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。

说明书

技术领域：

本发明属于先进制造与自动化技术领域，具体涉及一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法。

背景技术：

近年来，日趋严重的全球变暖问题、海平面上升问题、极端天气频发问题等直接影响到人类的正常生活和生命安全，造成这一现象的直接原因就是由温室气体大量排放导致的温室效应。IPCC第五次评估报告明确指出全球气候变暖一半以上是由人类活动造成的，其中，制造业是温室气体排放的主要源头之一，根据《中国碳排放报告2015》，制造业产生的碳排放占我国碳排放总额的47％。目前产品生产量的加大和生产自动化的加强，消耗了更多的物料及碳基燃料，将导致更多二氧化碳的排放。根据《京都议定书》规定，国际上采取碳排放交易这一环境政策工具，运用市场机制和价格手段控制某个国家、地区和企业的碳排放量，这意味着我国制造业正面临着严峻的碳排放成本增加压力和技术创新压力，制造过程节能减排的理论和方法正成为亟需突破的一个新研究领域。

准确地量化机械加工工艺过程的碳排放是低碳制造理论的基础工作之一，同时也是低碳制造面临的一个技术难点：

(1)零件的机械加工过程具有复杂的输入输出特性，所涉及到的物料、能源和设备都会随着加工过程影响碳排放，故零件加工的碳排放具有多源性、动态性、间接性等特点，计算过程与实际加工工艺结合较为困难；

(2)零件加工设备多采用数控机床，其功能多、动作复杂，需要设计模型全面地计算其加工过程能耗；

(3)零件形状结构复杂、工艺路线长，直接计算整个零件加工过程的碳排放难以入手，需要设计合理的方法将计算过程系统化。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于制造特征的零件机械加工过程碳排放量化方法，为低碳制造提供基础数据支持。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案来实现：

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；

2)分别给出物料碳、能源碳和废弃物碳的计算公式；

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。

本发明进一步的改进在于，步骤1)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。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，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N_t，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，t_cuttingi为此刀具在特定的切削条件下的切削时间，T_tooli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CE_ptool取决于报废的刀具数量：

CE_ptool＝N_t×M×EF_ptool(18)

式中，M为报废刀具的质量，EF_ptool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CE_pchip为：

CE_pchip＝ΔV×ρ×EF_pchip(19)

式中，ρ为工件材料的密度，EF_pchip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CE_pcf计算如公式：

${\mathrm{CE}}_{pcf}=\frac{t_{cutting}}{T_o}(M_0+M_a)\times {\mathrm{EF}}_{pcf}---\left(20\right)$

式中，T₀为车间的切削液更换周期，M₀为切削液的初始体积，M_a为更换周期中补充的切削液体积，EF_pcf为生产切削液的碳排放因子；

综上所述，物料碳的总量为：

CE_material＝CE_ptool+CE_pchip+CE_pcf(21)。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，废弃物碳的计算如下：

(1)废弃刀具处理碳排放

式中，EF_dtool为废弃刀具处理的碳排放因子；

(2)废弃切削液处理碳排放

${\mathrm{CE}}_{dcf}=\frac{t_{cutting}}{T_o}(M_0+M_a)\times {\mathrm{EF}}_{dcf}---\left(23\right)$

式中，EF_dcf为废弃切削液处理的碳排放因子；

(3)废弃切屑处理碳排放

CE_dchip＝ΔV×ρ×EF_dchip(24)

式中，EF_dchip为废弃切屑处理的碳排放因子；

所以，废弃物碳的总量为：

CE_waste＝CE_dtool+CE_dcf+CE_dchip(25)。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，能源碳CE_elec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CE_sp、进给传动碳排放CE_f、刀具切除工件材料过程碳排放CE_mr、机床基础模块运行碳排放CE_bm、机床自动换刀过程碳排放CE_tc、机床喷切削液过程碳排放CE_cfs以及机床自动排屑模块碳排放CE_mr，且有计算公式如下：

${\mathrm{CE}}_{sp}=[{\int }_0^{t_{sp-a}}{P}_{sp-a}\left(t\right)dt+P_{sp}\left(n\right)t_{sp}]\times {\mathrm{EF}}_{elec}---\left(26\right)$

式中t_sp为主轴旋转的时间，t_sp-a为主轴加速的时间，EF_elec为电能的碳排放因子，P_sp为主轴稳定旋转时的功率，P_sp-a为主轴加速阶段的功率，n为主轴旋转的转速；

${\mathrm{CE}}_f=[{\int }_0^{t_{f-a}}{P}_{f-a}\left(t\right)dt+P_f\left(v_f\right)t_f+{\int }_0^{t_{f-d}}{P}_{f-d}\left(t\right)dt]\times {\mathrm{EF}}_{elec}---\left(27\right)$

式中t_f为稳定进给的时间，t_f-a为进给加速的时间，t_f-d为主轴加速的时间，P_f为稳定进给时的功率，P_f-a为加速进给阶段的功率，P_f-d为减速进给阶段的功率，v_f为旋转的转速，EF_elec为电能的碳排放因子；

CE_mr＝[P_mr×t_cutting]×EF_elec(28)

P_mr为材料切除动作的功率，t_cutting为切削时间；

CE_bm＝P_bmt_bm×EF_elec(29)

P_bm为机床基础模块的运行功率，t_bm为机床的运行时间；

CE_tc＝[P_tct_tc+E_tcon+E_tcoff]×EF_elec(30)

P_tc为换刀装置的功率，t_tc为换刀时间，E_tcon为换刀装置开启时的突变能耗，E_tcoff为换刀装置关闭时的突变能耗；

CE_cfs＝sgn(X)(P_cfst_cutting+E_cfson+E_cfsoff)×EF_elec(31)

P_cfs为喷切削液的功率，E_cfson为冷却装置开启时的突变能耗，E_cfsoff为冷却装置关闭时的突变能耗；

CE_cc＝sgn(X)(P_cct_cutting+E_ccon+E_ccoff)×EF_elec(32)

P_cc为自动排屑装置的功率，E_ccon为自动排屑装置开启时的突变能耗，E_ccoff为自动排屑装置关闭时的突变能耗。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，待加工零件面向碳排放的工艺BOM结构为：

(1)零件的结构信息，结构信息包括三个等级：零件层，由P表示；组合特征层，由CF表示；基本特征层，由BF表示；结构信息中重复信息指多个相同的基本特征在同一平面上的分布排列个数；

(2)基本特征的工艺信息，包括可选加工方法、每个加工方法的加工阶段、机床、刀具、装夹信息和切削参数，装夹信息包括夹具和装夹面；

(3)每个切削元对应的工艺编号；

(4)每个切削元对应的碳排放信息，包括物料碳、能源碳、废弃物碳及其总碳排放。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，切削元定义为连续时间内同一把刀具对同一加工特征采用同一组切削参数所进行的一次切削过程。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，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为：

(1)规则1：比较工艺路线中每两个相邻的工艺编号，如果机床编号D的值不同，则表示这两个切削元之间需要更换机床，这涉及到工件在机床之间的运输过程，不属于零件加工工艺过程；

(2)规则2：规则1比较结束的情况下，在保证相同机床的条件下比较刀具编号，如果刀具编号的值不同，则说明两个相邻切削元间需要进行自动换刀动作；

(3)规则3：在保证相同机床的条件下比较装夹编号，如果装夹编号的值不同，则说明两个相邻切削元间所用的夹具或装夹表面不同，需要进行重新装夹操作。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

(1)针对复杂的加工过程机床能耗问题，本发明对机床进行功能分解，并将分解后的每个动作视为一个个体，每个个体的生命周期包含三个阶段：启动阶段、稳定运行阶段、关闭阶段。对每个个体的不同阶段的能耗情况分别进行分析建模，得到一种全面计算加工过程能耗的方法。同时，设计一个三维的能耗模型集以方便组织车间中复杂多变的能耗模型。

(2)本发明中以制造特征为基本的碳排放计算单元，避免了直接分析整个零件碳排放的复杂性，同时降低了计算的复杂性。而且，制造特征是标准形状，其碳排放计算过程统一，适用性强，易于编程实现。

(3)本发明所设计的c-PBOM在使用逻辑上与零件的工艺规划一致，因此可以很方便地对同一零件不同的工艺路线进行碳排放量化，在加工中选用不同的加工顺序，不同的机床，不同的刀具，都可以根据c-PBOM高效的计算出其碳排放，所以本发明提出的量化策略是一套适用性强的系统化过程。

附图说明：

图1加工过程的碳排放边界及流动特性；

图2梯形进给速度曲线和三角形进给速度曲线；

图3三维能耗模型集示意图；

图4零件的特征分解；

图5组合特征的不同加工顺序示意图，其中，图5(a)为组合特征的第一种加工顺序示意图，图5(b)为组合特征的第二种加工顺序示意图；

图6为轴承座的三视图，图6(a)为主视图，图6(b)为剖视图，图6(c)为俯视图，图6(d)为轴测图；

图7为轴承座毛坯的结构示意图，其中，图7(a)为主视图，图7(b)为左视图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明做出进一步的详细说明。

机械加工工艺过程是以机械加工方法按一定顺序逐步地改变毛坯形状、尺寸、相对位置和性能等，直至成为合格零件的过程，在这个过程中，伴随着毛坯材料的减少，设备的损耗，同时也有能量的消耗和废弃物的产生，因为能量的消耗主要是电能，不直接消耗碳基燃料，所以机械加工工艺过程只产生间接的碳排放。本文以机械加工工艺过程(以下简称加工过程)为研究对象，依据加工过程的特点定义三种碳排放源：

1)物料碳：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；

2)能源碳：加工过程中所消耗能量(电能)的制备过程产生的碳排放；

3)废弃物碳：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。

加工过程的碳排放边界及流动特性可由图1进行概括，可以看出，本文定义的碳排放从物料及电能的输入开始，依附于加工过程，随着物料流，能量流和废弃物流推进，持续到形成成品及处理废弃物结束。

4.1多源碳排放分析及计算模型

根据《IPCC国家温室气体清单指南》，国际上碳排放计量的方法有实测法，物料平衡法，排放系数法三种，结合研究实际，本发明采用排放系数法：碳排放量＝排放系数×活动强度，其优点在于排放系数可采用宏观数据，容易获取。加工过程中三种碳排放的具体量化方法如下。

4.1.1物料碳

物料碳考虑加工过程中报废的刀具、消耗的切削液和切削产生的废弃切屑所导致的碳排放，所以要计算物料碳首先需要确定各种物料的消耗量。

(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N_t。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，t_cuttingi为此刀具在特定的切削条件下的切削时间，T_tooli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CE_ptool取决于报废的刀具数量：

CE_ptool＝N_t×M×EF_ptool(34)

式中M为报废刀具的质量，EF_ptool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CE_pchip为：

CE_pchip＝ΔV×ρ×EF_pchip(35)

ρ为工件材料的密度，EF_pchip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

生产实际中切削液的消耗涉及到切削液的补充与回收利用等很多问题，不能简单的通过排量计算。消耗切削液造成的碳排放CE_pcf计算如公式：

${\mathrm{CE}}_{pcf}=\frac{t_{cutting}}{T_o}(M_0+M_a)\times {\mathrm{EF}}_{pcf}---\left(36\right)$

T₀为车间的切削液更换周期，M₀为切削液的初始体积，M_a更换周期中补充的切削液体积，EF_pcf为生产切削液的碳排放因子。

综上所述，物料碳的总量为：

CE_material＝CE_ptool+CE_pchip+CE_pcf(37)

4.1.2废弃物碳：

计算加工过程产生的废弃切屑，刀具，切削液在后期处理中产生的碳排放同样需要先计算产生的废弃物量，三种废弃物量与三种物料的消耗量相同，故其碳排放的计算如以下公式所示：

(1)废弃刀具处理碳排放

式中，EF_dtool为废弃刀具处理的碳排放因子。

(2)废弃切削液处理碳排放

${\mathrm{CE}}_{dcf}=\frac{t_{cutting}}{T_o}(M_0+M_a)\times {\mathrm{EF}}_{dcf}---\left(39\right)$

EF_dcf为废弃切削液处理的碳排放因子。

(3)废弃切屑处理碳排放

CE_dchip＝ΔV×ρ×EF_dchip(40)

EF_dchip为废弃切屑处理的碳排放因子。

所以，废弃物碳的总量为：

CE_waste＝CE_dtool+CE_dcf+CE_dchip(41)

4.1.3能源碳

加工过程中机床的动作复杂，其能耗组成也难以直接得到，分解机床的功能，得到的子动作主要由表1所示，本发明将每种动作视为一个耗能对象，每个对象的生命周期包括三个阶段，分析其从启动到结束的耗能情况。

表1机床子动作及其生命周期

将某个加工阶段中涉及到的各动作所消耗的能量累加即为本次加工能耗，所以重点是要获得每个动作在其生命周期内的能耗模型。

(1)主传动碳排放

主轴旋转的运动是机床最主要的运动之一，一般作为切削的主运动，带动工件或刀具旋转，配合着进给运动对工件表面进行切削。主轴旋转能耗也是机床能耗的主要组成部分之一，主轴旋转功率一方面与机床的性能相关，不同类型数控机床的主轴旋转功率差异很大；另一方面与加工条件有关，功率随主轴转速的增加而增加，表示为转速的函数P_sp(n)，其启动阶段主轴加速到目标转速时间短但功率很大，消耗的电能不能忽略，期间转速为加速时间的函数，故功率表示为时间的函数P_sp-a(t)；主轴减速阶段能耗很小，可以忽略不计，认为主轴停止阶段不产生能耗。

$\begin{array}{c}{t}_{sp-a}=\frac{n}{a_{sp}}\\ {\mathrm{CE}}_{sp}=[{\int }_0^{t_{sp-a}}{P}_{sp-a}\left(t\right)dt+P_{sp}\left(n\right)t_{sp}]\times {\mathrm{EF}}_{elec}\\ P_{sp}={\mathrm{En}}^2+Fn+G\\ P_{sp-a}=E_a{t}^2+F_{a}t+G_a\end{array}---\left(42\right)$

式中a_sp为主轴加速阶段的平均加速度，CE_sp为主运动消耗的电能导致的碳排放，t_sp为主轴旋转的时间，EF_elec为电能的碳排放因子，E、F、G、E_a、F_a、G_a为常数，由试验拟合得到。

(2)进给运动碳排放

进给的功率受机床性能和进给速度两方面的影响，一台机床的进给功率可以表示为进给速度的函数P_f(v_f)，进给的加速和减速阶段都受电机控制，消耗电能，期间进给速度是时间的函数，故功率表示为时间的函数P_f-a(t)和P_f-d(t)，如果进给距离较短，则只包括加速进给和减速进给过程(图2)。

$\begin{array}{c}{t}_{f-a}=\frac{v_f}{a_{f-a}},t_{f-d}=\frac{v_f}{a_{f-d}},t_f=[l-(\frac{v_f^2}{2a_{f-a}}+\frac{v_f^2}{2a_{f-d}})]/v_f\\ {\mathrm{CE}}_f=[{\int }_0^{t_{f-a}}{P}_{f-a}\left(t\right)dt+P_f\left(v_f\right)t_f+{\int }_0^{t_{f-d}}{P}_{f-d}\left(t\right)dt]\times {\mathrm{EF}}_{elec}\\ P_{f-a}=A_a{t}^2+B_{a}t+C_a\\ P_f={\mathrm{Av}}_f^2+{\mathrm{Bv}}_f+C\\ P_{f-d}=-A_d{t}^2-B_{d}t+C_d+D_d{v}_f\end{array}---\left(43\right)$

式中l为进给距离，CE_f为进给运动消耗电能导致的碳排放，t_f为稳定进给的时间，a_f-a为进给加速阶段的平均加速度，a_f-d为进给减阶段的平均加速度，A、B、C、A_a、B_a、C_a、A_d、B_d、C_d为常数，由试验拟合得到。

(3)材料切除碳排放

材料切除的能耗包括用于刀尖切除材料的电能和机床负载附加损耗的电能，刀尖切除材料的功率P_cutting作用在工件材料的塑性变形和刀具与工件表面摩擦两方面，主要由主切削力F_c产生，其大小由刀具和工件材料、切削参数共同决定；负载附加损耗P_a是切削负载作用于主轴传动系统和进给传动系统产生额外损耗，大量实验显示P_a可以表示为P_cutting的二次函数。

P_cutting＝F_c×v_c

P_a＝aP_cutting+a²P_cutting

P_mr＝P_cutting+P_a

CE_mr＝[P_mr×t_cutting]×EF_elec(44)

v_c为切削速度，主切削力F_c由经验公式得到，a是常数，由试验拟合得到，P_mr为材料切除动作的功率，t_cutting是切削时间。

(4)基础模块碳排放

对具体机床来说，其基础模块(如数控系统、照明等)、自动换刀、喷切削液和自动排屑的功率一般是恒定的，只与机床的性能有关而不受加工条件的影响，故其功率信息可由试验获取。

机床基础模块运行碳排放：

CE_bm＝P_bmt_bm×EF_elec(45)

P_bm为机床基础模块的运行功率，t_bm为机床的运行时间。

(5)自动换刀动作碳排放

自动换刀装置主要包括自动回转刀架、转塔头式换刀装置、带刀库的自动换刀装置，其换刀能耗取决于转过的刀位数n_t，t₀为转过一个刀位的时间，刀位数决定总换刀时间：

t_tc＝t₀×n_t

CE_tc＝[P_tct_tc+E_tcon+E_tcoff]×EF_elec(46)

P_tc为换刀装置的功率，E_tcon为换刀装置开启时的突变能耗，E_tcoff为换刀装置关闭时的突变能耗。

(6)喷切削液和自动排屑动作碳排放

喷切削液和自动排屑是切削时的辅助，不是必需的动作，假设喷切削液(自动排屑)在加工过程中存在与否事件为X，存在X为1，不存在X为0。

CE_cfs＝sgn(X)(P_cfst_cutting+E_cfson+E_cfsoff)×EF_elec(47)

P_cfs为喷切削液的功率，E_cfson为冷却装置开启时的突变能耗，E_cfsoff为冷却装置关闭时的突变能耗。

CE_cc＝sgn(X)(P_cct_cutting+E_ccon+E_ccoff)×EF_elec(48)

P_cc是自动排屑装置的功率，E_ccon是自动排屑装置开启时的突变能耗，E_ccoff是自动排屑装置关闭时的突变能耗。

4.1.4三维能耗模型集

由以上讨论可知，能源碳的计算本质上是机床能耗的计算，加工能耗的计算模型与加工条件密切相关，不同工件材料和机床、刀具的组合对应着不同的能耗及碳排放计算模型。本文针对具体加工车间分别以工件材料，机床型号，刀具型号为三个维度建立能耗计算模型集，机床型号决定主轴旋转，快速进给、自动换刀、机床待机、喷切削液、自动排屑动作的能耗计算模型，工件材料、机床型号、刀具型号共同决定负载阶段的材料切除能耗计算模型。以D(device)、T(cutting tool)、M(material)三个坐标建立的坐标系中的节点上存储着对应的能耗计算模型，以此来整合加工车间中的大量加工设备组合所对应的大量能耗模型，当选择了一组加工设备以后，就可以根据能源碳排放计算模型集选择参数组合确定碳排放计算模型(图3)，将切削参数代入确定的模型，就可以计算所消耗能量的碳排放。

4.2基于特征的c-PBOM

制造特征是零件表面上具有特定形状的部分区域，在STEP标准的AP224应用协议中提供了多种常见制造特征的参数化定义。一般来说，一个零件包括多个制造特征，比如孔、面、台阶、槽等。零件的特征结构可分为两个层次，第一层为几何上可继续划分为基本制造特征的组合特征层，组合特征包括特征交叉、特征嵌套；第二层为基本特征层，指不可分解的基本形体，一个零件的特征结构如图4。

通过特征可以有效的对零件进行描述，而且零件的加工工艺规程就是根据制造特征设计的，所以从特征着手进行零件加工过程的碳排放分析及计算会使计算过程更符合加工工艺的设计逻辑同时降低计算的复杂度。

零件的特征结构可分为两个层次，第一层为可继续划分为基本制造特征的组合特征层，组合特征包括特征交叉、特征嵌套；第二层为基本特征层，指不可分解的基本形体，一个零件的特征结构如图4，每个特征包含材料、形状、尺寸、精度、位置等设计信息。

4.2.1设计c-PBOM结构

根据零件特征的设计信息推理其加工工艺信息，即零件的工艺规划过程，特征的工艺信息包括加工方法、加工阶段、加工设备等，通常一个特征可选用的加工方法并不唯一，而且根据不同的表面精度，特征的加工过程对应加工方法的粗加工、半精加工、精加工中不同的加工阶段，除此以外，又面临着不同机床和刀具、夹具的选择问题。所以一个特征一般有多条可选的加工工艺，不同加工工艺产生不同的碳排放，将这些信息组织起来，形成面向碳排放的零件工艺BOM(c-PBOM)。

本发明定义连续时间内相同机床，相同刀具对同一加工特征采用同一组切削参数所进行的一次切削过程为一个切削元。加工特征的每个加工阶段具有对设备选择的柔性，对同一加工阶段选择不同的加工设备则为不同的切削元。

c-PBOM包括以下四个部分的内容：(1)零件的结构信息，结构信息包括三个等级：零件层，由P表示；组合特征层，由CF表示；基本特征层，由BF表示。结构信息还包括重复信息，指多个相同的基本特征在同一平面上的分布排列个数；(2)基本特征的工艺信息，包括可选加工方法、每个加工方法的加工阶段、机床、刀具、装夹信息和切削参数，装夹信息包括夹具和装夹面；(3)每个切削元对应的工艺编号，工艺编号是连接一个切削元的工艺信息和碳排放信息的桥梁；(4)每个切削元对应的碳排放信息，包括物料碳、能源碳、废弃物碳及其总碳排放。

4.2.2完成c-PBOM

完成c-PBOM的三个步骤如下：

步骤1：

根据零件的几何结构分析和特征识别完成表中的零件结构信息部分，根据结构信息和车间的加工能力完成每个特征的可选工艺内容。

步骤2：

为每个切削元定义工艺编号，工艺编号包括步骤1输入的结构信息和工艺内容，比如CF2F1R1M1S2D3T2C1，工艺编号是接下来进行碳排放计算的重要依据。

步骤3：

根据制造特征的几何信息和相应的工艺编号计算其物料碳及废弃物碳，提取工艺编号中的机床信息和刀具信息D*T*，在三维能耗模型集中索引相应的能耗计算模型，在切削加工中，涉及到的机床动作包括材料切除、主运动、进给运动、基础模块运行、喷切削液和自动排屑，从模型集中获取每个动作相应的功率及能耗模型，将切削参数代入公式中，并以此计算每道切削元的能源碳，将得到的物料碳、废弃物碳、能源碳填入c-PBOM中的碳排放信息中，完成整个c-PBOM。

需要注意的是，组合特征会产生特征间的形状干涉，构成组合特征的基本特征的加工顺序会导致碳排放变化，如图5所示的例子，两个槽特征之间有形状的交叉ΔV，在加工顺序(a)中，ΔV属于F2，加工ΔV的碳排放根据F2的加工条件计算，此时特征F1的碳排放因为少切除了ΔV会产生变化。

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta CE}}_{pchip}=\Delta V\times \rho \times {\mathrm{EF}}_{pchip}\\ {\mathrm{\Delta CE}}_{dchip}=\Delta V\times \rho \times {\mathrm{EF}}_{dchip}\\ {\mathrm{\Delta CE}}_{elec}=\Delta t\times P_{mr}\times {\mathrm{EF}}_{elec}\end{array}---\left(49\right)$

Δt是加工F1时刀具走过被切除的ΔV的时间。

ΔCE＝ΔCE_pchip+ΔCE_dchip+ΔCE_elec(50)

特别是当特征间的形状干涉破坏了标准的特征形状时，这样计算会更加方便。

表2 c-PBOM结构

4.3基于c-PBOM的零件加工过程碳排放计算策略

零件加工过程的碳排放总量包括工艺路线中每一个切削元产生的碳排放(c-PBOM表中所示)和每两个切削元之间产生的碳排放。每两个切削元之间的碳排放来自切削元之间可能存在的自动换刀过程和装夹过程，自动换刀和装夹过程产生的碳排放可以通过工艺路线中相邻的工艺编号进行识别，结合工艺编号，有三个规则用来推理切削元之间的碳排放：

(1)规则1：比较工艺路线中每两个相邻的工艺编号，如过机床编号D的值不同，则表示这两个切削元之间需要更换机床，这涉及到工件在机床之间的运输过程，不在本发明的研究范围之内；

(2)规则2：规则1比较结束的情况下，在保证相同机床的条件下比较刀具编号，如果刀具编号的值不同，则说明两个相邻切削元间需要进行自动换刀动作。

自动换刀过程的碳排放由自动换刀装置产生的碳排放和同时机床基础模块运行产生的碳排放组成。下式中T_pj表示j号刀具在刀库(刀架)中的位置。

$\begin{array}{c}{t}_{tcj}=(T_{pj}-T_{p(j-1)})\times t_0\\ \underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{tcj}=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}[(P_{tc}+P_{bm})\times t_{tcj}+E_{tcon}+E_{tcoff}]\times {\mathrm{EF}}_{elec}\end{array}---\left(51\right)$

(3)规则3：在保证相同机床的条件下比较装夹编号，如果装夹编号的值不同，则说明两个相邻切削元间所用的夹具或装夹表面不同，需要进行重新装夹操作。

装夹过程一般有操作人员完成，其碳排放期间机床基础模块运行产生的碳排放组成。

$\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{clampk}=P_{bm}\times \underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}{t}_{clampk}\times {\mathrm{EF}}_{elec}---\left(52\right)$

式中t_clampk取决于操作人员装夹花费的时间。

总结上述讨论，零件加工过程的碳排放总量可由下式计算得到：

${\mathrm{CE}}_{total}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{stepi}+\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{tcj}+\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{clampk}---\left(53\right)$

物料碳的总量可根据工艺路线由c-PBOM中每个切削元的物料碳累加得到：

${\mathrm{CE}}_{total\_m}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{stepi\_m}---\left(54\right)$

相似的，总的废弃物碳由每个切削元的废弃物碳累加得到：

${\mathrm{CE}}_{total\_w}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{stepi\_w}---\left(55\right)$

因此，总的能源碳为：

CE_{total_e}＝CE_total-CE_{total_m}-CE_{total_w}(56)

4.4案例验证

以一个轴承座的机加工过程作为案例，完整的解释本文所提出的碳排放量化策略的应用过程并验证其可行性。图6所示为这个轴承座的三视图。

4.4.1工件分析

图示轴承座零件材料为铸铁，轴承座的几何结构如表3所示，其主要由孔特征和面特征构成，包括五个基本特征和两个组合特征，两个组合特征分别由两个基本特征组成，每个特征的加工余量由毛坯分析得到。图7为轴承座的毛坯，表4为车间内可用来加工这个轴承座的机床和刀具信息。根据毛坯、特征属性和车间加工能力推理出可选加工工艺，将零件结构信息和加工工艺信息填入c-PBOM中(表6)，用以计算碳排放信息。

表3轴承座的几何结构

表4车间可选的机床和刀具

4.4.2各切削元碳排放计算

在完成了c-PBOM中的零件结构信息和工艺信息后，每个切削元的碳排放可结合工艺编号和碳排放计算模型进行计算。以粗铣F1为例，其工艺编号为F1R1M1S1D2T2C1。

(1)物料碳

铸铁的密度ρ是7300kg/m³。生产铸铁的碳排放因子是2.22kgCO₂/kg。所以本道切削元的切屑碳排放可由下式计算得到：

CE_pchip＝ΔV×ρ×EF_pchip＝0.082×0.038×0.002×7300×2.22＝0.101kgCO₂

粗铣F1使用的刀具是T2(铣刀1)，T2的使用寿命取决于切削参数，在本次加工中的刀具寿命T_2lc为42min。刀具生产的碳排放因子是33.75kgCO₂/kg，T2的质量是30g。因此因为报废刀具产生的碳排放可由下式计算：

$t_{cutting1}=\frac{l}{f}=\frac{82+5+5}{255\times 0.2}=1.804min$

$\delta =\frac{t_{cutting1}}{T_{2lc}\times (R+1)}=\frac{1.804}{42\times 4}=0.011<1$

可以看出，在这次切削中，刀具的磨损量并没有达到刀具报废标准，所以报废的刀具数量为零，也就是说因报废刀具产生的碳排放CE_ptool为零。将刀具T2的磨损率δ记录为刀具信息，用于再次使用时叠加。

加工中采用的切削液为水溶性液体切削液，其生产过程的碳排放因子EF_pcf为0.469kgCO₂/L。切削液的更换周期为两个月，切削液箱中切削液的初始体积M₀为500L，后期添加的切削液体积M_a为200L，所以：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{CE}}_{pcf}=\frac{t_{cuttingi}}{T_o}(M_0+M_a)\times {\mathrm{EF}}_{pcf}\\ =\frac{1.804}{3\times 30\times 24\times 60}(500+200)\times 0.469=0.005{\mathrm{kgCO}}_2\end{array}\right)$

粗铣F1过程的物料碳为：

CE_material＝CE_ptool+CE_pcf+CE_pchip＝0.101+0+0.005＝0.106kgCO₂

(2)废弃物碳

废弃切削的处理过程的碳排放因子EF_dchip为0.361kgCO₂/kg。切削液的废弃处理碳排放因子EF_dcf为3.782kgCO₂/L。所以粗铣F1过程产生的废弃物碳为：

CE_waste＝CE_dchip+CE_dtool+CE_dcf

＝0.046×0.361+0.01×3.782＝0.017+0.039＝0.056kgCO₂

(3)能源碳

提取工艺编号中的机床信息和刀具信息D2T2，在三维能耗模型集中索引相应的能耗计算模型，代入切削参数得到的能耗信息如表5所示：

表5切削元F1R1M1S1D2T2C1的能耗信息

粗铣F1的切削时间是1.804min；快速进给的时间是0.85s。进给距离短，所以进给过程只有加速和减速过程没有稳定进给过程。在这次加工中主运动的时间，喷切削液和基础模块运行的时间都是1.804min.电力的碳排放因子EF_elec为0.7045kgCO₂/L。

CE_elec＝∑CE_mr+∑CE_sp+∑CE_f+∑CE_bm+∑CE_cfs+∑CE_cc

＝(883.5×1.804×60+3068.6+357.5×1.804×60+62.7+56+

364.4×1.804×60+290.5×1.804×60)J×0.7045kgCO₂/kwh

＝0.041kgCO₂

粗铣F1(F1R1M1S1D2T2C1)的三种碳排放的计算过程如以上，对于其他的切削元，计算方法都与粗铣F1是相同的，计算c-PBOM中所有特征各切削元的碳排放填入对应的碳排放信息中，完成c-PBOM。

4.4.3全工艺路线碳排放计算

加工本轴承座选用的工艺路线及每道工步在c-PBOM中对应的编号如下：

粗铣F2(F2R2M1S1D2T3C2)-粗铣F1(F1R1M1S1D2T2C1)-精铣F1(F1R1M1S2D2T2C1)-扩F3(CF1F3R1M1S1D3T9C3)-铰F3(CF1F3R1M1S2D3T11C3)-镗孔F4(CF1F4R1M1S1D1T1C3)-钻F6(CF2F6R2M1S1D4T8C1)-钻F5(F5R2M1S1D4T7C1)-铰F5(F5R2M1S2D4T10C1)-钻F9(F9R1M1S1D4T6C1)-锪孔F7(CF2F7R2M1S1D4T12C1)-钻F8(F8R1M1S1D4T5C3)

由以上工艺路线和已完成的c-PBOM计算轴承座加工过程的碳排放总量，根据规则3对所有相邻的工步编号进行比较，可以知道加工过程中共需要3次重新装夹，根据操作人员的装夹速度，平均每次装夹需要1分钟，所以装夹过程产生的碳排放为：

CE_clamp＝P_bm×t_clamp×EF_elec＝(364.4×3×60)J×0.7045kgCO₂/kwh

＝0.013kgCO₂

根据规则2对所有相邻的工步编号进行比较，可以知道加工过程中共有7次自动换刀过程，以工步F2R2M1S1D2T3C2和工步F1R1M1S1D2T2C1之间的换刀过程为例，机床D2换刀时每转过一个刀位耗时0.8s，刀具T3在刀库中位置是5号，T2位置是2号，所以装夹过程产生的碳排放为：

t_tc1＝n₁×t₀＝3×0.8＝2.4s

CE_tc＝[(P_tc+P_bm)×t_c+E_tco_n+E_tco_ff]×EF_elec

＝[(75.3+364.4)×2.4+6.2+80.4]J×0.7045kgCO₂/kwh

＝2.23×10-⁴kgCO₂

其他换刀过程的碳排放的计算与此相同，得到7次换刀过程的碳排放总量为：

$\underset{j=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{tcj}=0.002{\mathrm{kgCO}}_2$

由以上讨论可知，轴承座加工过程的碳排放总量为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{CE}}_{total}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{stepi}+\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{tcj}+\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{clampk}=3.089+0.002+0.013\\ =3.104{\mathrm{kgCO}}_2\end{array}\right)$

总的物料碳通过公式得到，废弃物碳通过公式得到，能源碳通过公式得到：

${\mathrm{CE}}_{total\_m}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{stepi\_m}=1.465{\mathrm{kgCO}}_2$

${\mathrm{CE}}_{total\_w}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{CE}}_{stepi\_w}=0.998{\mathrm{kgCO}}_2$

CE_{total_e}＝CE_total-CE_{total_m}-CE_{total_w}＝0.641kgCO₂