機加工工藝碳排放估算模型及應(yīng)用

尹瑞雪

(貴州大學(xué) 機械學(xué)院，貴陽 550003)

機加工工藝碳排放估算模型及應(yīng)用

尹瑞雪

(貴州大學(xué) 機械學(xué)院，貴陽 550003)

0 引言

隨著政府對企業(yè)廢物流排放管理力度的加強，以及消費者對綠色產(chǎn)品日益青睞，企業(yè)管理者意識到，減少環(huán)境影響是實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[1]。工藝規(guī)劃是連接設(shè)計和制造的紐帶，合理的工藝規(guī)劃不僅可以確保獲得合格的零件，同時可以最大化的利用企業(yè)加工資源，是企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵[2]。

目前已有大量的研究從不同的角度對工藝規(guī)劃進行了研究，例如如何通過成組技術(shù)實現(xiàn)計算機輔助工藝設(shè)計，基于模糊決策對工藝規(guī)劃進行優(yōu)化等等[3～5]，這些大多以縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本作為工藝規(guī)劃優(yōu)化目標(biāo)，但隨著制造業(yè)對低碳化的迫切要求，僅僅滿足以上目標(biāo)已不能滿足可持續(xù)性制造的要求。

因此有學(xué)者就關(guān)于如何通過改進工藝設(shè)計與規(guī)劃以減少廢物流排放進行了相關(guān)研究。其中P.Sheng等人提出基于特征從宏觀及微觀進行工藝規(guī)劃可實現(xiàn)減排[6]。Jeffrey B.Dahumus對去除材料的過程進行了相關(guān)分析，還對原料準(zhǔn)備過程、切削液準(zhǔn)備過程，進行了環(huán)境影響分析[7]。Domnita Fratila基于生命周期，從工件材料、切削過程、切削液的使用以及能耗幾個方面，對制造過程環(huán)境影響進行了評估[8]。F.Dragranescu利用Renounce Surface Methodology建立了研究模型，以銑床銑削鋁合金零件為例對其能耗進行了分析[9]。在對制造系統(tǒng)環(huán)境影響分析的基礎(chǔ)上，學(xué)者們還對其進行評估和量化。Simoda,M提出了一種針對機加工的環(huán)境影響評估系統(tǒng)，但這個系統(tǒng)只能比較少無切削液切削與普通切削之間的區(qū)別，具有一定的局限性[10]。Touma,S比較了基于一系列生態(tài)效益機床的車削加工環(huán)境影響，但其結(jié)果只能適用于車削，由于數(shù)據(jù)大多來源于真實機床，缺乏柔性，因此也局限了該方法的實用性[11]。這些研究依然未為企業(yè)決策者提供一個較為準(zhǔn)確的環(huán)境影響量化方法。

本文提出了一種較為準(zhǔn)確的機加工工藝碳排放評估模型，該模型對工藝方法消耗的電能耗碳、切削液、原材料等所產(chǎn)生的碳排放進行了評估及量化，為說明該模型的有效性，文中利用該模型比較了兩種工藝方法在加工同一體積，同一材料工件時產(chǎn)生的碳排放，根據(jù)比較的結(jié)果，碳排放相對較低的工藝方法將被選取，為實現(xiàn)制造節(jié)能減排提供了一種新的思路和方法。

1 典型機加工工藝碳排放評估模型

從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，具體的機加工工藝碳排放評估模型如圖1所示。該模型包括三個模塊，一是分析模塊，根據(jù)CAPP的結(jié)果，針對具體的工藝方法進行分析，對其使用的加工設(shè)備、切削參數(shù)、切削輔助材料進行分析，以確定需要估算的碳排放類型；二是數(shù)據(jù)模塊，該模塊不僅要為估算模塊提供機床設(shè)備參數(shù)、切削液生產(chǎn)能耗等基本數(shù)據(jù)，還要提供該加工切削參數(shù)、切削液使用量等現(xiàn)場數(shù)據(jù)；三是估算模塊，該模塊主要是對工藝中所涉及到的各類碳排放進行估算。其他碳排放包括了刀具消耗碳排放，以及現(xiàn)場照明、物流等能耗碳排放。文中計算電能消耗的碳排放時，電能碳排放系數(shù)（EF）取為0.93kgCO2-equivalent/kWh[12]。

圖1 制造工藝碳排放估算模型

2 機加工工藝碳排放估算函數(shù)

根據(jù)典型機加工工藝物質(zhì)能量輸入輸出流，如圖2所示，典型工藝碳排放包括直接碳排放以及間接碳排放，其中間接碳排放包括能源碳排放，主要指由于機床的能耗所導(dǎo)致的碳排放；以及物料碳排放，主要指切削液的使用、切屑的產(chǎn)生所導(dǎo)致的碳排放。直接碳排放主要指過程碳排放，是指在加工過程中，因物料化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的碳排放，針對機加工工藝，這部分碳排放相對量較少，在文中未做估算。

圖2 機加工工藝物質(zhì)能量輸入輸出流

根據(jù)分析估算函數(shù)可表示為式(1)，這一表達式可適用于多種不同的加工方法。

其中，C為該工藝碳排放 （kgCO2e）；Ce為機床能耗所引起的間接碳排放 (kgCO2e)；Cc為生產(chǎn)該工序所消耗的切削液的碳排放 (kgCO2e)；Cf為生產(chǎn)該工序產(chǎn)生的切屑的碳排放 (kgCO2e)；OTc為其他碳排放，如刀具消耗碳排放、潤滑液使用碳排放及現(xiàn)場照明能耗碳排放等，在本文中，該部分碳排放未進行估算。(kgCO2e)

2.1 機床能耗碳排放

機床能耗碳排放計算如式（2），機床能耗根據(jù)Gutowski的研究[13,14]，可用式（3）表示。

其中ETi為第i 道工藝機床能耗（kWh）；EBi為基礎(chǔ)能耗，即工件裝卸、定位夾緊時，機床冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及所有與加工有關(guān)的系統(tǒng)待機時能耗 (kWh)；EIi為空載能耗，即刀具移動對刀時機床待機能耗 (kWh)；EDi為切削能耗，即直接用于切削加工能耗(kWh)。

2.2 切削液碳排放

由使用切削液所產(chǎn)生的碳排放可由式（4）進行計算。

其中Qc為切削液使用量 (kg)；Cc.pro為生產(chǎn)單位質(zhì)量切削液所產(chǎn)生的碳排放 (kgCO2e/kg)；Cc.dis為處理單位質(zhì)量切削液所產(chǎn)生的碳排放 (kgCO2e/kg)。

2.3 切屑碳排放

切屑通常是經(jīng)過清洗回收再利用，這個過程隨著能耗的產(chǎn)生也會產(chǎn)生碳排放，根據(jù)文獻[15]，再循環(huán)利用原料再循環(huán)過程所造成的環(huán)境負荷由提供再循環(huán)物料的系統(tǒng)和接收再循環(huán)物料系統(tǒng)各負擔(dān)50%。因此切屑的碳排放可由式（5）計算。

其中Qbla為該加工前零件質(zhì)量(kg)；Qpro為該加工后零件質(zhì)量 (kg)；Cf.pro為加工單位質(zhì)量切屑所產(chǎn)生的碳排放(kgCO2e/kg)；Cf.re為回收處理單位質(zhì)量切屑所產(chǎn)生的碳排放(kgCO2e/kg)。

3 案例

如圖3所示，該零件為軸類零件，A面為待加工表面，材料為45號鋼。根據(jù)待加工表面加工質(zhì)量要求，現(xiàn)有兩種方案可用于加工A面，一為磨削，二為端面車削，切削參數(shù)如表1所示，為實現(xiàn)減排，碳排放較低的加工方案將被選擇用于加工。在該例中，假設(shè)兩種加工方案的切削液碳排放、切屑碳排放相同，僅對其機床能耗產(chǎn)生的碳

排放進行計算與比較。

圖3 短軸

表1 切削參數(shù)表

車削切削力可用式（6）計算[16]：

其中，C,x,y,z及K為常數(shù)；ap為切削深度t(mm)；f為進給 (mm/rev)； vt為切削速度(m/min)。

利用端面車削加工A面產(chǎn)生的能耗計算如式（7）所示：

其中 D表示待加工直徑, tp表示切削時間。

銑刀可以看作是多把車刀的集合，因此銑削的切削力計算可由式（8）表達：

其中 a(ti)表示在時間ti時銑刀實際參與切削的刀齒數(shù)，與刀具和工件相交的弧長有關(guān)。

圖4 銑刀與工件相交簡圖

1）當(dāng) 0

2）當(dāng) 1.25≤t2<7.75s， a(t2)=2，有兩個刀齒與工件接觸，其切削力表達為式(10)：

3）當(dāng) 7.75≤t3≤9s, a(t3)=1，僅有一個刀齒與工件接觸，其切削力表達為式(11)：

切削能耗則由式(12)進行計算：

計算的結(jié)果為2129J，比較兩種加工方法，采用車削相對銑削可減少28.4%能耗，相應(yīng)減排0.134gCO2e。通過估算與比較兩種加工方法碳排放，最終碳排放較低的加工方法，即車削將被選取。從該案例中，可以得出結(jié)論，當(dāng)加工同一特征時，采用不同的加工方法，可產(chǎn)生不同的能耗值及碳排放值，通過對加工方法的選擇，可實現(xiàn)節(jié)能減排。

4 結(jié)論

結(jié)合典型機加工工藝特點，建立了典型工藝碳排放估算模型及函數(shù)，模型包括了加工中由于機床能耗、切削液的使用、切屑的產(chǎn)生以及其他一些消耗所產(chǎn)生的碳排放估算，可較為準(zhǔn)確的獲得典型機加工工藝碳排放信息，可用于零件最終的碳標(biāo)簽標(biāo)注，為消費者選取商品提供了參考依據(jù)；通過比較典型工藝碳排放，能夠幫助工藝決策者選取碳排放相對較低的工藝方法，為實現(xiàn)制造過程節(jié)能減排提供了可能性。本論文旨在為實現(xiàn)制造低碳化進行探索性研究，由于部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于統(tǒng)計數(shù)據(jù)、文獻、軟件、現(xiàn)場，在一定程度上導(dǎo)致計算結(jié)果與實際結(jié)果存在誤差，同時文中考慮到對部分其他因素產(chǎn)生的碳排放數(shù)值較小，未進行討論，如由于使用潤滑液、刀具、照明等，也在一定程度上影響了估算結(jié)果的精準(zhǔn)性，因此，如何取得確實可靠的計算依據(jù)，并獲得符合實際生產(chǎn)系統(tǒng)的碳排放量將是后續(xù)研究工作的重點。

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The carbon emission evaluation model for machining process and its application

YIN Rui-xue

制造過程環(huán)境影響已成為企業(yè)制訂制造工藝規(guī)劃的重要影響因素之一。根據(jù)典型機加工工藝制造特點，分析了機加工工藝碳排放源，建立了包括能源碳排放、物料排放以及過程碳排放的機加工工藝碳排放評估模型，用于評估和量化機加工工藝碳排放量，為工藝決策者提供了較為準(zhǔn)確的環(huán)境影響數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)工藝優(yōu)化最終達到節(jié)能減排提供了有力的參考。為說明該工藝規(guī)劃方法的有效性，文中進行了舉例說明。

機加工工藝；能源碳排放；物料碳排放；過程碳排放

尹瑞雪（1976 -），女，貴州貴陽人，副教授，博士，主要研究方向為低碳制造及綠色制造。

TH3

A

1009-0134(2014)06(上)-0050-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).14

2014-01-24

貴州省社會發(fā)展攻關(guān)項目（黔科合[2013]3098）