數(shù)控銑削加工過程碳排放量影響因素的分析

張惠萍，高棟

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機械制造及其自動化系，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的低碳制造已成為全球熱點。據(jù)統(tǒng)計，目前我國制造業(yè)的碳排放量占我國碳排放總量的80%以上，因此，數(shù)控加工只有走低碳制造的道路，才能緩解我國制造業(yè)目前面臨的高碳排放量問題。

國內(nèi)外數(shù)控加工過程的低碳制造主要從低碳產(chǎn)品設(shè)計、低碳生產(chǎn)過程和低碳資源開發(fā)三個方面［1］來實踐。盡管目前從不同角度都可以實現(xiàn)低碳制造，但其準確有效地定量分析及實現(xiàn)方法一直是理論研究及工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸，具體表現(xiàn)為:研究多是從能源、資源、廢物中的一個維度或側(cè)面來描述碳排放，而且主要是從提高能源利用率的角度考慮問題;缺乏數(shù)控加工過程低碳制造定量分析與方法。

本文綜合考慮能源（E）、資源（R）、廢物（W）與碳排放（C）之間的關(guān)系，基于數(shù)控銑床分析了銑削加工過程碳排放量的影響因素，全面系統(tǒng)的描述了數(shù)控加工過程的低碳能力。

1 數(shù)控銑削加工過程碳排放量影響因素的分析

圖1 低碳能力分析模型及評價方法的技術(shù)路線

數(shù)控加工低碳能力分析模型及評價方法的技術(shù)路線如圖1所示，分為軟硬件支撐層、數(shù)據(jù)支撐層、方法工具層和應(yīng)用層。該方法主要借助數(shù)控機床、軟件平臺和數(shù)據(jù)庫等軟硬件設(shè)施，通過資料收集和現(xiàn)場調(diào)研與試驗，建立碳源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫;從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生命周期過程進行碳源結(jié)構(gòu)分析，建立E，R，W與C的定量分析模型;并在此基礎(chǔ)上，對零件層、部件層和產(chǎn)品層三個層面的低碳能力進行評估。本文則主要針對零件加工工序范圍內(nèi)的方法工具層展開，對于生命周期過程中具體的生產(chǎn)資料生產(chǎn)方法和廢棄物處理方法暫時不予考慮，并參考日本的碳排放因子數(shù)據(jù)［2］，將加工中所涉及碳源的碳排放因子分別取為常數(shù)，這樣將有助于在分析時抓住問題的關(guān)鍵。

在數(shù)控加工過程中，對碳排放量產(chǎn)生影響的因素眾多，主要集中體現(xiàn)在切削參數(shù)、被加工工件、刀具和機床四個方面。它們對加工中能源、資源和廢物既有獨立的影響也存在耦合關(guān)系。因此首先需要揭示各因素對碳排放量的影響規(guī)律，從中辨識出關(guān)鍵的影響因素。經(jīng)過對已有的切削力、刀具壽命等理論經(jīng)驗公式進行整理換算，可以初步分析出對碳排放產(chǎn)生影響的主要因素。圖2表示的是數(shù)控銑削中各主要因素與碳排放量間的總體關(guān)系。

圖2 數(shù)控銑床碳排放影響因素分析

1.1 切削參數(shù)對碳排放量的影響

銑削加工中的切削參數(shù)有:主軸轉(zhuǎn)速n，每齒進給量fz，背吃刀量ap和側(cè)吃刀量ae。如圖2所示，切削參數(shù)主要通過影響切削耗能、機床空載耗能、刀具用量和損耗的切削液量來影響碳排放的。

切削耗能可表示為切削功率與切削時間的乘積。例如硬質(zhì)合金端面銑刀加工灰鑄鐵時，由經(jīng)驗公式推出的切削耗能公式為:

式中:V是材料去除體積，z是銑刀齒數(shù)，K為切削力修正系數(shù)。

由式（1）可知，切削功率與切削參數(shù)呈現(xiàn)比較簡單的正相關(guān)關(guān)系，切削時間與切削參數(shù)成反比，因此切削功率與切削時間相乘使切削參數(shù)的作用抵消一部分，對切削耗能的總影響變小。

機床空載耗能公式可由機床主傳動系統(tǒng)功率方程［3］推出，可表示為:

式中:tu是空走刀時間，lu是空走刀路程，Pu0，k1，k2為與機床設(shè)計參數(shù)有關(guān)的系數(shù)。

由式（2）可知，恒速空載功率是主軸轉(zhuǎn)速的二次函數(shù)，將其與機床運行時間相乘，使得主軸轉(zhuǎn)速較高時，空載耗能隨轉(zhuǎn)速的增大而升高;當轉(zhuǎn)速較小時，則隨轉(zhuǎn)速的增大而降低;并且空載耗能與ap，ae，fz呈反比。

刀具用量（N）由刀具壽命與切削時間求得。例如硬質(zhì)合金端面銑刀加工灰鑄鐵時的刀具用量公式表示為:

式中:T是刀具壽命，d0是銑刀直徑，num是一把銑刀可以刃磨的次數(shù)，Kv是銑削速度修正系數(shù)。

由式（3）可知，銑削速度對刀具用量的影響最大，進給量次之。因此，銑削速度越大，刀具損耗量越多。

切削液損耗與切削液的密度、粘度等性質(zhì)有關(guān)，但是目前還缺少具體的分析方法。因此，為了方便接下來的分析，將單位時間的切削液損耗量設(shè)為常數(shù)，則總的損耗量MF主要與運行時間相關(guān)，即與切削參數(shù)成反比。

綜合以上分析，切削參數(shù)對機床能耗、廢棄物量都會產(chǎn)生不同程度的影響，進而共同影響著總的碳排放量。并且主軸轉(zhuǎn)速對碳排放量產(chǎn)生的影響最大。

1.2 被加工工件對碳排放量的影響

與被加工工件有關(guān)的影響因素有毛坯尺寸、零件設(shè)計尺寸和工件材料。其中，毛坯尺寸與零件設(shè)計尺寸之差就是材料去除體積V，并通過改變加工時間影響能耗和廢棄物量。如式（1）～（3）所示，總能耗與材料去除體積呈正相關(guān)性，刀具用量、切削液損耗量與材料去除體積成正比，因此總的碳排放與材料去除體積呈正相關(guān)性。

工件材料是通過切削耗能和刀具用量影響碳排放的。切削脆性材料時，一般切削能耗要比切塑性材料小，刀具用量少，因此總的碳排放量相應(yīng)減少。

1.3 加工刀具對碳排放量的影響

與銑刀有關(guān)的影響因素有:刀具材料、刀具幾何角度、直徑、齒數(shù)、刃磨次數(shù)和質(zhì)量。其中，刀具材料與工件材料的作用類似，也主要通過切削耗能和刀具用量影響總的碳排放。常用的銑刀材料有高速鋼和硬質(zhì)合金，一般采用高速鋼銑刀時，切削力較大，刀具壽命較短，則相同加工條件下切削耗能較多，銑刀用量也較多，總的碳排放也較大。

刀具的幾何參數(shù)各項中，前角對碳排放的影響最大，其作用效果主要通過切削力修正系數(shù)K實現(xiàn)。K值通過查表獲得［4］，隨著前角的增大逐漸變小，則切削力也隨之減小，進而切削耗能減少。此外，如式（1）～（3）所示，銑刀齒數(shù)z通過切削耗能和廢棄物量改變總的碳排放，銑刀直徑d0通過刀具用量改變碳排放，但其具體影響程度還與刀具材料和工件材料的作用相關(guān)。刀具質(zhì)量mtool決定了每把廢棄刀具的碳排放。

1.4 加工機床對碳排放量的影響

與機床有關(guān)的影響因素主要是空載耗能式（2）中的系數(shù)Pu0，k1，k2以及主軸電動機的附加載荷系數(shù)b0，它們是由機床設(shè)計參數(shù)決定的。因此一旦選定了加工機床，與機床相關(guān)的參數(shù)就是確定的。

上述各類因素對碳排放的影響分析都是在其他影響因素保持不變的情況下進行的，實際上每一類因素的變化還會與其他因素產(chǎn)生新的共同作用。此外，參數(shù)對總碳排放量的影響還需要結(jié)合碳排放因子考慮，因此參數(shù)對碳排放的影響是復(fù)雜的。

2 ERWC建模

由影響因素的分析結(jié)果可以得出結(jié)論:系統(tǒng)總碳排放量（C）不是能源（E）、資源（R）、廢物（W）分別折算的碳排放量的簡單算術(shù)疊加，加工系統(tǒng)的參數(shù)交互影響著E，R，W。因此碳排放量C的計算必須進行整體綜合考慮，并將其稱為ERWC多維碳排放模型。為了清晰的表示出參數(shù)間的獨立作用和耦合作用，可將ERWC模型表示為如下基本形式:

式中:eE，eF，eT，eW分別是電能、廢棄切削液、破損刀具和切屑的碳排放因子，e1×7是由各碳排放因子組成的向量， [ lnaplnfzlnaelnn]T是切削參數(shù)列向量，[lndlnz lnK lnm]T是由刀具相關(guān)參數(shù)組成的列向量，0toollnk2lnk1lnPu0ln（1+b0[]）T是由機床相關(guān)參數(shù)組成的列向量，lnρ工件與工件相關(guān)。Q7×4，P7×4，R7×4，P7×1是由刀具材料和工件材料共同決定的系數(shù)矩陣，并且分別作用于上述由參數(shù)組成的列向量。

由于加工過程中，切削用量會有所改變，所以需要將刀具某加工位置的碳排放量用積分累加起來。積分路徑l根據(jù)毛坯尺寸、零件尺寸以及切削用量共同確定。

3 碳排放量預(yù)測的實現(xiàn)

ERWC模型涉及到的參數(shù)眾多，其中機床、刀具、零件的相關(guān)參數(shù)在加工前根據(jù)實際生產(chǎn)條件確定，因此加工過程中可以調(diào)控的變量只有切削參數(shù)。本文利用SQL Server 2008和Visual Basic 6.0作為開發(fā)工具，編制軟件系統(tǒng)，可以從數(shù)控加工程序文件中快速提取加工參數(shù)，帶入ERWC模型進行碳排放量的預(yù)測。目前該軟件中存儲的工件材料有20種，刀具材料9種，刀具種類3種，機床2種，并且采用的都是常用的具有代表性的數(shù)據(jù)種類。此外，用戶還可以根據(jù)實際應(yīng)用，通過界面交互改變刀具的參數(shù)，增加刀具的種類。軟件界面如圖3所示。

圖3 主界面實例計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文主要分析了銑削加工過程各因素對碳排放量產(chǎn)生的影響，明確了參數(shù)間的獨立作用和耦合作用，并將各碳排放源進行綜合考慮，建立了ERWC多維碳排放模型。在此基礎(chǔ)上，以Visual Basic 6.0和SQL Server 2008為工具開發(fā)軟件界面，可以提取數(shù)控程序文件中的加工參數(shù)，快速計算出某個加工工序所產(chǎn)生的碳排放量。通過這樣的系統(tǒng)預(yù)測碳排放，將可以為提高數(shù)控加工低碳能力的策略提供依據(jù)，并對機械加工環(huán)境問題的改善產(chǎn)生很大的影響。

［1］劉獻禮，陳濤.機械制造中的低碳制造理論與技術(shù)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2011，1（16）:1-8.

［2］ Narita，H.＆Kawamura，H.＆Norihisa，T.＆Chen，L.Y.＆Fujimoto，H.＆Hasebe，T.Development of Prediciton system for Environmental Burden for Machine Tool Operation（1stReport，Proposal of Calculation Method of Environmental Burden）［J］.International Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers，Series C，Vol.49，No.4，（2006）pp.1199-1195.

［3］施金良，劉飛，許弟建，等.數(shù)控機床空載運行時節(jié)能決策模型及實用方法［J］.中國機械工程，2009，20（11）:1344-1346.

［4］王先逵.機械加工工藝手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007，2-86-2-88.