（载运工具运用工程专业论文）汽车曲轴绿色制造技术研究.pdf

摘要 摘要 制造业的蓬勃发展在使人类生活发生巨大变化的同时，又使环境和资源问题 更加严重。在节约资源、保护生态环境及维护社会的可持续发展的需求下，绿色 制造概念应运而生。本文主要对汽车曲轴绿色制造技术进行研究，包含材料选择， 尺寸参数的优化，切削余量优化等内容，最后对曲轴机械加工工艺的绿色评价做 了深入研究。 曲轴材料选择应用模糊综合评判法，选择了典型材料4 5 钢、4 8 m n v 、 4 0 m n v b 、q t 6 0 0 、贝氏体球墨铸铁、非调质钢进行评价，选择过程快捷而准确， 不仅能弥补经验估计繁琐易产生偏差的不足，又能克服传统优化方法限于解决定 量问题的局限性。本文建立的综合评判模型不仅适用于各种工艺方案的评判与决 策，而且还可以推广应用到工艺参数决策，以及绿色产品评价等方面。 曲轴尺寸参数的优化将曲轴设计的实际问题通过一定的计算抽象成数学模 型，避开繁重的重复性计算，调用m a t l a b 优化工具箱的优化函数在计算机上 求解，寻求曲轴毛坯的最佳设计参数组合，达到了节省原材料的效果。曲轴制造 工艺以机械加工为主，经过粗加工、半精加工和精d n q - 几个工序，从毛坯上切削 掉一定的余量，所以优化曲轴制造工艺的一个重要途径就是对工序余量进行优 化。本文在具体分析工序余量组成的基础上，通过优化曲轴租加工，半精加工和 精加工三个工序的加工余量的方式来实现曲轴制造工艺的优化。 绿色评价方法的研究，本文提出了在综合考虑时间、质量、成本、资源消耗 和环境污染的情况下进行的模糊综合评判的方法。依据对这5 个主要决策目标的 期望，建立评价模型。由于此决策问题是一个多目标，定性与定量相结合的问题， 用通常的数学优化方法很难求解。因此，选用模糊综合评判的方法，并结合工艺 方案的特点，依据模糊综合评判法原理，建立了适合工艺方案的综合评判模型， 进而评价出相对绿色程度较高的工艺方案。 最后，运用v b 6 0 及其中提供的各种工具尝试设计了软件框架模式，并编 制了相应的程序，旨在使曲轴优化过程更加方便、快捷、准确，减轻决策者的工 作量和工作压力，并实现了优化结果的自动输出。 关键词：曲轴，绿色制造，模糊综合评价，切削余量，绿色评价，绿色度，v b 6 0 a b s t r a c t a b s t r a c t a g r e a tq u a n t i t yo fs o c i e t yr e s o u r c e sa n de n e r g ys o u r c e s a r ec o n s u m e dw h e nt h e w e a l t hi sc r e a t e db ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yw h i c hc a u s e sp l e n t yo fe n v i r o n m e n t p o l l u t i o n i n o r d e rt os a v er e s o u r c e s ，p r o t e c tl i v i n ge n v i r o n m e n ta n dk e e po u r s o c i e t y ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，g r e e nm a n u f a c t u r i n gi sp r e f e r r e d i ts t u d i e sg r e e n m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eo nm o t o r c a rc r a n k s h a f tc h i e f l y , c o n t a i n sc r a n k s h a f tm a t e r i a l e l e c t i o n ，c r a n k s h a f ts i z ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n dc u t t i n ga l l o w a n c eo p t i m i z a t i o n ， a tt h ee n d m a k ead e e pr e s e a r c ho ng r e e ne v a l u a t i o n 缸c r a n k s h a f tm a c h i n i n g t e c h n o l o g y c r a n k s h a f tm a t e r i a l e l e c t i o na p p l i e sf u z z ym u l t i o b j e c t i v e e v a l u a t i o na n d c h o o s e s r e p r e s e n t a t i v e m a t e r i a l s4 5 s t e e l ，4 8 m n v , 4 0 m n v b ， q t 6 0 0 ， r o u n d n e s s c a r b o n c a s ti r o n ，n o n s l a c kq u e n c hs t e e lf o re x a m p l e t h em a t e r i a l e l e c t i o no v e r c o m e st h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dm a k e s e l e c t i o nc o u r s em o r ef a s ta n da c c u r a t e t h ee v a l u a t i o na n dd e c i s i o nm a k i n gm o d e l e s t a b l i s h e di ni tc a nn o to n l yb ea p p l i e dt ot h ee s t i m a t i o na n dd e c i s i o no fa n yp r o c e s s s c h e m a s ，b u ta l s oc a nb ea p p l i e dt ot e c h n i q u ep a r a m e t e rd e c i s i o na n ds o o n t h ec r a n k s h a f ts i z e - p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ne s t a b l i s h e saa b s t r a c tm a t h e m a t i c s m o d e l w h i c hc o m e sf r o ma c t u a l p r o b l e m t h em o d e la v o i d sh e a v yr e p e a t i n g c a l c u l a t i o n ，t r a n s f e r sm a t l a bo p t i m i z ef u n c t i o nf r o mt o o l b o xo nc o m p u t e r ，s e e k s t h eb e s tp a r a m e t e r a r r a yo fc r a n k s h a f tr o u g h c a s t t h em o d e la r r i v e sa tt h ep u r p o s eo f s a v i n gr a wa n dp r o c e s s e d m a t e r i a l s t h ec r a n k s h a f tm a n u f a c t u r et e c h n i c sa r e m a c h i n i n gc h i e f l y , w h o s er o u g h c a s t sa r ec u ts o m ea l l o w a n c ea f t e rt h ec o u r s eo fr o u g h f i n i s h 、s e m i f i n i s h i n ga n df i n i s h i n gp r c e s s i n g ，s oo n ew a yo fa p p r o a c h i n g t h e c r a n k s h a f tm a n u f a c t u r et e c h n i c so p t i m i z a t i o ni so p t i m i z i n gp r o c e s sa l l o w a n c e o nt h e b a s eo fa n a l y s i n gp r o c e s sa l l o w a n c e sc o m p o s i n g ，a t t a i n st h ec r a n k s h a f tm a n u f a c t u r e t e c h n i c so p t i m i z e dr e s u l t sb yt h em e a n so fr e d u c i n gc r a n k s h a f tp r o c e s sa l l o w a n c e o ns t u d y i n go fg r e e ne v a l u a t i o n ，i tp u t sf o r w a r dt h em e t h o dc o n s i d e r i n go ft h e t i m e ，q u a l i t y , c o s t ，s e r v i c e ，r e s o u r c e sc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h e a b s t r a c t e v a l u a t i o nm a k i n go nt h ep r o c e s s i n gs c h e m ai sam u l t i t a r g e t s ，q u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ei s s u e ，s ot h ec o m m o nm a t h e m a t i c a lm e t h o d i sd i f f i c u l tt od e a lw i t h w i t h f u z z ym u l t i - o b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，t h em o d e lo fg r e e ne v a l u a t i o nm a k i n gf r o mo n e w o r k i n gp r o c e d u r et ot h ew h o l ep r o c e s s i n gs c h e m ai sp u tf o r w a r dr e f e r r i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft h eg r e e np r o c e s se v a l u a t i o nm a k i n g f i n a l l y , g e t se v a l u a t i o ni n d e x b ys o l v i n gm o d e l ，f u r t h e rm o r e ，r e l a t i v e l yh i g h e s td e g r e eo fg r e e np r o c e s s i n gs c h e m a i so b t a i n e d l a s t l yw i t hv i s u a lb a s i c6 0a n dt h ed a t a b a s ed e s i g n i n gl a n g u a g e ，ap r o t o t y p e m a k i n gs y s t e mp r o g r a mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e di no r d e rt om a k et h ec r a n k s h a f t o p t i m i z a t i o np r o c e s sm o r ec o n v e n i e n t ，m o r ef a s t ，m o r e a c c u r a t ea n da l l e v i a t e d e c i s i o n m a k e r sw o r k i n gq u a n t i t y , a c t u a l i z et h eo u t p u to ft h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa t o n et i m e k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ，g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，f u z z ym u l t i o b j e c t i v ee v a l u m i o n ， c u t t i n g a l l o w a n c e ，g r e e ne v a l u a t i o n ，g r e e nd e g r e e ，v b 6 0 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：登日期：翌z ：三：坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：獭导师签名： 自l 徼 日期：j ! ：三：! f 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 众所周知，环境污染已经成为全球性的问题，而在我国尤为突出。我国是 一个发展中国家，许多企业设备陈旧、工艺落后，多数企业以能源和原材料的 高投入、低产出、高污染形式实现经济高速增长。这种传统的生产模式，己带 来一系列无法克服的弊端环境污染和资源浪费日益加剧。尽管采取了一系 列末端治理措施，但这种补救性的措施收效甚微。越来越多的事实表明，环境 污染与资源浪费问题的产生，不仅仅是一个生产终端问题，在产品的全生命周 期中都时有发生。因此只有发展绿色制造i l 叫及其控制技术，实行产品生产的全 程控制，才能最大程度的减小环境代价。 绿色制造及其控制技术是现代制造技术与生态学理论交叉融合的结果，涉 及的研究领域包括机械制造、系统优化、环境保护、自动控制、生态学和系统 理论等，它主要是运用生态学原理和系统工程优化理论，结合现代制造技术与 理论，使产品在生产过程中尽量减少原材料和能源消耗，减少有害副产品的产 生，并使产品在使用期终结时容易被处置，将其对环境的影响减少到最小程度， 即建立产品生产与环境保护之间的最佳相互作用关系，以期达到比较理想的经 济与环境统一的效果。如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当前制造科学 面临解决的重大问题。于是绿色制造【3 j ( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 1 扫此产生，并被认 为是现代企业的必由之路。就内容来看，绿色制造简单的概括为：用绿色资源( 包 括绿色材料和绿色能源) ，经过绿色生产过程和手段，生产出绿色产品，即可以 把绿色制造看成是制造问题( 包括产品生命全周期) 、环境保护问题和资源优化 利用问题这三部分内容的交叉技术应用。 绿色制造涵盖各个制造行业，而汽车市场的快速增长及未来更大的发展潜 力，使汽车生产企业面临的竞争局势更加动荡。首先是国内企业与国际企业的 竞争。近几年外商投资热情高涨，已经站稳脚跟的要保住其领导地位，如大众 的规划短期内几度调高；已经进入但尚处于追赶地位的纷纷加大投资、扩大产 能，如本田2 0 0 2 年年产5 6 万辆，2 0 0 3 年能力已经到1 2 万辆，2 0 0 4 年初2 4 万 第一章绪论 辆。其二是大企业与小企业的竞争。最值得一提的就是几个第二级集团，如长 安2 0 0 2 年产量3 0 万辆，并提出3 年再造一个长安，2 0 0 6 年达到6 0 万辆；华晨 金杯归入辽宁省管辖后，得到国家政策的支持，步伐明显加大；北汽旗下北京 吉普、北汽现代、北汽福田三大板块齐头并进；而南汽划入地方后将会有新动 作。其结果导致整个汽车产业格局不稳。 汽车生产企业要适应激烈竞争的局面，只有改变传统企业只重经济效益不 顾环境利益的状况，可通过制定环境管理规划和环境管理制度，加强对企业经 营全过程的环境管理，对企业进行“绿化”，使之成为绿色企业1 4 1 。企业的“绿 化”工作可从以下几个方面人手：( 1 ) 设立绿色机构，组织和实施环境管理工作。 企业的绿化工作必须由主要负责人牵头，组织专门机构，对企业生产经营全过 程进行有效地控制，以杜绝对环境的破坏。( 2 ) 制定环境管理规划，有计划、有 步骤地“绿化”企业。从污染综合防治、环境科技研究、环境监测举措、环境 管理手段等方面出发，制订出具体的行动方案，有计划、有步骤地调整企业的 业务范围，在“绿化”现有业务的同时，逐步淘汰高污染、高能耗的产品，开 发新型的绿色产品。f 3 1 实施全过程的“绿化”管理和生产，使企业绿化工作落 到实处。从资源、产品的开发及生产过程，到产品的定价、分销、促销、服务 过程，都要将环境因素作为十分重要的因素来加以考虑，并体现对生态环境的 保护。 对汽车制造业进行“绿化”，就要大力加强绿色制造及其控制技术的研究。 曲轴是汽车内燃机中的重要零件之一，是承受冲击载荷传递动力的关键零件， 在内燃机五大件( 机体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴) 中是最难以保证加工质量 的零件。由于衄轴工况条件恶劣，因此对曲轴的材质、毛坯加工技术、精度、 表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。若其中任何一个 环节的质量没有得到保证，将会严重影响曲轴的寿命和整机的可靠性，因此包 括中国在内的世界各国对曲轴的绿色制造都十分重视。 随着我国加入w t o ，内燃机零部件行业将面临更加激烈的市场竞争，也将 迎来新的发展与机遇。我们只有充分了解国内外内燃机曲轴制造技术现状及发 展趋势，及时地改进和提高曲轴制造技术水平，才能以实力参与市场竞争。所 以汽车曲轴的相关绿色制造及其控制技术的研究不仅可以促进我国的汽车生产 由传统浪费型经济向集约型经济转变，而且还可显著提高汽车工业生产的经济 效益和环境质量，实现我国制造业的可持续发展，其经济效益、环境效益和社 2 第一章绪论 会效益是十分深远的。 1 2 国内外发展现状 j 2 1 绿色制造的发展 绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n 曲，又称环境意识制造( e n v i r o n m e n t a l l y c o n s c i o u sm a n u f a c t u r i n g ) ，面向环境的制造( m f e ) 等。由于对绿色制造研究的历 史比较短，对其定义还没有达到全球范围内的一致。目前国内较为公认的定义 是：绿色制造是个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是 使得产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期全过 程中，对环境的影响( 负作用) 最小，资源效率最高【“。近年来这方而的研究非常 活跃。如：1 9 9 6 年，美国制造工程师学会岱m e ) 发表了关于绿色制造的蓝皮书 ( ( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ) ，提出绿色制造的概念，并对其内涵和作用等进行了较 系统介绍；1 9 9 8 年s m e 又在国际互联网上发表了“绿色制造的发展趋势”的网 上主题报告【2 i a 美国机械工程师学会等其它学会、协会，美国加州大学b e r k e l e y 分校，美国a t & t 等许多企业，也分别对绿色制造及相关问题作了初步的研究 和探索1 5 - 1 9 l 。我国学术界近年来对绿色制造的研究十分重视，对绿色制造及其相 关问题也进行了跟踪和研究【2 2 4 。在近年来的研究土作中，己形成了一批专门 从事绿色制造研究的科研队伍，发表了大量的研究论文，出版了多本绿色制造 方而的专著，有关技术手册也收录了绿色设计与制造方而的技术1 3 0 - 3 2 。国家8 6 3 现代集成制造系统网络c i m s n e t 已将绿色制造列为技术专题之一，跟踪报道绿 色制造的研究动态。中国机械土程杂志曾于2 0 0 0 年第9 期出版了绿色制造 专辑论文。2 0 0 3 年2 月举办山2 6 位院士参加的我国第一次工程前沿研讨会 未来的制造科学与技术”中也将“生物制造及环境友好、可持续发展的绿色制 造技术的发展方向”列入了我国未来制造科学与技术的六个前沿发展方向之一 。特别是近年来，国际标准化组织i s o 提出了关于环境管理的1 4 0 0 0 系列标 准，如1 4 0 0 1 ，1 4 0 4 0 ，使绿色制造的研究更加活跃1 3 3 1 。由世界工程组织联合会 和联合国教科文组织共同发起和支持的第一届世界工程师大会将于2 0 0 4 年在我 国上海举办，而“生态材料和绿色制造”被列为一七大专题之一1 2 “。 目前国外对绿色制造的生产技术开发的研究工作很重视，如英国已在产品 一3 第一章绪论 设计、能源生产、新工艺、工艺改造、工艺控制、能源效率以及废弃物的现场 回收利用等方面开展了相关的研究工作，并对其推广应用给予足够的重视。日 本的制造者正欲靠其产品的“绿色”特征而占领更大的市场，同时还着手清洁 及控制技术。美国企业与其外国竞争对手相比，对其环境的关注要差些，但美 国有关学者认为绿色制造的绿色制造技术将成为2 1 世纪占主导地位的生产方 式，并建议政府应考虑运用立法和其它手段鼓励绿色制造技术的研究与应用。 国内，近几年来绿色制造得到了不少高校和科研机构等的关注，在绿色制 造的理论体系、专题技术等方面进行了大量的研究。如重庆大学作为国内最早 从事绿色制造研究的单位，主要研究可持续发展c l m s ( s c i m s ) 的体系结构研 究、清洁化生产系统和体系结构及实旋策略、清洁化生产管理信息系统等。清 华大学与美国t e x a st e c hu n i v e r s i t y 先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研 究的国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究。 上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，与f o r d 公司合作， 研究中国轿车的回收问题，与法国柏林上业大学i w f 研究所建立了合作关系， 在废弃工业品回收方面展开了研究上作。国家自然科学基金和国家8 6 3 c i m s 主 题也均支持了一定数量的绿色制造方面的研究课题，并取得了不少研究成果。 国家8 6 3 c i m s 主题在中国现代集成制造系统网络( h t t p ：w 玑c i m s e d u c a ) 上开辟了绿色制造专题，综合介绍国内外绿色制造研究情况和指导国内的绿色 制造研究。一些企业通过与高校开展合作的形式也参与到绿色制造的研究中来， 如至卓飞高线路板( 深圳) 有限公司和清华大学合作成立清华至卓绿色制造研发 中心，积极推进绿色设计和制造技术的研究和应用。国家环保局于1 9 9 6 年批准 成立了国家环保总局华夏环境管理体系审核中心，专门负责i s 0 1 4 0 0 0 系列标准 的在我国的实施、培训工作以及同国际有关机构的交流，并建立了专门的网站 中国环境管理体系认证信息网。 1 2 。2 曲轴制造的发展及现状 曲轴生产国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机床组成的流 水线生产，其生产效率、自动化程度较低。曲轴加工的传统工艺方法是车削加 工。主轴颈和连杆轴颈的车削，分别是在不同结构的曲轴车床上进行加工，这 种曲轴加工技术目前在世界发达国家和地区正在逐步淘汰，但在我国仍然在曲 轴加工行业中占主导地位，选用的设备大多是多刀半自动曲轴车床。粗加工设 4 第一章绪论 备多采用s i 一2 0 6 、s i 2 1 7 或s i 一1 3 0 车主支承颈及连杆销颈。工序质量的稳定性 较差，难以达到合理加工余量。外圆的磨削余量一般单边留0 6 0 8 m m ：止推面 留单边余量0 3 0 4 m m ，为保证成品尺寸，采取多次磨削方式。一般精加工采用 m q 8 2 6 0 曲轴磨床粗磨半精磨精磨抛光。 国内部分曲轴生产厂家仍采用传统的车削工艺。主要设备来源是俄罗斯、 美国的w i c l s e 公司和沈阳第一机床厂。曲轴车削机床由于采用多刀径向切削轴 颈的方式，具有通用性强，变形大：加工精度不高；柔性差、效率低；稳定性 差、成本低，污染小等加工特点。6 0 年代初，国外出现了曲轴铣削加工工艺及 相应的曲轴铣削机床，我国从8 0 年代开始引进数控曲轴铣床，如洛拖、潍柴、 北内等。采用多功能数控曲轴铣床，可以加工曲轴的主轴颈、连杆颈、夹板面、 斜面、外圆等，特别适用于毛坯余量较大曲轴的加工。数控曲轴铣床，能贮存 多种曲轴的加工程序，在更换工件时，一般只需更换刀盘和卡爪，调入新程序， 即可加工新工件，调整方便，柔性强。近年来一种新工艺车拉作为切削加 工的一种新工艺而得到了发展，并应用于工业生产中。它将车削( 工件旋转) 和 拉削( 刀刃连续排列的刀具从工件上拉过) 这两种工艺的运动学特点相互结台起 来。由此而产生的高生产率和工件的高精度导致存曲轴软加工方面迅速地采用 这种工艺。 曲轴机械制造技术的发展趋势是曲轴粗加工将广泛采用数控车床、数控内 铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车 拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。曲轴精加工将广泛采用c n c 控制的 曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工。此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心 架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速度等功能 要求，以保证磨削质量的稳定。高精设备依赖进口的现状，估计短期内不会改 变。 汽车零件制造行业与化工、石油等行业相比，虽然不是环境污染大户，却 是能源和资源消耗的大户。长期以来，由于机械制造业的环境污染问题相对较 轻，因此，机械制造工艺过程的环境问题并没有引起有关部门足够的重视。曲 轴制造工艺过程中的原材料利用率很低，从调查的数据显示，零件从毛坏到成 品零件的原材料利用率平均只3 0 4 0 左右，即在零件制造工艺过程中，一半以 上的原材料被丢弃浪费了。原材料利用率低是机械制造行业长期以来的顽症， 但却没有引起人们足够的重视，与机械制造工艺过程其他的清洁疾症相比，如 5 第一章绪论 切削液引起的水污染问题，就得到了人们的普遍重视。在世界各国有许多的研 究所和大学都在开展于式或准干式切削技术方面的研究工作，来解决切削液产 生的环境污染问题。但在机械制造领域中，原材料利用率低所产生的不良影响 是排在第一位的，它远远超过了绿色工艺过程中其他清洁疾症的影响，它也是 目前绿色工艺过程面临的最大难题之一【3 4 l 。原材料利用率低意味着资源的巨大 浪费，并且还将对零件的制造工艺过程带来很大的环境影响。提高原材料利用 率，不仅可以大大减少原材料在开采炼制过程中的资源消耗，有利于地球生态 环境的可持续发展，而且还可大大减少零件在制造工艺过程中的能源消耗以及 振动、噪声等环境污染。因此，提高原材料利用率是实现绿色工艺过程的关键。 国内科研机构已经开始重视曲轴的绿色制造技术研究。重庆大学最早对绿 色制造工艺技术进行了系统的研究，确定了面向绿色制造的工艺规划的内涵和 体系结构，将工艺规划的研究与环境影响、资源消耗结合起来，总结了面向绿 色制造的工艺规划的主要技术内容，为其他后续技术研究奠定了良好的理论基 础。南京理工大学对曲轴的强度、材料与工艺进行了研究，涵盖曲轴材料的发 展趋势和加工手段以及强化工艺等几个方面。天津大学机械工程学院与企业联 合对六缸柴油机曲轴机械制造工艺、4 d 型柴油机曲轴加工工艺、4 1 0 2 系列柴油 机曲轴设计与工艺分析进行了针对性的研究，切实把绿色制造技术带到企业生 产中，取得了很好的经济效益。吉林大学、清华大学、武汉科技大学、机械科 学研究院合肥工业大学和南京机械厂等科研机构单位对曲轴材料的强化技术进 行了系统深入的研究。同时合肥工业大学研究了材料的选择，明确了材料选择 在绿色设计中的重要地位，提出了材料选择的一般原则、方法、步骤，给出材 料选择的系统框架。为后来的上海交通大学等齿轮，链轮机械零件的材料选择 提供了理论基础。可见，我国绿色制造工艺规划等技术由来已久，但尚不成熟， 且其相关应用技术仍有待发展。 随着2 1 世纪的到来，商品经济全球化，机械制造企业为了企业经济的可持 续发展，为了通过i s 0 1 4 0 0 0 认证，使企业产品能打入国际市场，必须要改变以 往传统的资源消耗高、污染严重的粗放型生产模式，在产品的制造工艺过程中， 实行绿色化生产，使工艺过程的废弃物数量达到最小化。曲轴绿色制造是在机 械加工工艺为主的基础上，不牺牲质量、成本、可靠性、功能或能量利用率， 并在确保产品满足人类物质文化需要的前提下，通过降低资源能源消耗，努力 减少乃至消除废弃物的产生，使企业生产过程无损于生态环境【3 “，它已经成为 第一章绪论 最近几年先进制造技术领域的研究热点之一。 1 2 3 模糊数学及模糊评价的发展 模糊数学( f u z z ym a t h e m a t i c s ) 是一个十分年轻的数学分支，它的产生使得数 学能够在一片更广阔的领域里发挥独特作用。通过了解模糊数学的产生、发展 与应用，我们将能深刻地体会到模糊数学别具一格的应用价值与旺盛的生命力。 ( 1 ) 模糊数学产生的背景。2 0 世纪6 0 年代以前，众多的数学分支虽然五花八 门，但不外乎可分为两大类：一类是以微积分、代数学为首的经典数学；一类 是以概率论、统计学为首的随机数学。经典数学研究的是某一事物发展变化的 精确数学规律，例如，由万有引力定律推导金星的运行轨道并准确地指出某一 时刻金星的相应位置。随机数学研究的是随机现象中某一随机事件的统计数学 规律，例如，计算抛掷立方体骰子时，有6 个点那面朝上的可能性大小是多少。 经典数学与随机数学的共同特点是：它们的研究对象是确定的、不模棱两可的， 如上述两例中，研究对象是确定的，一个是研究金星的运行轨道，另一个是研 究事件“6 个点那面朝上”的概率。 但是，在实际生活、生产中，有许许多多事物和现象都是难以确定的。例 如“今天天气很冷”，但究竟温度多低才算是“冷”呢? 又如，“高个子的人”， 究竟多高才算是“高个子”呢? 其它诸如“晴阴”、“长短”、“快慢”等等， 也都没有可以区别与划分的绝对标准。这些事物和现象就称为模糊事物和模糊 现象。由于对它们无法进行精确测量，所以它们的发展规律用传统的经典数学 和随机数学是难以研究的。在计算机出现以前，人们没有深切认识深人研究模 糊事物和模糊现象的必要性。计算机出现以后，机器的人工智能问题很自然地 提到了日程上来。在计算机发展的初始阶段，虽然计算机的运算速度和精确性 令人望尘莫及，但是在识别、判断和推理能力上，却还远远落后于人类。这主 要是因为人脑非常善于认识和处理模糊事物和模糊现象( 例如，辨别极为潦草的 笔迹，听懂不完整甚至不合常规的语言，等等) ，而计算机还只能处理相对来说 比较简单的确定事物和确定现象( 例如，辨认标准规范的印刷体文字，听懂语音 和语法都极其严格的语言，等等) ，稍遇模棱两可的情况就会使计算机左右为难， 无法正常工作。由于传统的数学方法只适用于确定的研究对象，因而在建立计 算机的人工智能方面遇到了无法克服的巨大障碍，这就迫使数学家们不得不考 虑传统的精确数学的反面模糊数学。于是，模糊数学应运而生了。 7 第一章绪论 ( 2 ) 模糊数学的发展与应用。所谓模糊技术就是利用模糊数学的基本理论在 具体实现模糊控制、模糊识别、模糊诊断、模糊预测及模糊推理等的过程中， 积累起来的经验、知识和技巧。模糊技术已渗透到自然科学、社会科学及工程 技术的几乎全部领域，像电力、电子、核物理、石油、化工、机械、冶金、能 源、材料、交通、医疗、卫生、林业、农业、地质、地理、地震、建筑、水文、 气象、环保、管理、法律、教育、心理、体育、军事和历史等领域，都有其成 功应用的范例。 近几年来，模糊技术已被列入我国的多种攻关计划。1 9 8 8 年，国家自然科 学基金委员会组织全国3 5 所高校及研究机构开展了“模糊信息处理与机器智能” 重大联合攻关项目的研究，并拨专款1 3 5 万元予以支持；1 9 9 4 年，国家经济贸 易委员会拨资上亿元开发模糊技术产品；国家技术监督局专门成立了模糊技术 标准化工作组，制定各种模糊产品的国家标准；1 9 9 1 年9 月，中国微机学会单 片机公共实验室曾组织召开国家电模糊控制会议，在会上，由全国2 1 个家用电 器厂联合倡议成立了“中国家用电器模糊控制促进会”；据中国青年报1 9 9 7 年1 2 月1 6 日报道，春兰集团正组织数名博士后联合攻关，投巨资开发2 1 世纪 的高新技术模糊控制电动车。中国模糊系统协会理事长、中国科学院院士 刘应明教授已在全国性的学术会议上表示，中国要下大气力开发模糊技术，并 首先在模糊家电上取得突破。因此，不久将会看到国产的模糊控制家用电器陆 续上市。 在国外，各种模糊技术成果和模糊产品已逐渐由实验室走向社会，并取得 了明显的社会效益和巨大的经济效益。日本的国际贸易和工业部( 大藏省) ( m i t i ) 早在1 9 8 8 年就投资2 4 0 0 万美元开发模糊技术，并有意识地向国民宣传这方面 的成果，普及有关知识。比如，在每天的晚问新闻中播放敏捷灵活的模糊控制 的机械手，在电视的黄金时间播映赞美模糊逻辑的广告，以致于小孩在大街上 走路也在谈论模糊控制。日本的模糊家电已经涌入欧美市场，赚回了大把大把 的钞票。据日本m i t i 报告，1 9 9 0 年日本模糊家电的年收入是1 5 亿美元。某些 工业观察家还预言，在未来几年中美国将逐步形成高达几十亿美元的模糊产品 市场，据美国著名刊物电子设计预测，1 9 9 6 1 9 9 7 年仅模糊处理机的收入就 可能达到6 7 5 亿美元，模糊软件的产值在未来5 年内将达到1 8 0 2 0 0 美元。 模糊数学的出现，极大地丰富了数学理论，它的发展、应用已经渗透到人 们日常生活的各个方面。 第一章绪论 1 3 论文的主要研究内容 本论文研究得到河北省教育厅科学研究计划项目的支持( 项目编号： 2 0 0 5 2 1 0 ) ，研究目的在于探索适合我国国情发展需要的机械制造绿色生产及其 控制技术的理论与方法。 由于曲轴是汽车发动机的关键零件之一，性能好坏直接影响到汽车的质量 和寿命，然而其制造工艺更新缓慢、原材料利用率很低，所以将绿色制造的先 进技术应用到曲轴制造对减少资源消耗，降低环境代价具有重要的实用价值。 本文首次将国内先进的绿色制造技术应用于曲轴生产的全过程中来，以典型曲 轴j 2 3 0 为例，把材料选择作为始端，包含曲轴尺寸参数的优化，工艺的优化， 然后对曲轴机械加工工艺的绿色评价做了深入的研究。其中材料的模糊选择， 工艺绿色度评价方法具有一般性。最后本文选用了计算机开发软件，将整个过 程在v i s u a lb a s i c6 0 软件上实现，成功地编制曲轴绿色制造应用系统，增加了 绿色制造理论的可用、可读范围，可以很好的应用到生产实践中，初步实现了 计算机辅助工艺规划。 9 第二章曲轴材料模糊评判及选择 第二章曲轴材料模糊评判及选择 科学的发展对零件材料性能的要求越来越高，同时也要求对所选材料的综 合性能和经济效益进行全面地考虑。尤其汽车曲轴在发动机中承担最大负荷和 全部功率，承受着强大的、方向不断变化的弯矩及扭矩，在工作中受到不断变 化的燃气压力、惯性压力及力矩作用，从而在各部分产生弯曲、扭转、剪切、 拉压等交变应力。还有轴颈与轴瓦间的摩擦，同时经受着长时间高速运转的磨 损，曲轴的重要性及其工作状况的复杂性，要求曲轴材料有较高综合性能：抗 拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨性等，同时心部要有一定的韧性，还得考 虑到工艺性和经济性。 如何综合评价及选择一种材料，一直是工程技术工作者十分关注的问题。 以往人们多根据经验定性选材，具有随意性和主观性，基于模糊数学的综合评 判方法是一种定量分析方法，克服了只凭经验选材的随意性，使材料选择趋于 科学合理，选择客观有效，为基于多种因素且互相制约的选材问题提供了较好 的解决方法。 2 1 材料的模糊评价 ， 我们知道，一个概念所包含的那些区别于其它概念的全体本质属性称为该 概念的内涵，而符合某概念对象的全体就是该概念的外延。比如“人”这个概 念的外延就是世界上所有人的全体，而内涵就是区别于其它动物的那些本质属 性的全体，如“能制造和使用工具”、“具有抽象、概括、推理和思维的能力” 等等。但是，不是所有的概念都有明确的外延，例如，“青年人”、“中年人”、 “老年人”都没有明确的外延。很难说4 0 岁的人是不是“中年人”。又譬如工 艺方案的绿色度高低，方案的优劣，产品的好坏等也都没有明确的外延。把这 类没有明确外延的概念称为模糊概念1 3 。 在日常生产、生活及科研中，人们常常需要比较各种事物，评价其优劣好 坏，以做出相应的处理。而一个事物的状况往往与多种因素有关，在评价时应 兼顾各个因素，特别是在生产规划、管理调度等复杂系统中，做出任何一个决 1 0 第二章 曲轴材料模糊评判及选择 策时，都必须对多个相关的因素进行综合考虑，这便是所谓的综合评判问题。 当确定事物性质的各种因素具有模糊性时，这种涉及模糊因素的评判称为模糊 综合评判。材料选择在产品设计中处于极其重要的地位。传统设计中材料的选 择主要考虑材料的物理及力学性能、产品的基本性能( 例如产品的功能、结构要 求、安全性、耐腐蚀性等) 、产品使用的工作环境等因素的影响，往往很少考虑 产品与环境的和谐问题。另外，在选择材料时，往往是凭借设计人员的经验， 缺少准确、科学的选材方法。传统的材料选择方法主要有：行业传统选材；试 行错误法选材；类比法选材；筛选法选材；信息反馈法选材：价值分析法选材； 目标函数法选材等等。不可否认，这些材料选择方法在某些领域或者在特殊的 时期，有它们的优势。但是，在当今科技高速发展的情况下，就显出了传统材 料选择的不足之处，主要表现在以下几个方面：f 1 ) 所用材料很少考虑报废后的 回收处理问题。( 2 ) 产品设计时的材料选择以功能为主要目标，忽略了与环境的 关系。( 3 ) 没有全面考虑材料的加工过程及其对环境的影响。( 4 ) 很少考虑所用材 料本身的生产过程。( 5 ) 所用材料品种繁多【3 7 】。 由于传统的材料选择已不能充分满足现代设计的要求，所以，必须在传统 材料选择的基础上进行完善，改变以考虑性能、经济原则为主的传统选材思想。 先进的选材思想应该是根据绿色产品设计的特点，遵循材料的功能属性和绿色 属性的总原则，综合考虑材料的基本性能( 使用性能和工艺性能) 、经济性能和 环境性能三大要素。模糊综合评判方法迎合了这种选择需求，它建立的模糊综 合评判模型是解决多指针综合问题的一种有效手段。是应用模糊关系合成的特 性，根据给出的评价准则和实测值，从多个指标对被评判事物隶属等级状况进 行综合性评判的一种方法；它把被评价事物的变化区间做出划分，又对事物属 于各个等级的程度做出分析，这样就使对事物的描述更加深入客观，分析结果 更加准确。 材料绿色评价的结果就是希望获得关于某一具体材料或具体工艺的影响指 标，从而有利于人们正确地选择材料、使用材料、生产材料、开发材料、回收 材料等，并期望它是一种将材料的环境影响评价结果具体化、规范化、定量化 的表达方式。模糊综合评判的这种多指针评价特点不仅可以将材料的功能、性 能、成本等计入材料评价，还可以将人们关心的环境影响因素计入，即材料的 绿色特性，很好地解决了曲轴材料的选择问题。 第二章曲轴材料模糊评判及选择 2 2 模糊评判模型的建立 模糊综合评判模型3 6 1 就是应用模糊变换原理，对考虑的事物进行综合评价 而得到的，具体步骤如下。 ( 1 ) 确定因素集。因素集是以影响评判对象的各种因素为元素组成的集合， 通常用睐表示 u = 恤l ，“2 ，“f )( 2 1 ) 其中，h f ( i = 1 ，2 ，h ) 代表各影响因素，这些因素通常具有不同程度的模糊 性。因素集中的因素，可以是模糊的，也可以是非模糊盼，但它们对因素集的 关系，要么u ；e u ，要么u r 隹u ，二者必具其一且仅具其一，故因素集本身是一个 经典集合。在选取因素集时，要注意各个因素确实能从各个侧面描述评判对象 的属性，同时要抓住主要因素。 ( 2 ) 建立备择集。备择集是以评判者对评判对象可能做出的各种总的评判结 果为元素组成的集合，可以用壤示，即 矿= p 。，v ：，v ，j( 2 - 2 ) 各元素v ( = 1 ，2 ，棚) 代表各种可能的总的评判结果。模糊综合评判的目的， 就是在综合考虑所有影响因素的基础上，从备择集中得出最佳的评判结果。各 元素v ，对蹦关系要么绝对的属于，要么绝对的不属于，因此，备择集也是个经 典集合。 ( 3 ) 单因素模糊评判。首先从因素集u 中的单个因素出发