CN113704974B - 一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统，确定数控铣削加工过程总碳排放边界；根据总碳排放边界确定出总碳排放，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳和废弃物碳；建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率；建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放；结合物料碳、废弃物碳和能源碳实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算。本发明为后续刀具路径与切削参数优化提供碳排放量化计算支持。

Description

一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统

技术领域

本发明属于低碳制造与智能制造技术领域，具体涉及一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统。

背景技术

机械加工中一般使用电能作为机床的主要能源，而电能主要由碳基燃料提供，因此机械加工过程的能耗与其产生碳排放量紧密相关。基于此，国内外大部分学者在进行机械加工过程碳排放研究工作中更多的是从机床能耗角度入手。

德国斯图加特大学Verl教授团队通过分析机械加工过程中的能耗特性，发现了机床在启动、空载、加工和停机等不同阶段能耗不同，据此对各阶段的能耗进行了研究，并根据研究结果建立了基于统计离散事件方程的通用能耗模型。

机床能耗建模得到了国内外学者的广泛关注，并从不同角度入手对机床能耗特性和能耗模型展开了研究，已有能耗模型较为全面地反映了机床能耗信息，然而根据能耗模型仍无法直观获悉机械加工过程的碳排放信息，为此部分学者直接从碳排放层面对机械加工过程碳排放量化模型展开研究。Jeswiet和Kara通过关联加工过程能耗与碳排放，提出了一种碳排放量化方法。

总的来说，现有的机床能耗量化模型总体上已较为成熟，然而仅从机床能耗角度入手无法准确表征具体的机械加工过程碳排放。此外，根据上述的文献分析，现有部分研究对机械加工过程中的碳排放做了机理分析，并以此构建通用碳排放量化模型。但是，考虑到铣削加工多刃断续切削的特点，目前仍缺少一种适用于铣削加工过程的加工能耗和碳排放计算方法。因此，已有的能耗模型和碳排放模型与针对铣削加工过程碳排放评估之间还存在着缺口，需要展开进一步研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统，通过对数控铣削加工过程的分析构建出铣削加工过程碳排放计算模型，并结合实验验证模型的准确性与有效性，通过研究铣削加工过程的碳排放量化模型构建方法，能够为后续刀具路径与切削参数优化提供碳排放量化计算支持。

本发明采用以下技术方案：

一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法，包括以下步骤：

S1、确定数控铣削加工过程总碳排放边界；

S2、根据步骤S1确定的总碳排放边界，确定出总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳CE_material和废弃物碳CE_waste；

S3、建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率P_c；根据切削功率P_c得到切削能耗，建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放CE_elec；结合步骤S2中得到的物料碳CE_material、废弃物碳CE_waste和能源碳CE_elec实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算。

具体的，步骤S1中，数控铣削加工过程中总碳排放CE_total为：

CE_total＝CE_material+CE_waste+CE_elec

其中，CE_material为物料碳，CE_elec为能源碳，CE_waste为废弃物碳。

具体的，步骤S2中，物料碳CE_material为：

CE_material＝CE_pchip+CE_ptool+CE_pcfs

其中，CE_pchip为材料制备碳排放，CE_ptool为刀具的制备碳排放，CE_pcfs为切削液的制备碳排放；

废弃物碳CE_waste为：

CE_waste＝CE_dtool+CE_dcfs+CE_dchip

其中，CE_dtool为废弃刀具处理碳排放，CE_dcfs为废弃切削液处理碳排放，CE_dchip为切屑处理碳排放。

具体的，步骤S2中，能源碳CE_elec为：

其中，E_total是机床总能耗；EF_elec是电能碳排放因子。

具体的，步骤S3中，机床能耗E_total为：

E_total＝E_u+E_c+E_au

其中，E_u为总空载能耗，E_c为切削能耗，E_au为辅助能耗。

进一步的，总空载能耗E_u为：

E_u＝E_sp+E_f+E_bm

其中，E_sp是主传动系统能耗；E_f是进给系统能耗；E_bm是基础模块能耗；

切削能耗E_c为：

E_c＝P_c×t_c

其中，P_c为切削功率，t_c为刀具在特定切削条件下的切削时间；

辅助能耗E_au为：

E_au＝E_cfs+E_cc

其中，E_cfs为冷却能耗，E_cc为排屑能耗。

具体的，步骤S3中，微单元切削刃的切削力模型为：

其中，i＝1,2,…,Z，j＝1,2,…,M，K_qc是切向、径向和轴向剪切应力系数，q＝t,r,a；K_qe是切向、径向、轴向刃口的应力系数，q＝t,r,a；是瞬时未变形微单元切屑厚度；是刀具旋转角；dz是微单元切削刃轴向高度；ds是微单元切削刃的长度；Z是刀具齿数；M是每齿微单元数。

进一步的，瞬时未变形微单元切屑厚度为：

其中，θ_s为切入角，θ_e为切出角，f_z是每齿进给量；是微单元切削刃(i,j)的空间位置角。

具体的，步骤S3中，切削功率P_c为：

其中，P_tip为刀尖切除功率，a_p为切削深度，n为主轴转速，f_z为每齿进给量，a_e为切削宽度，R为刀具半径，A,B为待拟合系数。

本发明的另一技术方案是，一种面向铣削过程的碳排放量化计算系统，包括：

边界模块，确定数控铣削加工过程总碳排放边界；

能耗模块，根据边界模块确定的总碳排放边界，确定出总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳CE_material和废弃物碳CE_waste；

计算模块，建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率P_c；根据切削功率P_c得到切削能耗，建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放CE_elec；结合能耗模块中得到的物料碳CE_material、废弃物碳CE_waste和能源碳CE_elec实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法，通过分析数控铣削加工过程的碳排放流动情况，确定了数控铣削加工过程碳排放的研究边界，并将加工过程碳排放源分为物料碳、废弃物碳和能源碳三类，通过机床信息得到物料碳与废物碳的计算模型，再对微观切削过程进行分析，从微单元切削力计算模型入手，通过数值积分推导构建了铣削加工切削功率计算模型，与机床能耗模型，便可得到能源碳计算模型，由此可建立多源碳排放计算模型，为进一步的研究提供数据支持。

进一步的，物料、能量及废弃物是产生碳排放的原因和源头，碳排放是伴随着物料碳、能量流和废弃物流的流动而产生与传递的，将总碳排放设置为物料碳，能源碳，废弃物碳的综合，可以实时且准确的反应加工过程中碳排放流动情况。

进一步的，物料碳包括数控铣削加工过程中切除的工件材料、报废的刀具及消耗的切削液等部分制备过程中产生的碳排放，通过将物料碳分解为工件材料、报废的刀具及消耗的切削液三部分碳排放，能够准确表示加工过程中的物料碳。废弃物碳包括数控铣削加工后产生的切屑、废弃的刀具及切削液在后期处理过程中产生的碳排放，三种废弃物量与三种物料的消耗量相同，由此量化三种废弃物量，可以精确得到加工过程中废弃物碳排放量。

进一步的，本文中数控铣削加工过程的机床能耗包括空载阶段能耗、切削阶段能耗和辅助能耗三部分，充分考虑机床加工过程中所有能耗情况，使得最终机床能耗能够更加准确，且拆分为三部分之后，计算能够更加简单。

进一步的，能源碳主要是数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放，利用机床总能耗与电能碳排放因子来描述能源碳，能够快速获得准确的能源碳排放量。

进一步的，机床能耗是一个多层次多部件的系统问题，耗能部件繁多，涉及辅助系统、主传动系统、进给系统等多个耗能子系统。在机床的运行过程中，机床的各部分存在相互作用、相互影响的能量损耗使得机床系统的能量损耗规律变得相当复杂。将机床的运行过程中的能耗分为四部分：待机阶段能耗、空载阶段能耗、切削阶段能耗和辅助能耗，能够精确计算铣削加工过程的机床能耗。

进一步的，铣削加工过程实质上是多刃断续切削过程，这个过程中切削力随着时间的变化不断改变。为充分考虑立铣刀切削刃螺旋角的影响，故沿刀具轴线将铣刀切削部分离散为有限个微单元，并将作用在每个微单元切削刃上的切削力进行分解，得到微单元切向力、径向力和轴向力，由此可以为下一步构建切削功率模型提供准确的数据。

进一步的，铣削加工过程中，瞬时未变形微单元切屑厚度随着主轴旋转呈周期性变化，建立瞬时未变形微单元切屑厚度能够更加准确的反应实际铣削加工过程，使模型计算结果更加准确。

进一步的，切削功率由刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率两部分组成，其能够补充机床能耗中切削模型，与待机阶段能耗、空载阶段能耗和辅助能耗一起构建完整的机床能耗模型，为能源碳的量化计算提供模型支持

综上所述，本发明通过分析铣削加工过程的碳排放流动情况，确定本发明的碳排放研究边界，根据数控铣削加工过程碳排放的研究边界，将碳排放源分为物料碳、能源碳和废弃物碳三类，建立物料碳、能源碳及废弃物碳的多源碳排放量化模型，并针对铣削加工多刃断续切削的特点，基于立铣刀微观铣削过程，从微单元切削力模型入手，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，为碳排放量化计算提供方法和模型支持，通过构建铣削加工过程碳排放量化模型为后续优化研究提供碳排放量化计算支持。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为数控铣削加工过程碳排放边界示意图；

图2为机床能耗划分示意图；

图3为立铣刀铣削加工过程示意图；

图4为微单元切削刃加工示意图；

图5为VDL-850A三轴加工中心主轴功率变化趋势示意图；

图6为主轴转速与净功率拟合曲线图；

图7为进给速度与净功率拟合曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法，通过分析铣削加工过程的碳排放流动情况，确定本发明的碳排放研究边界，根据数控铣削加工过程碳排放的研究边界，将碳排放源分为物料碳、能源碳和废弃物碳三类，建立物料碳、能源碳及废弃物碳的多源碳排放量化模型，并针对铣削加工多刃断续切削的特点，基于立铣刀微观铣削过程，从微单元切削力模型入手，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，为碳排放量化计算提供方法和模型支持，然后设计实验验证了主轴旋转功率、进给功率及切削功率计算模型的准确性与有效性，通过构建铣削加工过程碳排放量化模型为后续优化研究提供碳排放量化计算支持。

请参阅图1，本发明一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法，以碳排放模型为核心，解决切削加工过程中碳排放的计算；具体步骤如下：

S1、确定数控铣削加工过程碳排放边界；

数控铣削加工过程的碳排放量是指零件在数控机床上进行铣削加工过程中产生的CO2排放量。为全面理解并刻画数控铣削加工过程的碳排放，需要对加工过程的碳排放流动情况进行分析，确定其碳排放边界，明确输入输出。

1)物料碳：数控铣削加工过程中消耗的工件材料、刀具和切削液等物料在制备过程中产生的碳排放；

2)能源碳：数控铣削加工过程中消耗的能量(电能)在制备过程中产生的碳排放；

3)废弃物碳：数控铣削加工过程中产生的切屑、废弃刀具、废弃切削液等废弃物在后期处理过程中产生的碳排放。

数控铣削加工过程中总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和：

CE_total＝CE_material+CE_waste+CE_elec

S2、多源碳排放评估方法建模；

国际通用的碳排放计量方法有实测法、物料平衡法、排放系数法三种。排放系数法(碳排放量＝排放系数×活动强度)中排放系数可采用宏观数据，容易获取，为此本发明采用排放系数法计算数控铣削加工过程碳排放。其中，排放系数可根据国内外的相关软件(如生命周期评价软件SimaPro、Gabi)、文献以及排放系数数据库(如Ecoinvent3.4数据库、ELCD3.0核心数据库)等权威统计数据得到。

S201、确定物料碳及废弃物碳评估方法；

S2011、物料碳评估方法

物料碳包括数控铣削加工过程中切除的工件材料、报废的刀具及消耗的切削液等部分制备过程中产生的碳排放，所以需要计算各物料的消耗量。

(1)材料制备碳排放

工件材料的制备碳排放CE_pchip计算公式如下：

CE_pchip＝ΔV×ρ×EF_pchip

其中，ΔV是工件材料切除的体积/m³；ρ是工件材料的密度/kg·m^-3；EF_pchip是工件材料制备的碳排放因子/kgCO₂·kg^-1。

(2)刀具制备碳排放

刀具的制备碳排放CE_ptool计算公式如下：

其中，t_c是刀具在特定切削条件下的切削时间/min；T_t是刀具在特定切削条件下的刀具耐用度/min；N是刀具可刃磨次数；m_t是刀具的质量/g；EF_ptool是刀具生产的碳排放因子/kgCO₂·kg^-1。

其中，每次加工的刀具耐用度采用泰勒刀具寿命方程进行估算如下：

其中，C_V,K_V,q_V,y_V,x_V,S_V,P_V,l是与刀具和工件材料相关的系数；D是刀具直径/mm；n是主轴转速/r·min^-1；f_z是每齿进给量/mm·Z^-1；a_p是切削深度/mm；a_e是切削宽度/mm；Z是刀具齿数。

(3)切削液制备碳排放

切削液的制备碳排放CE_pcfs计算公式如下：

其中，t_cfs是喷切削液时间/min；V₀是切削液初始体积/L；V_a是更换周期中补充的切削液体积/L；EF_pcfs是生产切削液的碳排放因子/kgCO2·L^-1；T₀是车间切削液更换周期/min。

综上所述，物料碳CE_material的总量为：

CE_material＝CE_pchip+CE_ptool+CE_pcfs

S2012、废弃物碳评估方法

废弃物碳包括数控铣削加工后产生的切屑、废弃的刀具及切削液在后期处理过程中产生的碳排放，三种废弃物量与三种物料的消耗量相同，故其碳排放计算如下。

(1)切屑处理碳排放

切屑处理碳排放CE_dchip计算公式如下：

CE_dchip＝ΔV×ρ×EF_dchip

其中，EF_dchip是切屑处理碳排放因子/kgCO₂·kg^-1。

(2)废弃刀具处理碳排放

废弃刀具处理碳排放CE_dtool计算公式如下：

其中，EF_dtool是废弃刀具处理碳排放因子/kgCO2·kg-1；EF_rtool是刀具单次刃磨碳排放因子/kgCO₂·kg^-1。

(3)废弃切削液处理碳排放

废弃切削液处理碳排放CE_dcfs计算公式如下：

其中，EF_dcfs是废弃切削液处理碳排放因子/kgCO₂·L^-1。

综上所述，废弃物碳CE_waste的总量为：

CE_waste＝CE_dtool+CE_dcfs+CE_dchip

S202、确定能源碳评估方法

能源碳主要是数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放。因此，要计算能源碳，首先需要确定铣削加工过程中的机床能耗。

能源碳CE_elec计算公式如下：

其中，E_total是机床总能耗/J；EF_elec是电能碳排放因子/kgCO₂·kWh^-1。

机床能耗是一个多层次多部件的系统问题，耗能部件繁多，涉及辅助系统、主传动系统、进给系统等多个耗能子系统。在机床的运行过程中，机床的各部分存在相互作用、相互影响的能量损耗使得机床系统的能量损耗规律变得相当复杂。为了精确计算铣削加工过程的机床能耗，将机床的运行过程中的能耗分为四部分：待机阶段能耗、空载阶段能耗、切削阶段能耗和辅助能耗，如图2所示。

机床能耗模型

本发明的数控铣削加工过程聚焦在工步加工阶段，工步加工过程的加工时间界定为：刀具完成定位从进刀点开始进行切削进给直至完成该工步的加工回到退刀点结束这一时间段，包括机床空载运行的空走刀时间和材料切除的切削时间。因此，加工时间T为：

T＝t_a+t_c

其中，t_a是刀具在特定切削条件下的空走刀时间/min；t_c是刀具在特定切削条件下的切削时间/min。

因此，本发明中数控铣削加工过程的机床能耗包括空载阶段能耗、切削阶段能耗和辅助能耗三部分，其中切削阶段能耗可进一步划分为空载能耗和切削能耗，空载能耗与空载阶段能耗组成了加工时间内的总空载能耗，故数控铣削加工过程的机床能耗E_total由总空载能耗E_u、切削能耗E_c和辅助能耗E_au三部分组成，其计算公式为：

E_total＝E_u+E_c+E_au

S2021、空载能耗模型

机床空载的耗能子系统主要包括主传动系统、进给系统以及由数控系统、照明系统等组成的基础模块，故空载能耗计算公式为：

E_u＝E_sp+E_f+E_bm

其中，E_sp是主传动系统能耗/J；E_f是进给系统能耗/J；E_bm是基础模块能耗/J。

主传动系统能耗指的是机床不带负载时主轴空转能耗，其计算公式为：

E_sp＝P_sp×T

其中，P_sp是主轴旋转功率/W。

主轴旋转功率的计算根据本课题组研究成果，给出分段功率计算如下：

其中，C₁,C₂,C₃,C₁',C₃',k,A是待拟合系数；n是主轴转速/r·min^-1；f_b是机床基准频率/Hz；f₁是功率由减小或微弱增大转变为线性增加对应的频率/Hz。

进给系统能耗计算公式为：

E_f＝P_f×T

其中，P_f是进给功率/W。

进给功率计算公式如下：

P_f＝A₁f²+A₂f+A₃

f＝nZf_z

其中，A₁,A₂,A₃是待拟合系数；f是进给速度/mm·min^-1；Z是刀具齿数；f_z是每齿进给量/mm·Z^-1。

对具体机床而言，其基础模块(如数控系统、照明等)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，故其功率信息可由实验获取。

机床基础模块运行能耗为：

E_bm＝P_bm×T

其中，P_bm是机床基础模块的运行功率/W。

S2022、切削能耗模型

切削能耗包括刀尖切除能耗和机床附加载荷损耗。刀尖切除功率P_tip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，由切向力和进给力产生，其大小由刀具和工件材料、切削参数共同决定。机床附加载荷损耗功率P_ad是切削负载作用于主轴系统和进给系统产生的额外损耗功率，与刀尖切除功率成正比。

切削能耗计算如下：

E_c＝P_tip×t_c+P_ad×t_c＝(P_tip+P_ad)×t_c

P_ad＝αP_tip

P_c＝P_tip+P_ad＝(1+α)P_tip

即：E_c＝P_c×t_c

其中，α是比例系数；P_c是切削功率/W。

S2023、数控机床的辅助装置包括换刀装置、冷却装置、排屑装置等，辅助装置用于辅助切削过程，其是否产生能耗取决于该辅助装置开启与否。辅助能耗只与机床的性能有关不受加工条件影响，其功率一般是恒定的，功率信息可由实验获取。本发明研究的数控铣削加工过程实质上是工步加工过程，该过程中机床不进行换刀动作，故换刀能耗不予考虑，因此辅助能耗主要考虑冷却能耗E_cfs和排屑能耗E_cc，其计算如下：

E_au＝E_cfs+E_cc

本发明中，冷却能耗为机床喷切削液产生的能耗E_cfs计算如下：

E_cfs＝sgn(X)(P_cfs×T)

其中，P_cfs是喷切削液功率/W。

排屑能耗E_cc的计算如下：

E_cc＝sgn(X)(P_cc×T)

其中，P_cc是排屑装置功率/W。

S3、基于微观铣削的切削功率评估方法。

S301、微单元切削力计算模型

请参阅图3，铣削加工过程实质上是多刃断续切削过程，这个过程中切削力随着时间的变化不断改变。对于模具型腔铣削加工而言，常用的加工刀具为立铣刀，故以立铣刀为研究对象。考虑到立铣刀切削刃螺旋角的影响，沿刀具轴线将铣刀切削部分离散为有限个微单元，并将作用在每个微单元切削刃上的切削力dF进行分解，得到微单元切向力dF_t、径向力dF_r和轴向力dF_a，加工过程示意图如图3所示。

根据双重剪切与犁切系数铣削力模型，铣削力的构成除了剪切面上的与剪切面积相关的剪切力之外，还有与切削刃长度成正比的犁切力。将作用在第i个刀齿上第j个微单元切削刃的切向、径向和轴向切削力分别用和/>进行表示，则该微单元切削刃的切削力模型表示为：

其中，K_qc(q＝t,r,a)是切向、径向和轴向剪切应力系数；K_qe(q＝t,r,a)是切向、径向、轴向刃口的应力系数；是瞬时未变形微单元切屑厚度/mm；/>是刀具旋转角；dz是微单元切削刃轴向高度/mm；ds是微单元切削刃的长度/mm；Z是刀具齿数；M是每齿微单元数。

实际铣削加工过程中，微单元切削刃并不是每时每刻都与工件接触，其与工件之间存在着切入、切出角，并且仅在切入至切出范围内微单元切削刃才进行切削加工，产生切削力，微单元切削刃加工示意图如图4所示，图中θ_s为切入角、θ_e为切出角。

顺铣加工时，切入、切出角分别为：

逆铣加工时，切入、切出角分别为：

由此可知，铣削加工过程中，瞬时未变形微单元切屑厚度随着主轴旋转呈周期性变化，其计算如下：

其中，f_z是每齿进给量/mm·Z^-1；是微单元切削刃(i,j)的空间位置角。

其中，微单元切削刃(i,j)的空间位置角表示为：

其中，β是刀具螺旋角；R是刀具半径/mm。

微单元切削刃的长度ds计算如下：

刀具旋转角是随时间变化的函数如下：

其中，是初始时刻的空间位置角。

S302、切削功率评估方法

S3021、刀尖切除功率计算模型构建：刀尖切除功率由切向力和进给力产生，具体如下：

P_tip＝F_t×v_c+F_f×f

其中，F_t是切向力/N；v_c是切削速度/mm·min-1；F_f是进给力/N；f是进给速度/mm·min-1。

由于进给力F_f消耗的功率一般小于1％～2％，忽略不计，刀尖切除功率简化为：

P_tip＝F_t×v_c

故微单元切削刃的瞬时刀尖切除功率为：

在主轴旋转一周内，微单元切削刃的瞬时未变形切削厚度存在两种情况：

(1)微单元切削刃不与工件接触，瞬时未变形切削厚度为零，即：当或/>时，/>

(2)微单元切削刃与工件接触，瞬时未变形切削厚度随时间变化，即：当时，/>

为简化计算，选择t′时刻，使得：

其中，k是自然数。

从t′时刻起，通过积分求得主轴旋转一周微单元切削刃的微单元刀尖切除能耗为：

通过积分，得主轴旋转一周刀齿i参与切削的切削刃的刀尖切除能耗为：

因此，对于具有Z个刀齿的立铣刀而言，其铣削一周总的刀尖切除能耗为：

故单位时间内(每分钟)的平均刀尖切除功率为：

/>

代入立铣刀切入、切出角，得：

其中，v_c＝2πnR，即单位时间内(每分钟)的平均刀尖切除功率为：

其中，R是刀具半径/mm；Z是刀具齿数；a_p是切削深度/mm；n是主轴转速/r·min^-1；f_z是每齿进给量/mm·Z^-1；K_tc是切向剪切应力系数；a_e是切削宽度/mm；K_te是切向刃口应力系数；β是刀具螺旋角。

S3022、切削功率计算模型构建:

切削功率由刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率P_ad两部分组成。

机床附加载荷损耗功率P_ad是切削负载作用于主轴系统和进给系统产生的额外损耗功率，与刀尖切除功率成正比，其计算公式为：

P_ad＝αP_tip

其中，α是比例系数。

故切削功率计算公式为：

其中，A,B是待拟合系数，且：

A＝(1+α)RZK_tc

本发明再一个实施例中，提供一种面向铣削过程的碳排放量化计算系统，该系统能够用于实现上述面向铣削过程的碳排放量化计算方法，具体的，该面向铣削过程的碳排放量化计算系统包括边界模块、能耗模块以及计算模块。

其中，边界模块，确定数控铣削加工过程总碳排放边界；

能耗模块，根据边界模块确定的总碳排放边界，确定出总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳CE_material和废弃物碳CE_waste；

计算模块，建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率P_c；根据切削功率P_c得到切削能耗，建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放CE_elec；结合能耗模块中得到的物料碳CE_material、废弃物碳CE_waste和能源碳CE_elec实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于面向铣削过程的碳排放量化计算方法的操作，包括：

确定数控铣削加工过程总碳排放边界；根据总碳排放边界确定出总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳CE_material和废弃物碳CE_waste；建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率P_c；根据切削功率P_c得到切削能耗，建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放CE_elec；结合物料碳CE_material、废弃物碳CE_waste和能源碳CE_elec实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关面向铣削过程的碳排放量化计算方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

确定数控铣削加工过程总碳排放边界；根据总碳排放边界确定出总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳CE_material和废弃物碳CE_waste；建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率P_c；根据切削功率P_c得到切削能耗，建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放CE_elec；结合物料碳CE_material、废弃物碳CE_waste和能源碳CE_elec实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施实例

以下结合具体实例对本发明的技术方案进行说明。

采集梯度增加的机床主轴空转功率以及待机功率数据，并将功率数据进行对比，得到不同转速下机床主轴空转的净功率。为保证实验的准确性，每组实验参数下各采集20组功率数据求取平均值，得到的实验数据如表1所示。

表1 VDL-850A主轴转速与净功率对照表

由实验数据可知，主轴旋转功率随转速的递增呈分段函数形式，与建立的主轴旋转功率模型相符。因此分组对采集得到的主轴功率数据采用IBM SPSS Statistics进行回归处理，如图5所示，第一阶段拟合结果R²＝1.000>0.85，显著性sig<0.05，表明了模型拟合情况良好；第二阶段为基频以上调速阶段，理论模型中其形式复杂，经实验数据拟合发现其可表示为直线，拟合结果R²＝0.996>0.85，显著性sig<0.05，表明了模型拟合情况良好；第三阶段的数据拟合结果显示R²＝0.977>0.85，显著性sig<0.05，表明了模型拟合情况良好，各个阶段获得的拟合分析结果如表2、表3和表4所示，拟合曲线图如图6所示，其中：图(a)为第一阶段功率拟合图、图(b)为第二阶段功率拟合图、图(c)为第三阶段功率拟合图。

表2第一阶段拟合结果

表3第二阶段拟合结果

表4第三阶段拟合结果

采集梯度增加的机床X轴进给功率以及待机功率数据，并将功率数据进行对比，得到机床X轴进给的净功率。为保证实验的准确性，每组实验参数下各采集20组功率数据求取平均值，得到的实验数据如表5所示。

表5 VDL-850A进给速度与净功率对照表

将得到的实验数据采用IBM SPSS Statistics进行回归处理，获得的二次曲线拟合分析结果如表6所示，进给速度与净功率拟合曲线图如图7所示。根据非线性回归分析，R²＝0.996>0.85，显著性sig<0.05，表明了模型拟合情况良好。

表6二次曲线拟合分析结果

切削功率评估方法分析

本试验选定主轴转速、每齿进给量、切削深度、切削宽度各3个水平，选用的正交试验表为L9(34)，其中，9表示试验次数为9次，因素数为4，水平数为3。正交试验仅需要进行9次试验，而全局试验需要进行34次试验，因而有效地减少了试验次数，提高了试验效率。本试验设定的因素水平如表7所示。

表7试验因素水平

试验选用的刀具为韩国养志园(YG)EMC54120 4F硬质合金立铣刀，刀具参数信息如表8所示，试验选用的工件材料为45号钢，形状为长155mm，宽90mm，厚度10mm的钢板材，加工过程均采用顺铣。

表8

为保证试验的准确性，每组试验参数下各采集20组功率数据求取平均值，得到的试验数据如表9所示。

表9

/>

将得到的试验数据采用IBM SPSS Statistics进行回归处理，获得的多元非线性拟合分析结果如表10所示。根据非线性回归分析，R2＝0.970>0.85，表明了模型拟合情况良好。

表10多元非线性拟合分析结果

注：a)因变数：净功率；

b)R平方＝1-(残差平方和)/(校正平方和)＝0.970。

得到相应的多元非线性回归模型为：

为进一步验证模型的准确性与有效性，在已有实验方案的切削参数组合之外增加了5组验证实验组进行实验验证，验证实验方案和实验结果如表11所示。

表11验证实验结果

从表11中可以看出，验证实验组切削净功率的预测误差值均在5％范围内，最大误差仅为4.64％，说明了本发明所提出的切削功率计算模型能够准确且有效地预测机床实际加工的切削功率，证明了所拟合的切削功率模型是准确有效的。

综上所述，本发明一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统，通过对数控铣削加工过程的分析构建出铣削加工过程碳排放计算模型，并结合实验验证模型的准确性与有效性；实现考虑碳排放的模具铣削刀具路径与切削参数优化，碳排放作为优化结果的考量指标之一，对其进行量化评估是本发明优化研究的理论基础，故通过研究铣削加工过程的碳排放量化模型构建方法，能够为后续刀具路径与切削参数优化提供碳排放量化计算支持。可以解决以下两方面的具体问题：

(1)根据能耗模型仍无法直观获悉机械加工过程的碳排放信息；

(2)考虑到铣削加工多刃断续切削的特点，目前仍缺少一种适用于铣削加工过程的加工能耗和碳排放计算方法。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定数控铣削加工过程总碳排放边界；

S2、根据步骤S1确定的总碳排放边界，确定出总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳CE_material和废弃物碳CE_waste；

S3、建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率P_c；根据切削功率P_c得到切削能耗，建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放CE_elec；结合步骤S2中得到的物料碳CE_material、废弃物碳CE_waste和能源碳CE_elec实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算；

机床能耗E_total为：

E_total＝E_u+E_c+E_au

其中，E_u为总空载能耗，E_c为切削能耗，E_au为辅助能耗；

总空载能耗E_u为：

E_u＝E_sp+E_f+E_bm

其中，E_sp是主传动系统能耗；E_f是进给系统能耗；E_bm是基础模块能耗；

切削能耗E_c为：

E_c＝P_c×t_c

其中，P_c为切削功率，t_c为刀具在特定切削条件下的切削时间；

辅助能耗E_au为：

E_au＝E_cfs+E_cc

其中，E_cfs为冷却能耗，E_cc为排屑能耗；

微单元切削刃的切削力模型为：

其中，i＝1,2,…,Z，j＝1,2,…,M，K_qc是切向、径向和轴向剪切应力系数，q＝t,r,a；K_qe是切向、径向、轴向刃口的应力系数，q＝t,r,a；是瞬时未变形微单元切屑厚度；/>是刀具旋转角；dz是微单元切削刃轴向高度；ds是微单元切削刃的长度；Z是刀具齿数；M是每齿微单元数；

瞬时未变形微单元切屑厚度为：

其中，θ_s为切入角，θ_e为切出角，f_z是每齿进给量；是微单元切削刃(i,j)的空间位置角；

切削功率P_c为：

其中，P_tip为刀尖切除功率，a_p为切削深度，n为主轴转速，f_z为每齿进给量，a_e为切削宽度，R为刀具半径，A,B为待拟合系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，数控铣削加工过程中总碳排放CE_total为：

CE_total＝CE_material+CE_waste+CE_elec

其中，CE_material为物料碳，CE_elec为能源碳，CE_waste为废弃物碳。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，物料碳CE_material为：

CE_material＝CE_pchip+CE_ptool+CE_pcfs

其中，CE_pchip为材料制备碳排放，CE_ptool为刀具的制备碳排放，CE_pcfs为切削液的制备碳排放；

废弃物碳CE_waste为：

CE_waste＝CE_dtool+CE_dcfs+CE_dchip

其中，CE_dtool为废弃刀具处理碳排放，CE_dcfs为废弃切削液处理碳排放，CE_dchip为切屑处理碳排放。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，能源碳CE_elec为：

其中，E_total是机床总能耗；EF_elec是电能碳排放因子。

5.一种面向铣削过程的碳排放量化计算系统，其特征在于，包括：

边界模块，确定数控铣削加工过程总碳排放边界；

能耗模块，根据边界模块确定的总碳排放边界，确定出总碳排放CE_total为物料碳CE_material、能源碳CE_elec和废弃物碳CE_waste三者之和，利用物料碳及废弃物碳评估方法计算得到物料碳CE_material和废弃物碳CE_waste；

计算模块，建立微单元切削力计算模型，通过数值积分推导构建铣削加工切削功率计算模型，计算得到包含单位时间内平均刀尖切除功率和机床附加载荷损耗功率的切削功率P_c；根据切削功率P_c得到切削能耗，建立包含空载能耗、切削能耗和辅助能耗的机床能耗模型，根据机床能耗模型确定机床能耗并计算得到数控铣削加工过程中数控机床消耗的电能在制备过程中产生的碳排放CE_elec；结合能耗模块中得到的物料碳CE_material、废弃物碳CE_waste和能源碳CE_elec实现数控铣削加工过程中的碳排放量化计算；

机床能耗E_total为：

E_total＝E_u+E_c+E_au

其中，E_u为总空载能耗，E_c为切削能耗，E_au为辅助能耗；

总空载能耗E_u为：

E_u＝E_sp+E_f+E_bm

其中，E_sp是主传动系统能耗；E_f是进给系统能耗；E_bm是基础模块能耗；

切削能耗E_c为：

E_c＝P_c×t_c

其中，P_c为切削功率，t_c为刀具在特定切削条件下的切削时间；

辅助能耗E_au为：

E_au＝E_cfs+E_cc

其中，E_cfs为冷却能耗，E_cc为排屑能耗；

微单元切削刃的切削力模型为：

其中，i＝1,2,…,Z，j＝1,2,…,M，K_qc是切向、径向和轴向剪切应力系数，q＝t,r,a；K_qe是切向、径向、轴向刃口的应力系数，q＝t,r,a；是瞬时未变形微单元切屑厚度；/>是刀具旋转角；dz是微单元切削刃轴向高度；ds是微单元切削刃的长度；Z是刀具齿数；M是每齿微单元数；

瞬时未变形微单元切屑厚度为：

其中，θ_s为切入角，θ_e为切出角，f_z是每齿进给量；是微单元切削刃(i,j)的空间位置角；

切削功率P_c为：

其中，P_tip为刀尖切除功率，a_p为切削深度，n为主轴转速，f_z为每齿进给量，a_e为切削宽度，R为刀具半径，A,B为待拟合系数。