CN110442025A - 一种构建铣削切削参数低碳优化模型的方法 - Google Patents
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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
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***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[(Pkz+Pcut+Pfz)·Fe]
其中,MRR表示单位时间材料去除率(mm3/s),tis表示切削加工 时间(s),表示铣削加工过程总的碳排放量,ap为切削深度, ae表示切削宽度,n表示主轴转速,z表示铣刀刀齿数,fz表示每齿 进给量,Pkz表示机床的空载功率(KW),Pcut表示切削功率(KW), Pfz表示附加载荷耗损功率(KW),Fe表示电能碳排放因子 (kgco2e/KW·h),M为机床扭矩(N·m),Mmax为机床最大扭矩(N·m),Fcut表示铣削切削力(N),η为传动效率,vcmin为最小允许切削速度 (m/min),vcmax为最大允许切削速度(m/min);Pmax为机床主轴最 大功率(KW),fmin最小允许进给量(mm/r),fmax最大允许进给量 (mm/r),Ramax表示最大表面粗糙度(μm),一般粗铣时取6.4μm, rξ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Cet表示如下:
式中kFC、CF表示切削力系数;ap表示轴向切深(mm),ae表示径向 切深(mm),fz表示每齿进给量(mm/r),xF、yF、uF、wr、qr分别为相关参 数的影响指数,do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[(Pkz+Pcut+Pfz)·Fe]
其中MRR表示单位时间材料去除率(mm3/s),tis表示切削加工时 间(s),表示铣削加工过程总的碳排放量,ap为切削深度,ae表示切削宽度,n表示主轴转速,z表示铣刀刀齿数,fz表示每齿进 给量。Pkz表示机床的空载功率(KW),Pcut表示切削功率(KW),Pfz表示附加载荷耗损功率(KW),Fe表示电能碳排放因子(kgco2e/KW·h), M为机床扭矩(N·m),Mmax为机床最大扭矩(N·m),Fcut表示铣削切 削力(N),η为传动效率,vcmin为最小允许切削速度(m/min),vcmax为 最大允许切削速度(m/min);Pmax为机床主轴最大功率(KW),fmin最小允许进给量(mm/r),fmax最大允许进给量(mm/r)。Ramax表示最 大表面粗糙度(μm),一般粗铣时取6.4μm,rξ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[(Pkz+Pcut+Pfz)·Fe]
其中,MRR表示单位时间材料去除率(mm3/s),tis表示切削加工时间(s),表示铣削加工过程总的碳排放量,ap为切削深度,ae表示切削宽度,n表示主轴转速,z表示铣刀刀齿数,fz表示每齿进给量,Pkz表示机床的空载功率(KW),Pcut表示切削功率(KW),Pfz表示附加载荷耗损功率(KW),Fe表示电能碳排放因子(kgco2e/KW·h),M为机床扭矩(N·m),Mmax为机床最大扭矩(N·m),Fcut表示铣削切削力(N),η为传动效率,vcmin为最小允许切削速度(m/min),vcmax为最大允许切削速度(m/min);Pmax为机床主轴最大功率(KW),fmin最小允许进给量(mm/r),fmax最大允许进给量(mm/r),Ramax表示最大表面粗糙度(μm),一般粗铣时取6.4μm,rξ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。
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CN116047921A (zh) * | 2023-04-03 | 2023-05-02 | 成都飞机工业(集团)有限责任公司 | 一种切削参数优化方法、装置、设备及介质 |
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CN103996145A (zh) * | 2014-05-07 | 2014-08-20 | 西安交通大学 | 一种制造车间碳排放综合评估方法 |
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