Parametric Optimization of CNC Milling of Aluminium 7075 Using the TOPSIS Multi-Criteria Decision-Making Method

技术摘要：基于 TOPSIS 法的铝合金 7075 CNC 铣削参数优化

问题陈述
铝合金 7075 是一种在航空航天和国防领域至关重要的高强度合金，其加工过程面临着复杂的多目标优化挑战。传统的参数选择通常依赖于操作人员的经验或试错法，但这种方法往往无法在相互竞争的目标之间提供令人满意的折衷方案。具体而言，为了提高能源效率而最小化比切削能（SCE），往往会与最小化合力以确保工艺稳定性并减轻刀具负载的目标相冲突。本研究旨在解决在干式切削条件下，同时优化这些非效益型响应（SCE 和切削力）的需求，因为在干式切削下，参数对不同响应的影响存在冲突趋势，使得单目标优化不再适用。

研究方法
本研究采用了结构化的实验与分析方法：

• 实验设计： 利用 Taguchi L27 正交表研究了三个可控参数——主轴转速、进给率和切削深度——每个参数设有三个水平。实验是在一台垂直 CNC 加工中心上进行的，使用硬质合金刀具并在干式条件下进行。
• 数据采集： 切削力通过连接至 National Instruments cDAQ-9174 系统的 KISTLER 9257B 压电测力计进行测量，同时通过 Hioki PW3198 电力质量分析仪监测主轴功率。
• 响应计算： 推导出了两个主要响应值：合力（N）和比切削能（J/mm³）。两者均被视为非效益型准则（即数值越低越好）。
• 优化技术： 应用逼近理想解排序法（TOPSIS）对 27 组实验运行进行排序。该方法对数据进行归一化处理，应用权重（初始设定为 SCE 0.50 和切削力 0.50），并根据与正理想解（最小值）和负理想解（最大值）的距离计算接近系数（$C_i$）。
• 验证： 通过改变两个响应值的权重（例如 40:60、30:70、20:80、10:90）进行了敏感性分析，以测试所识别最优解的稳健性。

关键结果

• 参数效应：
  • 主轴转速： 增加主轴转速通常会降低合力。然而，其对 SCE 的影响并非完全单调；在高速低进给率的情况下，SCE 趋于增加，但在高进给率下则会下降。
  • 进给率： 观察到了明显的权衡关系。增加进给率会显著降低 SCE（提高单位体积的能量效率），但由于切削负荷增加，会导致合力上升。
  • 切削深度： 增加切削深度会一致地增加合力，这使得较低的切削深度更有利于降低力。
• 最优条件： 主要的 TOPSIS 分析（50:50 权重）确定 第 18 组运行（Run 18） 为最优组合，其接近系数为 0.8584。具体参数为：
  • 主轴转速：3700 rpm
  • 进给率：450 mm/min
  • 切削深度：0.8 mm
• 敏感性分析： 所选的最优解（第 18 组）在所有测试的权重方案（从 50:50 到 10:90）中始终保持排名第一，证实了该参数组合作为平衡方案的稳健性。

意义与主张
本文声称，将 Taguchi 设计与 TOPSIS 集成，为解决铝合金 7075 干式铣削中能量效率与切削力降低之间的平衡问题提供了一个有效的框架。研究表明，可以通过单一的参数集来管理最小化能量消耗与最小化机械负载之间固有的冲突。

作者将这项工作定位为一种实用的多响应优化方法，该方法可扩展到包括刀具磨损、表面粗糙度和振动在内的其他准则。研究明确限定其主张仅适用于特定的实验领域（即测试的参数范围、特定的 CNC 机床、刀具以及干式条件），并未断言所识别的参数是所有铝合金 7075 铣削操作的通用最优解。未来的工作建议探索混合优化方法及各种冷却策略，但目前的贡献在于成功应用了 TOPSIS 来解决所述设置中 SCE 与切削力之间的特定权衡问题。