典型數控加工工藝過程的碳足跡計算模型

孫 群， 辛紹杰

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

典型數控加工工藝過程的碳足跡計算模型

孫 群， 辛紹杰

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

為了有效評估數控加工工藝過程的碳排放量，分析了零件制造過程輸入、輸出關系，并考慮工藝單元資源消耗和碳排放影響，建立了基于輸入-處理-輸出關系的工藝過程碳足跡分析功能模型，對切削工藝過程的碳排放評估邊界進行界定，確定了工藝過程的碳排放源；以此為基礎，建立了數控切削過程中工藝要素的碳足跡計算模型，對碳足跡計算中工藝數據的采集方法進行了分析。研究結果為工藝過程碳排放評估和制造資源優化配置提供了支持。

數控加工； 碳排放量； 碳足跡； 計算模型

全球氣候問題日益嚴峻，研究碳排放核算方法以及碳減排技術措施已經成為工業和學術界的重點課題之一。由歐盟15個核心成員國構成的國際科研聯盟繪制了通向2020年智能制造系統的路線圖，研究生產制造過程中提高能源利用效能與減少碳足跡的技術措施是重點方向之一[1]。文獻[2]中對設備層、車間層、企業層和供應鏈層建立了一套系統的碳排放評估和低碳優化方法，并認為低碳制造應致力于降低制造過程的碳排放強度，同時高效地利用能源和資源。

碳足跡，作為一種評估碳排放強度的概念已引起工業界和學術界的廣泛關注和認可。本文使用碳足跡作為數控加工工藝過程碳排放的量化指標，在分析數控加工工藝碳排放特性基礎上，研究建立工藝過程的碳足跡計算模型，并對活動數據采集方法進行了分析研究，將為制造過程碳足跡評估及優化提供支持。

1 工藝過程碳足跡分析功能模型

基于制造過程的工藝鏈及其輸入、輸出關系圖可以將復雜的制造過程分解為一系列的工藝單元，在對單個制造工藝的資源消耗和環境影響分析的基礎上，綜合考慮生態環境等多因素耦合影響的加工過程，使用輸入-處理-輸出(Input-Process-Output，IPO)方法構建工藝過程關聯性模型。圖1所示為基于IPO方法的工藝過程碳足跡分析功能模型。

圖1 基于IPO方法的工藝過程碳足跡分析功能模型

由圖可見，工藝過程中與碳排放有關的因素很多，假設制造系統中產品物料加工工藝過程與碳足跡相關的種數為n，I為輸入量，O為輸出量，Ci(i=1,2,…,n)為各項廢物排放等量的碳足跡當量，ωCi為各種廢物排放的碳足跡影響因子。在構造生產過程的功能模型基礎上，可以得到生產過程的碳足跡總量為

(1)

碳足跡的計算模型通常涉及兩個方面的問題：

(1) 建立碳足跡計算基本方程。某個特定活動一定時間段內使用的所有消耗的能源、原材料及廢物排放量乘以排放因子，即

某個特定活動的碳足跡=

活動數據(mass/volume/(kW·h·km-1))×

排放因子(相當于每單位CO2)

參考美國環境保護署(U.S Environmental Protection Agency，EPA)[3]關于排放量的一般方程，即

E=A·EF·(1-ER/100)

(2)

式中，E為溫室氣體排放量；A為活動數據(消耗量)；EF為碳排放因子；ER為總體減排效率。

本文主要研究數控加工工藝中涉及到的機床部件的電力消耗、切削液、潤滑劑、刀具、金屬切屑等產生的碳足跡，建立切削工藝過程的碳足跡計算模型[4-5]。適用于大部分機床加工系統的碳足跡計算模型為

(3)

(2) 碳排放因子編輯處理。碳排放因子是指某單元活動所排放污染物的量，如燃燒過程，每單元活動量向大氣排放污染物數量的統計實測平均值。活動數據是指產品生命周期中涉及到的所有材料和能源，如物料輸入和輸出、能源使用和材料運輸等。排放因子可將活動數據的量轉換成溫室氣體排放量，即單位活動數據排放的溫室氣體數量。收集高質量的活動數據和選擇合適的排放因子往往是碳足跡量化的最大限制因素。

2 數控加工工藝過程的碳足跡計算模型

2.1 數控機床碳足跡模型

2.1.1 碳足跡計算基本方程 機床碳足跡主要是指由機床各部件電力消耗而產生的間接碳排放。由于加工過程不同，伺服電動機和主軸電動機的電力消耗是動態變化的，考慮機床相關基本電力消耗，然后進行簡化處理，可得到工藝過程i中機床電力消耗所產生的碳足跡為

Ci,ma=EFe(Esm+Espm+Ecs+Ec+Ecp+Ecc+EATC+Etm+Esb)

(4)

式中，EFe為電力碳排放因子， kg/(kW·h)；Esm、Espm、Ecs、Ec、Ecp、Ecc、EATC、Etm、Esb分別為伺服電動機、主軸電動機、主軸冷卻系統、壓縮機、冷卻液循環泵、排屑裝置、自動換刀裝置、刀庫電動機、機床待機的電力消耗，kW·h。

2.1.2 電能碳排放因子 文獻[6]中提出了電能的碳排放因子的概念，并對比了不同電網構成的電能碳排放因子，證明了不同電網之間的碳排放因子存在較大差異。國家發展與改革委員會應對氣候變化司每年都會更新公布中國六大電網的碳排放因子，2017年公布的中國區域電網CO2的碳排放因子平均值為0.941 3 kg/(kW·h)[7]。

2.2 切削液碳足跡模型

2.2.1 碳足跡計算基本方程 在機械加工過程中，多用水基切削液，因此，本文主要針對水基切削液的碳足跡進行分析。加工工藝過程i中，切削液的碳足跡為

(5)

2.2.2 切削液的碳排放因子 切削液的碳排放因子分為兩部分：① 在切削過程中使用的切削液的碳排放因子EFco_prod。該部分與礦物油制備切削液相關，油類物質缺省C的碳排放因子為20 kg/GJ[8];常溫常壓下,油類物質的密度0.86～0.98 g/cm3[9](計算時取平均值0.92 g/cm3)，故計算可得礦物油的碳排放因子為2.85 kg/L。② 處理廢棄切削液的碳排放因子EFco_dis。由于水基切削液濃度一般較低(3%～5%)，廢切削液的主要成分是水。機械加工過程中，多用水基切削液，因此，本文主要對水基切削液的碳足跡進行分析。為方便計算，采用廢水處理的碳排放因子代替廢切削液處理的碳排放因子，關于廢水處理碳排放因子的確定方法可參考文獻[8]中方法，給出廢水處理中CO2的碳排放因子為0.189 kg/L。

2.3 潤滑劑碳足跡模型

2.3.1 碳足跡計算基本方程 機床潤滑系統的潤滑油主要用于機床的主軸(含軸承、離合器)和導軌，故機床潤滑系統產生的碳足跡總量為

Ci,lu=Cspl+Cswl

(6)

式中，Cspl、Cswl分別為主軸、導軌的潤滑劑碳足跡，kg。

機床主軸的潤滑劑產生的碳足跡為

(7)

式中，tsp為數控程序中主軸的運行時間，s；tdis為潤滑劑釋放的平均間隔時間，s；Vdis為主軸潤滑劑的釋放量，L；EFsp_prod為主軸潤滑劑加工過程CO2的碳排放因子，kg/L；EFsp_dis為主軸潤滑劑廢棄物處理過程CO2的碳排放因子，kg/L。

機床導軌的潤滑劑產生的碳足跡為

(8)

式中，tsw為數控程序中導軌運行時間，s；tsup為潤滑劑供應平均間隔時間，s；Vsup為導軌潤滑劑供應量，L；EFsw_prod為導軌潤滑劑加工過程中CO2的碳排放因子，kg/L；EFsw_dis為導軌潤滑劑廢棄物處理過程CO2的碳排放因子，kg/L。

2.3.2 潤滑劑的碳排放因子 機床的主軸和導軌一般使用液體潤滑劑，即由各種礦物油、植物油以及添加劑構成的合成潤滑油。為簡便計算，根據切削液中CO2的碳足跡因子獲取方法，取EFsw_prod=2.85 kg/L；取EFsw_dis=2.85 kg/L。

2.4 刀具碳足跡模型

2.4.1 碳足跡計算基本方程 刀具產生的碳足跡要從包含刀具制備、使用過程及回收再利用的全生命周期角度來衡量。由于刀具的可重用性，使得在達到使用期限前可以通過磨削再次使用[10]。本文中，計算刀具碳足跡就是考慮了實際加工時間和刀具使用時間，并基于上述考慮進行計算。刀具產生的碳足跡為

EFtool_dis)mtool+NreCre]

(9)

式中，tprod為加工時間，s；ttool_l為刀具使用壽命，s；EFtool_prod為刀具在加工過程中CO2的碳排放因子，kg/kg；EFtool_dis為刀具處理過程中CO2的碳排放因子，kg/kg；mtool為刀具質量，kg；Nre為再次加工的總次數；Cre為再次加工所產生的碳足跡，kg。

在工藝過程中，使用刀具所產生的碳足跡Ci,tool可采用將其使用壽命周期內按時間折算到加工過程的分配方法，即

(10)

2.4.2 刀具的碳排放因子 在數控加工過程中，刀具引起的碳排放主要是刀具在制造過程中產生的排放，屬于間接碳排放。因此，確定刀具的碳排放因子EFtool，需要分析刀具制造過程的能耗情況。文獻[11]中分兩種情形考慮了刀具制造的能量消耗情況：① 考慮刀具生產所需材料與刀具的生產工藝過程消耗的能量總和；② 只考慮刀具的生產工藝過程的能耗。本文針對第②種情形進行分析。以涂層合金刀片為例，其主要成份是鎢，單位材料能耗為400 MJ/kg[11]，結合電能中CO2的碳排放因子0.941 3 kg/(kW·h)，其中，1 kW·h=3.6 MJ，可計算得到

EFtool=0.941 3×400/3.6=104.59 kg/(kW·h)

2.5 切屑碳足跡模型

2.5.1 碳足跡計算基本方程 切屑與切削液分離收集后可通過熔爐再次回收，在此過程產生碳足跡Ci,ch。切屑不同，導致輸入的能量不同，但是，電力消耗速度是恒定的，故本文依據切屑質量計算碳足跡，即

Ci,ch=(Vwp-Vpro)ρdenEFch

(11)

式中，Vwp、Vpro分別為工件體積、產品體積，cm3；ρden為工件密度，kg/cm3；EFch為切屑處理過程的碳排放因子，kg /kg。

2.5.2 切屑的碳排放因子 機械加工工藝過程中的切削材料碳排放主要考慮切除物料產生的碳排放。文獻[11-13]中提供了常用切屑的碳排放因子，其中，鋼、鐵、鋁的碳排放因子分別為2.69、2.22、16.13 kg/kg。

綜上所述，數控加工工藝過程中，由工藝要素等制造資源產生的碳足跡總量為

Ci,other=EFe(Esm+Espm+Ecs+Ec+Ecp+

[(EFtool_prod+EFtool_dis)mtool+NreCre]+

(Vwp-Vpro)ρdenEFch+Ci,other

(12)

3 加工工藝活動數據的采集方法

加工過程中碳足跡分析的數據收集方法主要有以下幾種：

(1) 從現有相關研究成果的數據中查找或換算。① 根據活動數據的采集需要，可參考機床操作手冊等文獻，直接采集或采集后通過相應關系進行換算而得；② 若評價指標數據的采集方法已有相關的國家標準，應按照國家標準中的方法和要求進行采集；③ 若評價指標數據已在現有的研究中取得了經驗值，則可直接選用這些經驗值。

(2) 根據評估的需要自行采集數據。由于這部分數據的可靠性存在一些問題，故需要確認其有效性。應針對各制造資源的碳排放因子的指標特性，選擇相對可靠的方法獲取數據，如原材料消耗可采用稱重方法獲得；對于電能數據的獲取，可采用功率傳感器、高速數據采集卡、工控機等工具或設備，實時測量不同切削工藝參數下的電能功率消耗數據，同時，建立碳足跡-電能消耗-切削工藝參數之間的關系模型[14-16]，進而實現面向低碳排放的切削工藝參數優化。

(3) 對于有些評價指標，由于目前還沒有較好的采集方法，可對其進行現場觀察采用定性描述的方法。

根據已經建立的典型數控加工工藝過程的碳足跡計算模型，表1列出了加工工藝過程中常見的資源消耗數據采集方法，為工藝過程的碳足跡計算和評估提供依據。由于所收集的數據通過多種途徑獲得，在有些方面可能存在不一致性，特別是在碳排放因子方面，還需要對采集到的數據的計量單位進行規范和統一。

表1 資源消耗因素數據采集

4 結 語

本文分析了數控加工過程中工藝要素消耗資源特征，提出了基于IPO方法的工藝過程碳足跡分析功能模型；對切削工藝過程的碳排放評估邊界進行界定，并確定工藝過程的碳排放源，建立了數控加工過程中工藝要素的碳排放量化模型，具體包括機床電力碳足跡模型、切削液碳足跡模型、潤滑劑碳足跡模型、刀具碳足跡模型、切屑碳足跡模型。研究工作將為下一步工藝過程碳排放評估和制造資源優化配置奠定理論基礎，并為實現低碳制造提供方法支持。

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Calculation Model for Carbon Footprint of Numerical Control Machining Process

SUNQun,XINShaojie

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306， China)

To evaluate carbon emissions in a numerical control machining process, resource consumption and environmental impact characteristics of machining process and the relationship between input and output in the manufacturing process are studied. The carbon footprint (CFP) is used as an index to measure greenhouse gases such as carbon dioxide produced in the machining process. A carbon footprint function model for machining process based on the input-process-output(IPO) method is presented. The boundary in a carbon emission evaluation process system is defined. The source of greenhouse gas emission is determined, and a carbon emission calculation model for machining process is proposed. A process activity data acquisition method is also put forward to support optimization configuration of low carbon evaluation and manufacturing resource.

numerical control machining; carbon emission; carbon footprint; calculation model

2017 -10 -02

上海高校青年教師培養計劃資助(ZZSDJ15047)

孫群(1981-)，女，講師，博士，主要研究方向為可持續設計與制造，E-mail: sunqun0315@163.com.

2095 - 0020(2017)06 -0329 - 06

TG 659；X 76

A