一種機械零件冷切削加工工藝綠色性評價方法與流程
2024-02-20 21:23:15 1
本發明涉及機械加工領域，具體地說涉及一種機械零件冷切削加工工藝綠色性評價方法。
背景技術：
隨著能源的快速大量消耗及世界範圍內對環境問題的關注，機械零件冷切削加工工藝的綠色性越來越受到重視。機械零件冷切削加工工藝的綠色性，是指機械零件在冷切削加工過程中的資源使用、能源消耗、廢棄物及排放等對環境的影響情況。機械零件冷切削加工工藝是否達到綠色性要求，需要一種相對客觀、準確、快速的方法進行評價，而現有評價技術過分依賴於專家的主觀判斷，往往會造成同一工藝不同的評價結果,且評價對象多針對單一加工工藝或單一指標，無法應用於機械零件的整個冷切削加工工藝路線，無法對兩種或多種相似的機械零件冷切削加工工藝路線或者採用不同切削參數的同一種機械零件冷切削加工工藝路線進行綜合評價比較，不能為改善機械零件加工過程的資源環境影響提供決策和參考。
在現有的評價技術中，產品生命周期評價(LCA)是一種被廣泛研究的全生命周期環境影響評價方法，其中包括製造過程評價，但由於LCA評價過程複雜、周期長、成本很高，至今應用範圍仍有限；秦少軍的《基於模糊積分的綠色工藝規劃綜合評判》採用了模糊積分法建立了綠色工藝規劃的評判模型，張華等的《綠色工藝規劃的決策模型及應用案例研究》採用層次分析法建立了綠色工藝規劃的決策模型，但是由於他們採用的都是對製造方案直接整體評價的方法，容易丟失各工序過程的環境影響信息，造成評價信息不完善，同時由於沒有給出具體的數據採集方法和專家評分的規範化約束規則，評價結果過分依賴於專家的主觀判斷,偏差大。
技術實現要素：
針對上述機械零件加工路線無法迅速的選擇最優的綠色路線，且沒有一種有效的方法能實現零件加工過程環境綠色值的客觀評定的缺點,本發明提供了一種機械零件冷切削加工工藝綠色性評價方法，其加工工藝評價包含切除物料、電能消耗、刀具消耗、切削輔助材料和回收利用，將加工過程中上述部分產生的消耗以碳排放值的形式表達，最後通過比較每條工藝總碳排放值的大小對加工工藝的綠色性進行評價，總碳排放值越小的工藝綠色性越高，這種工藝評價方法有效解決了以上不足。
本發明是通過以下技術方案來實現的：一種機械零件冷切削加工工藝評價包括切除物料、電能消耗、刀具消耗、切削輔助材料和回收利用，將加工過程中上述各部分產生的消耗通過公式計算以碳排放值的形式表達，然後將每條工藝路線的各部分碳排放值相加，最後比較各工藝路線的總碳排放值大小，對加工工藝的綠色性進行評價，總碳排放值越小的工藝綠色性越高；其步驟如下：
S1:收集機械零件的加工工藝路線，記錄機械零件加工的工藝參數；所述機械零件的加工工藝路線是指一種機械零件從下料到成品的整個過程，不同加工車間或使用不同工具機的數據分開整理，記錄機械零件從下料開始的各個工序工步，工藝參數包括使用的工具機型號、工具機總輸入功率Pi(W)、工具機空載功率Pu(W)、加工時間tc(s)、空載時間tidel(s)、刀具壽命Ttool(s)、工件直徑dW(mm)、工件加工長度LW(mm)、加工餘量Δ(mm)、材料密度ρ(g/cm3)、刀具重量Wtool(g)、初始切削液用量VCC(L)、附加切削液用量VAC(L)、切削液密度δ(g/cm3)。
S2：計算各項指標對應的碳排放；工具機切削工藝過程的碳排放主要考慮切除物料帶來的碳排放，工具機運行過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(本計算中主要考慮機械加工過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部分：純的礦物油製備引起的碳排放和切削液廢棄後處理引起的碳排放，刀具消耗引起的碳排放是指刀具使用引起的碳排放，刀具在機械加工過程中直接引起的環境影響較小，主要是間接影響，即刀具製備過程的環境影響在使用過程中的分攤，廢屑處理產生的碳排放指的是廢屑經收集壓塊後進行回爐處理過程中產生的碳排放，各項計算公式如下：
工具機切削工藝過程的碳排放：
CEm＝CEFm×πρdWLWΔ/106 (1)
電能消耗引起的碳排放：
CEelec＝CEFelec×(Putidle+Pitc)/3.6×106 (2)
切削液消耗引起的碳排放：
<![CDATA[ CE c o o l a n t = t c + t i d l e T × CEF o i l × ( V C C + V A C ) + CEF W × ( V C C + V A C ) / δ - - - ( 3 ) ]]>
刀具消耗引起的碳排放:
廢屑處理產生的碳排放：
CEchip＝CEFchip×πρdWLWΔ/106(5)
以上涉及的各項碳排放的計算公式根據文獻《基於廣義邊界的機械加工系統碳排放量化方法》總結推導。
公式符號說明：
公式(1)中CEFm為物料碳排放因子(單位KgCO2/Kg，見表1)
公式(2)CEFelec為電能碳排放因子(單位KgCO2/KWh，見表2)；
公式(3)中CEFoil為礦物油的碳排放因子，經查閱可得CEFoil＝2.85KgCO2/L，CEFW為廢切削液處理碳排放因子，由於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，經查閱可得廢水處理的碳排放因子為0.2KgCO2/Kg，故此處取CEFW＝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個月之間，本發明驗證實例中取平均值T＝2(月)；
公式(4)中CEFtool為刀具的碳排放因子。刀具製備的能量消耗主要考慮兩種情況：①考慮刀具生產所需材料載能量與刀具工藝過程能耗總和情況②只考慮刀具生產工藝過程的能耗情況，經過換算可得情形①和情形②下的刀具碳排放因子分別為104.6KgCO2/Kg和29.6KgCO2/Kg，計算時可根據情況選擇(本發明驗證實例中採用情形②)。
公式(5)CEFce為標煤的碳排放：CEFce＝2.47KgCO2/Kg，ECce為處理單位質量廢屑的消耗標煤量(單位：Kg，見表1)。
由以上可得，一條完整的機械零件冷切削加工工藝路線的碳值計算公式為：
CEms＝CEm+CEelec+CEcoolant+CEtool+CEchip (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
本發明的有益效果是：
本發明提出的一種機械零件冷切削加工工藝綠色性評價方法，綜合分析考慮機械加工對環境造成的影響，能客觀、準確、快速的對機械零件整個的冷切削加工工藝進行評價，同時可對兩種或多種相似的機械零件冷切削加工工藝路線或者採用不同切削參數的同一種機械零件冷切削加工工藝路線進行綜合評價比較，通過比較結果來選擇最優的機械零件加工的路線，並為改善機械零件加工過程的資源環境影響提供決策參考。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的部分優選實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以參考這些實例進行其他的計算。
圖1為本發明的工藝路線框圖；
圖2為本發明實施例1的計算實例圖紙；
圖3為本發明實施例2的計算實例圖紙；
具體實施方式
下面將結合具體實施例及附圖對本發明的技術方案進一步的說明，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一個優選實施例，而不是全部的實施例，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似變形，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
實施例1
如圖1為本發明的工藝路線框圖，圖2為本實施例圖紙，本實施例中的機械零件冷切削加工工藝綠色性評價方法採用以下步驟：
S1:收集機械零件的加工工藝路線，記錄機械零件加工的工藝參數：
本實施例為齒輪輪坯冷切削加工工藝路線的綠色性評價，以下為所收集的齒輪輪坯冷切削加工工藝路線及工藝參數：
路線1:
實驗設備及加工參數表
路線2:
實驗設備及加工參數表
S2：計算各項指標對應的碳排放：根據碳排放計算公式計算所得碳排放值如下表所示：
路線1：
由公式1-6和圖1、2所得路線1的碳排放值為：
CEms1＝∑CEmsi＝52134.023g
路線2:
由公式1-6和圖1、2所得路線2的碳排放值為：
CEms2＝ΣCEmsi＝51455.676g
以上工藝路線2是在工藝路線1的基礎上改動兩個工步得到的，由計算結果可得：CEms1＞CEms2，即工藝路線1的碳值大，故兩條工藝路線相比，工藝路線2的綠色性更高。
實施例2：
下面以如圖3所示工件(外圓車削)為例，以同一條冷切削加工工藝路線採用不同切削參數、加工時間計算出的碳值，驗證上述評價方法。
實驗設備、加工參數及部分計算參數如下表所示：
實驗設備加工參數表
不同切削速度下，用功率測試儀測得的工具機輸入功率、空載功率、加工時間及刀具壽命如下表所示：
不同切削參數下功率、加工時間及刀具壽命
根據前面總結的碳排放計算公式，計算結果如下表所示：
不同切削參數下的碳排放量及碳值
由以上數據可得：同一種冷切削加工工藝路線採用不同的切削參數計算出的碳值是不同的，上述實例中，第三組切削參數計算得到的碳值最小，為綠色性最高的切削參數選擇。
除說明書所述的技術特徵外，均為本專業技術人員的已知技術。