機加工工藝碳排放估算模型及應用

尹瑞雪

(貴州大學 機械學院，貴陽 550003)

機加工工藝碳排放估算模型及應用

尹瑞雪

(貴州大學 機械學院，貴陽 550003)

0 引言

隨著政府對企業廢物流排放管理力度的加強，以及消費者對綠色產品日益青睞，企業管理者意識到，減少環境影響是實現企業可持續性發展的重要環節[1]。工藝規劃是連接設計和制造的紐帶，合理的工藝規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加工資源，是企業實現節能減排的關鍵[2]。

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

因此有學者就關于如何通過改進工藝設計與規劃以減少廢物流排放進行了相關研究。其中P.Sheng等人提出基于特征從宏觀及微觀進行工藝規劃可實現減排[6]。Jeffrey B.Dahumus對去除材料的過程進行了相關分析，還對原料準備過程、切削液準備過程，進行了環境影響分析[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]。在對制造系統環境影響分析的基礎上，學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境影響評估系統，但這個系統只能比較少無切削液切削與普通切削之間的區別，具有一定的局限性[10]。Touma,S比較了基于一系列生態效益機床的車削加工環境影響，但其結果只能適用于車削，由于數據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決策者提供一個較為準確的環境影響量化方法。

本文提出了一種較為準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，同一材料工件時產生的碳排放，根據比較的結果，碳排放相對較低的工藝方法將被選取，為實現制造節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

從系統的觀點出發，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CAPP的結果，針對具體的工藝方法進行分析，對其使用的加工設備、切削參數、切削輔助材料進行分析，以確定需要估算的碳排放類型；二是數據模塊，該模塊不僅要為估算模塊提供機床設備參數、切削液生產能耗等基本數據，還要提供該加工切削參數、切削液使用量等現場數據；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（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

根據典型機加工工藝物質能量輸入輸出流，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、切屑的產生所導致的碳排放。直接碳排放主要指過程碳排放，是指在加工過程中，因物料化學反應后產生的碳排放，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 機加工工藝物質能量輸入輸出流

根據分析估算函數可表示為式(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為生產該工序所消耗的切削液的碳排放 (kgCO2e)；Cf為生產該工序產生的切屑的碳排放 (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為基礎能耗，即工件裝卸、定位夾緊時，機床冷卻系統、數控系統、照明系統以及所有與加工有關的系統待機時能耗 (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為生產單位質量切削液所產生的碳排放 (kgCO2e/kg)；Cc.dis為處理單位質量切削液所產生的碳排放 (kgCO2e/kg)。

2.3 切屑碳排放

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

其中Qbla為該加工前零件質量(kg)；Qpro為該加工后零件質量 (kg)；Cf.pro為加工單位質量切屑所產生的碳排放(kgCO2e/kg)；Cf.re為回收處理單位質量切屑所產生的碳排放(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。根據待加工表面加工質量要求，現有兩種方案可用于加工A面，一為磨削，二為端面車削，切削參數如表1所示，為實現減排，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，僅對其機床能耗產生的碳

排放進行計算與比較。

圖3 短軸

表1 切削參數表

車削切削力可用式（6）計算[16]：

其中，C,x,y,z及K為常數；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，與刀具和工件相交的弧長有關。

圖4 銑刀與工件相交簡圖

1）當 0

2）當 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 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，可以得出結論，當加工同一特征時，采用不同的加工方法，可產生不同的能耗值及碳排放值，通過對加工方法的選擇，可實現節能減排。

4 結論

結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，模型包括了加工中由于機床能耗、切削液的使用、切屑的產生以及其他一些消耗所產生的碳排放估算，可較為準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簽標注，為消費者選取商品提供了參考依據；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，為實現制造過程節能減排提供了可能性。本論文旨在為實現制造低碳化進行探索性研究，由于部分數據來源于統計數據、文獻、軟件、現場，在一定程度上導致計算結果與實際結果存在誤差，同時文中考慮到對部分其他因素產生的碳排放數值較小，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果的精準性，因此，如何取得確實可靠的計算依據，并獲得符合實際生產系統的碳排放量將是后續研究工作的重點。

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The carbon emission evaluation model for machining process and its application

YIN Rui-xue

制造過程環境影響已成為企業制訂制造工藝規劃的重要影響因素之一。根據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確的環境影響數據，為實現工藝優化最終達到節能減排提供了有力的參考。為說明該工藝規劃方法的有效性，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

貴州省社會發展攻關項目（黔科合[2013]3098）