本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種機(jī)械零件冷切削加工工藝綠色性評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

隨著能源的快速大量消耗及世界范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，機(jī)械零件冷切削加工工藝的綠色性越來(lái)越受到重視。機(jī)械零件冷切削加工工藝的綠色性，是指機(jī)械零件在冷切削加工過(guò)程中的資源使用、能源消耗、廢棄物及排放等對(duì)環(huán)境的影響情況。機(jī)械零件冷切削加工工藝是否達(dá)到綠色性要求，需要一種相對(duì)客觀、準(zhǔn)確、快速的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，而現(xiàn)有評(píng)價(jià)技術(shù)過(guò)分依賴(lài)于專(zhuān)家的主觀判斷，往往會(huì)造成同一工藝不同的評(píng)價(jià)結(jié)果,且評(píng)價(jià)對(duì)象多針對(duì)單一加工工藝或單一指標(biāo)，無(wú)法應(yīng)用于機(jī)械零件的整個(gè)冷切削加工工藝路線(xiàn)，無(wú)法對(duì)兩種或多種相似的機(jī)械零件冷切削加工工藝路線(xiàn)或者采用不同切削參數(shù)的同一種機(jī)械零件冷切削加工工藝路線(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)比較，不能為改善機(jī)械零件加工過(guò)程的資源環(huán)境影響提供決策和參考。

在現(xiàn)有的評(píng)價(jià)技術(shù)中，產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是一種被廣泛研究的全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，其中包括制造過(guò)程評(píng)價(jià)，但由于LCA評(píng)價(jià)過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成本很高，至今應(yīng)用范圍仍有限；秦少軍的《基于模糊積分的綠色工藝規(guī)劃綜合評(píng)判》采用了模糊積分法建立了綠色工藝規(guī)劃的評(píng)判模型，張華等的《綠色工藝規(guī)劃的決策模型及應(yīng)用案例研究》采用層次分析法建立了綠色工藝規(guī)劃的決策模型，但是由于他們采用的都是對(duì)制造方案直接整體評(píng)價(jià)的方法，容易丟失各工序過(guò)程的環(huán)境影響信息，造成評(píng)價(jià)信息不完善，同時(shí)由于沒(méi)有給出具體的數(shù)據(jù)采集方法和專(zhuān)家評(píng)分的規(guī)范化約束規(guī)則，評(píng)價(jià)結(jié)果過(guò)分依賴(lài)于專(zhuān)家的主觀判斷,偏差大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述機(jī)械零件加工路線(xiàn)無(wú)法迅速的選擇最優(yōu)的綠色路線(xiàn)，且沒(méi)有一種有效的方法能實(shí)現(xiàn)零件加工過(guò)程環(huán)境綠色值的客觀評(píng)定的缺點(diǎn),本發(fā)明提供了一種機(jī)械零件冷切削加工工藝綠色性評(píng)價(jià)方法，其加工工藝評(píng)價(jià)包含切除物料、電能消耗、刀具消耗、切削輔助材料和回收利用，將加工過(guò)程中上述部分產(chǎn)生的消耗以碳排放值的形式表達(dá)，最后通過(guò)比較每條工藝總碳排放值的大小對(duì)加工工藝的綠色性進(jìn)行評(píng)價(jià)，總碳排放值越小的工藝綠色性越高，這種工藝評(píng)價(jià)方法有效解決了以上不足。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種機(jī)械零件冷切削加工工藝評(píng)價(jià)包括切除物料、電能消耗、刀具消耗、切削輔助材料和回收利用，將加工過(guò)程中上述各部分產(chǎn)生的消耗通過(guò)公式計(jì)算以碳排放值的形式表達(dá)，然后將每條工藝路線(xiàn)的各部分碳排放值相加，最后比較各工藝路線(xiàn)的總碳排放值大小，對(duì)加工工藝的綠色性進(jìn)行評(píng)價(jià)，總碳排放值越小的工藝綠色性越高；其步驟如下：

S1:收集機(jī)械零件的加工工藝路線(xiàn)，記錄機(jī)械零件加工的工藝參數(shù)；所述機(jī)械零件的加工工藝路線(xiàn)是指一種機(jī)械零件從下料到成品的整個(gè)過(guò)程，不同加工車(chē)間或使用不同機(jī)床的數(shù)據(jù)分開(kāi)整理，記錄機(jī)械零件從下料開(kāi)始的各個(gè)工序工步，工藝參數(shù)包括使用的機(jī)床型號(hào)、機(jī)床總輸入功率P_i(W)、機(jī)床空載功率P_u(W)、加工時(shí)間t_c(s)、空載時(shí)間t_idel(s)、刀具壽命T_tool(s)、工件直徑d_W(mm)、工件加工長(zhǎng)度L_W(mm)、加工余量Δ(mm)、材料密度ρ(g/cm³)、刀具重量W_tool(g)、初始切削液用量V_CC(L)、附加切削液用量V_AC(L)、切削液密度δ(g/cm³)。

S2：計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的碳排放；機(jī)床切削工藝過(guò)程的碳排放主要考慮切除物料帶來(lái)的碳排放，機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的電能消耗包括空載功率電能消耗和輸入功率電能消耗，故電能消耗引起的碳排放也包括空載功率電能消耗引起的碳排放和輸入功率電能消耗引起的碳排放，切削液(本計(jì)算中主要考慮機(jī)械加工過(guò)程中最常用的水基切削液)消耗引起的碳排放主要考慮兩個(gè)部分：純的礦物油制備引起的碳排放和切削液廢棄后處理引起的碳排放，刀具消耗引起的碳排放是指刀具使用引起的碳排放，刀具在機(jī)械加工過(guò)程中直接引起的環(huán)境影響較小，主要是間接影響，即刀具制備過(guò)程的環(huán)境影響在使用過(guò)程中的分?jǐn)偅瑥U屑處理產(chǎn)生的碳排放指的是廢屑經(jīng)收集壓塊后進(jìn)行回爐處理過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，各項(xiàng)計(jì)算公式如下：

機(jī)床切削工藝過(guò)程的碳排放：

CE_m＝CEF_m×πρd_WL_WΔ/10⁶ (1)

電能消耗引起的碳排放：

CE_elec＝CEF_elec×(P_ut_idle+P_it_c)/3.6×10⁶ (2)

切削液消耗引起的碳排放：

${\mathrm{CE}}_{coolant}=\frac{t_c+t_{idle}}{T}\×\[{\mathrm{CEF}}_{oil}\×(V_{CC}+V_{AC})+{\mathrm{CEF}}_W\×(V_{CC}+V_{AC})/\mathrm{\δ}\]---\left(3\right)$

刀具消耗引起的碳排放:

${\mathrm{CE}}_{tool}=\frac{t_c}{T_{tool}}\×{\mathrm{CEF}}_{tool}\×W_{tool}---\left(4\right)$

廢屑處理產(chǎn)生的碳排放：

CE_chip＝CEF_chip×πρd_WL_WΔ/10⁶(5)

以上涉及的各項(xiàng)碳排放的計(jì)算公式根據(jù)文獻(xiàn)《基于廣義邊界的機(jī)械加工系統(tǒng)碳排放量化方法》總結(jié)推導(dǎo)。

公式符號(hào)說(shuō)明：

公式(1)中CEF_m為物料碳排放因子(單位KgCO₂/Kg，見(jiàn)表1)

公式(2)CEF_elec為電能碳排放因子(單位KgCO₂/KWh，見(jiàn)表2)；

公式(3)中CEF_oil為礦物油的碳排放因子，經(jīng)查閱可得CEF_oil＝2.85KgCO₂/L，CEF_W為廢切削液處理碳排放因子，由于水基切削液濃度一般較低，廢切削液的主要成分是水，因此可用廢水處理的碳排放因子代替，經(jīng)查閱可得廢水處理的碳排放因子為0.2KgCO₂/Kg，故此處取CEF_W＝0.2KgCO₂/Kg，T為切削液更換周期平均值，切削液的更換周期一般為1～3個(gè)月之間，本發(fā)明驗(yàn)證實(shí)例中取平均值T＝2(月)；

公式(4)中CEF_tool為刀具的碳排放因子。刀具制備的能量消耗主要考慮兩種情況：①考慮刀具生產(chǎn)所需材料載能量與刀具工藝過(guò)程能耗總和情況②只考慮刀具生產(chǎn)工藝過(guò)程的能耗情況，經(jīng)過(guò)換算可得情形①和情形②下的刀具碳排放因子分別為104.6KgCO₂/Kg和29.6KgCO₂/Kg，計(jì)算時(shí)可根據(jù)情況選擇(本發(fā)明驗(yàn)證實(shí)例中采用情形②)。

公式(5)CEF_ce為標(biāo)煤的碳排放：CEF_ce＝2.47KgCO₂/Kg，EC_ce為處理單位質(zhì)量廢屑的消耗標(biāo)煤量(單位：Kg，見(jiàn)表1)。

由以上可得，一條完整的機(jī)械零件冷切削加工工藝路線(xiàn)的碳值計(jì)算公式為：

CE_ms＝CE_m+CE_elec+CE_coolant+CE_tool+CE_chip (6)

表1：常用物料及廢屑碳排放因子

表2：電能碳排放因子表

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的一種機(jī)械零件冷切削加工工藝綠色性評(píng)價(jià)方法，綜合分析考慮機(jī)械加工對(duì)環(huán)境造成的影響，能客觀、準(zhǔn)確、快速的對(duì)機(jī)械零件整個(gè)的冷切削加工工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)可對(duì)兩種或多種相似的機(jī)械零件冷切削加工工藝路線(xiàn)或者采用不同切削參數(shù)的同一種機(jī)械零件冷切削加工工藝路線(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)比較，通過(guò)比較結(jié)果來(lái)選擇最優(yōu)的機(jī)械零件加工的路線(xiàn)，并為改善機(jī)械零件加工過(guò)程的資源環(huán)境影響提供決策參考。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的部分優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以參考這些實(shí)例進(jìn)行其他的計(jì)算。

圖1為本發(fā)明的工藝路線(xiàn)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的計(jì)算實(shí)例圖紙；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的計(jì)算實(shí)例圖紙；

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步的說(shuō)明，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類(lèi)似變形，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。

實(shí)施例1

如圖1為本發(fā)明的工藝路線(xiàn)框圖，圖2為本實(shí)施例圖紙，本實(shí)施例中的機(jī)械零件冷切削加工工藝綠色性評(píng)價(jià)方法采用以下步驟：

S1:收集機(jī)械零件的加工工藝路線(xiàn)，記錄機(jī)械零件加工的工藝參數(shù)：

本實(shí)施例為齒輪輪坯冷切削加工工藝路線(xiàn)的綠色性評(píng)價(jià)，以下為所收集的齒輪輪坯冷切削加工工藝路線(xiàn)及工藝參數(shù)：

路線(xiàn)1:

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及加工參數(shù)表

路線(xiàn)2:

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及加工參數(shù)表

S2：計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的碳排放：根據(jù)碳排放計(jì)算公式計(jì)算所得碳排放值如下表所示：

路線(xiàn)1：

由公式1-6和圖1、2所得路線(xiàn)1的碳排放值為：

CE_ms1＝∑CE_msi＝52134.023g

路線(xiàn)2:

由公式1-6和圖1、2所得路線(xiàn)2的碳排放值為：

CE_ms2＝ΣCE_msi＝51455.676g

以上工藝路線(xiàn)2是在工藝路線(xiàn)1的基礎(chǔ)上改動(dòng)兩個(gè)工步得到的，由計(jì)算結(jié)果可得：CE_ms1＞CE_ms2，即工藝路線(xiàn)1的碳值大，故兩條工藝路線(xiàn)相比，工藝路線(xiàn)2的綠色性更高。

實(shí)施例2：

下面以如圖3所示工件(外圓車(chē)削)為例，以同一條冷切削加工工藝路線(xiàn)采用不同切削參數(shù)、加工時(shí)間計(jì)算出的碳值，驗(yàn)證上述評(píng)價(jià)方法。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備、加工參數(shù)及部分計(jì)算參數(shù)如下表所示：

實(shí)驗(yàn)設(shè)備加工參數(shù)表

不同切削速度下，用功率測(cè)試儀測(cè)得的機(jī)床輸入功率、空載功率、加工時(shí)間及刀具壽命如下表所示：

不同切削參數(shù)下功率、加工時(shí)間及刀具壽命

根據(jù)前面總結(jié)的碳排放計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果如下表所示：

不同切削參數(shù)下的碳排放量及碳值

由以上數(shù)據(jù)可得：同一種冷切削加工工藝路線(xiàn)采用不同的切削參數(shù)計(jì)算出的碳值是不同的，上述實(shí)例中，第三組切削參數(shù)計(jì)算得到的碳值最小，為綠色性最高的切削參數(shù)選擇。

除說(shuō)明書(shū)所述的技術(shù)特征外，均為本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的已知技術(shù)。