GB/T 41516-2022 机械加工工艺能效优化方法

　　ICS 25 . 080 CCS J 30

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 41516—2022

　　机械加工工艺能效优化方法

　　optimizationmethodofenergyefficiencyformachiningprocess

　　2022-07-01 发布 2023-02-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 41516—2022

　　目 次

　　前言 Ⅰ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 机械加工工艺能效优化总则 1

　　5 确定可行工艺路线 2

　　6 工艺参数能效优化方法 2

　　7 工艺路线能效优化方法 3

　　8 工艺能效优化的评审与改进 3

　　附录 A(资料性) 应用正交试验法进行工艺参数能效优化的流程 4

　　附录 B(资料性) 应用正交试验法进行工艺参数能效优化的示例 6

　　GB/T 41516—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国绿色制造技术标准化技术委员会(SAC/TC 337)提出并归口 。

　　本文件起草单位：重庆大学、中机生产力促进中心、意特利(滁州)智能数控科技有限公司、西南大学、海瑞恩精密技术(太仓)有限公司、重庆邮电大学、合肥工业大学、重庆机床(集团)有限责任公司、东方电气集团科学技术研究院有限公司、重庆小康动力有限公司、东莞骏科仪器设备有限公司、中机研标准技术研究院(北京)有限公司、青岛滨海金成铸造机械有限公司、广东仕诚塑料机械有限公司、中山市易路美道路养护科技有限公司、清远市钛美铝业有限公司、青岛双星装备制造有限公司。

　　本文件主要起草人：李聪波、陈行政、孙婷婷、奚道云、刘士孔、叶森、刘飞、李洪丞、朱利斌、喻可斌、陈兵、凌青海、黄从江、刘霞、张春华、牛洪芝、邹万军、刘培华、刘正军。

　　Ⅰ

　　GB/T 41516—2022

　　机械加工工艺能效优化方法

　　1 范围

　　本文件规定了机械加工工艺能效优化总则、工艺参数能效优化、工艺路线能效优化以及工艺能效优化的评审与改进。

　　本文件适用于机械加工工艺设计或工艺改进设计过程中的工艺能效优化。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 4863 机械制造工艺基本术语

　　GB/T 40799 机械加工过程 能效基础数据检测方法

　　3 术语和定义

　　GB/T 4863、GB/T 40799 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　工艺过程总能耗 totalenergyconsumptionofmachiningprocess

　　产品或零件按照某一工艺路线进行生产所需的总能耗。

　　4 机械加工工艺能效优化总则

　　4 . 1 基本原则

　　机械加工工艺能效优化应遵循以下基本原则：

　　— 在满足生产需求的情况下，应基于经济效益和节能效果确定优化方法;

　　— 在机械加工工艺能效优化过程中，应满足产品加工质量、效率和成本等约束性要求。

　　4 . 2 重点内容

　　机械加工工艺能效优化的重点内容应包括：

　　— 工艺路线优化;

　　— 工艺参数优化。

　　4 . 3 主要依据

　　机械加工工艺能效优化的主要依据应至少包括：

　　—GB/T 40799 等节能标准、规范、技术管理文件和质量保证文件;

　　— 零件设计和技术文件;

　　— 工艺技术水平和企业生产能力。

　　1

　　GB/T 41516—2022

　　5 确定可行工艺路线

　　5 . 1 基本原则

　　机械加工工艺路线在设计过程中应满足可行性、可靠性以及产品质量、生产周期、安全指标的达到程度，设计原则及内容为：

　　— 根据企业机构设置和车间条件，确定企业内部分工原则，明确车间分工;

　　— 根据企业生产能力、产品生产性质和生产批量，确定自制件与外协件的具体项目;

　　— 根据零件的形状、精度要求、材料性能、热处理等特殊工艺要求确定毛坯形式;

　　— 依据产品或零部件材料、结构、表面性能要求、生产阶段、批量、用户要求以及现有工艺技术、设备、工装条件，选择加工方法，确定工序集中与分散原则、工序顺序(机加工、热处理、辅助工序等)，划分加工阶段(粗加工、半精加工、精加工、光整加工等)，并在该过程中缩短工艺流程、采用现有节能工艺技术。

　　5 . 2 确定方法

　　确定可行工艺路线应以加工质量、效率、成本组成的综合评价指标作为依据，具体方法为：

　　a) 对其零件加工质量进行评价，主要包括零件的加工精度(尺寸精度、形状精度、位置精度)和表面质量(如表面粗糙度)，判断零件的加工质量是否高于企业要求的最低质量要求;

　　b ) 对其零件加工成本进行评价，主要包括加工设备成本、人工成本、辅助物料消耗成本和能源消耗成本，判断零件的加工成本是否低于企业要求的最大加工总成本;

　　c) 对其零件加工时长进行评价，主要包括机加工、热处理、辅助工序等过程的时间，判断零件的总加工时长是否低于企业要求的最大总加工时长;

　　d) 若某工艺路线加工质量、总加工时长、成本均满足企业要求，则将该工艺路线作为可行工艺路线。

　　6 工艺参数能效优化方法

　　机械加工工艺参数能效优化的程序应包括：

　　a) 列出零件可行工艺路线下每个工序的工艺参数;

　　b ) 分析各工序中各工艺参数对能耗和生产效率等指标的影响，获得对指标有显著影响的工艺参数;

　　c) 选取对指标有显著影响的工艺参数作为优化变量，确定其常用的取值范围;

　　d) 选定试验设计方法，进行工艺参数能效优化试验设计，得到试验方案并开展试验，记录各试验方案下的能耗和生产效率等目标值。 常用的试验设计方法包括：

　　— 正交试验法;

　　— 响应曲面分析;

　　— 田 口法。

　　e) 基于试验，获得该工序能耗最低和生产效率最高的工艺参数组合;

　　f) 重复上述步骤，对零件可行工艺路线的所有工序开展工艺参数能效优化。

　　应用正交试验法进行金属切削加工工艺参数能效优化的流程和示例分别参见附录 A 和附录 B。

　　2

　　GB/T 41516—2022

　　7 工艺路线能效优化方法

　　机械加工工艺路线能效优化的程序应包括：

　　a) 对各可行工艺路线能效进行评价，主要包括机加工、热处理、辅助工序等过程消耗的能源，判断工艺过程总能耗是否满足企业所允许的最高能耗水平要求;

　　b ) 对满足要求的各可行工艺路线按照工艺过程总能耗大小排序，选出工艺过程总能耗最小的工艺路线。

　　8 工艺能效优化的评审与改进

　　8 . 1 评审周期

　　企业应在工艺技术水平和生产能力发生改变后对优化的工艺运行效果进行评审。

　　8 . 2 评审形式

　　企业可先对优化的工艺进行内部审核，当内部审核出现分歧时，可邀请有资质的第三方机构对工艺的运行效果进行外部评审。

　　8 . 3 评审内容

　　评审内容应包括：

　　— 产品工艺方案及工艺路线的正确性、先进性、经济性、节能性、可靠性和可检验性;

　　— 工艺装备、工艺设备、测试设备选择的准确性、合理性;

　　— 工艺能效优化方法的可行性和有效性。

　　8 . 4 改进

　　当评审结果显示能效优化后的工艺不符合或偏离工艺设计的目标时，应采取整改措施，并对整改的效果进行验证，提供证据验证已采取措施的有效性，实现工艺能效优化持续改进。

　　3

　　GB/T 41516—2022

　　附 录 A

　　(资料性)

　　应用正交试验法进行工艺参数能效优化的流程

　　A.1 确定优化目标

　　确定能耗、加工时间、成本目标，并为每个目标确定权重。

　　A.2 确定优化变量

　　进行工艺参数能效优化时，宜确定对优化目标有显著影响且可控的变量，并对其优化。

　　A.3 确定优化变量范围

　　确定的各优化变量范围应满足使用要求，符合实际。

　　A.4 确定各优化变量的水平数

　　根据确定的优化变量范围，划分水平数，可划分为三个或四个水平。

　　A.5 试验方案确定

　　根据确定的变量数目和水平数，确定正交表并安排试验。

　　A.6 记录试验结果并进行同向化和无量纲处理

　　试验时，应记录试验结果，并应对试验结果进行同向化和无量纲处理。 当优化目标同时存在极大和极小问题时，应将极大问题取负转换为极小问题，并应对各指标进行无量纲化处理，以消除计量单位对原数据的影响，将优化目标按公式(A. 1)标准化。

　　xik=[xi-xmin(k)]/[xmax(k)-xmin(k)] ………………( A.1 )

　　式中：

　　xi —第 i组试验的实际数值;

　　xmin(k)—第 k 个指标在试验中的最小值;

　　xmax(k)—第 k 个指标试验中的最大值。

　　A.7 计算综合优化评价指标值

　　优化的综合优化评价指标值和每组试验下的目标值信噪比值分别按公式(A. 2)、公式(A. 3)计算：

　　yi = Σwkxik …………………………( A.2 )

　　式中：

　　wk —第 k 个指标的影响权重;

　　yi —第 i组试验的综合评价指标。

　　S/N …………………………( A.3 )

　　式中：

　　S/N — 某组试验安排下的信噪比值;

　　m —每组试验测量次数;

　　yi —各组试验第 i次测量后计算得的综合能效优化评价指标。

　　4

　　GB/T 41516—2022

　　A.8 计算信噪比均值及绘制关系图

　　根据公式(A. 4)计算每一列试验各水平的信噪比均值，并绘制关系图。

　　S/Nij Ym=i，v=j …………………………

　　式中：

　　S/Nij—工艺参数 i在j水平的信噪比均值;

　　kmv —试验组合中满足要求的信噪比值;

　　nij —试验中工艺参数 i在有j 水平下的总数。

　　A.9 选择最优工艺参数

　　最优工艺参数应选取各优化变量最大信噪比均值对应的水平值。

　　5

　　GB/T 41516—2022

　　附 录 B

　　(资料性)

　　应用正交试验法进行工艺参数能效优化的示例

　　B.1 工艺参数能效优化目标的确立

　　以某铣削工序为例，选取能效、加工时间为优化目标。 取能效目标权重为 0 . 5,时间 目标权重为 0 . 5 。

　　B.2 优化变量的选取

　　选取主轴转速n、每齿进给量 fz、背吃刀量 ap 以及侧吃刀量 ae 作为优化变量。

　　B.3 工艺参数能效优化范围的选取

　　各工艺参数范围宜选取为：n=(2 200-4 200)r/min,fz=(0.015-0.027) mm/z,ap=(0.3-0.5) mm, ae= ( 2-4) mm。

　　B.4 工艺参数能效优化水平数划分

　　工艺参数能效优化水平数划分时，各工艺参数可设定三个水平，见表 B. 1 。

　　表 B.1 可控因素及水平

　　因素水平

　　n

　　r/ min

　　mm(f)z/z

　　ap

　　mm

　　ae

　　mm

　　1

　　2 200

　　0 .015

　　0.3

　　2

　　2

　　3 200

　　0 .021

　　0.4

　　3

　　3

　　4 200

　　0 .027

　　0.5

　　4

　　B.5 试验方案设计

　　试验方案设计时，宜选用试验次数较多的 L27(3 13 )正交表进行试验设计。

　　B.6 开展试验并记录试验结果

　　按照表 B. 2 开展试验并记录试验结果。

　　6

　　GB/T 41516—2022

　　表 B.2 试验安排和试验结果

　　编号

　　n

　　fz

　　ap

　　ae

　　切削

　　功率 1

　　W

　　切削

　　时间 1

　　s

　　切削

　　功率 2

　　W

　　切削

　　时间 2

　　s

　　切削

　　功率 3

　　W

　　切削

　　时间 3

　　s

　　1

　　2 200

　　0 .015

　　0.3

　　2

　　1 112

　　190

　　1 117

　　190

　　1 120

　　190

　　2

　　3 200

　　0 .015

　　0.3

　　3

　　1 060

　　87

　　1 060

　　87

　　1 064

　　87

　　3

　　4 200

　　0 .015

　　0.3

　　4

　　1 021

　　49

　　1 022

　　50

　　1 030

　　50

　　4

　　2 200

　　0 .021

　　0.3

　　4

　　1 124

　　68

　　1 123

　　68

　　1 125

　　68

　　5

　　3 200

　　0 .021

　　0.3

　　2

　　1 062

　　93

　　1 062

　　93

　　1 058

　　93

　　6

　　4 200

　　0 .021

　　0.3

　　3

　　1 029

　　47

　　1 029

　　47

　　1 023

　　47

　　7

　　2 200

　　0 .027

　　0.3

　　3

　　1 124

　　70

　　1 124

　　70

　　1 122

　　70

　　8

　　3 200

　　0 .027

　　0.3

　　4

　　1 070

　　36

　　1 070

　　36

　　1 078

　　36

　　9

　　4 200

　　0 .027

　　0.3

　　2

　　1 022

　　55

　　1 022

　　55

　　1 017

　　55

　　10

　　2 200

　　0 .015

　　0.4

　　4

　　1 123

　　95

　　1 123

　　95

　　1 121

　　95

　　11

　　3 200

　　0 .015

　　0.4

　　2

　　1 068

　　131

　　1 068

　　131

　　1065

　　131

　　12

　　4 200

　　0 .015

　　0.4

　　3

　　1 033

　　66

　　1 033

　　667

　　1 029

　　66

　　13

　　2 200

　　0 .021

　　0.4

　　3

　　1 129

　　90

　　1 129

　　90

　　1 131

　　90