綜合實力提供了管理手段和工具。在製造業引起的環境問題日趨尖銳之際，一種適應可持續發展戰略的先進製造模式 ——綠色製造開始嶄露頭角。綠色製造是一種綜合考慮環境影響和資源效率的現代製造模式，其目標是使產品從設計、製造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產 品生命週期中對環境的影響(負作用)為零或最小，使資源消耗盡可能小，並使企業經濟效益和社會效益得到協調優化。 在切削加工過程中，切 削液是造成環境污染的主要污染源之一。採用綠色切削液、減少切削液的環境污染等問題已成為綠色製造領域的研究熱點之一。美國密執安技術大學對切削加工中切 削液的適當用量問題進行了研究，試圖在滿足加工要求的情況下使切削液用量最少，以期將與切削液有關的費用降至最低。美國Thyssen 製造公司正全力研究「最小潤滑」加工技術，使切削液的液流或氣霧通過刀具作用於加工區域，切削液的流量由CNC 程序控制，效果比較理想。山東工業大學孫建國等基於產品生命週期對切削液的綠色性進行了研究。 生產實踐證明，合理選擇切削液可充分發揮 切削液的性能，節約加工成本，並減少切削液對環境的污染，因此，對切削液進行優化選擇是減少加工過程中切削液污染的重要途徑之一。本文在綜合考慮切削液質 量、成本及環境影響等決策目標的基礎上，建立了面向綠色製造的切削液綜合選擇模型及其約束條件，並結合生產實例對該模型的應用方法及可行性進行了分析驗 證。 2 面向綠色製造的切削液綜合選擇模型的建立筆者從20世紀80年代初以來對與綠色製造直接相關的製造系統中的 資源和能源問題進行了長期研究，並提出了基於綠色製造的T(時間)、Q(質量)、C(成本)、E(環境影響)、R(資源消耗)等五大決策目標變量的決策目 標體系以及相應的決策框架模型。綠色製造中的任何一個決策問題都與上述五個決策目標變量中的某些(或全部)因素有關。 上述模型只是針對製造系統而言，並未建立具體的切削液綜合選擇模型。本文在綠色製造目標體系和決策模型的基礎上，結合切削液選用中的具體問題，提出了面向綠色製造的切削液決策目標體系和決策目標分解框架變量組，並在此基礎上建立了具有可操作性的切削液綜合選擇模型。

• 面向綠色製造的切削液決策問題目標體系 面 向綠色製造的切削液綜合選擇問題是一個多目標的、定性與定量相結合的複雜決策問題。要建立決策模型，首先需要確定決策變量，即決策活動追求的目標。按傳統 方式選擇切削液時，人們追求的目標變量主要為質量(Q)和成本(C)。其中，質量主要指切削液的潤滑、冷卻和清洗性能及其使用週期和利用率；成本則包括經 濟成本(材料成本、設施和設備成本、勞動力成本、能源成本)、用戶成本(使用成本、維護成本)及其它雜項成本。工業發達國家的製造業在選擇切削液時，除需 滿足切削加工工藝要求外，更注重考慮切削液對人身健康的危害、廢液處理和綜合成本等因素。這一觀點正逐漸被國內切削加工業所接受。面向綠色製造的切削液選 擇決策目標體系是將環境影響(E)作為一個重要因素加以考慮，即面向綠色製造的切削液決策目標變量為質量(Q)、成本(C)和環境(E)三個因素，對這三 個目標變量的追求結果為質量最高、成本最低、環境影響最小。Q、C、E 三個決策目標之間存在密切聯繫，它們共同構成面向綠色製造的切削液決策目標體系。該體系中決策目標向量的分解內容如圖1所示。
  

  http://www.e-cuttech.com/images/gjjs200209p10-1.gif 圖1 面向綠色製造的切削液決策目標體系分解內容

  切削液的環境影響主要包括以下三個方面：
  • 對生態環境的影響：該 指標主要指生產過程中產生的廢氣、廢液、廢物等可能對生態環境造成的影響。切削液對環境的危害主要體現為將切削加工中使用過的廢油、廢液等不經有效處理直 接排放或焚燒對水資源或大氣造成的污染。此外，切削加工中使用的切削液或多或少會存留在切屑上，因此對帶有殘存切削液的切屑以及切削液壽命結束後處置不當 也可能對環境造成影響，如切屑大量堆積會污染土壤，對切屑進行再生利用時切削液的有毒有害成分也會污染環境。
  • 對職業健康、安全與衛生的影響：該 指標主要指在生產過程中可能對職業勞動者健康造成的損害。切削液對人體的危害首先表現為切削液中的添加劑(如常用作殺菌劑的苯酚類物質)具有較大毒性；其 次，切削液中的礦物油、表面活性劑等的脫脂作用以及防腐殺菌劑的刺激性會使人體皮膚乾燥、脫脂，甚至引起開裂、紅腫、化膿等；此外，油基切削液的主要成分 礦物油和水基切削液中的鹼性物質對人的呼吸器官也具有一定危害作用。
  • 不安全性：該指標主要指在生產過程中因各種原因產生的不安全性。切削液中含有多種添加劑，在使用過程中可能造成設備腐蝕、生銹以及引發火災等不安全因素。
• 面向綠色製造的切削液決策問題的變量描述 切削液決策問題的實質是使用方案的優化問題，即從若干可能的方案中選出最優或相對較優的方案。對切削液的使用方案進行優化時，涉及的所有變量均可用一個n維向量來描述，即 X=[x1，x2，…，xn]T式中，n為可能的加工方案數，xi(i=1，2，…，n)代表第i 個加工方案，且有

  xi=	{	0—不採用第i個方案
  		1—採用第i個方案

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面向綠色製造的切削液綜合選擇模型及其應用實例
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• 模型選擇及約束條件
• 基於上述分析，建立面向綠色製造的切削液綜合選擇模型如下：
• 目標函數為：Q(X)(用於描述質量決策目標)、C(X)(用於描述成本決策目標)、E(X)(用於描述環境影響決策目標)。優化描述為 maxQ(X)，minC(X)，minE(X)→Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]

• 建立面向綠色製造的切削液綜合選擇的決策模型如下：對於某一切削液選擇決策問題X=[x1，x2，…，xn]T，求出
• X*=[x1*，x2*，…，xn*]T
• 滿足約束條件

gu(X)0	(u=1，2，…，k)
hv(X)=0	(v=1，2，…，p <>

• 使得
• Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]
  X∈Rn
• 其中，X*為最優切削液種類。
• 上述切削液選擇模型是一個在給定環境條件(即系統約束邊界，如有限資源控制以及滿足加工工藝要求)和目標下建立的多目標規劃模型。該模型有兩個約束條件：gu(X)為模型的不等式約束條件；hv(X)為模型的等式約束條件。分別討論如下：
• 等式約束條件hv(X)對於X=[x1，x2，…，xn]T，任一X都等於0(即不採用該方案)或1(即採用該方案)，而綜合選擇的最優方案X*=[x1*，x2*，…，xn*]T是在滿足等式約束條件x1*+x2*+…+xp*=1的情況下目標函數的最優值，即Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。
• 不等式約束條件gu(X) 對於模型中的目標函數Q(X)，C(X)，E(X)，在滿足切削加工工藝要求的基礎上，均受到不同方案的質量、成本和環境目標的相關約束。對於X=[x1，x2，…，xn]T(x1，x2，…，xn等於0 或1)，求出X*=[x1*，x2*，…，xn*]，滿足不等式約束條件gu(X)bi(u=1，2，…，k)(其中bi分別為質量目標約束、成本目標約束、環境目標約束和原材料約束)，得到Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。
• 3 應用實例分析
• 某機床廠在滾齒加工中原使用32#機 油作為切削油，對工人健康和加工設備都有一定危害性，且廢油較難處理。為貫徹質量管理體系標準(ISO9000 系列)、環境管理體系標準(ISO14001)和職業安全與衛生管理體系標準(OHSAS18001)，該廠希望採用一種國產新型綠色合成切削液SG-3 或進口合成切削液(3% Synthetic Oil)來替代傳統的32#機油。利用本文提出的面向綠色製造的切削液綜合選擇決策模型，可對此問題作出系統決策。
• 方案描述 該問題的方案描述方程為 X=[x1，x2，x3]其中：

  Xi(i=1，2，3)=	{	0—不採用第i 個方案
  		1—採用第i個方案

  X	{	(x1=1，x2=0，x3=0)=方案A1，即採用32#機油
  		(x1=0，x2=1，x3=0)=方案A2，即採用國產新型切削液
  		(x1=0，x2=0，x3=1)=方案A3，即採用進口合成切削液

• 目標函數評價 根 據面向綠色製造的切削液決策目標體系中質量函數Q(X)、成本函數C(X)和環境影響函數E(X)包含的分解內容(參見圖1)，建立表1所示的三種切削液 方案的綜合評價體系。在決策過程中，採用模糊聚類方法對三個目標函數進行綜合評價，得到量化的評價結果，以此反映三種方案的最終優化結果。該綜合評價體系 包含三個評價方面，每一評價方面包含多個評價要素，每一評價要素又包含不同的評價因素。各評價方面、評價要素及評價因素分別配置不同的權重，評價等級可設 為相同的數目等級，即V={v1，v2，v3}，分別記為：好/ 一般/ 差。
• 決策模型的建立 根據前述決策模型建立方法，可建立本應用實例的切削液綜合選擇模型如下：對於X=[x1，x2，x3](x1，x2，x3=0 或1)，求出X*=[x1*，x2*，x3*]，滿足約束條件：x1* + x2* +x3*=1，使得Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。
• 三種切削液方案的模糊評價根據決策模型，分別對三種切削液方案建立決策變量評價要素集，進行模糊評價。
  • 方案A1 (採用32#機油切削油)
    • 建立切削液質量(Q)評價要素集U11 U11={u1(潤滑性能)，u2(冷卻性能)，u3(清洗性能)，u4(使用週期)}11
    • 建立切削液質量(Q)評價要素模糊矩陣R11 根據專業測試方法並結合專家調查法，用隸屬度表示模糊矩陣，得出切削液質量(Q)評價要素的模糊評價矩陣R11為

      R11=	[	0.5	0.3	0.2	]
      		0.5	0.3	0.2
      		0.5	0.3	0.2
      		0.55	0.25	0.18		11

    • 建立切削液質量(Q)評價要素權重係數矩陣A11 A11=(0.3，0.3，0.3，0.1)11
    • 計算切削液質量(Q)評價要素綜合評價矩陣B1

      B1=A11R11=(0.3，0.3，0.3，0.1)11	[	0.5	0.3	0.2	]	" Z* u4 e8 @' Z' W; `
      		0.5	0.3	0.2
      		0.5	0.3	0.2
      		0.55	0.25	0.18		11
      =(0.505，0.295，0.198)

    依此類推，可得到切削液環境影響(E)要素評價矩陣B21、B22、B23和切削液成本(C)要素評價矩陣B31、B32、B33。經過上述兩層綜合評價，可得到切削液方案A1的綜合評價矩陣B為 評價方面 評價要素 評價因素 評價等級序號i ui 權重ai 序號j uij 權重aij 序號k uijk 權重 v1 v2 v3模糊矩陣好 一般 差 表1 三種切削液方案綜合評價目標體系1質量(Q)0.41潤滑0.3A1潤滑10.500.300.20A2潤滑10.700.250.05A3潤滑10.800.150.052冷卻0.3A1冷卻10.500.300.20A2冷卻10.700.250.05A3冷卻10.800.150.053清洗0.3A1清洗10.500.300.20A2清洗10.700.250.05A3清洗10.800.150.054利用率與使用週期0.1A1利用率與使用週期10.550.250.18A2利用率與使用週期10.700.250.05A3利用率與使用週期10.800.150.05
    # ?. b: g* l. b9 J無有多2環境(E)0.31毒性危害0.25A1毒性危害10.50.30.20A2毒性危害10.70.250.05A3毒性危害10.750.200.052安全指標0.35A1對人體危害0.30.60.30.10A2對人體危害0.30.70.250.05A3對人體危害0.30.800.200A1設備安全性0.250.500.30.20A2設備安全性0.250.650.250.1A3設備安全性0.250.750.200.05A1腐蝕性/防銹性0.250.550.30.15A2腐蝕性/防銹性0.250.650.250.1A3腐蝕性/防銹性0.250.700.20.1A1火災安全性0.20.80.20A2火災安全性0.21.000A3火災安全性0.21.0003環境指標0.4A1水體和土壤污染0.60.450.30.25A2水體和土壤污染0.60.60.250.15A3水體和土壤污染0.60.700.200.10A1廢棄物污染0.40.400.30.3A2廢棄物污染0.40.60.20.2A3廢棄物污染0.40.700.200.103成本(C)0.31生產成本0.5A1企業成本10.500.30.2A2企業成本10.680.220.1A3企業成本10.700.200.102用戶成本0.2A1使用成本、維護成本10.550.250.2A2使用成本、維護成本10.600.200.2A3使用成本、維護成本10.700.200.103社會成本0.3A1環境污染治理費用0.30.30.30.4A2環境污染治理費用0.30.60.30.1A3環境污染治理費用0.30.700.200.10A1職業保健費用0.40.50.30.2A2職業保健費用0.40.70.20.10A3職業保健費用0.40.750.150.10A1廢棄物處置費用0.30.550.250.2A2廢棄物處置費用0.30.650.20.15A3廢棄物處置費用0.30.750.150.10

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面向綠色製造的切削液綜合選擇模型及其應用實例
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Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]A1=B=AR
=(0.4，0.3，0.3)	[	0.505	0.295	0.198	]
		0.508	0.293	0.2336
		0.496	0.285	0.202
=(0.5035，0.292，0.21)

最後，可用總分數值來表達綜合評價結果。一般可取評價標準隸屬度集為u={u1，u2，…，ui，…，un，…｝，計算出綜合評價結果的具體得分，據此分數值可對被評價對像進行排序，得分計算方法為 得分=100Bu=100(b1，b2，…，bi，…，bm)
1 z) n6 _5 r# E7 }# Q{u1，u2…，，ui，…，un，…}T=100(Σni=1biui)若用分數值表示綜合評價結果，可取評價標準隸屬度集的分值為 u=[0.90(好)，0.60(一般)，0.30(差)]據此可計算出採用32#機油切削油的綜合評價得分為100Bu=69.35。 方案A2 (採用國產新型合成切削液) 參照方案A1的評價步驟，依次建立各評價要素的評價模型並進行綜合評價，最後得到採用方案A2的綜合評價矩陣為 Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]A2=B=AR=(0.6565，0.219，0.125)據此可計算出，採用國產新型合成切削液的綜合評價得分為100Bu=78.01。 方案A3 (採用進口合成切削液) 按照評價步驟，依次建立各評價要素的評價模型並進行綜合評價，最後得到採用方案A3的綜合評價矩陣為 Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]A3=B=AR=(0.757，0.179，0.07)據此可計算出採用進口合成切削液的綜合評價得分為100Bu=80.67。 最終評價結果表明：國產新型合成切削液和進口合成切削液方案均優於原32#機油切削油方案。考慮到規模生產的綜合成本因素，該廠最後決定採用國產新型合成切削液方案，並在生產中取得了較顯著的綜合效益(經濟效益和社會效益)。應用實踐證明，面向綠色製造的切削液綜合選擇模型具有可行性和實用性。 4 結語本 文建立了面向綠色製造的、包括質量(Q)、成本(C)、環境影響(E)三大決策目標的切削液決策目標體系，並對目標體系中的決策向量進行了分解。在此基礎 上，建立了面向綠色製造的切削液綜合選擇模型及相關約束條件，並通過應用實例介紹了綜合評價方法及步驟。評價結果驗證了該模型的可行性。