面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價體系和方法研究

王賢琳，王飛，邱爽，李俊

(武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢 430081)

0 前言

隨著社會的發展，資源環境問題日益突出，面對資源、環境和發展之間的矛盾，人們不得不重新審視，總結傳統模式的缺陷，積極努力探索發展新道路。綠色制造正是順應了時代的發展，自綠色制造提出以來受到我國高度重視，相繼出現了各種與綠色制造相關的理論，同時國家863和國家自然科學基金等對綠色制造的支持促進了綠色制造的發展。由于綠色制造理論的發展時間不長，綠色制造工藝評價無論是數據采集還是評價方法都還未形成一套完整的體系。對具體的工藝評價理論更需要去探索。

近年來，在電火花加工理論方面。劉暢等人［1］通過提出一種線性規劃算法，來對加工速度進行仿真預測。葛紅光等［2］通過研制電源脈沖發生裝置來提高加工過程的穩定性和加工質量。馮源等人［3］通過實驗設計方法對45鋼表面沉積WC-8Co涂層工藝參數進行研究，得到最佳工藝參數。伍曉榕等［4］通過運用Dematel-Vkor法來對工藝參數進行綠色決策。陳日等人［5］通過利用ANSYS軟件進行模擬仿真單脈沖放電過程。周林等人［6］通過數控程序法來補償電火花加工過程中得電極損耗。趙建社等［7］通過對電火花加工電極的設計提出了一種新方法。茍剛等人［8］通過運用遺傳神經網絡來對電火花加工效果進行預測。這些，都分別在加工速度、穩定性、加工質量、工藝參數、電極等方面進行了研究但很少有對電火花加工工藝進行評價研究。在評價方面，張華等人［9］針對機械加工工藝建立清單分析評價指標，并用組合評價方法來分析。彭軍等人［10］建立綠色產品制造工藝評價體系并運用AHM與模糊綜合評價法來求解。這些都從機械加工、綠色產品為研究對象，而且他們很少考慮指標之間的相互影響關系。

鑒于此，文中以電火花加工工藝為研究對象通過建立面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價指標體系，并使用DEMANTEL-TOPSIS評價方法對5個綠色制造特性指標(時間、質量、成本、資源和環境)等進行綜合評價，從而使得評價更具全面、客觀、合理。

1 面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價體系

為了對電火花加工工藝進行客觀準確的評價，就要設計一個全面完整科學的評價指標體系。所以，文中以綠色制造五大特性評價指標作為構架，在其基礎上考慮到電火花加工的復雜性并兼顧特殊性，通過傳統電火花加工評價指標［11］及借鑒其他相關評價準則，建立了面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價體系，如圖1所示。該體系特點:(1)考慮到指標之間的影響從而使評價更具合理性。(2)該體系是對電火花加工整體綜合評價，具體加工工藝評價時(如線切割加工、成型加工等)，可根據具體情況對其進行修改。

圖1 面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價指標體系

2 面向綠色制造的電火花加工工藝評價建模

2．1 DEMATEL權重法

DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)，全稱為“決策實驗和評價實驗法”，是一種用來篩選復雜的系統的主要要素，簡化系統結構分析的過程而提出的方法論。這種方法是充分利用專家的經驗和知識來處理復雜的問題，尤其對那些要素關系不確定的系統更為有效。通過分析系統中各要素之間的邏輯關系與直接影響關系，計算出每個因素對其他因素的影響程度以及被影響度，從而計算出每個因素的中心度與原因度，可以判斷要素之間關系的有無及其強弱評價。目前，該方法已經成功應用于企業創新能力評價、綠色產品評價等多個領域中［12-13］。針對評價體系中各要素之間的影響關系，文中提出采用DEMATEL法來確定權重。

DEMATEL的實施步驟:

(1)確定要素間的直接影響程度。首先確定要素間的影響關系:0表示兩要素間沒影響;表示兩要素間影響小;2表示兩要素間影響中;3表示兩要素間影響大。然后，通過專家調查法進行元素間比較，記要素i對要素j的影響在矩陣中用xij表示。

(2)構建直接影響矩陣D。直接影響矩陣D={xij}n×n，其中n為要素的個數

(3)計算規范化直接影響矩陣X。X=λ×D，其中

(4)確定綜合影響矩陣T即［tij］n×n，其中tij表示綜合影響矩陣中第i行第j列的元素。(5)計算各要素的中心度與原因度。記r為綜合影響矩陣行和，c為綜合影響矩陣列和，即

(6)計算權重wi。因為以上都是考慮過各要素直接的相互影響，因此用中心度和原因度來綜合確定權重也是考慮了各要素間相互影響，權重算法如下:

2．2 基于DEMATEL-TOPSIS綠色電火花加工工藝綜合評價

TOPSIS法是有限方案多目標決策的綜合評價方法之一，它能充分利用原始數據的信息，所以能充分反映各個方案之間的差距、客觀真實的反映實際情況。具有真實、直觀、可靠的優點，而且其對樣本資料無特殊要求［14］。為了考慮到評價因素間的互相影響，一方面采用DEMATEL權重法融入到TOPSIS評價方法中，另一方面運用一種改進TOPSIS算法從而進行DEMATEL-TOPSIS綜合評價。

12）腳手板操作面的端頭處綁兩道防護欄桿，建筑物頂部腳手架要高出屋面1.0m，高出部分要綁兩道護身欄，并立掛安全網。

首先建立面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價指標集:A={C1，C2，…，Cn}，同時建立方案集:P={P1，P2，…，Pm}，方案集P對指標集A的指標值記為zij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)，記P對A的初始指標矩陣Z=(zij)m×n。具體步驟如下:

(1)將初始指標矩陣化為標準化矩陣R=(rij)m×n。具體做法如下

對于效益型指標

(2)理想解與負理想解:顯然，對于矩陣R，因為都統一為效益型指標，故理想解Rj+=(1，1，…，1)，負理想解=(0，0，…，0)。

(3)確定權重w1，w2，…，wn。通過DEMATEL法求出。

(4)計算各方案理想解和負理想解的加權距離平方和［14］。

(5)根據加權距離平方和fi(w)，排序得到最優方案。

3 基于DEMATEL-TOPSIS綠色電火花加工工藝綜合評價流程

圖2 基于DEMATEL-TOPSIS綠色電火花加工工藝綜合評價流程

4 基于DEMATEL-TOPSIS方法的應用

電火花加工工藝中，成型加工工藝占有相當的比重，而電極材料的選擇又是成型加工工藝規程中必不可少的一環，本文以某模具廠在電火花加工中針對5種不同電極材料的選擇進行評價分析，以此來驗證DEMATEL-TOPSIS法評價模型的可行性。其綠色電火花加工工藝評價分析表如表1。

表1 綠色電火花加工工藝評價分析表

評價過程如下:

(1)通過專家調查表對15位專家進行調查最終結果取人數最多的那個，人數相等時取相關關系大的那個，調查表及最終結果見表2。

表2 最終評價指標相關關系專家調查表結果

(2)通過表2得到直接影響矩陣D，算出直接影響矩陣的行和{35，34，32，45，37，43，38，47，40，42，39，37，43，42，35，41，42，42，12，10，9}，列和{40，34，39，35，38，41，37，42，40，37，40，40，41，41，39，43，39，40，14，14，11}得到最大值為47，再按照DEMATEL法的步驟(3)—(5)，通過一系列的計算，最后計算綜合影響矩陣的行和與列和矩陣r={ri}={4．120 6，4．011 5，3．747 4，5．102 7，4．230 5，4．903 1，4．398 8，5．296 2，4．787 2，4．891 3，4．428 0，4．296 5，4．828 2，4．757 5，4．145 5，4．802 5，4．765 1，4．770 1，1．340 4，0．880 2，1．018 3}T

c={cj}={4．625 6，3．965 3，4．497 1，4．166 3，4．349 5，4．787 8，4．314 7，4．691 5，4．644 8，4．308 557，4．723 7，4．629 4，4．735 6，4．623 2，4．298 2，4．965 9，4．380 1，4．597，1．470 9，1．624 1，1．122 3}

(3)令i=j，由式(4)計算中心度m1=r1+c1=4．120 6+4．625 6=8．746 2，式(5)n1=r1-c1=4．120 6-4．625 6=-0．505 0，其余以此類推，評價指標的中心度、原因度見表3。

(4)按公式(6)計算權重，如表3所示。從表中可以看出在質量屬性指標里面權重最大的是生產性時間指標，說明生產性時間影響度相對比較而言比其他時間對工藝綜合評價影響較大，同理，在環境指標中工作液指標權重大，表明其對評價影響大。其他屬性指標以此類推。噪聲、輻射和其他等指標相對影響較小。因此要優先從生產性時間、電極損耗、電介質耗量等方面進行改善以提高綠色電火花加工綜合評價的綠色性。

表3 評價指標的中心度、原因度和權重

(5)收集原始數據并整理，具體如表4所示，顯然C4，C5，C6作為效益型指標處理，其它作為成本型指標處理。這些指標構成初始指標矩陣X=(xij)5×21。

表4 評價指標樣本數據

(6)將式C4，C5，C6列的數據代入式(7)和其余列的數據代入式(8)得到標準化矩陣R5×21。計算結果見表5。

表5 xij經標準化處理后得標準化矩陣R5×21

(7)通過表5數據結合評價過程第四步驟中所求得的權重由式(9)得

f(wi)=(0．010 1，0．029 3，0．026 8，0．160，0．021 0)

工藝方案的排序為f(w1)＜f(w4)＜f(w5)＜f(w3)＜f(w2)，因此選擇第2組工藝方案綜合評價最好，第2組工藝方案為最優方案。

5 結論

(1)考慮到電火花加工工藝的復雜性和特殊性以及指標間相互影響從而建立面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價體系，使得評價更科學、更合理。豐富了綠色制造評價體系的內涵。

(2)針對面向綠色制造的電火花加工工藝綜合評價體系中指標影響的特點，采用DEMATEL權重法，得出生產性時間、電極損耗、電介質耗量等指標因素對評價影響較大，而噪聲、輻射和其他等項指標相對影響較小。通過DEMATEL-TOPSIS法對各組工藝方案進行綜合評價得出第2組工藝方案最好，驗證了該方法的可行性。

(3)對電火花加工工藝的評價，僅做了初步的研究，無論是指標體系還是評價方法，需要深入的開展研究。

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［2］葛紅光，張秋菊．“中走絲”電火花切割加工脈沖電壓的研究［J］．電加工與模具，2013(1):59-65．

［3］馮源，潘仁．45鋼表面沉積WC-8Co涂層的工藝參數研究［J］．熱加工工藝，2013，42(2):122-144．

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［5］陳日，郭鐘寧，劉江文，等．電火花單脈沖放電加工的電熱模型與實驗研究［J］．制造業自動化，2014，36(7):81-83．

［6］周林，石民，潘曉斌，等．基于程序長度補償的電火花銑削工藝［J］．制造技術與機床，2011(10):41-43．

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