[发明专利]一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法

摘要

本发明公开了一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，包括机械加工过程能源碳、物料碳、废弃物碳分析、基于制造特征的面向碳排放的工艺BOM(c‑PBOM)设计和基于c‑PBOM的零件加工过程碳排放计算策略三部分。分析加工过程，定义能源碳、物料碳、废弃物碳，分解机床功能建立三种碳排放的计算模型，并为车间设计三维的能耗计算模型集；考虑零件形状复杂性，分解零件为一组标准特征的组合，设计c‑PBOM，以特征为碳排放计算单元；根据c‑PBOM设计规则，结合零件工艺路线计算整个零件加工过程碳排放。本发明涵盖了加工过程从物料和能量输入到废弃物处理的碳排放，分解零件降低计算复杂度，设计c‑PBOM使量化过程逻辑更加清晰，为低碳制造的实施提供基础数据支持。

主权项

1.一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)依据加工过程的特点定义零件机械加工过程中的三种碳排放源，包括物料碳、能源碳和废弃物碳；其中，物料碳为加工过程消耗工件材料和刀具，以及切削液的制备过程产生的碳排放；能源碳为加工过程中所消耗能量的制备过程产生的碳排放；废弃物碳为加工过程中产生的废弃切屑、刀具以及切削液废弃物的后期处理产生的碳排放；2)分别给出物料碳、能源碳和废弃物碳的计算公式；物料碳的计算包括：(1)刀具生产碳排放在制造特征的加工过程中，刀具的消耗量如公式(1)所示，对累加得到的达到磨钝标准的刀具数向下取整，得到报废的刀具总数Nt，消耗刀具碳排放的计算如公式(2)：式中，R为所用刀具的允许刃磨次数，tcuttingi为此刀具在特定的切削条件下的切削时间，Ttooli为刀具在此切削条件下的刀具寿命，废弃刀具生产导致的碳排放CEptool取决于报废的刀具数量：CEptool＝Nt×M×EFptool  (2)式中，M为报废刀具的质量，EFptool为刀具生产的碳排放因子；(2)材料生产碳排放切除材料过程产生切屑体积为本次切削前后的体积差，造成间接碳排放CEpchip为：CEpchip＝ΔV×ρ×EFpchip  (3)式中，ρ为工件材料的密度，EFpchip为工件材料生产的碳排放因子，ΔV为材料切除的体积；(3)切削液生产碳排放消耗切削液造成的碳排放CEpcf计算如公式：式中，T0为车间的切削液更换周期，M0为切削液的初始体积，Ma为更换周期中补充的切削液体积，EFpcf为生产切削液的碳排放因子；综上所述，物料碳的总量为：CEmaterial＝CEptool+CEpchip+CEpcf  (5)废弃物碳的计算如下：(1)废弃刀具处理碳排放式中，EFdtool为废弃刀具处理的碳排放因子；(2)废弃切削液处理碳排放式中，EFdcf为废弃切削液处理的碳排放因子；(3)废弃切屑处理碳排放CEdchip＝ΔV×ρ×EFdchip  (8)式中，EFdchip为废弃切屑处理的碳排放因子；所以，废弃物碳的总量为：CEwaste＝CEdtool+CEdcf+CEdchip  (9)能源碳CEelec分解为七个子模块的能源碳，分别为：机床主传动模块碳排放CEsp、进给传动碳排放CEf、刀具切除工件材料过程碳排放CEmr、机床基础模块运行碳排放CEbm、机床自动换刀过程碳排放CEtc、机床喷切削液过程碳排放CEcfs以及机床自动排屑模块碳排放CEmr，且有计算公式如下：式中tsp为主轴旋转的时间，tsp‑a为主轴加速的时间，EFelec为电能的碳排放因子，Psp为主轴稳定旋转时的功率，Psp‑a为主轴加速阶段的功率，n为主轴旋转的转速；式中tf为稳定进给的时间，tf‑a为进给加速的时间，tf‑d为主轴加速的时间，Pf为稳定进给时的功率，Pf‑a为加速进给阶段的功率，Pf‑d为减速进给阶段的功率，vf为旋转的转速，EFelec为电能的碳排放因子；CEmr＝[Pmr×tcutting]×EFelec  (12)Pmr为材料切除动作的功率，tcutting为切削时间；CEbm＝Pbmtbm×EFelec  (13)Pbm为机床基础模块的运行功率，tbm为机床的运行时间；CEtc＝[Ptcttc+Etcon+Etcoff]×EFelec  (14)Ptc为换刀装置的功率，ttc为换刀时间，Etcon为换刀装置开启时的突变能耗，Etcoff为换刀装置关闭时的突变能耗；CEcfs＝sgn(X)(Pcfstcutting+Ecfson+Ecfsoff)×EFelec  (15)Pcfs为喷切削液的功率，Ecfson为冷却装置开启时的突变能耗，Ecfsoff为冷却装置关闭时的突变能耗；CEcc＝sgn(X)(Pcctcutting+Eccon+Eccoff)×EFelec  (16)Pcc为自动排屑装置的功率，Eccon为自动排屑装置开启时的突变能耗，Eccoff为自动排屑装置关闭时的突变能耗；3)设计待加工零件面向碳排放的工艺BOM，分析待加工零件的加工特征，完成对待加工零件的面向碳排放的工艺BOM的零件结构部分和工艺内容部分，根据待加工零件的零件结构部分和工艺内容部分结合步骤2)给出的物料碳、能源碳和废弃物碳的计算公式，得到待加工零件每个加工特征的每个切削元的物料碳、能源碳和废弃物碳，同时根据基于加工零件面向碳排放的工艺BOM的两切削元之间碳排放计算规则计算待加工零件工艺路线相邻两个阶段因换刀动作和装夹操作产生的能源碳，待加工零件机械加工过程碳排放量即为工艺路线中所有切削元的物料碳、能源碳和废弃物碳与工艺路线中相邻两个切削元之间因换刀动作和装夹操作产生的能源碳之和。