張惠萍，高棟

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)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(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jì)、低碳生產(chǎn)過程和低碳資源開發(fā)三個(gè)方面［1］來實(shí)踐。盡管目前從不同角度都可以實(shí)現(xiàn)低碳制造，但其準(zhǔn)確有效地定量分析及實(shí)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(gè)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(píng)價(jià)方法的技術(shù)路線

數(shù)控加工低碳能力分析模型及評(píng)價(jià)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(jī)床、軟件平臺(tái)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(yàn)，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(jìn)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(duì)零件層、部件層和產(chǎn)品層三個(gè)層面的低碳能力進(jìn)行評(píng)估。本文則主要針對(duì)零件加工工序范圍內(nèi)的方法工具層展開，對(duì)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(shí)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(shí)抓住問題的關(guān)鍵。

在數(shù)控加工過程中，對(duì)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(jī)床四個(gè)方面。它們對(duì)加工中能源、資源和廢物既有獨(dú)立的影響也存在耦合關(guān)系。因此首先需要揭示各因素對(duì)碳排放量的影響規(guī)律，從中辨識(shí)出關(guān)鍵的影響因素。經(jīng)過對(duì)已有的切削力、刀具壽命等理論經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行整理換算，可以初步分析出對(duì)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(duì)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(jìn)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(jī)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(shí)間的乘積。例如硬質(zhì)合金端面銑刀加工灰鑄鐵時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)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(shí)間與切削參數(shù)成反比，因此切削功率與切削時(shí)間相乘使切削參數(shù)的作用抵消一部分，對(duì)切削耗能的總影響變小。

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

式中:tu是空走刀時(shí)間，lu是空走刀路程，Pu0，k1，k2為與機(jī)床設(shè)計(jì)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(jī)床運(yùn)行時(shí)間相乘，使得主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，空載耗能隨轉(zhuǎn)速的增大而升高;當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，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(shí)間求得。例如硬質(zhì)合金端面銑刀加工灰鑄鐵時(shí)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(duì)刀具用量的影響最大，進(jìn)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(duì)機(jī)床能耗、廢棄物量都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，進(jìn)而共同影響著總的碳排放量。并且主軸轉(zhuǎn)速對(duì)碳排放量產(chǎn)生的影響最大。

1.2 被加工工件對(duì)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(jì)尺寸和工件材料。其中，毛坯尺寸與零件設(shè)計(jì)尺寸之差就是材料去除體積V，并通過改變加工時(shí)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(shí)，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(duì)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(shí)，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(xiàng)中，前角對(duì)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(shí)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(jìn)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(jī)床對(duì)碳排放量的影響

與機(jī)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(dòng)機(jī)的附加載荷系數(shù)b0，它們是由機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)決定的。因此一旦選定了加工機(jī)床，與機(jī)床相關(guān)的參數(shù)就是確定的。

上述各類因素對(duì)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(jìn)行的，實(shí)際上每一類因素的變化還會(huì)與其他因素產(chǎn)生新的共同作用。此外，參數(shù)對(duì)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(duì)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(jì)算必須進(jìn)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(dú)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(jī)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(huì)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(shí)現(xiàn)

ERWC模型涉及到的參數(shù)眾多，其中機(jī)床、刀具、零件的相關(guān)參數(shù)在加工前根據(jù)實(shí)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(jìn)行碳排放量的預(yù)測。目前該軟件中存儲(chǔ)的工件材料有20種，刀具材料9種，刀具種類3種，機(jī)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(shí)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(shí)例計(jì)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(duì)碳排放量產(chǎn)生的影響，明確了參數(shù)間的獨(dú)立作用和耦合作用，并將各碳排放源進(jìn)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(jì)算出某個(gè)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(duì)機(jī)械加工環(huán)境問題的改善產(chǎn)生很大的影響。

［1］劉獻(xiàn)禮，陳濤.機(jī)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(bào)，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(jī)床空載運(yùn)行時(shí)節(jié)能決策模型及實(shí)用方法［J］.中國機(jī)械工程，2009，20（11）:1344-1346.

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