面向低碳的数控加工切削参数优化方法的研究开题报告

 2021-11-23 09:11

1. 研究目的与意义(文献综述)

国际货币基金组织(IMF)日前发布报告称,全球碳排放量在2009年后稳步下降,然而几年之后即从2017年这个数字开始回升[1]。与此同时,全球气候变暖、资源短缺也影响着我们生活的方方面面。因此,如何减少工业生产与生活中的碳排放量成为了当今社会发展必须考虑的重要问题。在全球呼吁低碳生产的时代背景之下,欧洲、中国和美国等主要经济体都制定了极具挑战性的的节能目标。而在所有的产业部门中,制造业所消耗的能源及产生的碳排放量巨大,计算机数控(CNC)加工则是制造业加工系统最主要的加工工艺之一[2],选择合理的切削参数(切削速度、进给速度、切削深度等)不仅可以减少机床制造过程中的碳排放量,还可以降低能耗提高其效率[3]

积极推进制造业的基础行业——机械加工业的低碳化进程,成为我国乃至世界各国亟需完成的任务。我国是制造业大国,机械制造加工过程中产生大量的碳排放。现有的机床制造具有能耗大、效率低等特点,因而具有较大的低碳空间。我国签署并遵守的《联合国气候变化框架公约》、《京都协议书》,将控制温室气体排放纳入到国民经济发展规划中,致力于建立以低碳排放为特征的新的经济增长点[4]。据不完全统计,制造业产生的碳排放量占我国碳排放总量的80%以上[5]。因此,制造业是控制碳排放量的有效切入点。综上,研究面向低碳的数控加工切削参数优化方法具有十分重大的意义。

制造业能源消耗的碳排放模型十分复杂,与加工刀具、机床切削参数等均有关[6],而通过切削参数的优化,碳排放总量可减少6-40%左右[7]。因此,为了实现低碳及低耗能生产,许多学者对数控机床的切削参数进行了多种优化研究。这些优化方法主要面向于科学的加工参数、低碳生产、低耗能等优化目标。而研究表明,切削速度、进给速度、切削深度等切削参数直接影响切削过程中工件的表面质量、生产效率、能耗和碳排放。

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2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容:

立足于本文研究目的及意义,定量分析数控机床在加工全过程的碳排放量,结合数控机床生产过程中的加工工艺,在加工系统碳排放的多个影响因素中,综合考虑机床设备、加工工件质量等实际约束条件,建立以最低碳排放量(面向低碳)为优化目标的切削参数优化模型[13]

(1)明确数控加工系统的广义边界定义,任何系统分析都应该从系统边界定义开始。数控加工系统涉及能量E(Energe)、资源R(Resourse)、废弃物W(Waste)、碳排放C(Carbon dioxide)等四方面,大多数面向低碳的研究都是从能量、资源、废弃物中的一个维度出发来研究碳排放量的各项指标(碳排放C是根据E、R、W折算而成的,如能源消耗多少与碳排放量之间存在正相关的关系)。要定量分析系统碳排放量、以及通过优化系统来减少碳排放量的第一步即建立该加工系统的“ERWC”模型[14]

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3. 研究计划与安排

2.24~3.25 查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需的理论基础,确定整体方案并完成开题报告;完成外文文献的翻译;

3.21~4.1学习数控加工的相关知识,建立切削参数与碳排放之间的数学模型、了解遗传算法流程;

4.2~4.15根据课题需求改进算法,求得切削参数最优解;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]新华网.全球碳排放量再次上升,2020,http://www.xinhuanet.com/energy/2020-01/02/c_1125413493.htm

[2]Liu Z J, Sun D P, Lin C X, et al. Multi-objective optimization of the operating conditions in a cutting process based on low carbon emission costs. Journal of Cleaner Production, 2016, 124:266-275

[3]Moreira L C, Li W D, Lu X, et al. Energy-Efficient machining process analysis and optimisation based on BS EN24T alloy steel as case studies. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2019, 58: 1-12

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