XT260臥式冷室壓鑄機大杠再制造工藝路線優(yōu)化研究

付 悅，楊 林，崔 晶

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110000)

0 前言

再制造工藝路線優(yōu)化問題受到眾多學者的關(guān)注。如：江亞等以再制造能耗、成本、時間等多種因素為優(yōu)化目標，以修復(fù)工藝與參數(shù)、資源配置等為約束前提，提出了一種基于遺傳-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合優(yōu)化方法[1]。Li等建立了基于gert圖的再制造工藝路線模型，并就再制造生產(chǎn)計劃和控制策略等方面問題提出了基于混合細胞遺傳算法的再制造工藝優(yōu)化方法[2]。基于此，本文以廢舊XT260臥式冷室壓鑄機大杠為研究對象，以失效特征為切入點，采用遺傳算法對其進行再制造工藝路線優(yōu)化研究。

1 XT260臥式冷室壓鑄機大杠概況

壓鑄機大杠結(jié)構(gòu)簡單,但其對設(shè)備剛性和穩(wěn)定性有著很大的影響，長螺紋一端裝調(diào)模螺母連接尾板，短螺紋一端裝大杠螺母連接頭板。大杠在壓鑄成型過程中承受巨大的鎖模力，且在服役過程中不可避免受工況及外界因素等影響，容易出現(xiàn)磨損、腐蝕等失效形式而影響整機的壓鑄效果。由于大杠制造周期、加工成本及其本身的結(jié)構(gòu)特點，通常對失效的大杠進行再制造修復(fù)后使用。由于廢舊大杠有很多不確定因素(如剩余壽命、失效特征等)，導(dǎo)致其再制造工藝路線多種多樣。修復(fù)工藝是再制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，選擇合適的工藝路線并對其進行優(yōu)化有利于提高生產(chǎn)效率、降低成本。

XT260臥式冷室壓鑄機大杠材料為42Cr，新件價格約為3 580元，主要參數(shù)信息如圖1所示。該大杠再制造工藝路線優(yōu)化是對每一道工序選擇合適的機器與刀具，通過最佳設(shè)備組合達到成本與工時最小化的目標。

圖1 XT260臥式冷室壓鑄機大杠

2 失效特征分析

2.1 故障樹法提取失效特征

故障樹法是一種由上往下的演繹式失效分析法，并用專門的符號來表示上、下層次之間的聯(lián)系與制約[3]。廢舊XT260臥式冷室壓鑄機大杠故障樹的建立是從其表面狀況追溯到失效特征進而確定失效原因的過程。失效特征有利于選擇合適的修復(fù)工藝，為設(shè)計最佳修復(fù)方案提供依據(jù)。圖2為XT260臥式冷室壓鑄機大杠的故障樹模型，提取的失效特征為：P4、E1、E2、E3、E4、E5、E6，分別表示：變形、長螺紋磨損、表面損傷、短螺紋腐蝕、表面點蝕、長螺紋根部裂紋、局部疲勞裂紋。

圖2 XT260臥式冷室壓鑄機大杠故障樹模型

2.2 損傷量模型獲取

損傷部位模型可通過圖3獲取，在此過程中，配準的兩模型對應(yīng)點間的最大距離即為最大損傷深度，損傷深度決定鍍層厚度，影響修復(fù)工藝的選擇[4]。損傷深度將作為該大杠修復(fù)方案生成的主要參考依據(jù)。

圖3 損傷量模型獲取流程圖

3 基于規(guī)則推理的再制造初始方案生成

針對廢舊零部件不同的失效形式、損傷程度等，一般會有與之相對應(yīng)的修復(fù)工藝，且兩者存在一定的規(guī)則。采用規(guī)則推理的方法生成廢舊XT260臥式冷室壓鑄機大杠的再制造初始方案如表1所示，其表達形式為ifthen。

表1 大杠再制造修復(fù)方案

if失效部位=長螺紋表面

and失效特征=磨損

and磨損深度<0.5mm

then修復(fù)方案為：打磨,鍍鐵,車削,研磨,拋光

4 壓鑄機大杠再制造相關(guān)設(shè)備

壓鑄機大杠再制造過程中相關(guān)設(shè)備信息如表2和表3所示，刀具信息如表4所示。

表2 機械加工設(shè)備信息

表3 表面修復(fù)設(shè)備信息

表4 刀具信息

5 基于遺傳算法的再制造工藝路線優(yōu)化求解過程

5.1 約束描述

建立廢舊XT260臥式冷室壓鑄機大杠優(yōu)化數(shù)學模型前，需要對其約束條件進行說明，具體如下：

(1)在優(yōu)化過程中同一時刻該工件只能在一臺機器上加工且不發(fā)生中斷[5]。

(2)該工件各個失效特征間工序沒有先后約束關(guān)系，但一個具體失效特征的工序之間有先后約束關(guān)系。

(3)不同的失效特征具有相同的優(yōu)先級。

5.2 構(gòu)建目標函數(shù)

時間是再制造效率的直觀體現(xiàn)，費用直接關(guān)系到再制造產(chǎn)品的經(jīng)濟性與企業(yè)效益。因此在構(gòu)造大杠再制造優(yōu)化目標函數(shù)時考慮時間和成本兩個因素[6]。

5.2.1 再制造時間函數(shù)

在不考慮裝夾、運輸?shù)容o助時間的情況下，大杠的再制造時間函數(shù)可表示為表面工程技術(shù)加工時間(Tb)與機械加工時間(Tj)之和，即

(1)

式中，n為最大表面修復(fù)設(shè)備數(shù)量；ti為第i臺設(shè)備運用表面工程技術(shù)的加工時間。m為最大機加設(shè)備數(shù)量；tkq為第k臺機加設(shè)備切削時間；tkz為第k臺機加設(shè)備空載時間；tkh為第k臺機加設(shè)備換刀時間。

(2)

5.2.2 成本函數(shù)

大杠再制造時的成本主要考慮人工費(Cr)和設(shè)備費(Cs)，可表示為

(3)

式中，Ck為第k臺設(shè)備在單位時間內(nèi)的成本指數(shù)，對于具體規(guī)格的設(shè)備來說是個定值,Cdr為單位時間與人相關(guān)的成本指數(shù)，Cdr=30元/時。

5.2.3 目標函數(shù)轉(zhuǎn)化

在實際生產(chǎn)中成本與時間兩個目標函數(shù)往往存在沖突關(guān)系，且處理起來十分困難，不易求解。若將其先轉(zhuǎn)換為單目標優(yōu)化問題再進行求解，會使得整個運算過程更加簡單直接，轉(zhuǎn)化后的數(shù)學模型可描述為

(4)

式中，w為權(quán)重系數(shù)，w1=0.35,w2=0.65，其數(shù)值通過層次分析法確定。

時間與成本兩個目標函數(shù)的量綱不同，在運算前統(tǒng)一規(guī)范成可以比較的形式。規(guī)范后的時間與成本目標函數(shù)可表示為

(5)

式中，Tmax、Cmax表示函數(shù)最大值，Tmin、Cmin表示函數(shù)最小值。

5.3 遺傳算法實現(xiàn)過程

(1)編碼。編碼的方法有很多種，但對于約束優(yōu)化問題常用的是實數(shù)編碼法。實數(shù)編碼法無需特定的編碼與解碼過程，運算難度降低，執(zhí)行效率提高，所以大杠再制造工藝路線優(yōu)化采用實數(shù)編碼。

(2)適應(yīng)度函數(shù)。大杠再制造工藝路線優(yōu)化的目標函數(shù)總是非負的且是求最小值問題[7]，其適應(yīng)度函數(shù)可表示為

(6)

(3)初始種群。一般群體規(guī)模在10～200之間，在運行該算法時將其設(shè)置為50。逐次以適應(yīng)度值高的個體為模板并將不同的個體模板組成種群。若達到種群規(guī)模則進行下一步操作，否則在濾除的個體中選取適應(yīng)度值大的來補缺[8]。

(5)交叉。根據(jù)再制造工藝路線優(yōu)化特點，采用單點交叉操作，減少了不可行解的產(chǎn)生，使得算法效率顯著提高。交叉概率一般建議取值范圍是0.4～0.99，該算法中將其設(shè)置為0.6。

(6)變異。變異概率一般建議取值范圍是0.0001～0.1，該算法中將其設(shè)置為0.03，運行時根據(jù)該變異概率隨機的做某一規(guī)則的基因突變[10]。

(7)終止。算法迭代到500次時終止運行。

5.4 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)初始信息、約束條件及設(shè)置參數(shù)等，通過matlab來運行該遺傳算法得到圖4。優(yōu)化后的單目標函數(shù)值為72.54。其再制造成本為72.8元，時間為72.4 min ，最佳設(shè)備組合情況如表6所示。

圖4 函數(shù)值與迭代次數(shù)關(guān)系圖

表6 最佳設(shè)備組合

6 結(jié)論

多數(shù)情況下大杠的再制造工藝路線仍由技術(shù)人員憑借經(jīng)驗制定，具有強烈的主觀性缺乏科學性。因此采用遺傳算法對其進行優(yōu)化研究，得到時間和成本最小化時的設(shè)備組合情況，可為車間實際生產(chǎn)提供些許參考。但再制造工藝路線優(yōu)化是一個動態(tài)問題，在應(yīng)用遺傳算法進行求解時，如何對算法中的重要步驟進行改善提高運算效率與準確度仍需進行深入研究。