盧曉紅，王福瑞，王鑫鑫，司立坤，高路斯，劉永云

（大連理工大學a.精密與特種加工教育部重點實驗室；b.材料科學與工程學院；c.模具研究所，遼寧大連 116024）

基于碳排放定量分析的低能耗切削加工研究進展*

盧曉紅a，王福瑞a，王鑫鑫a，司立坤a，高路斯b，劉永云c

（大連理工大學a.精密與特種加工教育部重點實驗室；b.材料科學與工程學院；c.模具研究所，遼寧大連 116024）

減少加工能耗是實現(xiàn)低碳制造的重要手段之一，如何正確估算機加工中能耗，是降低制造過程能耗的前提。通過閱讀國內(nèi)外大量文獻，對低能耗切削加工研究現(xiàn)狀進行了分析概括，系統(tǒng)論述了基于碳排放定量分析的低能耗切削加工研究方法，對能耗定量分析模型進行了闡述，并對機械加工過程中的碳排放定量分析進行了深入探討。在此基礎(chǔ)上，指出了當前基于碳排放定量分析的低能耗切削加工研究的不足，提出了未來的研究方向。

低碳制造；碳排放定量分析；低能耗；切削加工

0 引言

低碳制造是指在加工過程中產(chǎn)生低碳排放強度、同時可以高效利用能源和資源［1］。實現(xiàn)低碳制造的途徑包括：減少加工機床和相關(guān)設(shè)備的能量損耗；提高工藝能量效率；減少制造過程中因空閑、等待和排隊而發(fā)生的碳排放浪費；提高原材料利用效率等。據(jù)統(tǒng)計，我國制造業(yè)能耗約占能源總消費量的60%［2］。制造業(yè)已經(jīng)成為我國碳排放的主要來源之一，因此以提高資源利用效率為目的的低碳制造將成為制造業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段和途徑，是制造業(yè)面臨的新課題與新挑戰(zhàn)。

減少加工能耗是實現(xiàn)低碳制造的重要手段之一，如何正確估算機加工中能耗，是降低制造過程能耗的前提。本文系統(tǒng)介紹了低能耗切削加工的國內(nèi)外研究成果，對能耗定量分析模型進行了歸納，并對機械加工過程中的碳排放定量分析進行了深入探討。

1 低能耗切削加工研究現(xiàn)狀

研究機加工能耗的重點是確定機床的功率消耗。在一臺機床的完整工作周期中，功率消耗主要包括恒定功率消耗和變化功率消耗［3］，如圖1所示。

圖1 切削過程中的功率消耗

機加工過程中的能耗不僅取決于功率消耗還取決于加工時間。常用的方法是對特定的參數(shù)進行設(shè)置以改變功率消耗及加工時間從而降低切削能耗。

德國亞深工業(yè)大學的R.Schlosser等人［3］提出了一種評估機加工過程中能耗的方法，在鉆削加工試驗中對該方法進行了驗證，并對切削工藝進行了優(yōu)化。澳大利亞新南威爾士大學的LiWen等人［4-7］將加工能耗分為：固定能耗、加工能耗、刀尖能耗和無效能耗，并提出了表征能耗與工藝參數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。日本名古屋的M.Mori等人［8］研究了切削參數(shù)對機床加工過程中能耗的影響。英國曼徹斯特大學的P.T.Mativenga等人［9］提出能耗最小化準則，可應(yīng)用于切削條件優(yōu)選，還研究了如何使一臺機床的能源強度和能耗最小化從而降低碳排放。美國印第安納大學-普渡大學韋恩堡分校的Z.M.Bi等人［10］提出了一個表達切削參數(shù)與加工能耗明確關(guān)系的能量分析模型，該模型是基于所選擇機床的運動學特性和動態(tài)特性得出的，可用于優(yōu)化機床設(shè)置以達到節(jié)約能源的目的。德國斯圖加特大學ISW研究所的Philipp Eberspacher等人［11］提出了一種將能耗仿真模型與加工過程中功率測量值、控制信號相結(jié)合的方法，可以使操作人員清晰地了解能耗數(shù)據(jù)和能耗在機床各部件的分布情況。意大利米蘭理工大學的Fadi Shrouf等人［12］提出了一個以最小能耗為目標應(yīng)用于加工過程中單一機床生產(chǎn)調(diào)度的數(shù)學模型，該模型通過在機床層做決定以確定加工過程的起始時間、空閑時間、停機時間等，可以確保操作人員完成具有最低能耗的生產(chǎn)調(diào)度。保加利亞魯塞大學的Stefan Velchev等人［13］提出了一個車削過程中優(yōu)化切削參數(shù)以達到加工能耗最小化的方法，該方法是基于數(shù)控車床車削鋼材這一特定試驗得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，可用于分析切削參?shù)對加工能耗的影響。印度貝拉技術(shù)科學學院的Girish Kant等人［14］提出了一個用于使加工過程中能耗和表面粗糙度最小化的多目標預(yù)測模型，該模型綜合使用了灰關(guān)聯(lián)方法、主成分分析法和響應(yīng)曲面方法論，可以獲得加工過程中最優(yōu)切削參數(shù)。英國曼徹斯特大學的M.F.Rajemi［15］等人提出了一種新的優(yōu)化機加工過程中能源足跡的模型與方法，他們對切削加工一個零件過程中總的能耗進行了建模，并以經(jīng)濟的刀具壽命為約束、以滿足最小能源消耗的目標進行了優(yōu)化。

國內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步。重慶大學的李洪丞［16］對機床生命周期全過程碳排放特性進行了深入研究，將機床生命周期碳排放分為固定碳排放與變動碳排放，以生產(chǎn)率、物料去除率、經(jīng)濟收益率為指標建立了碳排放動態(tài)特性函數(shù)，從而實現(xiàn)了對機床全生命周期碳排放動態(tài)特性的描述及碳效率的評估。合肥工業(yè)大學的戚贇徽等人［17］以機械產(chǎn)品能量屬性為研究對象，在能量分析過程中使用了產(chǎn)品全生命周期思想。他們運用鍵合圖、回收元等理論分析了全生命周期各階段的能量消耗影響因素，建立了能量消耗量化公式，并對機加工過程中能耗動態(tài)特性進行了特性分析。重慶大學的李聰波［18］、尹瑞雪［19］等對數(shù)控車削加工中切削參數(shù)的高效低碳優(yōu)化問題進行了研究，綜合考慮機床設(shè)備和加工質(zhì)量的實際約束，建立了以最小加工時間（高效）和最低碳排放（低碳）為優(yōu)化目標的切削參數(shù)數(shù)學優(yōu)化模型。哈爾濱工業(yè)大學的張惠萍等［20］分析了數(shù)控銑削加工過程碳排放的影響因素。哈爾濱工業(yè)大學的郭登月［21］針對數(shù)控磨床進行了能耗定量分析。

2 能耗定量分析模型

2.1 基于切削功率的能耗定量分析

基于平衡方法論，建立切削過程中工件單位體積的功率消耗模型，對機加工過程能耗進行定量分析，是目前經(jīng)典的研究方法［3］。具體如下：

切削過程中的功率需求：根據(jù)Kienzle切削力模型，普通切削過程所需的切削力Fc是由單位特定切削力kc1.1，切削寬度b，未變形切屑厚度h，特定切削力指數(shù)1-mc和均衡校正因子共同影響決定的，其計算方程為：

單位特定切削力kc1.1和特定切削力指數(shù)1-mc取決于刀具和工件材料的組合。切削寬度b和切屑厚度h直接取決于工藝參數(shù)切削深度和每齒進給量。均衡校正因子Π包括多種用于過程適應(yīng)性的修正法，它通常包括工藝的修正、刃傾角、摩擦、切削速度和刀具磨損。

切屑厚度與切削寬度計算方程：

其中，fz為每齒進給量；κr為刀具主偏角，ap為切削深度。

切削功率Pc：

總加工功率計算方程：

其中，Pe為總加工功率；Pf為進給功率。由于進給力和進給速度與切削力和切削速度相比低得多，所以進給功率遠遠小于切削所需的功率。因此，總加工功率幾乎與切削功率消耗相等。

2.2 切削加工過程中總能耗模型

相關(guān)學者［15］對切削加工能耗建立數(shù)學模型，并對切削加工過程中總能耗進行定量分析。具體如下：

單一切削加工過程中總消耗計算方程：

其中，E是總能耗；E1是機床設(shè)置能耗（機床空閑時消耗的能源）；E2是切削能耗；E3是換刀時能耗；E4是制造刀具/刀刃的能耗。

E1是一臺機床設(shè)置期間消耗的能量，是由機床和裝夾刀具、工件所用總時間消耗的能量評估而得的。

加工過程中能耗E2是由驅(qū)動機床部件和去除材料時的能耗評估而得的，參考Gutowski［22］提出的模型：

其中，P0是機床部件在未切削時的消耗功率；k是切削加工中的比能；˙v是材料去除速率；t2是實際切削時間。

換刀時的能耗E3是由機床功率和換刀時間評估而得的。

E4由制備刀具材料能耗、刀具制造過程中能耗和其他附屬工序能耗（如涂覆）等因素評估得出。E4可由每切削刃制造能耗yE乘以完成切削過程所需的切削刃數(shù)而得。

綜合，可以得出切削過程能耗方程：

其中，t1是機床啟動時間；t3是一次換刀所用時間；T是刀具壽命；yE是每切削刃的能耗足跡。

對于單一切削過程，切削深度的影響可以忽略，參考Kalpakjian等人［23］提出的改良型的泰勒延伸刀具壽命方程：

單一切削過程中的實際切削時間t2：

其中，Davg是工件平均直徑，由工件初始直徑Di和工件加工后直徑Df計算而得；l是切削長度；f是進給速率；Vc是切削速度。

因此，綜合上述各方程，可以得到切削過程能耗如下：

3 碳排放定量分析研究

加工過程中的碳排放主要加工過程中消耗電能引起的碳排放Ce、加工過程刀具使用引起的碳排放Ct以及切削液使用引起的碳排放Cc、消耗原材料引起的碳排放Cm、加工過程產(chǎn)生切屑的后期處理引起的碳排放Cs［18-19］。本文中引用的公式則主要考慮消耗電能引起的碳排放Ce、刀具使用引起的碳排放Ct及加工過程中切削液使用產(chǎn)生的碳排放Cc。

電能消耗引起的碳排放計算公式：

其中Fe是電能的碳排放因子，Ee是加工過程的電能消耗量。Fe與電網(wǎng)構(gòu)成密切相關(guān)，計算時可采用幾大電網(wǎng)排放因子平均值作為電能碳排放因子［24］。

Ee計算方程為：

其中，Pi為總輸入功率，Pu為空載功率，Pc為切削功率，Pa［25］為附加載荷損耗功率，Tp為機床加工時間，tm為工序切削時間。

空載功率計算方程：

方程中參數(shù)選擇及計算見文獻［26］。

切削功率計算方程：

切削力計算方程：

相關(guān)參數(shù)可查閱切削用量手冊得到。

附加載荷損耗功率計算方程：

bm常取0.15～0.25的經(jīng)驗值。

機床加工時間計算方程：

其中tm為工序切削時間，tct為換刀一次所用時間，tot為換刀外其他輔助時間，T是刀具壽命。

工序切削時間［27］計算方程：

其中Lw為加工長度，Δ為加工余量，n為主軸轉(zhuǎn)速，d0為工件直徑，vc為切削速度，f為進給量，ap為切深。

刀具耐用度計算方程：

其中CT為與切削條件有關(guān)的常數(shù)，x、y、z是刀具壽命系數(shù)［28］。

刀具使用引起的碳排放計算方程：

其中Ft為刀具的碳排放因子，Wt為刀具質(zhì)量。Ft確定方法參看文獻［15］。

刀具總壽命計算方程：

其中N為刀具刃磨次數(shù)。

切削液使用引起的碳排放計算方程：

其中Tc為切削液更換周期，Co為純礦物油制備引起的碳排放，Cw為處理廢棄切削液引起的碳排放。

制備礦物油引起的碳排放計算方程：

其中Fo為純礦物油碳排放因子，CC為初始切削油量，AC為附加切削油量。

純礦物油碳排放因子計算方程：

其中EEo為礦物油內(nèi)含能值，ECo為礦物油缺省碳含量［29］。

處理廢棄切削液引起的碳排放：

其中Fw為處理廢切削液碳排放因子（參見文獻［29］），δ為切削液濃度。

此外，張慧萍等［20］對數(shù)控銑削加工過程碳排放量進行了分析。郭登月［21］對數(shù)控磨削過程能耗/碳排放進行了研究。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)外學者對機械加工過程中碳排放定量分析思路主要集中在兩個方面，一是切削過程中基于切削功率的碳排放定量分析，通過分析切削參數(shù)對切削功率的影響從而確定碳排放值；二是切削過程中基于總能耗的碳排放定量分析，通過分析功率與切削時間、制備材料（如刀具、切削液等）能耗從而確定碳排放值。但應(yīng)該注意到，現(xiàn)有的關(guān)于低能耗切削加工中碳排放定量的分析還大多集中于一臺機床加工的情況，對于多臺、多種類機床組合加工情況的碳排放定量分析還較為少見。因此，對于多工序多機床組合切削加工的碳排放定量分析還有待于進一步研究。

［1］Tridech S，Cheng K.Low Carbon Manufacturing：characterization，theoretical models and implementation［J］.International Journal of Manufacturing Research，2011：110-121.

［2］中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2012［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2012.

［3］SCHLOSSER R，KLOCKE F，LUNG D.Sustainability in manufacturing：Energy consumption of cutting processes［C］//Proceedings of the 8thGlobal Conference on Sustainable Manufacturing Nov.22-24，2010，AbuDhabi University UAE：CIRP，2010：85-89.

［4］Li W，Kara S.An Empirical Model for Predicting Energy Consumption of Manufacturing Processes［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2011（09）：1636-1646.

［5］LiW，Zein A，Kara S，et al.An Investigation into Fixed Energy Consumption of Machine Tools［J］.Glocalized Solutions for Sustainability in Manufacturing.Proceedings of the 18thCIRP International Conference on Life Cycle Engineering，2011：268-273.

［6］Zein A，LiW，Christoph Herrmann，et al.Energy Efficiency Measures for the Design and Operation of Machine Tools：An Axiomatic Approach［J］.Glocalized Solutions for Sustainability in Manufacturing.Proceedings of the 18thCIRP International Conference on Life Cycle Engineering，2011：274-279.

［7］Kara S，LiW.Unit process energy consumption models for material removal processes［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011，60（1）：37-40.

［8］M Mori，M Fujishima，Y Inamasu，etal.A study on energy efficiency improvement for machine tools［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011（60）：145-148.

［9］P TMativenga，M FRajemi.Calculation of optimum cutting parameters based on minimum energy footprint［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011（60）：149-152.

［10］Z M Bi，Lihui Wang.Optimization ofmachining processes from the perspective of energy consumption：A case study［J］.Journal of Manufacturing Systems，2012（31）：420-428.

［11］Philipp Ebersp?cher，Philipp Schraml，Jan Schlechtendahl，et al.A model-and signal-based power consumption monitoring concept for energetic optimization of machine tools［C］.21stCIRP Conference on Life Cycle Engineering，2014（15）：44-49.

［12］Fadi Shrouf，Joaquin Ordieres-Meré，Alvaro García-Sánchez，et al.Optimizing the production scheduling of a single machine to minimize total energy consumption costs［J］.Journal of Cleaner Production，2014（67）：197-207.

［13］Stefan Velchev，Ivan Kolev，Krasimir Ivanov，et al.Empirical models for specific energy consumption and optimization of cutting parameters for minimizing energy consumption during turning［J］.Journal of Cleaner Production，2014（80）：139-149.

［14］Girish Kant，Kuldip Singh Sangwan.Prediction and optimization of machining parameters for minimizing power consumption and surface roughness in machining［J］.Journal of Cleaner Production，2014（83）：151-164.

［15］M F Rajemi，P T Mativenga，A Aramcharoen.Sustainable machining：selection of optimum turning conditions based on minimum energy considerations［J］.Journal of Cleaner Production，2010（18）：1059-1065.

［16］李洪丞.機械制造系統(tǒng)碳排放動態(tài)特性及其碳效率評估優(yōu)化方法研究［D］.重慶：重慶大學，2014.

［17］戚贇徽，黃海鴻，劉光復(fù)，等.基于動態(tài)生命周期的能量分析方法［J］.機械工程學報，2007，43（8）：129-134.

［18］李聰波，崔龍國，劉飛，等.面向高效低碳的數(shù)控加工參數(shù)多目標優(yōu)化模型［J］.機械工程學報，2013，49（9）：87-96.

［19］尹瑞雪.基于碳排放評估的低碳制造工藝規(guī)劃決策模型及應(yīng)用研究［D］.重慶：重慶大學，2014.

［20］張慧萍，高棟.數(shù)控銑削加工過程碳排放量影響因素的分析［J］.機械制造，2013，41（2）：29-31.

［21］郭登月.數(shù)控磨削過程能耗/碳排放模型分析與優(yōu)化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

［22］Gutowski T，Dahmus J，Thiriez A.Electrical energy requirements for manufacturing processes［C］.The 13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering，2006.

［23］Kalpakjian S，Schmid SR.Manufacturing Processes for Engineering and Technology［M］.Fifth Edition.New Jersey：Prentice Hall，2007.

［24］國家發(fā)展改革委應(yīng)對氣候變化司.關(guān)于公布2009年中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子的公告［EB/0L］.2009-07-02.

［25］劉飛，徐宗俊，但斌，等.機械加工系統(tǒng)能量特性及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［26］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.

［27］袁績乾，李文貴.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［28］艾興，肖詩剛.切削用量簡明手冊［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［29］政府間氣候變化專門委員會.2006年IPCC國家溫室氣體排放清單指南（中文版）［R］.北京：IPCC國家溫室氣體清單計劃，2006.

（編輯 趙蓉）

Advances in Research of Low Energy Consumption Cutting Based on Carbon Emission Quantitative Analysis

LU Xiao-honga，WANG Fu-ruia，WANG Xin-xina，SI Li-kuna，GAO Lu-sib，LIU Yong-yunc
（a.Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education；b.School of Materials Science and Engineering；c.Institute of Die&Mould，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）

Reducing energy consumption of cutting is one of important means to achieve low carbon manufacture progress，the premise of reducing energy consumption of manufacturing is how to estimate the machining energy consumption correctly.Based on the summary of a lot of literatures，this thesis analyzes and includes the research of low energy consumption cutting；the research methods of low energy consumption cutting based on carbon emission quantitative analysis were discussed systematically；the quantitative analysis model of energy consumption was elaborated；also，the carbon emission quantitative analysis of machining process was discussed deeply.Based on these works，the deficiency of the research of low energy consumption cutting was pointed out and the direction for future research was proposed.

low carbon manufacturing process；carbon emission quantitative analysis；low energy consumption；cutting

TH16；TG506

A

1001-2265（2015）10-0001-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.001

2014-12-10；

2014-12-30

國家自然科學基金（51305061）；高等學校博士學科點專項科研基金（20120041120034）

盧曉紅（1978—），女，內(nèi)蒙古寧城人，大連理工大學副教授，博士，研究方向為微銑削加工、數(shù)控機床功能部件綜合性能檢測、可靠性技術(shù)、優(yōu)化算法，（E-mail）lxhdlut@dlut.edu.cn。