面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价体系和方法研究

王贤琳，王飞，邱爽，李俊

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉 430081)

0 前言

随着社会的发展，资源环境问题日益突出，面对资源、环境和发展之间的矛盾，人们不得不重新审视，总结传统模式的缺陷，积极努力探索发展新道路。绿色制造正是顺应了时代的发展，自绿色制造提出以来受到我国高度重视，相继出现了各种与绿色制造相关的理论，同时国家863和国家自然科学基金等对绿色制造的支持促进了绿色制造的发展。由于绿色制造理论的发展时间不长，绿色制造工艺评价无论是数据采集还是评价方法都还未形成一套完整的体系。对具体的工艺评价理论更需要去探索。

近年来，在电火花加工理论方面。刘畅等人［1］通过提出一种线性规划算法，来对加工速度进行仿真预测。葛红光等［2］通过研制电源脉冲发生装置来提高加工过程的稳定性和加工质量。冯源等人［3］通过实验设计方法对45钢表面沉积WC-8Co涂层工艺参数进行研究，得到最佳工艺参数。伍晓榕等［4］通过运用Dematel-Vkor法来对工艺参数进行绿色决策。陈日等人［5］通过利用ANSYS软件进行模拟仿真单脉冲放电过程。周林等人［6］通过数控程序法来补偿电火花加工过程中得电极损耗。赵建社等［7］通过对电火花加工电极的设计提出了一种新方法。苟刚等人［8］通过运用遗传神经网络来对电火花加工效果进行预测。这些，都分别在加工速度、稳定性、加工质量、工艺参数、电极等方面进行了研究但很少有对电火花加工工艺进行评价研究。在评价方面，张华等人［9］针对机械加工工艺建立清单分析评价指标，并用组合评价方法来分析。彭军等人［10］建立绿色产品制造工艺评价体系并运用AHM与模糊综合评价法来求解。这些都从机械加工、绿色产品为研究对象，而且他们很少考虑指标之间的相互影响关系。

鉴于此，文中以电火花加工工艺为研究对象通过建立面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价指标体系，并使用DEMANTEL-TOPSIS评价方法对5个绿色制造特性指标(时间、质量、成本、资源和环境)等进行综合评价，从而使得评价更具全面、客观、合理。

1 面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价体系

为了对电火花加工工艺进行客观准确的评价，就要设计一个全面完整科学的评价指标体系。所以，文中以绿色制造五大特性评价指标作为构架，在其基础上考虑到电火花加工的复杂性并兼顾特殊性，通过传统电火花加工评价指标［11］及借鉴其他相关评价准则，建立了面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价体系，如图1所示。该体系特点:(1)考虑到指标之间的影响从而使评价更具合理性。(2)该体系是对电火花加工整体综合评价，具体加工工艺评价时(如线切割加工、成型加工等)，可根据具体情况对其进行修改。

图1 面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价指标体系

2 面向绿色制造的电火花加工工艺评价建模

2．1 DEMATEL权重法

DEMATEL(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)，全称为“决策实验和评价实验法”，是一种用来筛选复杂的系统的主要要素，简化系统结构分析的过程而提出的方法论。这种方法是充分利用专家的经验和知识来处理复杂的问题，尤其对那些要素关系不确定的系统更为有效。通过分析系统中各要素之间的逻辑关系与直接影响关系，计算出每个因素对其他因素的影响程度以及被影响度，从而计算出每个因素的中心度与原因度，可以判断要素之间关系的有无及其强弱评价。目前，该方法已经成功应用于企业创新能力评价、绿色产品评价等多个领域中［12-13］。针对评价体系中各要素之间的影响关系，文中提出采用DEMATEL法来确定权重。

DEMATEL的实施步骤:

(1)确定要素间的直接影响程度。首先确定要素间的影响关系:0表示两要素间没影响;表示两要素间影响小;2表示两要素间影响中;3表示两要素间影响大。然后，通过专家调查法进行元素间比较，记要素i对要素j的影响在矩阵中用xij表示。

(2)构建直接影响矩阵D。直接影响矩阵D={xij}n×n，其中n为要素的个数

(3)计算规范化直接影响矩阵X。X=λ×D，其中

(4)确定综合影响矩阵T即［tij］n×n，其中tij表示综合影响矩阵中第i行第j列的元素。(5)计算各要素的中心度与原因度。记r为综合影响矩阵行和，c为综合影响矩阵列和，即

(6)计算权重wi。因为以上都是考虑过各要素直接的相互影响，因此用中心度和原因度来综合确定权重也是考虑了各要素间相互影响，权重算法如下:

2．2 基于DEMATEL-TOPSIS绿色电火花加工工艺综合评价

TOPSIS法是有限方案多目标决策的综合评价方法之一，它能充分利用原始数据的信息，所以能充分反映各个方案之间的差距、客观真实的反映实际情况。具有真实、直观、可靠的优点，而且其对样本资料无特殊要求［14］。为了考虑到评价因素间的互相影响，一方面采用DEMATEL权重法融入到TOPSIS评价方法中，另一方面运用一种改进TOPSIS算法从而进行DEMATEL-TOPSIS综合评价。

12）脚手板操作面的端头处绑两道防护栏杆，建筑物顶部脚手架要高出屋面1.0m，高出部分要绑两道护身栏，并立挂安全网。

首先建立面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价指标集:A={C1，C2，…，Cn}，同时建立方案集:P={P1，P2，…，Pm}，方案集P对指标集A的指标值记为zij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)，记P对A的初始指标矩阵Z=(zij)m×n。具体步骤如下:

(1)将初始指标矩阵化为标准化矩阵R=(rij)m×n。具体做法如下

对于效益型指标

(2)理想解与负理想解:显然，对于矩阵R，因为都统一为效益型指标，故理想解Rj+=(1，1，…，1)，负理想解=(0，0，…，0)。

(3)确定权重w1，w2，…，wn。通过DEMATEL法求出。

(4)计算各方案理想解和负理想解的加权距离平方和［14］。

(5)根据加权距离平方和fi(w)，排序得到最优方案。

3 基于DEMATEL-TOPSIS绿色电火花加工工艺综合评价流程

图2 基于DEMATEL-TOPSIS绿色电火花加工工艺综合评价流程

4 基于DEMATEL-TOPSIS方法的应用

电火花加工工艺中，成型加工工艺占有相当的比重，而电极材料的选择又是成型加工工艺规程中必不可少的一环，本文以某模具厂在电火花加工中针对5种不同电极材料的选择进行评价分析，以此来验证DEMATEL-TOPSIS法评价模型的可行性。其绿色电火花加工工艺评价分析表如表1。

表1 绿色电火花加工工艺评价分析表

评价过程如下:

(1)通过专家调查表对15位专家进行调查最终结果取人数最多的那个，人数相等时取相关关系大的那个，调查表及最终结果见表2。

表2 最终评价指标相关关系专家调查表结果

(2)通过表2得到直接影响矩阵D，算出直接影响矩阵的行和{35，34，32，45，37，43，38，47，40，42，39，37，43，42，35，41，42，42，12，10，9}，列和{40，34，39，35，38，41，37，42，40，37，40，40，41，41，39，43，39，40，14，14，11}得到最大值为47，再按照DEMATEL法的步骤(3)—(5)，通过一系列的计算，最后计算综合影响矩阵的行和与列和矩阵r={ri}={4．120 6，4．011 5，3．747 4，5．102 7，4．230 5，4．903 1，4．398 8，5．296 2，4．787 2，4．891 3，4．428 0，4．296 5，4．828 2，4．757 5，4．145 5，4．802 5，4．765 1，4．770 1，1．340 4，0．880 2，1．018 3}T

c={cj}={4．625 6，3．965 3，4．497 1，4．166 3，4．349 5，4．787 8，4．314 7，4．691 5，4．644 8，4．308 557，4．723 7，4．629 4，4．735 6，4．623 2，4．298 2，4．965 9，4．380 1，4．597，1．470 9，1．624 1，1．122 3}

(3)令i=j，由式(4)计算中心度m1=r1+c1=4．120 6+4．625 6=8．746 2，式(5)n1=r1-c1=4．120 6-4．625 6=-0．505 0，其余以此类推，评价指标的中心度、原因度见表3。

(4)按公式(6)计算权重，如表3所示。从表中可以看出在质量属性指标里面权重最大的是生产性时间指标，说明生产性时间影响度相对比较而言比其他时间对工艺综合评价影响较大，同理，在环境指标中工作液指标权重大，表明其对评价影响大。其他属性指标以此类推。噪声、辐射和其他等指标相对影响较小。因此要优先从生产性时间、电极损耗、电介质耗量等方面进行改善以提高绿色电火花加工综合评价的绿色性。

表3 评价指标的中心度、原因度和权重

(5)收集原始数据并整理，具体如表4所示，显然C4，C5，C6作为效益型指标处理，其它作为成本型指标处理。这些指标构成初始指标矩阵X=(xij)5×21。

表4 评价指标样本数据

(6)将式C4，C5，C6列的数据代入式(7)和其余列的数据代入式(8)得到标准化矩阵R5×21。计算结果见表5。

表5 xij经标准化处理后得标准化矩阵R5×21

(7)通过表5数据结合评价过程第四步骤中所求得的权重由式(9)得

f(wi)=(0．010 1，0．029 3，0．026 8，0．160，0．021 0)

工艺方案的排序为f(w1)＜f(w4)＜f(w5)＜f(w3)＜f(w2)，因此选择第2组工艺方案综合评价最好，第2组工艺方案为最优方案。

5 结论

(1)考虑到电火花加工工艺的复杂性和特殊性以及指标间相互影响从而建立面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价体系，使得评价更科学、更合理。丰富了绿色制造评价体系的内涵。

(2)针对面向绿色制造的电火花加工工艺综合评价体系中指标影响的特点，采用DEMATEL权重法，得出生产性时间、电极损耗、电介质耗量等指标因素对评价影响较大，而噪声、辐射和其他等项指标相对影响较小。通过DEMATEL-TOPSIS法对各组工艺方案进行综合评价得出第2组工艺方案最好，验证了该方法的可行性。

(3)对电火花加工工艺的评价，仅做了初步的研究，无论是指标体系还是评价方法，需要深入的开展研究。

［1］刘畅，李军．电火花微小孔加工速度的预测［J］．机械设计与制造，1013(11):251-255．

［2］葛红光，张秋菊．“中走丝”电火花切割加工脉冲电压的研究［J］．电加工与模具，2013(1):59-65．

［3］冯源，潘仁．45钢表面沉积WC-8Co涂层的工艺参数研究［J］．热加工工艺，2013，42(2):122-144．

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［6］周林，石民，潘晓斌，等．基于程序长度补偿的电火花铣削工艺［J］．制造技术与机床，2011(10):41-43．

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