一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。提供碳排放量化计算支持。提供碳排放量化计算支持。

【技术实现步骤摘要】
一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法及系统


[0001]本专利技术属于低碳制造与智能制造
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种面向铣削过程的碳排放量化计算方法，包括以下步骤：
[0009]S1、确定数控铣削加工过程总碳排放边界；
[0010]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
；
[0011]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。
[0012]具体的，步骤S1中，数控铣削加工过程中总碳排放CE
total
为：
[0013]CE
total
＝CE
material
+CE
waste
+CE
elec
[0014]其中，CE
material
为物料碳，CE
elec
为能源碳，CE
waste
为废弃物碳。
[0015]具体的，步骤S2中，物料碳CE
material
为：
[0016]CE
material
＝CE
pchip
+CE
ptool
+CE
pcfs
[0017]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；
[0018]废弃物碳CE
waste
为：
[0019]CE
waste
＝CE
dtool
+CE
dcfs
+CE
dchip
[0020]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。
[0021]具体的，步骤S2中，能源碳CE
elec
为：
[0022][0023]其中，E
total
是机床总能耗；EF
elec
是电能碳排放因子。
[0024]具体的，步骤S3中，机床能耗E
total
为：
[0025]E
total
＝E
u
+E
c
+E
au
[0026]其中，E
u
为总空载能耗，E
c
为切削能耗，E
au
为辅助能耗。
[0027]进一步的，总空载能耗E
u
为：
[0028]E
u
＝E
sp
+E
f
+E
bm
[0029]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；
[0030]切削能耗E
c
为：
[0031]E
c
＝P
c
×
t
c
[0032]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；
[0033]辅助能耗E
au
为：
[0034]E
au
＝E
cfs
+E
cc
[0035]其中，E
cfs
为冷却能耗，E
cc
为排屑能耗。
[0036]具体的，步骤S3中，微单元切削刃的切削力模型为：
[0037][0038]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
是切向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，周光辉，门松辰，张俊杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：