面向绿色制造的切削液综合选择模型及其应用实例

二娃

1 引言
环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。人类活动引起的环境恶化正对人类社会的生存与发展构成严重威胁。近年来，国际标准化组织相继颁布了质量管理体系标准(ISO9000 系列)、环境管理体系标准(ISO14001)和职业安全与卫生管理体系标准(OHSAS18001)，将质量管理、环境管理和职业安全与卫生管理纳入企业综合管理，为企业全面提高管理水平、加强综合实力提供了管理手段和工具。在制造业引起的环境问题日趋尖锐之际，一种适应可持续发展战略的先进制造模式——绿色制造开始崭露头角。绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中对环境的影响(负作用)为零或最小，使资源消耗尽可能小，并使企业经济效益和社会效益得到协调优化。
在切削加工过程中，切削液是造成环境污染的主要污染源之一。采用绿色切削液、减少切削液的环境污染等问题已成为绿色制造领域的研究热点之一。美国密执安技术大学对切削加工中切削液的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下使切削液用量最少，以期将与切削液有关的费用降至最低。美国Thyssen 制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术，使切削液的液流或气雾通过刀具作用于加工区域，切削液的流量由CNC 程序控制，效果比较理想。山东工业大学孙建国等基于产品生命周期对切削液的绿色性进行了研究。
生产实践证明，合理选择切削液可充分发挥切削液的性能，节约加工成本，并减少切削液对环境的污染，因此，对切削液进行优化选择是减少加工过程中切削液污染的重要途径之一。本文在综合考虑切削液质量、成本及环境影响等决策目标的基础上，建立了面向绿色制造的切削液综合选择模型及其约束条件，并结合生产实例对该模型的应用方法及可行性进行了分析验证。
" w& |) L9 u/ G$ {$ K2 面向绿色制造的切削液综合选择模型的建立
笔者从20世纪80年代初以来对与绿色制造直接相关的制造系统中的资源和能源问题进行了长期研究，并提出了基于绿色制造的T(时间)、Q(质量)、C(成本)、E(环境影响)、R(资源消耗)等五大决策目标变量的决策目标体系以及相应的决策框架模型。绿色制造中的任何一个决策问题都与上述五个决策目标变量中的某些(或全部)因素有关。
上述模型只是针对制造系统而言，并未建立具体的切削液综合选择模型。本文在绿色制造目标体系和决策模型的基础上，结合切削液选用中的具体问题，提出了面向绿色制造的切削液决策目标体系和决策目标分解框架变量组，并在此基础上建立了具有可操作性的切削液综合选择模型。
* }! B: C7 k5 R7 b) N) F面向绿色制造的切削液决策问题目标体系
面向绿色制造的切削液综合选择问题是一个多目标的、定性与定量相结合的复杂决策问题。要建立决策模型，首先需要确定决策变量，即决策活动追求的目标。按传统方式选择切削液时，人们追求的目标变量主要为质量(Q)和成本(C)。其中，质量主要指切削液的润滑、冷却和清洗性能及其使用周期和利用率；成本则包括经济成本(材料成本、设施和设备成本、劳动力成本、能源成本)、用户成本(使用成本、维护成本)及其它杂项成本。工业发达国家的制造业在选择切削液时，除需满足切削加工工艺要求外，更注重考虑切削液对人身健康的危害、废液处理和综合成本等因素。这一观点正逐渐被国内切削加工业所接受。面向绿色制造的切削液选择决策目标体系是将环境影响(E)作为一个重要因素加以考虑，即面向绿色制造的切削液决策目标变量为质量(Q)、成本(C)和环境(E)三个因素，对这三个目标变量的追求结果为质量最高、成本最低、环境影响最小。Q、C、E 三个决策目标之间存在密切联系，它们共同构成面向绿色制造的切削液决策目标体系。该体系中决策目标向量的分解内容如图1所示。
$ E: c7 K! ^8 D: ]; }; P0 Z
/ q5 S" K/ [+ w. I图  面向绿色制造的切削液决策目标体系分解内容
xi=
& A$ u( E9 J( V  n0 L{
0—不采用第i个方案
7 }1 E5 L8 S2 H5 f$ g  i1—采用第i个方案
模型选择及约束条件
0 m' |9 o: |* A1 I; A$ G0 x基于上述分析，建立面向绿色制造的切削液综合选择模型如下：
目标函数为：Q(X)(用于描述质量决策目标)、C(X)(用于描述成本决策目标)、E(X)(用于描述环境影响决策目标)。优化描述为
: w' H$ I7 x- V# g0 [maxQ(X)，minC(X)，minE(X)→Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]
5 V/ P5 f4 i/ Q建立面向绿色制造的切削液综合选择的决策模型如下：对于某一切削液选择决策问题X=[x1，x2，…，xn]T，求出
X*=[x1*，x2*，…，xn*]T满足约束条件
gu(X)≤0
(u=1，2，…，k)
hv(X)=0
(v=1，2，…，p < n)
# r$ W% A  ?1 N4 jXi(i=1，2，3)=
; L4 b9 _) w- @# k  p) }1 p{
/ D% b; P: B0 z* o0—不采用第i 个方案
9 F  Z$ k2 u2 x" Y% ?1—采用第i个方案
X
& G$ ^. B$ @: Z3 X9 e{
/ W# k0 _  l! v(x1=1，x2=0，x3=0)=方案A1，即采用32#机油
3 ~% [3 [9 W. F1 B' j, S& G(x1=0，x2=1，x3=0)=方案A2，即采用国产新型切削液
" `8 k) P2 ~* P' \, t(x1=0，x2=0，x3=1)=方案A3，即采用进口合成切削液
" g9 ?4 ?7 r* SR11=
! C# [; M/ {& a" e[
0.5
0.3
% a9 M. [4 c; C# S  d* M" A0.2
7 ?# K; F$ T, y0 l/ u# L& k2 ~]
4 q: c+ {8 L$ m2 n  j) F! \8 y0.5
0.3
0.2
0.5
0.3
0.2
4 ]! d8 L+ l' U0.55
0.25
0.18
, \- p, X# C7 u. i0 n& M3 A11
- {1 \6 v4 J( n9 L, |B1=A11R11=(0.3，0.3，0.3，0.1)11
1 w9 |* U4 b$ _2 k2 b[
: B0 T' p) }9 w: P, ]% ?* b7 L0.5
0.3
0 M, a& h  ]' `7 }' F4 w! {0.2
]
  \& K" |  E; N! Q; @/ k) |8 L0.5
0.3
0.2
0.5
( i; ]/ j( y  A1 v! p# r/ J9 M0.3
% y$ A* Z, P7 f# b* n$ k: A' l0.2
- B" M: H2 V1 E3 k$ _0.55
5 g' L5 z( x& R1 f8 W) Z0.25
7 `: v, X. M+ R1 p3 w( ^8 @$ f5 N0.18
3 o( }- @$ N' t# X" U% l11
=(0.505，0.295，0.198)
. C! P9 _  ?$ V( L0 c' M依此类推，可得到切削液环境影响(E)要素评价矩阵B21、B22、B23和切削液成本(C)要素评价矩阵B31、B32、B33。经过上述两层综合评价，可得到切削液方案A1的综合评价矩阵B为
表  三种切削液方案综合评价目标体系
评价方面
' |" j( S1 m) Y  C% F4 X3 M, _评价要素
: U9 [/ M, q( L' \评价因素
) |6 d4 }+ m6 m3 ^2 ^  ]评价等级
* o) y0 G+ z5 l5 o1 @4 _序号i
' {8 `* u9 {) Q4 l1 `2 A$ l& {ui
5 _4 u9 Z2 ~1 T2 n+ N8 b权重ai
序号j
: X: c* _6 E- O4 ruij
1 I* Q3 K/ i# X权重aij
序号k
7 @" D  I; r7 g" xuijk
权重
/ f' P- Y8 x$ d$ K. Hv1
v2
  S! e5 k2 u6 tv3
2 t7 @: V3 A  g, X% \6 V模糊矩阵
& v, m* K& Q7 V& s/ p" B, F7 m$ w好
一般
  M7 f; s" w9 U: R" L差
1
- d! R' J6 W! f3 Y0 Q1 @质量(Q)
& l1 o* L7 E/ r: m0.4
4 }& K0 H3 ^  \3 z6 }. t3 ^1
润滑
0.3
/ ~; D/ X$ t8 Y3 E/ i$ uA1
润滑
$ b! l8 r& S6 f1
" M2 @8 {5 O' f$ q0.50
: g  _( }% V8 C6 q% U/ Z$ L+ x+ D0.30
2 _2 I+ G0 U$ F  C' q4 V0.20
! \4 Z. Q1 f; s5 C  DA2
润滑
- P3 \0 C; k4 M1
0.70
, G2 F8 X5 L$ r0 d* Z0.25
0.05
A3
润滑
" _5 o2 Y6 {4 T5 F* G* H+ ?1
0.80
, l  S. Q# N5 d* `0.15
" A: p- m7 ~- s0.05
+ d. b- N. ]/ y9 I2 V3 H( T. J/ r2
; y2 I  C( X- e+ b冷却
0.3
A1
冷却
1
) v' K9 L) ]1 W0.50
6 r8 z' a/ U& X+ _# ~  x) S* s/ |0.30
& Y* j4 ^! C; W1 w& U2 \0.20
A2
冷却
2 ?) @" C) b+ a- I1
( \  d! |0 k! P, [7 x$ E) E% G  o0.70
7 m2 R" s4 Q. L6 {1 W1 l0.25
0.05
' z' z+ M  W, \) w* YA3
冷却
1
$ V8 C0 O7 {6 e: U+ }" E- J# ]0.80
0.15
  [( m( ^0 U- o- w. f0.05
3
) w5 ^) D' f# C+ |; e. D8 W8 b清洗
0.3
A1
, Q; I/ \( ]9 f) j5 j清洗
1 R, Z; Z& x6 \7 h: [; m6 A3 F1
0.50
; p, n! C9 [+ c, i; V- g0.30
; u- e: ^& s6 g& ?8 [0.20
A2
5 U" b4 J8 Z- a$ ^( B' V  x清洗
1
0.70
0.25
0.05
A3
( k$ l5 n) U9 ]- q( h9 N3 U4 |清洗
0 m! J9 R) G/ p- ?: z; H# X; T1
0.80
0.15
0.05
, w$ W) g$ B* @1 S4
利用率与使用周期
6 c/ I3 u( c% ^; W* }2 ~( j/ T0.1
' G$ Q/ [  |# tA1
利用率与使用周期
$ q2 w9 V9 ^! o0 s6 s1
0.55
0.25
0.18
% `, M: c3 Y( t8 QA2
0 i1 u  n. u; E/ U& V$ u* ~利用率与使用周期
. y# z& q, M: o9 G1
# \, S% D- A% g# f9 S* e0.70
0.25
0.05
A3
1 O" y' ~2 O- _% U; t0 H利用率与使用周期
1
0.80
* T  \5 V0 e4 v/ P+ I% O$ m' M3 L0.15
' y* |2 K2 i0 d9 k0.05
无
0 j0 V/ `  i: Y& _% ~有
5 V5 [( D8 Y; H$ c: k( J- S多
. e+ O2 t- K- N1 ^6 e7 ?0 q9 z2
环境(E)
( l& g* G" W# o; X6 {0.3
( G" q  Q8 z1 Z1
; w( K* \( \9 L) Q+ A; n4 O毒性危害
$ g4 j3 s: T7 E* g. K0.25
A1
: n, c1 }, h% O% A8 D  s毒性危害
8 C% s' N& e4 r4 o8 C6 p3 g" Z# h1
! `# @5 S2 P9 h1 _0.5
0.3
0.20
A2
毒性危害
# f; I; c+ |$ i6 p# d1
0.7
0.25
0.05
A3
4 L/ ?: y3 n; o6 S毒性危害
1
3 P9 x& ~- c0 `! q5 P2 u0.75
3 H! e. r) Y  Z, O0.20
# Q3 T7 n8 j3 h! Z0.05
) D$ ~9 ?) {9 f* ^% }6 c$ w, |2
安全指标
0.35
# o9 j2 n5 t' h/ \; W% F" FA1
0 r; {! u) l  z  y1 ^/ P对人体危害
0.3
3 n# ?* R3 g6 @9 {& h( l2 O5 Q0.6
% `( X! J9 K; [0.3
! {: `. n7 W$ u, q% Y9 |0.10
% [+ V# n6 }! fA2
对人体危害
0.3
0.7
0.25
& w. h% ~' m; ^( u8 ~0.05
: P/ t1 n7 c! z% K  R& AA3
对人体危害
; V/ j$ p* w1 x, T8 E0.3
0.80
& F6 b5 j) ~& S8 l" G6 d; ?0.20
* c% z9 _* ]# p- d% m: P. `0
7 p/ Z  Q: b1 F/ mA1
设备安全性
; x$ X8 P3 D$ O2 n* o) q0.25
0.50
0.3
8 Q4 }/ k5 c2 q$ D, c8 \& h0.20
2 M! r0 D. D6 l9 y7 _3 l1 iA2
1 p/ R3 n/ ^4 W$ D7 O设备安全性
0.25
) n1 K& \+ I7 n0.65
0.25
% k& F  X6 B+ `9 M$ i6 x* X& q1 f0.1
A3
2 x+ {1 _/ O/ a! D% x! m2 h设备安全性
* h' i) }( V/ q4 s! Z' D5 n) {0.25
0.75
0.20
0.05
A1
5 k  T7 ^. o2 ?腐蚀性/防锈性
0.25
1 W; e% C) g$ U0.55
  Q  n. I+ y" t/ d5 Z! h0.3
0.15
A2
腐蚀性/防锈性
0.25
# h# O; ?5 N/ \0 b: S8 c" {0.65
; P; Z8 W& N+ F4 M4 ]( `9 T8 N0.25
0.1
A3
腐蚀性/防锈性
# y% }: n% B5 t0.25
6 Z4 `' h2 j5 n' |0 `0.70
0.2
0.1
( n' x% N8 @. h+ C; ?0 T: P! q. Q- PA1
7 a% u% W+ F. P$ b% ?火灾安全性
1 p' G. T, W/ u0.2
0.8
0.2
0
6 Z4 ^# o' N1 h# \; fA2
+ w) ~( l3 c: a6 f. z火灾安全性
0.2
; i# V* T" o$ \( ]1.0
& |. w# I. E- j0
0
- S3 m/ B) R3 {A3
, B$ K& [& R2 G6 q) Q$ R火灾安全性
0.2
( Z/ J$ o+ E9 ~- I9 N( `1.0
! n; u8 T7 ~' ^- r$ j! f: G# L0
0
  z4 k) @- B; \/ T3
环境指标
0.4
! S9 c  u1 ?* r9 w0 }% V' UA1
水体和土壤污染
1 s  c: ^% h( ?) }4 h7 V( n5 H9 J0.6
* ^) T+ @) p3 U# F4 k1 k3 s; R5 E0.45
/ w! ~2 \( {  m2 M0.3
& x  i8 y. ]; ^' Y- l0.25
A2
水体和土壤污染
0.6
, P; S( v& J" l0 I; W0.6
0.25
5 A0 n& L3 J$ D1 K* j& G0.15
A3
水体和土壤污染
5 O+ W& f* ?* R3 W0.6
0.70
# ^4 L+ L5 T8 n" b  l0.20
- m2 P7 C' a3 }8 @9 _2 u/ o2 |0.10
' Q3 ~, U7 z: h, j6 y; |( L, TA1
废弃物污染
0.4
0.40
0.3
0.3
A2
废弃物污染
$ u- A3 W8 v& R9 [4 H/ q' L4 q0.4
0.6
' d. G' k! S# l2 c7 V9 m0.2
& x" ]1 e$ `* D: V( e% L0.2
3 T5 ]$ a" Y( N" a, [, Z+ L, IA3
8 \- ]9 q2 B$ N! I废弃物污染
0.4
- G4 j5 x2 {- p0.70
0.20
0.10
4 Z" _- ?0 H7 X3 M3 E5 \. l; p0 B5 A3
成本(C)
& m8 I) p4 b  t8 j0.3
7 x* m& q3 Y: V( _2 b$ T$ ~1
" H. _; Q5 q8 C% A, ~) q2 y' C1 G生产成本
' u4 z" h& w5 J/ c0.5
9 M! r( o; m2 E6 OA1
2 u2 ], M7 H2 h; Y+ V* [企业成本
) H, ~- a% c. s0 r2 D1
0.50
' C# W7 |" V% m0.3
0.2
A2
0 v( P& a' W7 K2 V5 L! L2 r7 c企业成本
1
) ~1 h5 X# R$ f" Z' o; v0.68
% M/ L; B9 w; v7 w7 B0.22
0.1
- I! X# Z1 @  ]( h& d; XA3
企业成本
* u$ r5 r4 S5 d. R. Q+ E2 W1
. D: {, |  Y& ]2 `1 q0.70
0.20
0.10
2
用户成本
3 y& a! q- s: {2 {0.2
A1
) k9 j0 I1 o  l- b; P6 p0 R* F使用成本、维护成本
1
0.55
0.25
0.2
* }; ]. r" f# q1 @A2
使用成本、维护成本
: @1 ]+ T% }4 i3 k" d  k  V6 ^1
6 w. D' Y7 R! |( y0.60
0.20
0.2
0 h3 G) d) ^( f0 t$ d5 v4 y- kA3
使用成本、维护成本
1
# k$ L7 V  D% {3 J% x0.70
4 R0 J# L  \% b- a9 P4 r0.20
0.10
3
* r$ J4 I) Y# d5 M. A社会成本
- G" S% l. A2 |. [4 ]. x! _0.3
# m. @  `: h) AA1
环境污染治理费用
0.3
, f8 [- }1 Q; [) E: y% s( C0.3
# C, S$ A4 \3 C3 Q0.3
0.4
" }. J# V, c1 H( S+ a" bA2
环境污染治理费用
0 O1 d( u" q( g/ z0.3
" i0 f, o0 {" q+ Y; X! y4 m: G0.6
0.3
5 ]- q3 z* P  W, w: q/ S9 N4 ]0.1
. J1 m* U$ o4 g6 G- H2 JA3
- `0 G" t* t6 d" E  P/ f3 T' {; h环境污染治理费用
0.3
0.70
, r) m, v+ U+ ]0 e! E, Z0.20
6 t. b7 z  u6 f0.10
  k$ c% d* I4 a4 o! p3 wA1
职业保健费用
0.4
0.5
, s* n- ~! j% _. d5 l0.3
# z; L3 g; J! I. {* A1 ]0.2
& g/ g! P+ H) q" fA2
. }" p' R( G8 O2 c' p职业保健费用
0.4
0.7
0.2
0.10
A3
职业保健费用
0.4
0.75
0.15
# q; F# a8 d* a- ~( m! a0.10
2 a% r! k/ k& CA1
废弃物处置费用
) |! d7 m7 \" j0 J! ~) B* w  w0.3
' m3 H4 ~# ^% J1 n$ ^: t3 |0 C0.55
8 X9 K* W' T9 B' P$ m0.25
0.2
5 ]) I- }4 f/ L: v$ NA2
废弃物处置费用
  A& e0 t' v6 E2 @: z4 i5 b0.3
' ]" w0 ]7 @# X  A0 |5 D% q8 W0.65
0.2
5 {4 Y) ?; G: _* O8 \) `2 D0.15
A3
  C. K  l3 L, N6 H) \8 w2 s废弃物处置费用
' w! h3 l; u4 J: z0.3
- u- @/ C( Y! C# b* K7 T0.75
. m3 a5 l. y; A) z0 i- u' A0.15
0.10
Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]A1=B=AR
=(0.4，0.3，0.3)
6 a1 x0 W7 L8 f6 [6 B/ _[
- F& F2 f  G) m$ i! h. _) n0.505
, Q* G1 a) l) Z/ Y" Z6 J/ i$ k! r! ?0.295
0.198
% E" E1 y/ y/ y7 h7 U* U, q]
  `1 x  x+ o* p4 O; o0.508
0.293
+ q+ _9 [+ R# [  }0.2336
4 u7 i& a+ r. j$ o% v" T2 g* y0.496
0.285
$ F# x( J( R- ^' w( b3 d0.202
6 u" A" z) B; H! m1 a=(0.5035，0.292，0.21)