1、典型数控加工工艺过程的碳足迹计算模型 孙群 辛绍杰 上海电机学院机械学院 摘 要： 为了有效评估数控加工工艺过程的碳排放量, 分析了零件制造过程输入、输出关系, 并考虑工艺单元资源消耗和碳排放影响, 建立了基于输入-处理-输出关系的工艺过程碳足迹分析功能模型, 对切削工艺过程的碳排放评估边界进行界定, 确定了工艺过程的碳排放源;以此为基础, 建立了数控切削过程中工艺要素的碳足迹计算模型, 对碳足迹计算中工艺数据的采集方法进行了分析。研究结果为工艺过程碳排放评估和制造资源优化配置提供了支持。关键词： 数控加工; 碳排放量; 碳足迹; 计算模型; 作者简介：孙群 (1981-) , 女, 讲师,
2、博士, 主要研究方向为可持续设计与制造, E-mail:.收稿日期：2017-10-02基金：上海高校青年教师培养计划资助 (ZZSDJ15047) Calculation Model for Carbon Footprint of Numerical Control Machining ProcessSUN Qun XIN Shaojie School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University; Abstract： To evaluate carbon emissions in a numerical control mach
3、ining 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 m
4、achining 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
5、 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.Keyword： numerical control machining; carbon emission; carbon footprint; calculation model; Received： 2017-10-02全球气候
6、问题日益严峻, 研究碳排放核算方法以及碳减排技术措施已经成为工业和学术界的重点课题之一。由欧盟 15 个核心成员国构成的国际科研联盟绘制了通向 2020 年智能制造系统的路线图, 研究生产制造过程中提高能源利用效能与减少碳足迹的技术措施是重点方向之一1。文献2中对设备层、车间层、企业层和供应链层建立了一套系统的碳排放评估和低碳优化方法, 并认为低碳制造应致力于降低制造过程的碳排放强度, 同时高效地利用能源和资源。碳足迹, 作为一种评估碳排放强度的概念已引起工业界和学术界的广泛关注和认可。本文使用碳足迹作为数控加工工艺过程碳排放的量化指标, 在分析数控加工工艺碳排放特性基础上, 研究建立工艺过程
7、的碳足迹计算模型, 并对活动数据采集方法进行了分析研究, 将为制造过程碳足迹评估及优化提供支持。1 工艺过程碳足迹分析功能模型基于制造过程的工艺链及其输入、输出关系图可以将复杂的制造过程分解为一系列的工艺单元, 在对单个制造工艺的资源消耗和环境影响分析的基础上, 综合考虑生态环境等多因素耦合影响的加工过程, 使用输入-处理-输出 (Input-Process-Output, IPO) 方法构建工艺过程关联性模型。图 1 所示为基于 IPO 方法的工艺过程碳足迹分析功能模型。图 1 基于 IPO 方法的工艺过程碳足迹分析功能模型 Fig.1 Carbon footprint function m
8、odel of machining process based on IPO 下载原图由图可见, 工艺过程中与碳排放有关的因素很多, 假设制造系统中产品物料加工工艺过程与碳足迹相关的种数为 n, I 为输入量, O 为输出量, C i (i=1, 2, , n) 为各项废物排放等量的碳足迹当量, Ci为各种废物排放的碳足迹影响因子。在构造生产过程的功能模型基础上, 可以得到生产过程的碳足迹总量为碳足迹的计算模型通常涉及两个方面的问题:(1) 建立碳足迹计算基本方程。某个特定活动一定时间段内使用的所有消耗的能源、原材料及废物排放量乘以排放因子, 即参考美国环境保护署 (U.S Environme
9、ntal Protection Agency, EPA) 3关于排放量的一般方程, 即式中, E 为温室气体排放量;A 为活动数据 (消耗量) ;EF 为碳排放因子;ER 为总体减排效率。本文主要研究数控加工工艺中涉及到的机床部件的电力消耗、切削液、润滑剂、刀具、金属切屑等产生的碳足迹, 建立切削工艺过程的碳足迹计算模型4-5。适用于大部分机床加工系统的碳足迹计算模型为式中, C i, T为工艺过程中产生的总的碳足迹, kg; 分别为工艺过程中机床消耗电力、切削液、润滑剂、刀具、切屑产生的碳足迹, kg;其中, s 为数控程序中使用刀具数;C i, other为其他因素产生的碳足迹, kg。(
10、2) 碳排放因子编辑处理。碳排放因子是指某单元活动所排放污染物的量, 如燃烧过程, 每单元活动量向大气排放污染物数量的统计实测平均值。活动数据是指产品生命周期中涉及到的所有材料和能源, 如物料输入和输出、能源使用和材料运输等。排放因子可将活动数据的量转换成温室气体排放量, 即单位活动数据排放的温室气体数量。收集高质量的活动数据和选择合适的排放因子往往是碳足迹量化的最大限制因素。2 数控加工工艺过程的碳足迹计算模型2.1 数控机床碳足迹模型2.1.1 碳足迹计算基本方程机床碳足迹主要是指由机床各部件电力消耗而产生的间接碳排放。由于加工过程不同, 伺服电动机和主轴电动机的电力消耗是动态变化的, 考
11、虑机床相关基本电力消耗, 然后进行简化处理, 可得到工艺过程 i 中机床电力消耗所产生的碳足迹为式中, EF e为电力碳排放因子, kg/ (kWh) ;Esm、E spm、E cs、E c、E cp、E cc、E ATC、E tm、E sb分别为伺服电动机、主轴电动机、主轴冷却系统、压缩机、冷却液循环泵、排屑装置、自动换刀装置、刀库电动机、机床待机的电力消耗, kWh。2.1.2 电能碳排放因子文献6中提出了电能的碳排放因子的概念, 并对比了不同电网构成的电能碳排放因子, 证明了不同电网之间的碳排放因子存在较大差异。国家发展与改革委员会应对气候变化司每年都会更新公布中国六大电网的碳排放因子,
12、 2017 年公布的中国区域电网 CO2的碳排放因子平均值为 0.941 3kg/ (kWh) 7。2.2 切削液碳足迹模型2.2.1 碳足迹计算基本方程在机械加工过程中, 多用水基切削液, 因此, 本文主要针对水基切削液的碳足迹进行分析。加工工艺过程 i 中, 切削液的碳足迹为式中, t co、t update分别为单个 NC 程序中切削液的使用时间、更新间隔时间, s;EFco_prod、EF co_dis分别为切削液在工艺过程、废弃物处理过程中 CO2的碳排放因子, kg/L;V co、V co分别为切削液初始量、额外补充量, L;EF wat为水蒸发的排放因子, kg/L;V wat、
13、V wat分别为稀释液 (水) 初始量、额外补充量, L。2.2.2 切削液的碳排放因子切削液的碳排放因子分为两部分: (1) 在切削过程中使用的切削液的碳排放因子 EFco_prod。该部分与矿物油制备切削液相关, 油类物质缺省 C 的碳排放因子为20kg/GJ8;常温常压下, 油类物质的密度 0.860.98g/cm39 (计算时取平均值 0.92g/cm) , 故计算可得矿物油的碳排放因子为 2.85kg/L。 (2) 处理废弃切削液的碳排放因子 EFco_dis。由于水基切削液浓度一般较低 (3%5%) , 废切削液的主要成分是水。机械加工过程中, 多用水基切削液, 因此, 本文主要对
14、水基切削液的碳足迹进行分析。为方便计算, 采用废水处理的碳排放因子代替废切削液处理的碳排放因子, 关于废水处理碳排放因子的确定方法可参考文献8中方法, 给出废水处理中 CO2的碳排放因子为 0.189kg/L。2.3 润滑剂碳足迹模型2.3.1 碳足迹计算基本方程机床润滑系统的润滑油主要用于机床的主轴 (含轴承、离合器) 和导轨, 故机床润滑系统产生的碳足迹总量为式中, C spl、C swl分别为主轴、导轨的润滑剂碳足迹, kg。机床主轴的润滑剂产生的碳足迹为式中, t sp为数控程序中主轴的运行时间, s;t dis为润滑剂释放的平均间隔时间, s;Vdis为主轴润滑剂的释放量, L;EF
15、 sp_prod为主轴润滑剂加工过程 CO2的碳排放因子, kg/L;EF sp_dis为主轴润滑剂废弃物处理过程 CO2的碳排放因子, kg/L。机床导轨的润滑剂产生的碳足迹为式中, t sw为数控程序中导轨运行时间, s;t sup为润滑剂供应平均间隔时间, s;Vsup为导轨润滑剂供应量, L;EF sw_prod为导轨润滑剂加工过程中 CO2的碳排放因子, kg/L;EF sw_dis为导轨润滑剂废弃物处理过程 CO2的碳排放因子, kg/L。2.3.2 润滑剂的碳排放因子机床的主轴和导轨一般使用液体润滑剂, 即由各种矿物油、植物油以及添加剂构成的合成润滑油。为简便计算, 根据切削液中
16、 CO2的碳足迹因子获取方法, 取 EFsw_prod=2.85kg/L;取 EFsw_dis=2.85kg/L。2.4 刀具碳足迹模型2.4.1 碳足迹计算基本方程刀具产生的碳足迹要从包含刀具制备、使用过程及回收再利用的全生命周期角度来衡量。由于刀具的可重用性, 使得在达到使用期限前可以通过磨削再次使用10。本文中, 计算刀具碳足迹就是考虑了实际加工时间和刀具使用时间, 并基于上述考虑进行计算。刀具产生的碳足迹为式中, t prod为加工时间, s;t tool_l为刀具使用寿命, s;EF tool_prod为刀具在加工过程中 CO2的碳排放因子, kg/kg;EF tool_dis为刀具
17、处理过程中 CO2的碳排放因子, kg/kg;mtool为刀具质量, kg;N re为再次加工的总次数;C re为再次加工所产生的碳足迹, kg。在工艺过程中, 使用刀具所产生的碳足迹 Ci, tool可采用将其使用寿命周期内按时间折算到加工过程的分配方法, 即2.4.2 刀具的碳排放因子在数控加工过程中, 刀具引起的碳排放主要是刀具在制造过程中产生的排放, 属于间接碳排放。因此, 确定刀具的碳排放因子 EFtool, 需要分析刀具制造过程的能耗情况。文献11中分两种情形考虑了刀具制造的能量消耗情况: (1) 考虑刀具生产所需材料与刀具的生产工艺过程消耗的能量总和; (2) 只考虑刀具的生产工
18、艺过程的能耗。本文针对第 (2) 种情形进行分析。以涂层合金刀片为例, 其主要成份是钨, 单位材料能耗为 400 MJ/kg11, 结合电能中 CO2的碳排放因子 0.941 3kg/ (kWh) , 其中, 1kWh=3.6 MJ, 可计算得到2.5 切屑碳足迹模型2.5.1 碳足迹计算基本方程切屑与切削液分离收集后可通过熔炉再次回收, 在此过程产生碳足迹 Ci, ch。切屑不同, 导致输入的能量不同, 但是, 电力消耗速度是恒定的, 故本文依据切屑质量计算碳足迹, 即式中, V wp、V pro分别为工件体积、产品体积, cm; den为工件密度, kg/cm;EF ch为切屑处理过程的碳
19、排放因子, kg/kg。2.5.2 切屑的碳排放因子机械加工工艺过程中的切削材料碳排放主要考虑切除物料产生的碳排放。文献11-13中提供了常用切屑的碳排放因子, 其中, 钢、铁、铝的碳排放因子分别为 2.69、2.22、16.13kg/kg。综上所述, 数控加工工艺过程中, 由工艺要素等制造资源产生的碳足迹总量为3 加工工艺活动数据的采集方法加工过程中碳足迹分析的数据收集方法主要有以下几种:(1) 从现有相关研究成果的数据中查找或换算。 (1) 根据活动数据的采集需要, 可参考机床操作手册等文献, 直接采集或采集后通过相应关系进行换算而得; (2) 若评价指标数据的采集方法已有相关的国家标准,
20、 应按照国家标准中的方法和要求进行采集; (3) 若评价指标数据已在现有的研究中取得了经验值, 则可直接选用这些经验值。(2) 根据评估的需要自行采集数据。由于这部分数据的可靠性存在一些问题, 故需要确认其有效性。应针对各制造资源的碳排放因子的指标特性, 选择相对可靠的方法获取数据, 如原材料消耗可采用称重方法获得;对于电能数据的获取, 可采用功率传感器、高速数据采集卡、工控机等工具或设备, 实时测量不同切削工艺参数下的电能功率消耗数据, 同时, 建立碳足迹-电能消耗-切削工艺参数之间的关系模型14-16, 进而实现面向低碳排放的切削工艺参数优化。(3) 对于有些评价指标, 由于目前还没有较好
21、的采集方法, 可对其进行现场观察采用定性描述的方法。根据已经建立的典型数控加工工艺过程的碳足迹计算模型, 表 1 列出了加工工艺过程中常见的资源消耗数据采集方法, 为工艺过程的碳足迹计算和评估提供依据。由于所收集的数据通过多种途径获得, 在有些方面可能存在不一致性, 特别是在碳排放因子方面, 还需要对采集到的数据的计量单位进行规范和统一。表 1 资源消耗因素数据采集 Tab.1 Acquisition of resource consumption activity data 下载原表 4 结语本文分析了数控加工过程中工艺要素消耗资源特征, 提出了基于 IPO 方法的工艺过程碳足迹分析功能模型
22、;对切削工艺过程的碳排放评估边界进行界定, 并确定工艺过程的碳排放源, 建立了数控加工过程中工艺要素的碳排放量化模型, 具体包括机床电力碳足迹模型、切削液碳足迹模型、润滑剂碳足迹模型、刀具碳足迹模型、切屑碳足迹模型。研究工作将为下一步工艺过程碳排放评估和制造资源优化配置奠定理论基础, 并为实现低碳制造提供方法支持。参考文献1EUROPEAN COMMISSION.IMS2020:Supporting global research for IMS 2020Vision (IMS2020) .Project ID:233469EB/OL.2017-05-25.http:/cordis.europ
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