铣削机床在各种生产环境中的使用的环境分析法

铣削机床在各种生产环境中的使用的环境分析法一个关于卧式普通铣床和一个精森机5060式立式加工中心的工作周期能耗的分析已经展开，在三大生产阶段相结合的制造环境：供料连接车间，制造车间和商业设施，每个生产部分都产生了二氧化碳等价物排放，各生产部分的排放占了排放总量的很大一部分，制造阶段的污染排放是很重要的，尤其是对于制造车间，与其他设施的改变效率相比比较低故在其固有性处理上需要更加灵活，由于精森机更加笨重，在制造阶段机床对排放量的影响比普通铣床更加大，相对的使用阶段工件运输比较小，主要由切削，暖通空调和照明部分组成。这些在机床能耗减少方面的新兴领域的设计的的成果和设计可以生产任何产品的设备类型的重要性是一样的。I 介绍生产活动的温室气体排放量占据了世界温室气体排量的19%以及其能量使用占据了美国总能量使用的31%。机械加工因其尺寸和重要性而作为以减少制造过程能量消耗为主要目标的一部分。仅仅是全球的机床的销量在2008年估计都达到了820亿美元，而这个数字在2007是710亿。加工-广义的定义是指所有去除材料的过程可以视为一个由工件和工作车间组成的系统（组装部分），一个工具（用于执行材料去除），和一个机器。这种机器和工具称之为机床。而各种型号的机床应用领域不同，而其中一个重要的分支就是铣床。铣削是一种刀具沿着规定轴旋转并在定义的范围内相对工件移动的切削加工。图1展示了标准立铣床的主要组件。在这个例子里，工件固定到做水平移动的工作台上，主轴的旋转中心和刀具的进给都是垂直方向的。直线运动是由机器控制单元或控制器控制，驱动方式是光杆或滚珠丝杠连接到电机或者轴驱动器。机床床身和导轨一起组成了保证机床刚度和运动阻尼的机床框架。其余的部件在图1不进行标注显示，这些部件包括热控制单元（降低热误差）；机床滑轨（润滑和移动单元）；切削液供给系统（提供切削工件的流体）。机床的基本功能是提供能源或者相对运动和一种固定工件的手段，固定和确保刀具方向，还有控制动力源或者运动还有工件与刀具的定位【5】。为了提供这些功能机床必须拥有四个输入物流，即电力能源、切削和润滑油、水还有压缩空气等，这些不可再生资源被过度使用于确保优质产品的生产。但是日益增长的环保意识需要我们更加有效的利用这些资源。量化这些物流和机床的生命周期对于改进机床设计、加工和资源使用的新领域的探索已变得很重要。尤其是针对铣床和加工中心（附带额外功能的铣床）这两个现代生产设备中常用的设备类型。II床座以下章节为有关绿色加工的文学作品做出了突出卓越的贡献。第一类绿色加工方法主要针对在使用阶段可以降低对环境影响的工艺流程改进和设计水平的提高。它们因没有改变机械结构或加工过程因，而能用最少的成本获取最大的潜在利益而大受欢迎。许多前期工作由发现了三大有关“清洁”加工的方面：减少切削和清洗的切削液，使用改进的刀具以减少切削液使用和建立监控机制以更好地了解切削过程以及更好地揭示减少环境负荷的其他区域的绿色加工发展思想的框架和策略所引导【6】。研究活动的最主要方向是减少识别、切削和清洗三个方面的切削液的使用，这三个方面的研究引领了微量润滑（MQL）和干燥加工技术的发展；【7】综述了以上两种方法。其他重要的研究领域包括处在通过可控制的热环境下的机床结构内部的温度控制以减少整体用电量【8】，为了回收大量原材料和防止加工成本的进一步提高【9】而对机床床座再制造，再利用，尤其是再循环的使用方法，制作关于解析床座设计的简介以帮助再制造、再利用、在回收方法的构建【10】、【11】，和减少加工时间以便能更好的减少分时消耗恒定不变的加工能量输出和尤其降低切削能耗【12】、【13】。在绿色加工的前期工作中，需要一套当面对工艺规划决策时可量化的尺度标准以进行评估和权衡【14】。下一个研究的重要课题是模型的研究，为的是捕捉在加工中发生的错综复杂的自然物理变化。提供一个能全面外链反馈有关加工参数（举例来说：速度、进给、切削深度和刀具角度）和对加工环境的加工过程造成的影响（举例来说：能耗、运动过程、废水废液的集流）的沙箱模型【14】。文献中的后续研究确立了更好的方法用于比较加工过程的输入和输出流以及评估多个处理方案之间的好坏【15】-18。文献也承认需要一个系统级方法来捕捉影响整个生命周期的环境冲击。这一最新的推动性的研究集中于研究加工过程和机床的生命周期的评估（LCA）【19】。早期的研究发现，可在机床结构的生产当中使用循环使用的材料可使其整个生命周期产生的二氧化碳废弃下降至最小，而由于用供电方式使得机床生命周期推定为很长【20】。然而，使用切削液减少加工技术例如MQL技术和干燥加工技术被发现产生大量二氧化碳和很不节能。文献也提及发现高度自动化机床由于机械周边设备对电消费具有较高的要求而对环境的影响明显更大【21】。同时，机床的精简化（例如：减少工作量）必须通过环境控制减小体积以减少电能的消费【22】。最后，在制定工艺规程的文献中发现最新著作和生命周期评估（LCA）报告的联系之处，这个发现可用于开发新产品的设计阶段【23】、【24】。而现有的文献提供了广泛的有关机床对环境造成的影响的知识，由于机床较长的使用寿命因而使用阶段在总体影响中占主导地位的假设是有限的。然而，这可能不是真正的取决于由于生产率影响特定的能量的机床运转的制造环境。大多数文献也没有考虑运输问题，原材料输入问题（例如：切削液）或者是设备的投入（例如：暖通空调和照明设备）而这些每一个都代表着可观的潜在的能源消耗。而自动化水平的高低也影响由于自动化工具需求的上涨进而带动更多的周边设备的消费所带来的能量消耗。这个研究的目的是分析机床生命周期的能量消费，这些消费包括制造环境的影响、交通、切削液、暖通空调、照明的自动化操作几个方面。这些分析的结果表明前人的工作具有较大的价值因为找出了影响最适合找到地区能源优化的最大因素的研究领域。这个分析成果并不仅限于加工领域，它也可以拓展到其他的制造工艺领域，并可以降低生产更高精度的产品的链路容量调整机制的不确定性，正符合了机床生产的目的那就是生产其他的产品。III方法论有两种类型的机床的生产过程吸收了LCA（生命周期评估）方法：（1）卧式铣床系列（一个由计算机数字控制（CNC）的铣床，代表了低水平的自动化加工）和(2)森精机5060立式加工中心（一种代表了高水平的自动化加工的加工中心）。这些机床都是因为它们在行业内的高使用率而挑选出来，这两类机床被计算出在不同的环境下的每个生命周期的能量消耗和二氧化碳排放。A. 制造阶段每台机床都可划分为以下几个主要部分（车床床座、主轴、丝杆/光杆、X/Y轴、换刀装置、外壳和控制装置）来确定生产过程中的能量消耗。生产过程中除了控制装置外所有主要部分所需要的能量都要计算使用能量的过程的数据，而EIO-LCA【25】理论被用于分析控制器。所有的主要部分，除了控制装置，都被假定为整体的组成部分以简化使用过程中的计算数据。机床的床座假定是灰铸铁制作，外壳是低碳钢，而剩下的部件则用低碳合金钢制作。各项材料的选择都符合使用可再生材料的行业标准【26】。以下几个部分被认为是计算产能消耗的制造流程的各个组成部分：铸造、锻造、滚压、冲压、车削、磨削、表面硬化处理、退火、淬火和其他热处理。来自【26】的材料内部的加工变形能量用于锻压、冲压和轧制过程。【3】、【27】-【29】产生的特殊的能量用于加工、车削、磨削、热处理、退火、表面硬化处理。为了计算二氧化碳排放量，精森机加工中心使用了一种新的日本混合能源（每千瓦时380g二氧化碳排量【26】）和美国康涅狄格州的用于间接排放物控制的增重排量平衡因子能源用于机身（每千瓦时420g二氧化碳排量【30】-【33】）B. 运输两类机床的供应链的运输能耗和二氧化碳排放都应该计算。精森机加工中心假定从日本伊贺通过一辆14吨重的柴油卡车运送到日本名古屋，然后到了洛杉矶，运输公司通过远洋货轮运送，最后通过另一辆14吨重的柴油卡车送到圣荷西的运输公司。布里奇波特产品同样是通过14吨重的柴油卡车从布里奇波特市运往圣荷西运输公司。假定在圣何塞开始使用阶段。这两类机床都将从圣何塞送至洛杉矶完成最后的维护。来自【26】的排放系数将在每个运输阶段进行运用。（在未来的研究里，汽车的排放系数也将基于【34】）。因为这些排放系数由于载荷而正常化，假设远洋货轮和卡车的利用率都是75%因此必须对排放系数加以调整以确定实际的二氧化碳排放量，由于海运负载是按运送精森机的数量比例计算远洋货运的总负荷的，因此排放量与运送的精森机数量有关。假设每一辆卡车能运送三台铣床或者一台精森机加工中心，这种差异导致了相对于精森机需要运输更多的铣床以弥补铣床低下的生产率。C. 使用阶段通过分析不同的设备特点和生产计划的影响，两种机床在使用阶段都学习了三种不同的生产环境：连接车间、生产车间、营销设施。一台机床要维持在任意环境下的生产功能主要依赖于它本身的性能。一旦机床性能完全下降，使用这台机床或许就有需要翻新、改装或者倒卖掉的感觉。拥有这种不确定性，机床的生产功能将被定义为无法满足使用者的使用要求。在这个分析当中生产功能应该被列为机床的一个功能部件考虑其功能性。除了考虑生产零件所需的电能，这个分析还考虑了机床切削液、照明设施和采暖空调等的电能需求。人力劳动因考虑到其关联的不确定性和复杂性而被忽略。因为这个分析涉及生产的部件，因此工件材料的提取和预处理也被排除在外。一个标准的部分（见图2）被开发用于量化和比较布里奇铣床和精森机加工中心在实际使用阶段的能源消耗。机床的部件由4”x4”x1” AISI 1018钢制成，在产品设计中的的许多常用特征的实现需要机床的各种功能。在生产过程中测量和记录了这一部分能耗。用于确定备用能量的准备时间的确定来自文献【21】。切削加工应使用标准的切削参数。同样的部件在布里奇铣床上加工需要949秒而在精森机加工中心上只需要609秒。确定每个功能性单位的对比，每个设施需要的机床的数量，就可以计算出一个给定的同类机床能达到的生产率（对比结果在表1）。连接车间和制造车间的流体消费和车间的空间价值以在加州大学伯克利分校的学生能源制造实验室和加拿大摩根山的卡尔曼制造业为基础。营销设施的价值的估算是基于工厂的使用标准进行假设。如第一节所述，加工过程主要消费两种类型的液体；切削液和润滑油。切削液普遍认为只有精森机使用因为布里奇铣床的切削液使用量很少。两种机床对润滑油都有需求。机床在三种环境下的每年的流体消费在表1列出。一个关于石油成分的能量的分析呈现出了总的能量来自于液体【23】。与空调系统和不同的生产设施的照明系统有关的电力消费取决于控制输出供电强度的设施的规模，资料来自【35】。暖通调系统和照明设施的能耗计算是通过机床工作所要求的工作空间大小进行计算的（看表1），工作空间包括机床的占地大小和操作者的活动空间。为了计算二氧化碳排放量，假设了一个很重的平均污染排放系数针对加州包括间接排放物的混合能源，其数值是320 g CO2e-kWh【31】-【33】，【36】，【37】。D. 寿命末期生命末期的机床由于明显加工不稳定而经常在二手机床市场转卖。因为这种加工不稳定性，没有任何使用者能对这种机床的加工能力下结论因为这种机床的未来加工能力没有保证可言。然而，献【38】对制造阶段做了相似的分析，一个重要的潜在方案，材料的回收与再循环将解决这个问题。IV.结果每台布里奇和精森机生产所需的能量分别是18000兆焦耳和100000兆焦耳（表2）。总的来说，原材料提取是最耗能的环节，大约占了生产总能耗的70%，紧随其后的是铸件制造。图3总结了机床生产各环节的生产所需能量，但不包括原料提取。机床床座的制造是最消耗能量的部分因为制作床座占机床材料比重最大而且需要铸造。制造精森机床座需要的能量是布里奇的十倍因为精森机的床座制造规模更大，要求的额外加工和热处理工序更多。表3展示了从产地运输机床到加拿大圣何塞的设施里的能源消耗和二氧化碳排放量，而从名古屋通过远洋货轮运输精森机到洛杉矶消耗的运输能量大约占了运输总能量的40%。除了设施之外机床各部件生产的能耗变化：布里奇每生产一个部件消耗600千焦能量而精森机消耗1000千焦（看表4）。维护部分的能耗相对较小-在工作车间每个部件维护能耗最高不会超过75千焦。而暖通空调和照明系统被发现耗能很大，占了使用阶段总耗能的40%到60%。能源使用最密集的区域是处在连接车间的精森机，因为其生产能力无法估量。连接车间是能量使用率最低的工作环境，因为其产量最低，但和生产车间的暖通空调和照明系统的能源使用强度相当。商业设施占了规模经济的便宜摊销了很大一部分的能源需求。仓储设施是为商业设施和工作车间服务的，仓促设施最适合于大规模生产使用，这是更高生产率需求每个部件生产耗能更低的需求应运而生的结果。工作车间为了快速响应用户的需求和新业务更游刃有余而经常使用额外的机器和空间，缺点是空调和照明增加并占据了使用阶段的大部分能耗。由于高能量输入需要高数量的制造加工因而环境成了制约要素，工作车间会因为受大自然的供给波动和低产而表现不佳。机床的能量评估需要将这些辅助需求考虑进去。根据我们的观察，当机床摆放更加密集的时候空调和照明系统的耗能效果可以最小化。将额外的机器放在同一楼层空间里能够降低每个部件对能源消耗的影响。因此，每一平米是否都能物尽其用用于生产是循迹不同的工厂的效率高低的一个合理方法。两种机床在三个不同工作环境下的二氧化碳等价物排放计算结果差异在适度范围内（看图4）。与文献【20】相反，制造阶段对于使用阶段来说是很重要的。对于两种机床而言，在商业设施的制造阶段的二氧化碳等价物的排放量都是最少的，究其原因可能是商业设施有着更高的生产率。因为部件生产的运输能耗是分期摊销的，发现因此相对于制造和使用阶段的能耗是很小的。使用阶段的二氧化碳等价物排放在总排放量里是占据主导地位的，和精森机的60%到80%二氧化碳排放量不同布里奇的排放量是70%到90%。V结论这个关于两台铣床在三个不同环境下的生命周期能耗分析已经量化了二氧化碳及等价物排放与生产的机床的一个标准化部件的使用寿命之间的联系。几个调查结果显示与以前已发表的文献有显著差异例如制造阶段的影响。然而，结果是生产阶段因为他们只依赖于一种能量方法而忽视了机器的生产的每一个步骤的要求而产生了下限值。同时，由于空调和照明系统的需求占了使用阶段废气排放量相当大的一部分比重，未来的研究将使用源自于用于此研究的全国平均能源强度数据的空调和照明系统的具体设备数据。此外记录降低能耗领域的结论的文献忽视了具有重大影响的参数。例如，一个可控能量效率更高的热控系统能降低能源密集型使用方式的空调系统的整体能源使用量。这个分析同时也使其他的有关产品的制造阶段的潜在影响突出的LCA研究方向更加明确，因为机床本身就是制造其他产品的关键。最后，这些结论可衍生到展示其他谋求降低能源和环境影响的新领域的制造环节。分析中会有某些来源是有误差的，这会在未来的研究中进行改进。例如：机床的制造比理论上更加复杂、加工环节更多，因此比我们现阶段的理论分析更加难以进行量化分析。同时，资料的提取和处理由于每台机床都是由几种材料组成而受到总体组合的效果的影响。纵观使用阶段，劳动因其固有的复杂性而疏于考虑，尽管机床运作需要操作员和维修技师而且零件本身就比很多制造部分简单许多。此外，试验确定生产部件需要的能量消耗受限于可以利用的资源，然后就有可能制定的工艺参数不能正确的满足真正的流水线生产需求。尽管这些信息来源有误差，但这个分析旨在于对机床生命周期内的能耗提供一个大致的初步评估。未来的研究将努力提高分析中使用的数据准确性以及通过综合考虑其他潜在的重要因素提炼分析次分析本身。我们也希望这项研究能扩大到其他环境影响的研究中例如水研究【39】和有关机床正常使用末期方面更详尽的研究上（例子.粉碎。【40】）。鸣谢参考文献1.“年度能源回顾”第2008期，美国能源管理部。DOE/EIA-0384(2008), 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