基于層次分析法的典型切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)探究

孔 勇，張楚鋒，符廣林， 梁祖欣（廣州機(jī)床廠有限公司，廣州，510000）

基于層次分析法的典型切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)探究

孔 勇，張楚鋒，符廣林， 梁祖欣
（廣州機(jī)床廠有限公司，廣州，510000）

為提高機(jī)床加過過程中的能效，降低切削液對(duì)環(huán)境的影響，本文從機(jī)床加工能耗、潤(rùn)滑、冷卻、廢物排放、成本等方面對(duì)三種典型切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)（澆注式切屑、MQL切削、干切屑）進(jìn)行分析探究。再利用模糊層次分析法進(jìn)行綜合性的分析，確定各指標(biāo)的權(quán)重，判斷三種切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)對(duì)能耗、廢物排放、切削效果以及加工成本方面的影響，構(gòu)建指標(biāo)體系，科學(xué)的選出最優(yōu)方案。

機(jī)床；切削液；層次分析法；潤(rùn)滑冷卻技術(shù)

0 引言

在機(jī)械制造領(lǐng)域，切（磨）削加工過程中使用的切削液對(duì)提高工件的加工效率與加工質(zhì)量具有十分重要的作用，但切削液在生產(chǎn)、使用、處理和排放等各個(gè)階段均會(huì)對(duì)環(huán)境造成較嚴(yán)重的污染，而在工件加工完成后，清理工件表面的切削液附著物時(shí)還會(huì)產(chǎn)生二次污染。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)和折算后發(fā)現(xiàn)，切削液的使用成本較高，即將加工過程中使用的切削液費(fèi)用折算后占工件整個(gè)制造費(fèi)用（設(shè)備費(fèi)、能耗費(fèi)、處理費(fèi)、人工費(fèi)、維修費(fèi)及材料費(fèi)）的7%～17%，而加工過程中使用的刀具費(fèi)用僅占總費(fèi)用的2%～4%。早在1996年，國(guó)際標(biāo)協(xié)就頒布了有關(guān)環(huán)境管理的一系列標(biāo)準(zhǔn)如ISO14000等，世界上很多發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)、加拿大和日本等也根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相繼制定出了更加嚴(yán)格的工業(yè)生產(chǎn)排放標(biāo)準(zhǔn)，目的就是為進(jìn)一步限制切削液的使用。面對(duì)日益加劇的環(huán)境危機(jī)，降低制造過程能耗，提高機(jī)床加工過程中切削液的利用率，從而降低切削液對(duì)環(huán)境的影響，合理利用制造資源進(jìn)行良性循環(huán)的“綠色制造”技術(shù)將會(huì)成為機(jī)械制造加工領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)。

一般而言，切削液是金屬切削加工過程中必不可少的輔助材料，它在加工過程中可以起到潤(rùn)滑、冷卻降溫、清洗和防銹等作用，對(duì)提高切削過程中工件的加工質(zhì)量和效率，減少工件對(duì)刀具的磨損等均有十分顯著的效果。雖然目前現(xiàn)代加工技術(shù)中采用的液氮冷卻、干切削等技術(shù)已取得了較顯著的效果，但仍存在一些缺點(diǎn)，想要在短期內(nèi)全面替代濕式切削或濕式磨削的可能性較小，在今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將很難回避使用切削液加工這一問題。因此，在綜合考量了環(huán)境因素和工件加工效率后，有必要選擇一種對(duì)環(huán)境危害小的切削液潤(rùn)滑冷卻技術(shù)。綜上所述，切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)方案的選擇問題就成了切削液使用過程中的關(guān)鍵性問題，基于此本文介紹了一種基于層次分析法的切削液潤(rùn)滑冷卻技術(shù)優(yōu)選方法。

1 建立層次分析法評(píng)價(jià)體系

切削液潤(rùn)滑冷卻技術(shù)評(píng)判體系是在層次分析法的模糊綜合判定原理基礎(chǔ)上進(jìn)行建立的，在工件加工過程中，影響切削液切削加工方式選擇的因素除了切削工藝性能外，還必須考慮加工時(shí)能耗情況，潤(rùn)滑效果，冷卻效果，廢物排放，使用成本等因素。

1.1確定因素集以及建立評(píng)語集

能耗情況、潤(rùn)滑效果、冷卻效果、廢物排放、使用成本這五個(gè)因素構(gòu)成了切削液切削加工方式的因素集，該集合影響判定對(duì)象用大寫字母U表示，即為（式1）所示：

其中該集合U中，u1表示切削加工時(shí)的能耗情況；u2表示切削加工時(shí)的潤(rùn)滑效果；u3表示切削加工時(shí)的冷卻效果；u4表示切削加工時(shí)的廢物排放；u5表示切削加工時(shí)的使用成本。

評(píng)語集是對(duì)判定對(duì)象需考察的指標(biāo)所做的評(píng)語等級(jí)。評(píng)語集有且只有一個(gè)用大寫字母V表示，即：

這里我們?cè)O(shè)定，好、較好、一般、差，4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，即本篇文章對(duì)判定對(duì)象需考察的指標(biāo)的評(píng)語集為：

V= ｛ 好 ， 較好，一般，差 ｝

1.2確定各判定指標(biāo)的權(quán)重

層次分析法（AHP）是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。在工件制造加工過程中，運(yùn)用層次分析法將切削液切削方式選擇分為三個(gè)層次：最上層為目標(biāo)層，即切削液切削方式綜合效益最高；中間層為準(zhǔn)則層，其中包含能耗情況、潤(rùn)滑效果、冷卻效果、廢物排放、使用成本五個(gè)因素；最底層為方案層包括澆注式切削、MQL切削以及干切削，具體劃分如圖1所示。

圖1　 層次劃分

在切削加工過程中，各個(gè)因素的重要程度不一樣，為了反映各個(gè)因素的重要程度，應(yīng)確定各因素的權(quán)重，令（i=1，2，3，…，m）來表示各因素權(quán)重，用表示與對(duì)切削液切削加工方式選擇的影響之比。將比較結(jié)果寫成成對(duì)比較矩陣如矩陣A所示：

研究以上五個(gè)因素對(duì)能耗試驗(yàn)的重要性，用成對(duì)比較法得到矩陣A為：

根據(jù)公式（5）、（6）對(duì)所求的權(quán)向量進(jìn)行一致性檢測(cè)，通過了才能進(jìn)行下一步運(yùn)用，若未通過則需要對(duì)矩陣A進(jìn)行修正或重新成對(duì)比較。

其中n為考察指標(biāo)數(shù)，CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率。

表1　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

RI通過查表1可以的得到，當(dāng)n=5時(shí)，RI=1.12。CR＜0.1時(shí)一致性通過，將數(shù)值帶入公式（7）、（8）得CR=0.0991＜0.1 因此成立。

通過利用層次分析法計(jì)算可以得到，工件加工切削過程中，準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)向量為。

1.3層次排序

層次單排序是指根據(jù)判斷矩陣計(jì)算對(duì)于上一層某元素而言本層次與之有聯(lián)系的元素重要性的優(yōu)先權(quán)重，它是對(duì)層次所有元素針對(duì)上一層而言的重要性進(jìn)行排序的基礎(chǔ)。指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法如下：將模糊一致矩陣每行元素的和（不包括自身）記為L(zhǎng)i，

其中m為矩陣階數(shù)，Li表示指標(biāo)i相對(duì)于上層目標(biāo)的重要性，因此對(duì)Li歸一化后可以得到各指標(biāo)的比重Wi，

計(jì)算同一層所有元素對(duì)最高層的相對(duì)重要性的排序權(quán)值稱為層次總排序，準(zhǔn)則層各要素對(duì)于目標(biāo)層的中排序已完成，其數(shù)值分別為W1，W2，…，Wm，且方案層各要素對(duì)準(zhǔn)則層的中排序結(jié)果是，則層次總排序?yàn)镽：

根據(jù)層次總排序向量，即可選出最優(yōu)方案Y：

2 方案優(yōu)選

在確定評(píng)判指標(biāo)的隸屬度時(shí)本文采取專家評(píng)估法，專家評(píng)價(jià)法是出現(xiàn)較早且應(yīng)用較廣的一種評(píng)價(jià)方法，它是在定量和定性分析的基礎(chǔ)上，以打分等方式做出定量評(píng)價(jià)，其結(jié)果具有數(shù)理統(tǒng)計(jì)特性。

首先，將評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行量化取值，確定各評(píng)價(jià)等級(jí)分?jǐn)?shù)，取：90~100為好；80~89為較好；60~79為一般；59以下為差。建立由5~10人組成的評(píng)判專家組，由每個(gè)專家對(duì)每種方案的各指標(biāo)進(jìn)行打分，每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)下的專家人數(shù)除以總專家人數(shù)即可得到相應(yīng)各指標(biāo)在每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)上的隸屬度。建立專家評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度表，如表2-表4所示。

表2　干切削評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度

表3　澆注式切削評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度

表4　MQL切削評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度

利用合適的模糊算子將權(quán)向量W與模糊矩陣R合成得到評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量R.，本文模糊算子采用M（·，⊕）。

帶入數(shù)值可以分別得到干切削模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B1=WR=（0.279，0.219，0.241，0.261）；澆注式切削模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B2=WR=（0.343，0.264，0.240，0.153）；MQL切削模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B3=WR=（0.473，0.166，0.264，0.098）

為了能讓評(píng)判結(jié)果點(diǎn)值化，使其更具有可讀性，不妨用“4 ，3 ， 2 ， 1 ”分別表示“好，較好，一般，差”并稱為等級(jí)的秩，然后用向量B中對(duì)應(yīng)分量將各等級(jí)的秩加權(quán)求和，從而得到被評(píng)價(jià)對(duì)象的相對(duì)位置，經(jīng)計(jì)算得，具體如表3所示。

經(jīng)計(jì)算后觀察結(jié)果可以看出，最優(yōu)的切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)方案是MQL切削，三種切削方案相對(duì)優(yōu)先順序?yàn)椤?/p>

3 結(jié)論

本文將切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)的優(yōu)選問題轉(zhuǎn)化為定量的分析，較客觀地反映出了系統(tǒng)要素的影響， 使評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)合理， 不僅為正確合理的選擇工件加工過程中的切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)選擇提供了科學(xué)依據(jù)，而且對(duì)三種典型的切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)給出了較公正的評(píng)價(jià)。基于AHP的切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)方案優(yōu)選評(píng)價(jià)模型，其具有易于操作、易于計(jì)算機(jī)編程等特點(diǎn)，提高了決策結(jié)果的準(zhǔn)確性，是一種行之有效的方法。

通過對(duì)干切削、澆注式切削以及MQL切的加工能耗、生產(chǎn)成本、潤(rùn)滑、冷卻和廢物排放方面的綜合分析評(píng)價(jià)表明：MQL 切削優(yōu)于傳統(tǒng)干切削和澆注式切削，可在生產(chǎn)中取得較好的綜合效益。

［1］ 李新龍，何寧，李亮.綠色切削中的MQL技術(shù)［J］.航空精密制造技術(shù)，2005，4（2）：24-28.

［2］ 吳中，席俊杰，徐穎.推進(jìn)綠色制造實(shí)現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展［J］.制造業(yè)自動(dòng)化， 2004 （12） ： 20 - 24.

［3］ 席俊杰，吳中，.綠色切削技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.潤(rùn)滑與密封， 2006（2）：181-184.

Explore the Typical Cutting Lubrication Cooling Technology Based on the Analytic Hierarchy Process

Kong Yong，Zhang Chufeng，F(xiàn)u Guanglin，Liang Zuxin
（Guangzhou Machine Tool Co.，Ltd，Guangzhou，530000，China）

To improve the energy efficiency in the process of machine tool and reduce the environmental impact of cutting fluid，this paper is analyzed three typical cutting lubricating cooling technology （pouring type chip，the MQL cutting，dry cutting），which are based on the energy consumption of machine tool processing，lubrication，cooling and waste.Using fuzzy analytic hierarchy process to comprehensive analysis，to determine the weight of each index，and judge the three cutting lubricating cooling technology on energy consumption，waste discharge，cutting effectivity and processing costs，at last build the index system and then choose the optimal solution.

Machine tools；Cutting fluid.；AHP；Lubrication cooling technology

TG5

A

2014-07-18