答辯博士：Aqib Mashood Khan

指導教師：何甯教授/博導

論文題目：基于多種冷卻潤滑的可持續加工過程資源型能耗研究

答辯委員會：

主席：張為民   教授/博導   同濟大學

委員：張為民   教授/博導   同濟大學

湯文成   教授/博導   東南大學

袁軍堂   教授/博導   南京理工大學

何  甯   教授/博導   ag真人百家家乐平台

周  瑾   教授/博導   ag真人百家家乐平台

丁文鋒   教授/博導   ag真人百家家乐平台

秘書：陸俊華   副教授/碩導 ag真人百家家乐平台

答辯時間：2019年12月15日1430

地    點：南航明故宮校區15-341

學位論文簡介：

過去20年來，世界能源消耗迅速增長，導緻了二氧化碳排放量的增加。在制造過程中碳排放與電能消耗趨勢相似，減少能源消耗意味着減少碳排放量。随着自然資源的枯竭，能源成本也在逐漸增加，節能已成為機械加工過程中經濟可持續性的必然要求。針對先進切削技術的可加工性(加工質量特性)方面的研究，雖然已有不少的研究成果，但仍然缺乏深入的可持續性評估方法。在工業領域中，制造業是一個消耗大量電能的關鍵行業，而機械加工又廣泛應用于制造業中。本博士課題的重點是加工過程中基于資源的能源消耗，同時也研究了在采用先進潤滑條件下零件生産過程中能源消耗，能源足迹以及生産成本問題。目前的工作主要是研究低溫冷卻(LN2) 和潤滑(納米流體)對能源消耗、環境和經濟的影響。這些冷卻潤滑方法被應用在兩種不同的難切削材料-AISI 52100和Ti6-Al-4V合金的外圓車削和銑削過程中。為了進行性能評估和比較，還将所得的實驗結果與在工業中廣泛應用的常規冷卻方法(澆灌冷卻)進行了比較。

本文在理論分析、實驗和整體建模的基礎上，對加工過程中基于資源的能耗進行了研究。研究結果以生命周期評估方法為基礎，選擇最佳切削參數，最大限度地降低能耗，并對可持續發展的參數選擇和工藝設計做出合理的決策。此外，其還有助于實現機械制造過程中選擇可持續的加工工藝，本文的主要工作如下：

論文的主要研究工作包括：

(1)   智能儀表和整體模型的發展：機床在不同功能狀态下的電能耗測量是一個複雜且成本較高的過程。與市場上昂貴的傳感器不同，本研究設計了一種新的低成本能量測量裝置，稱為智能儀表，用于測量機床不同狀态下的功耗。基于自下而上的整體經驗模型替代傳統的黑箱，以對加工時間、功率、能量、碳排放和成本進行建模。在所提出的經驗模型中首次包含了冷卻泵、空壓機、納米顆粒、混合納米顆粒、最小油耗和液氮的能耗、環境和經濟性多方面。所開發的整體能耗、基于組件級的成本(CSC)和基于組件級的排放導向(CSEO)模型已在相應的實驗研究中得到驗證。

(2)   納米流體輔助加工中資源化能源消耗的研究：無論是單一納米流體還是混合納米流體，都需要具有優異的穩定性，這不僅是研究者們研制高質量納米流體的必然要求，也是工業應用的迫切需要。因此，本文采用兩步法制備了氧化鋁納米流體-和混合氧化鋁-石墨烯(Al-GnP)。為了評估納米流體的穩定性和質量，本文測量了熱導率、粘度和摩擦系數。通過MQL技術，将合成的單納米流體和混合納米流體應用于AISI52100鋼的非塗層硬質合金刀具外車削。結果表明，納米流體的濃度、切割速度均對實驗結果産生顯著影響。此外，相對于無納米顆粒的标準MQL，混合納米流體輔助加工可以獲得更好的表面質量，并顯著降低能耗。

(3)   對複合低溫機械輔助加工的累積能源需求(CED)的評估：提出了一種新的累積能源需求和CO2以及成本的估算方法并應用于混合低溫MQL輔助車削Ti6-Al-4V合金的過程。本文計算了南京電網的碳排放特征(CES)，估算了各部分所造成的碳排放量。所用資源和碳足迹所體現的能量從已發表的文獻中收集到的，其與中國的地方工業有所不同。與以往的研究不同，通過建立經濟的低溫系統，在低流量(0.7 L/min) 下将液氮輸送到切割區。在相同的切削條件下，測量了加工功率、特定切削能量累積能量需求、比累積能量、能量份額、碳排放量、加工成本和生産率，并與傳統的澆灌冷卻輔助加工進行了比較。結果表明，在不影響工件表面質量的前提下，低溫MQL系統隻有在較高的切削材料去除率下才是可行的。在硬銑削中基于能效和生産效率的刀具壽命分析：為了找到各種潤滑輔助加工過程的能量和生産率之間的權衡，在幹切削、MQL、澆灌冷卻、低溫和混合低溫MQL輔助加工過程中進行實驗比較。

(4)   在切削前，分析了冷卻潤滑系統參數對切削能耗的影響，并對參數進行了優化。在不同潤滑方式和相同的刀具壽命下基于試探性的方法進行了相應的實驗。一旦所有的冷卻/潤滑環境達到相同的切削時間 (15分鐘) ，則進行基于能量效率和生産率的分析。此外，提出了碳排放指示器(CEI)，獲取加工過程中碳排放的信息。結果表明，低溫MQL能提高硬端銑削的生産率，但低溫MQL也由于液氮的高碳足迹而導緻大量CO2的排放。

(5)   多目标優化以降低能耗，并開發可持續性指南和性能模型：在基于納米流體的小批量冷卻潤滑方法(SQCL)下進行實驗，以優化切削參數并降低能耗。采用灰色關聯分析(GRA)和非支配排序遺傳算法NSGA-II對切削參數進行優化。此外，還制定了六項指标(能源、二氧化碳、成本、廢物處理、人員健康和安全以及水消耗) 的通用指南，用于所有使用的潤滑油輔助可持續加工過程。在此基礎上，提出了基于能量集成的啟發式算法來評估加工過程的可持續性。該模型在SQCL輔助面銑加工實驗中得到驗證。結果表明，綜合性能指标(OPI)得到的最優切削參數與灰色關聯度(GRG)得到的最優切削參數一緻。最後，基于Excel開發了一個用戶友好的可持續加工性能模拟程序。該模拟程序可以将工藝參數轉化為一組度量指标，包括能耗、單件能耗、冷卻液消耗和電能消耗。

主要創新點：

(1)   針對潤滑冷卻輔助加工工藝，建立了考慮能源、碳排放和成本的簡單、新型經驗模型

(2)   從整體系統的角度研究了混合納米流體和CryoMQL輔助外車削工藝的資源能耗情況

(3)   在相同刀具壽命條件下，提出了各種潤滑冷卻輔助工藝的能效與生産率之間的權衡方法

(4)   提出了能源-經濟生态工程（4E）綜合方法，用于對先進的潤滑冷卻輔助加工工藝進行可持續性評估