基于声明单元的机床生命周期碳排放评估方法及案例研究——以涂覆TiAlSiN的铣刀为例 姜志鹏、 史友恒、 刘贤利、 郑国华、 贾玉欣、 孟月

《Coatings》：Declared-Unit-Based Life-Cycle Carbon-Emission Evaluation of Machine Tools: Method and Case Study Considering Milling Cutter Coated with TiAlSiN Zhipeng Jiang, Youheng Shi, Xianli Liu, Guohua Zheng, Yuxin Jia and Yue Meng

　　**亮点**

**主要发现是什么？**
- 提出了一种基于声明单元（Declared Unit）的战略和基于信息流的iERWC边界方法。
- 明确将涂层刀具的使用和更换纳入应用阶段的库存管理。
- 通过重型机床的案例研究和不确定性分析验证了该框架的有效性。

**主要发现的意义是什么？**
- 为涂层刀具的绿色选择和应用提供了量化的基础。
- 建立了一个适用于制造业低碳评估的实用且统一的操作框架。
- 支持制造业设备管理中的低碳决策制定。

**摘要**

针对机床全生命周期分析中评估标准不统一和缺乏普遍性的问题，本文通过分析和总结现有的碳排放评估模型，提出了一种基于声明单元的机床生命周期碳排放评估方法。首先建立了一个通用的机床生命周期碳排放评估系统，然后根据行业特点和机床类型选择了合适的声明单元。随后，提出了一种基于信息流的iERWC边界划分方法，以支持五个生命周期阶段的数据收集和碳排放计算。为了更好地反映应用阶段的碳排放，生命周期库存中包含了涂层刀具的使用情况，包括相关刀具的消耗和更换需求。以齐齐哈尔第二机床（集团）有限公司生产的两种重型铣床和镗床为例，计算并评估了机床的生命周期碳排放，并进行了不确定性分析，指出了可能影响碳排放的因素，以确保对整个生命周期的全面评估。

**1. 引言**

随着经济的快速发展，环境问题受到了越来越多的关注，由温室气体排放引起的气候变化已成为全球性挑战。在中国，制造业占全国能源消耗总量的55.7%[1]，并且该国有超过800万台在用的机床，占全球机床总量的最大份额。作为复杂的机电产品，机床涉及多种零部件和材料，其制造、使用和回收过程包含多种影响因素；因此，进行全生命周期碳排放分析对于节能减排、低碳加工技术和再制造研究具有重要意义。

生命周期评估（LCA）方法涵盖了产品从原材料开采到最终报废的整个生命周期，包括原材料开采、能源结构、运输、储存、使用、维护和最终处置等环节。它是目前最常用的环境评估方法[2,3]，用于分析能源和资源（如电力、冷却液和润滑油）消耗对环境的影响。本文提出了一个用于评估加工过程中环境影响的计算模型，并开发了一个预测系统。Akbari等人[4]认为，在机床的生命周期评估中，不仅要考虑机床和产品本身的环境影响，还要考虑加工产品对环境的二次影响，并通过模拟说明了其在生态设计中的重要性。Du等人[5]基于LCA为高能耗和高碳排放属性的加工企业建立了一个低碳运营模型。Zhang[6]使用GaBi分析了产品装配过程中的碳排放，发现其仅占产品生命周期的一小部分，并指出从实验角度来看，干式齿轮切削比湿式切削更环保。Ma等人[7]基于LCA方法对铸铁和树脂-矿物复合材料制成的机床床身进行了比较研究，结果表明铸铁机床的碳排放量大于树脂-矿物复合材料机床。Navneet Khanna等人[8]提出了关于AXZ911/10SiC金属基复合材料（MMCs）车削工艺的宏观层面比较LCA案例研究，展示了LN2冷却策略的环境优势。WANG Ze等人[9]建立了一个结合过程分析和输入-输出分析的混合生命周期评估模型，用于计算生物质、电动和氢动力飞机的生命周期碳排放。Fehn等人[10]比较了四种概念的环境影响：传统钢制主轴与永磁同步电机（PMSM）、用同步磁阻电机（SynRM）替代PMSM、碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的轻质主轴，以及SynRM与轻量化结构措施的结合，为选择电机类型和设计轻质主轴结构提供了环境权衡的基础。Taylor等人[11]基于相关标准和文献，研究了现场数据有限和资源限制对机床环境影响评估的挑战，比较了两种机床可持续性评估方法（成本驱动的自上而下方法和基于机制的自下而上建模方法），为平衡评估深度与实施所需的努力/成本提供了依据。Nassar等人[12]对利比亚的风能行业进行了碳足迹和能源生命周期评估，评估了100 MW风电场的环境和经济性能，发现涡轮机制造和跨境运输/运输是碳排放的主要来源。Jeulin等人[13]提出了一种基于LCA方法的预测模型，强调了刀具磨损对整个加工过程环境影响的贡献，以确定加工参数和情景对环境影响分布的影响。Diaz N等人[14]使用标准部件使不同机床的生命周期排放具有可比性，但未能解释标准部件的设计原理。Zhou等人[15]提出了一种基于c-PBOM-W和c-PBOM-P的切削参数优化方法，根据零件特性和车间产能评估碳排放，减少碳排放、切削时间和切削成本，同时提供最佳切削参数。Li等人[16]提出了一种多目标刀具路径优化模型，基于改进的遗传算法，旨在实现最大加工效率、最小能耗和最低碳排放，重点关注自由曲面刀具路径的半精加工和单工序加工。Mia等人[17]通过研究Ti-6Al-4V材料，在考虑切割力、比能量、温度、表面质量（即表面粗糙度）以及LN2单喷射和双喷射影响下，得出了低温冷却作为更可持续替代方案的结论，显著提高了加工性能。Sucharitpwatskul等人[18]系统研究了刀具涂层类型、轴承长度（BL）和挤压比（ER）对Al6063微挤压成型能耗的影响。Huang Shunhu等人[19]进行了CFRP钻孔实验，开发了一个CNN-LSTM模型，将加工参数与机床能耗和分层因素关联起来，并进一步提供了平衡低能耗和高孔质量的推荐参数组合。

总体而言，上述碳排放模型可以分为两类：一类是针对特定工艺或组件的碳排放模型，通常考虑资源流（原材料、刀具、冷却液、润滑剂等）、能量流（机床的电源，通常是电力）和加工过程中的废弃物物流（破损刀具、切屑和流失的冷却液、润滑剂等）。不同模型在系统边界划分上可能存在差异，但总体上差异不大。另一类是研究机床整个生命周期的碳排放，通常分为几个阶段并分别计算各阶段的碳排放。然而，由于这类碳排放模型通常仅适用于特定机床上的特定工艺/组件，不适用于其他机床，因此通用性较差。因此，在许多情况下使用平均功率进行计算。然而，关于选择哪种材料作为评估对象、选择哪些切削参数、在轮廓特性下的切削功率以及是否应包括待机功率和空载功率等问题存在很大争议。所有这些因素都会显著影响机床的平均功率。这些因素的不确定性使得机床生命周期碳排放分析变得复杂且缺乏通用性。

鉴于此，本文提出了一种基于声明单元的机床生命周期碳排放特征分析的标准化转换测量、计算和分析方法。引入声明单元不仅可以定量反映机床性能、能耗和碳排放之间的映射关系，还可以解决使用阶段碳排放测量方法不统一的问题，为不同机床之间的生命周期碳排放评估提供比较分析和解决方案，并为未来机床的生态评估标准提供理论基础和现实依据。首先，评估系统根据ISO14001标准建立了机床生命周期碳排放评估的原则、过程和具体内容，然后按照标准方法进行评估。接着，根据待评估机床的特点选择合理的声明单元（待加工零件或标准零件）进行测试。计算机床整个生命周期各阶段的碳排放，根据收集的数据比较和分析不同机床的碳排放特征。该方法可以实现基于碳排放指标的机床绿色性和可持续性评估，验证所提出分析方法的有效性和实用性，并在分析碳排放特征的同时提出一些减排策略。它可以为机床生命周期碳排放评估提供量化的计算和评估方法。

**2. 机床生命周期碳排放评估方法**

**2.1. 碳排放评估原则**
- **科学性**：需要全面、科学、客观地划分机床全生命周期分析的碳排放边界，科学地获取和记录数据，根据需要科学选择声明单元，综合考虑机床类型和待评估机床企业的行业特点。该过程旨在满足根据既定标准进行机床生命周期碳排放评估的需求。
- **实用性**：应考虑机械行业的特点、当前行业状况以及世界环境法律法规的相关规定，如机床的固定资产特性（一次性高投资）、《中华人民共和国环境影响评价法》和《中华人民共和国促进清洁生产法》等相关法律法规的影响。同时，还应考虑未来机床再制造活动对机床生命周期碳排放分析的影响。
- **全面性**：在评估机床整个生命周期的碳排放时，不仅应包括加工过程中直接消耗能源和资源的碳排放，还应包括从原材料获取、运输、加工到使用阶段以及废弃物处理和再利用的整个过程。
- **协调性**：在计算整个生命周期的碳排放时，应遵循中国及国际上的环境保护法律法规。同时，需要全面考虑可能出现的贸易壁垒和碳排放关税的影响。

**2.2. 碳排放评估过程**

机床的全生命周期碳排放评估过程如图1所示。在评估之前，应选择合理且具有针对性的声明单元。合理的声明单元能够充分反映机床的加工能力，同时使同类型但不同尺寸机床之间的碳排放评估具有可比性。随后划分系统边界，考虑环境因素、研究范围和深度。数据收集包括碳排放活动和碳排放因素。同时，由于地区、循环模式和生产过程的不同，同一级别数据之间也存在差异，这些差异也需要予以考虑。基于这些数据，可以计算出机床在整个生命周期内的碳排放量。计算结果需要通过输入和输出的质量平衡进行校验，以确保评估的准确性。随后会进入专家评审阶段；如果专家认为评估结果不可行，则需要重新进行评估；如果评估结果可行，则可以公布结果。生命周期碳排放评估的结果对于机床的轻量化设计、低碳设计以及提高机械产品和加工过程的低碳排放性能具有重要的实际意义。图1. 机床生命周期的碳排放评估流程。

（1）评估目的、范围和对象的确定
机床生命周期碳排放评估的目的是促使企业或个人选择更节省时间、能源且环保的加工设备或工艺，减少能源消耗和加工时间，降低温室气体排放，并寻找环境成本和加工成本都较低的处理方式。同时，它还可以为即将实施的碳壁垒提供可靠的计算概念和基础，实现从定性计算向定量计算的转变。将绿色生态的概念融入机械产品设计和加工过程中，不仅能够满足消费者的知情权，还能进一步提升企业的环保形象和知名度。机床产品的整个生命周期分析涵盖了从生产原材料（机床、工件、工具、冷却液、润滑油等）到机床报废后资源回收的整个过程。

（2）声明单元的选择
机床应用企业的规模各不相同，机床类型繁多，加工能力和范围差异巨大，数控程度也有所不同，机床的尺寸和重量也有差异，再加上加工技术、加工参数、待加工材料等因素，这些都是导致碳排放量差异巨大的直接原因。这些因素的多样性和不确定性使得机床的生命周期碳排放分析更加复杂，也影响了评估的通用性。合理的声明单元能够充分反映机床生命周期的碳排放特征，并便于比较不同机床的环保性和可持续性。这部分内容将在下一节中详细说明。

（3）系统边界的确定
系统边界的确定是机床生命周期碳排放评估中的重要环节。不同的系统边界意味着不同的计算类别和内容，这将直接影响评估结果的准确性。生命周期评估系统的边界受到研究目的、意图、研究深度和广度等因素的影响。对于机床的生命周期碳排放评估，其系统边界应包括原材料开采和生产加工、零部件制造、运输、装配、使用以及报废后的回收等单元过程。判断某项活动是否属于系统边界的依据是该活动是否会产生实质性的碳排放，即该活动在机床的生产、使用和再利用过程中是否直接或间接产生碳排放；如果产生碳排放，则应将其纳入系统边界。

（4）数据收集
进行加工过程的全生命周期碳排放分析需要活动级数据和碳排放因子数据。活动级数据指的是机床生命周期分析中涉及的所有资源和能源，包括机床生产、零部件制造、能源使用、报废机床的拆卸和处置过程中的资源输入和输出。碳排放因子是指在准备或使用过程中单位质量/体积所对应的碳排放量。也就是说，碳排放因子可以将加工过程中的能源、资源和废弃物相关数据转换为等效的温室气体排放量。活动级数据和碳排放因子数据分为两类：一类是一手数据，直接来源于机床零部件生产过程中的内部测量或统计数据；另一类是二手数据，基于类似产品或工艺的一手数据进行对比分析得出的。在数据收集过程中，需要根据碳排放计算的边界条件收集每种能源和资源的一手活动级数据。为了确保数据的可靠性和准确性，以及真实反映加工过程的碳排放情况，应尽可能多地收集和使用一手数据。

（5）计算和评审
生命周期分析中的碳排放计算应遵循标准流程（见附录A）。选择适合该地区和机床的数据源非常重要，这会直接影响计算结果的准确性。计算完成后，需要通过质量平衡原则对结果进行校验，以确保能量流、资源流和废弃物物流计算的准确性。

（6）专家评审
由于机床种类繁多、地理分布广泛、加工技术和参数变化较大，数据来源也各不相同，因此需要邀请专家对评估结果进行评审，以确定结果的可靠性。专家否决的评估结果需要重新评估；通过评审的评估结果可以正式公布。

3. 声明单元的选择
本文中的声明单元是指用于声明机床生命周期内碳排放的关键指标；具体来说，它指的是在特定的机床、特定的加工技术和加工参数下进行的加工过程。在机床的生命周期碳排放评估中，对于专用机床，整个生命周期内加工的产品是明确的，加工技术、工艺参数、产品尺寸等也都已确定，因此可以选择待加工的工件作为声明单元。例如，在CNC齿轮滚齿机[20]的整个服务周期内加工某种特定类型的齿轮时，选择单个齿轮作为声明单元更为合理，这样更容易收集相关数据并计算碳排放量，也能真实反映机床生命周期的碳排放特征。然而，对于大多数机床应用企业而言，机床的加工范围广泛且多样，待加工材料、工艺规划和参数都不确定，因此机床的功率差异较大。简单地选择某一时间段内的平均机床功率作为整个生命周期碳排放的计算基础是不合理的，容易导致估算值与实际情况之间存在较大偏差。对于这类非专用机床，本文采用标准零件作为声明单元来评估机床的生命周期碳排放。标准零件是指具有多种特征并按照标准工艺和参数进行加工的零件。标准零件的地形特征、复杂性和尺寸与机床的类型、尺寸、用户行业特性以及待加工零件的尺寸密切相关。因此，本文认为标准零件的设计应基于机床应用企业的行业背景，根据机床的类型和尺寸，统计分析机床零件的使用频率和参数特点，并与其他行业单位进行讨论优化设计。通过这一流程，可以确定标准零件的结构形状、尺寸、加工技术和参数。例如，本文以齐齐哈尔第二机床（集团）有限公司（中国齐齐哈尔）生产的两种重型落地铣镗床为例进行生命周期分析。通过实际加工情况的统计分析，并咨询该公司的技术人员，设计了图2所示的标准零件[21]作为机床生命周期碳排放评估的声明单元，这样可以实现同类型但不同尺寸机床之间的可比性，便于评估标准的规范化。因此，本文提出了一种基于声明单元的通用生命周期碳排放评估系统，有效解决了不同机床之间评估标准不一致的问题。同时，标准零件的结构特征应根据车削、铣削、钻孔和磨削等加工类型以及机床应用企业的性质进行设计，并规范加工技术、加工路径、切削参数和加工精度。此外，标准零件可以设计成具有相同特征但不同尺寸的多种形式，以适应不同机床加工能力的差异。对于高度定制化的机床，由于加工对象高度专业化且加工任务不稳定，单一的标准零件可能无法充分代表其典型的能耗结构，此时可能需要一组标准零件作为声明单元。与传统的LCA方法相比，本文提出的基于声明单元的通用生命周期碳排放评估系统在评估单元、不同机床之间的可比性、重复性和适用性方面具有一定的优势，如表1所示。

表1. 与通用LCA方法的比较

在标准零件设计过程中需要遵循以下设计原则：
（1）能够反映机床的加工能力、加工精度等要求。
（2）能够反映整个机床的碳排放水平，并确保结果的重复性。
（3）加工过程应包含每个阶段的碳排放特征。
（4）全面考虑影响机床碳排放特征的主要因素，并在测试样本和测试过程中充分体现，如样本的尺寸、精度等级、零件特性、冷却液的使用情况、刀具磨损、加工参数等。

4. 机床的生命周期评估系统
4.1. 系统边界的划分
机床是由机械、电气和液体部件组成的复杂系统，主要包括主机、数控装置、驱动装置和辅助装置。主机是机床的机械主体，负责切削作业，包括车床床身和立柱等机械部件；数控装置由硬件和软件组成，是机床的核心部件，用于输入和编译程序，并通过数据转换和插值实现运动控制功能；驱动装置是机床的动力来源，包括主轴驱动单元和进给单元，受数控装置控制，负责实现直线运动和空间运动；辅助装置则是保障机床连续可靠运行的支持设施，如排屑装置、照明、冷却润滑装置等。
机床的一般生产流程如下：了解客户需求——产品设计——标准零件选择——生产设计——工程图纸制作——外购零部件采购——铸造、锻造和焊接——自制零件加工——机床、电气、液体和气体部件的组装和调试——最终组装和测试——试切——调整——拆卸、维护、包装和运输——在客户工厂进行组装和调试——试切——最终验收。机床的生命周期分析应包括原材料提取、粗加工和热处理、装配、加工过程、产品报废以及基于机床生产过程的机床回收和再利用等阶段。所有阶段都与能源消耗、资源利用或废物产生相关，这些都会对环境产生负面影响。基于生命周期理论的机床iERWC边界模型[22]已经建立，该模型可以根据信息流（i）将能量流（E）、资源流（R）和废物物流（W）转换为碳排放（C），如图3所示。根据ISO 14040的定义，截止标准是指用于指定要从研究中排除的单元过程或产品系统的材料或能量流的数量或环境重要性的水平。此外，研究中使用的截止标准应明确理解和描述。因此，在本研究中，如果任何单一生命周期阶段的碳排放占总生命周期碳排放的≤1%，则可以认为这一阶段可以忽略不计。图3. 基于iERWC[20]的系统边界划分。

4.2. 各阶段的碳排放分析
机床不同生命周期阶段的碳排放原因各不相同。即使消耗相同的资源、能源或完成相同数量的任务，不同因素对环境的影响也不同。因此，根据机床整个生命周期中碳源的分布分析，机床的生命周期碳排放分为五个部分：机床部件的碳排放、装配阶段的碳排放、运输阶段的碳排放、使用阶段的碳排放以及处置和再制造阶段的碳排放。

4.2.1. 机床部件的碳排放
机床部件包括两部分：一部分是购买的组件，如标准部件、电机、泵、阀门、螺栓、CNC系统、电线等，这些部件在采购后可以直接使用。这部分碳排放数据直接来自供应商。另一部分是自制部件，需要通过铸造、锻造、焊接、车削或铣削等工艺来满足设计要求。显然，自制部件的加工过程中可能涉及铸造、冲压、冷/热轧、车削、铣削和磨削、表面处理和回火等技术。文档显示，机械制造过程中的电能消耗是主要的碳排放来源[23]。然而，在车削或铣削过程中，由于磨损或断裂导致的刀具消耗也是碳排放的一个重要原因。在计算电能碳排放时，可以引入塑性变形技术（如冲压）的嵌入能量[24]以及车削和铣削技术的特定能量。因此，自制部件的碳排放由两部分组成：塑性变形产生的碳排放和车削或铣削过程产生的碳排放。所以，
$$
\mathcal{C}_{\text{h}\mathcal{m}\mathcal{e}\mathcal{m}\mathcal{a}\mathcal{d}\mathcal{e} = \left(\sum_{i=1}^{\mathcal{h}\mathcal{m}}\mathcal{E}_{\text{h}\mathcal{m}}\sum_{j=1}^{\mathcal{w}}\mathcal{W}_{\text{i}}\mathcal{E}_{\mathcal{m}}\mathcal{b}\mathcal{o}\mathcal{d}\mathcal{i}}\mathcal{e} + \sum_{i=1}^{\mathcal{h}\mathcal{m}}\mathcal{E}_{\text{h}\mathcal{m}}\sum_{j=1}^{\mathcal{w}}\mathcal{W}_{\text{i}}\mathcal{E}_{\mathcal{s}}\mathcal{p}\mathcal{e}\mathcal{c}\mathcal{i}}\mathcal{f}\mathcal{i}}\mathcal{c}\mathcal{j}\right) \cdot \mathcal{C}_{\text{F}\mathcal{e}\mathcal{l}\mathcal{e}\mathcal{c}\mathcal{t}\mathcal{i}}\mathcal{c}\mathcal{i}\mathcal{t}\mathcal{y}
$$
其中
$$
\mathcal{C}_{\text{h}\mathcal{m}\mathcal{e}\mathcal{m}\mathcal{a}\mathcal{d}\mathcal{e} \text{是} \text{自制部件电能消耗产生的碳排放。}
\mathcal{E}_{\text{h}\mathcal{m}} \text{是} \text{自制部件的加工材料。}
\mathcal{h}\mathcal{m}\mathcal{1} \text{是} \text{塑性变形类型。}
\mathcal{h}\mathcal{m}\mathcal{2} \text{是} \text{切削技术类型。}
\mathcal{W}_{\text{i}}\mathcal{j} \text{是} \text{j} \text{塑性变形过程中材料i的重量。}
\mathcal{E}_{\mathcal{m}\mathcal{b}\mathcal{o}\mathcal{d}\mathcal{i}}\mathcal{e} \text{是} \text{j} \text{塑性变形过程中材料i的嵌入能量消耗。}
\mathcal{W}_{\text{i}}\mathcal{j} \text{是} \text{j} \text{过程中材料i的去除量。}
\mathcal{E}_{\mathcal{s}}\mathcal{p}\mathcal{e}\mathcal{c}\mathcal{i}}\mathcal{f}\mathcal{i}}\mathcal{c}\mathcal{j} \text{是} \text{j} \text{过程中材料i的特定能量。}
\mathcal{C}_{\text{F}\mathcal{e}\mathcal{l}\mathcal{e}\mathcal{c}\mathcal{t}\mathcal{i}}\mathcal{c}\mathcal{i}\mathcal{t}\mathcal{y} \text{是} \text{电能的碳排放系数。}
$$
电能的碳排放系数会因准备过程而异。即使所有电能都来自热力发电，不同地区的碳排放系数仍然不同，这会导致电能消耗引起的碳排放存在差异。详细的地区电力碳排放系数可以参考中国国家统计局发布的数据[25]。本文使用中国北方的电力排放系数0.7802 kgCO2/kwh。

从机床组成部分的角度来看，机床上的铸铁和钢占整个机床重量的90%以上。通常，机床床身结构部件（如床身、立柱、工作台等）由铸铁制成；移动部件（如主轴、丝杠、齿轮等）通常由钢制成，其中一部分也可能由合金制成。铸铁、钢和铜的重量可以根据机床企业提供的BOM计算；原材料引起的碳排放数据可以与国家统计局发布的碳排放系数结合获得。

$$
\mathcal{C}_{\text{m}\mathcal{a}\mathcal{t}\mathcal{e}\mathcal{r}\mathcal{i}} = \sum_{i=1}^{\mathcal{m}}\mathcal{M}_{\text{i}}\mathcal{C}_{\text{F}}\mathcal{i}}
$$
其中
$$
\mathcal{C}_{\text{m}\mathcal{a}\mathcal{t}\mathcal{e}\mathcal{r}\mathcal{i}} \text{是} \text{原材料引起的碳排放。}
\mathcal{M}_{\text{i}} \text{是} \text{i} \text{原材料的消耗量。}
\mathcal{C}_{\text{F}}\mathcal{i} \text{是} \text{原材料的碳排放系数。}
$$
切屑、冷却液和润滑油的碳排放计算方法与$\mathcal{C}_{\text{m}\mathcal{a}\mathcal{t}\mathcal{e}\mathcal{r}\mathcal{i}}$相同；它们都是通过将每种资源的重量乘以相应的碳排放系数来计算的。

总之，自制部件加工的碳排放包括标准部件的碳排放、电能消耗产生的碳排放以及自制部件的原材料和切削工具的碳排放，因此
$$
\mathcal{C}_{\text{p}\mathcal{a}\mathcal{t}} = \mathcal{C}_{\text{h}\mathcal{m}\mathcal{e}\mathcal{m}\mathcal{a}\mathcal{e}} + \mathcal{C}_{\text{m}\mathcal{a}\mathcal{t}\mathcal{e}\mathcal{r}\mathcal{i}} + \sum_{i=1}^{\mathcal{m}}\mathcal{S}_{\text{i}}
$$
其中
$$
\mathcal{C}_{\text{p}\mathcal{a}\mathcal{t}} \text{是} \text{自制部件引起的碳排放。}
\mathcal{S}_{\text{i}} \text{是} \text{标准部件的种类。}
\mathcal{C}_{\text{p}\mathcal{a}\mathcal{t}}_{\text{i}} \text{是} \text{i} \text{标准部件的碳排放。}
$$

4.2.2. 装配阶段的碳排放
当机床部件被适当加工或准备好后，就可以进行机床装配了。机床装配可以分为两类。一种是机床生产企业的装配。通常，制造商会在发货前进行装配、精度检测、功能调整和试运行。这部分的环境影响属于装配阶段。另一种是在购买者的工厂进行装配，装配过程与生产企业的过程类似。考虑到机床装配过程，以下活动可能会产生碳排放：根据机床制造商的要求建造车间、机床装配、试切、精度调整、机床功能调整（照明、冷却液开关、行程限制保护等）、试切。但这部分的碳排放分散且数量不多。装配阶段的碳排放可以根据装配车间的能耗、装配工时、装配数量等统计数据获得。装配阶段的碳排放计算公式如下：
$$
\mathcal{C}_{\text{a}\mathcal{s}\mathcal{s}\mathcal{e}} = 2 \times \mathcal{E}_0 \cdot \sum_{n\mathcal{k}}\mathcal{T}_n \cdot \sum_{j\mathcal{k}}\mathcal{C}_{\text{F}}\mathcal{l}\mathcal{e}\mathcal{c}\mathcal{t}\mathcal{i}}\mathcal{c}\mathcal{i}
$$
其中
$$
\mathcal{C}_{\text{a}\mathcal{s}\mathcal{e}} \text{是} \text{装配阶段的碳排放。}
\mathcal{E}_0 \text{是} \text{装配车间的总能耗。}
\mathcal{n\mathcal{k}} \text{是} \text{k} \text{类型机床的装配数量。}
\mathcal{T}_k \text{是} \text{k} \text{类型机床的装配工时。}
$$

4.2.3. 运输阶段的碳排放
应计算机床整个生命周期中的所有运输过程中的碳排放。机床运输阶段不仅包括购买的标准部件的运输，还包括用于自制部件的原材料的运输，甚至还包括工厂内移动块的运输。当机床完成制造后，需要在制造商和客户之间进行运输。上述运输会由于电能或其他能源（如汽油和柴油）的消耗而产生碳排放。根据运输阶段的碳排放强度，运输阶段的碳排放可以分为两部分：原材料/组件的运输和成品的运输。这两部分的计算方法都是将碳排放系数乘以材料/能源消耗。不同之处在于，原材料/组件运输阶段的碳排放是与机床制造相关的部件运输，其碳排放量较小，可以通过统计方法计算或忽略。成品运输阶段的碳排放包括制造商和客户之间的运输，因此机床运输的碳排放如下：
$$
\mathcal{C}_{\text{t}\mathcal{r}\mathcal{a}\mathcal{n}\mathcal{s}\mathcal{p}\mathcal{o}\mathcal{t}} = \sum_{i=1}^{\mathcal{T}}\mathcal{R}_{\text{i}}\mathcal{C}_{\text{F}}\mathcal{t}\mathcal{r}\mathcal{n}\mathcal{s}\mathcal{p}\mathcal{t}}
$$
其中
$$
\mathcal{C}_{\text{t}\mathcal{r}\mathcal{a}\mathcal{n}\mathcal{s}\mathcal{p}\mathcal{t}} \text{是} \text{运输阶段的碳排放。}
\mathcal{R}_{\text{i}} \text{是} \text{运输过程中使用的运输方式，如海运、铁路运输、公路运输或工厂内移动块的运输。}
\mathcal{T}_{\text{i}} \text{是} \text{i} \text{运输方式的里程或电能消耗。}
\mathcal{C}_{\text{F}}\mathcal{t}\mathcal{r}\mathcal{n}\mathcal{s}\mathcal{p}\mathcal{t}} \text{是} \text{i} \text{运输方式的碳排放系数。}
$$

4.2.4. 使用阶段的碳排放
整个生命周期中使用阶段的碳排放主要来自电能的消耗。尽管刀具的使用、冷却液、润滑剂和切屑的产生也会产生碳排放，但本文的研究重点是机床整个生命周期的碳排放。然而，冷却液、润滑剂和切屑产生的碳排放属于要在机床上加工的部件；因此，这部分不应计入机床的整个生命周期[26]。在金属切割中，刀具是可消耗的，会因刀具磨损或刀具失效而更换。刀具消耗引起的碳排放分布在刀具的使用寿命内，使用阶段的刀具相关碳排放可以表示为：
$$
\mathcal{C}_{\text{c}\mathcal{u}\mathcal{t}\mathcal{t}\mathcal{e}} = \mathcal{T}_{\text{c}\mathcal{u}\mathcal{t}}\mathcal{T}\mathcal{T}\mathcal{e}\mathcal{C}_{\text{F}}\mathcal{c}\mathcal{u}\mathcal{t}\mathcal{e}
$$
其中
$$
\mathcal{C}_{\text{c}\mathcal{u}\mathcal{t}\mathcal{t}} \text{是} \text{分配给刀具消耗的碳排放；}
\mathcal{T}_{\text{c}\mathcal{u}\mathcal{t}} \text{是} \text{加工任务的切削时间；}
\mathcal{C}_{\text{F}}\mathcal{c}\mathcal{u}\mathcal{t}} \text{是} \text{刀具的碳排放系数；}
\mathcal{M}_{\text{c}\mathcal{u}\mathcal{t}} \text{是} \text{刀具的质量；}
\mathcal{T}_{\text{c}\mathcal{u}\mathcal{t}} \text{是} \text{刀具的使用寿命，直到更换，公式为}
$$
\mathcal{T}_{\text{c}\mathcal{u}\mathcal{t}} = \mathcal{C}_{\text{T}}\mathcal{\tau}\mathcal{x}}\mathcal{F}\mathcal{y}
$$
刀具磨损可能会影响切削能耗并缩短刀具使用寿命；然而，由于使用阶段的碳排放主要由电能消耗和基本功耗及辅助系统功耗组成，刀具磨损对使用阶段总碳排放的影响较小，在筛选阶段可以忽略[27,28]。

机械加工过程中的能耗通常分为三部分[29]：恒定能耗、响应能耗和切削能耗。恒定能耗是指机床通电但未移动时的能耗；这包括CNC系统、冷却系统、照明系统和切削屑收集传输系统。这部分的特点是系统或功能开启时会消耗能量，但关闭时不会。响应能耗是由于主轴和进给指令变化引起的能耗；这部分能耗受主轴速度的影响较大，进给轴的影响可以忽略。切削能耗与加工材料、切削参数和刀具参数有关。因此，使用阶段的碳排放可以表示为：
$$
\mathcal{E}_{\text{r}\mathcal{n}\mathcal{n}\mathcal{i}} = \sum_{i=1}^{\mathcal{T}}\mathcal{T}_{\text{i}}\mathcal{T}_1 \cdot \sum_{j=1}^{\mathcal{T}}\mathcal{T}_j \cdot \mathcal{T}_2
$$
其中
$$
\mathcal{T}_{\text{i}} \text{是} \text{i} \text{类型机床的基本功耗。}
\mathcal{T}_1 \text{是} \text{机床通电的时间。}
\mathcal{T}_j \text{是} \text{i} \text{组件在} \text{T}_j \text{时刻的状态；当它处于活动状态时为1，否则为0。}
\mathcal{T}_2 \text{是} \text{响应能耗的持续时间。}
\mathcal{T}_3 \text{是} \text{切削功率。}
$$
用于确保机床正常运行的外围设备（如空气泵）的能耗应根据工厂的生态足迹来确定；即机床操作所需面积与车间总面积的比例等于外围设备能耗与车间总外围能耗的比例。照明和中央空调等外围设备是维持工人活动的可选条件，与机床加工无关，因此不应计入外围设备的能耗中。机床的外围设备能耗为 ??????????????????????????????，其计算公式为：??????????????????????????????=???????????????????????????????????????????????????????????????????1 （9），其中 ????????????????????? 表示机床运行所需的面积，????????????????????? 表示车间的总面积，????????????????????? 表示外围设备的总功耗。应用阶段的碳排放量为：???????????????????=(???????????????????+??????????????????????????????)???????????????????????????????? （10）。

4.2.5 处理和再制造阶段的碳排放
机床产品在回收、再利用和再制造方面具有很高的价值。近年来，越来越多的研究表明，大约80%的机床零件和组件可以通过再制造重新进入机床市场，替代一些新零件。这样可以减少机床生命周期中的某些环节，节省原材料和粗加工过程，从而降低生命周期碳排放。一些不可重复使用的零件可以回收作为原材料，一定程度上减少碳排放。

处理和再制造阶段的碳排放量为：???????????????????=?????????∑??=1(????????????????????)?????????∑??=1(????????????????????）（11），其中 ??????????????????? 表示处理和再制造阶段的碳排放量，???????? 表示再制造零件的种类，???????????? 表示案例i中通过再制造替换零件的碳排放量，??????? 表示案例i中再制造零件的制造过程中的碳排放量，???????? 表示回收材料的种类，???????????? 表示案例j中回收材料的碳排放量，??????? 表示案例j中回收材料的处理过程中的碳排放量。

5. 案例研究
5.1 应用
选择了齐齐哈尔第二机床（集团）有限公司生产的两种落地式铣镗床（型号TK6513和一种自制的自用机床，为方便起见命名为TEST01）来分析机床的生命周期碳排放（图4）。目前，机床的回收和再制造技术还不够成熟，也没有相关的实际数据。因此，机床报废后会被作为废弃物回收。基于iERWC系统的这两种机床的边界条件如图5所示。表2显示了机床的主要技术参数，表3展示了BOM列表中的机床材料组成和重量。通常选择公路运输作为机床的运输方式；TK6513是从生产者运输到消费者的，而TEST01不需要运输。能耗的测量和数据详见参考文献[21]。机床零件的碳排放和组装阶段的碳排放不受生产者、消费者或机床使用情况等因素的影响，可以视为固定值。运输阶段的碳排放受地区因素、运输方式和运输距离等直接因素的影响。处理和再制造阶段的碳排放明显受到法律法规的影响。机床零件的再利用率越高，对环境的影响越小，越环保。相比之下，应用阶段的碳排放与上述阶段完全不同；这些是可变的碳排放，不会随着固定的生产者、消费者或材料属性而固定。它与生产效率和使用时间密切相关，受到实际工作条件的影响。

图4. 落地式铣镗床和测量仪器：(a) TK6513和测量仪器；(b) TEST01；(c) 铣刀。
图5. 基于iERWC系统的边界条件。
表2. 机床的主要技术参数。
表3. 机床的材料组成和重量。
本案例旨在研究落地式铣镗床的生命周期碳排放特性。由于它们是通用机床，材料类型、数量、加工类型和待加工参数都是不确定的。应选择标准零件作为声明单位，根据第2节分析生命周期碳排放特性。本文中的标准零件（图2）是根据日本标准协会制定的“电力消耗测试方法”（JIS TS B 0024-1:2010）设计的，通过统计工厂的实际加工情况，并结合公司技术人员的意见以及来自中国第一重型工业的技术人员的建议综合而成。该标准零件集成了典型的加工特征，包括孔、槽、扩孔和台阶，其出现的具体频率分别为29.0%、38.7%、25.8%和6.5%。该标准零件的材料为HT300，其具体尺寸如图2b所示。标准零件还包括工艺规范，使其成为整个机床生命周期中碳排放的更广泛的声明单位。整个生命周期各阶段的碳排放计算结果如图6所示。

5.2 讨论
从图6的数据可以看出，TK6513和TEST01的生命周期碳排放分别为1067.54吨二氧化碳和1320.98吨二氧化碳；应用阶段的碳排放分别为813.91吨二氧化碳和1113.75吨二氧化碳，占机床生命周期碳排放的76.24%和84.31%。可以看出，应用阶段的碳排放占据了总碳排放的绝大部分，是机床生命周期中的主要碳排放源。因此，通过参数优化研究低碳加工具有重要意义。在这种情况下，两种机床加工的标准零件的加工技术和切削参数相同，所以有效工作量也相同。可以确定，两种机床之间碳排放的差异是由于机床非切削部分的能耗不同造成的。与TEST01相比，TK6513所需的辅助设施和设备可能较少，电机功率和响应能耗也会较小，因此非切削部分的能耗也会较小。因此，需要将车间任务与机床和工艺相匹配。合理的工艺规划和作业车间调度不仅可以提高加工效率，还可以最小化机床的待机时间和空闲时间，从而实现低碳加工。同时，选择适合加工任务的机床、合理的切削参数和工艺将有效大幅降低能耗。

机床零件的碳排放分别占机床总生命周期碳排放的13.93%和13.94%，大部分碳排放来自机床的加工和原材料准备等。机床本身的零件数量有限。加工技术和加工参数的优化只能在一定程度上促进节能和减排，但减排的空间有限。然而，如果机床床身和导轨来自废弃机床的再制造，或者进行机床的轻量化设计，那么这些部分的碳排放将呈现阶梯式下降趋势，具有较大的节能空间。在我们的案例中，使用回收的铸铁和钢材制造相应的机床零件，可以为TK6513减少50.5吨二氧化碳的碳排放，为TEST01减少62.83吨二氧化碳的碳排放。

运输阶段的碳排放分别占机床生命周期碳排放的7.52%和0%。这部分碳排放直接受到制造商和客户位置的影响，这是不可避免的。改变运输方式可能是减少这部分碳排放的唯一途径。目前，废弃机床的再制造受到再制造水平和人们观念的限制；报废的机床会被作为普通废钢处理，因此回收过程的环境成本和费用较高，环保性较差。因此，废弃机床的再制造将是未来发展的趋势。

图7绘制了机床各生命周期阶段碳排放特征随时间的变化曲线；可以看出，在投入使用之前，TK6513和TEST01已经分别产生了228.96吨二氧化碳和184.23吨二氧化碳的碳排放。这是机床开始使用之前就已经存在的碳排放部分，因为这部分包括机床零件、组装阶段的碳排放和运输阶段的碳排放。这部分碳排放只能尽可能降低，但不能完全消除。由于TK6513的重量比TEST01轻，因此TK6513的机床零件碳排放较少。但是TK6513需要通过公路运输从齐齐哈尔运输到四川，因此消耗的柴油燃料会产生大量碳排放。然而，TEST01是自制自用的产品，不需要运输，因此在运输阶段没有碳排放。在使用20年后，碳排放还会急剧增加；这些碳排放是由可以在处理和再制造阶段回收或再利用的零件或组件产生的热处理产生的。如果一些废弃机床的零件或组件被再制造，这部分碳排放将大大减少，从而降低新机床的所需碳排放，这对节能和减排或成本核算都有好处。

图7. 两种机床的生命周期碳排放特性。图中两条斜线段跨越了机床20年的服务周期，表示应用阶段的碳排放曲线（图7）。可以看出，TEST01机床在服务周期结束后的碳排放高于TK6513机床。造成这种现象的原因是TEST01的体积大于TK6513，因此其在服务阶段的单位时间碳排放大于TK6513。这也说明TK6513的碳排放斜率小于TEST01的碳排放斜率。也就是说，TK6513每单位时间的碳排放低于TEST01。还发现两条曲线在服务第三年左右相交，表明此时它们的累计碳排放相等。在交叉之前，TK6513的累计碳排放高于TEST01；交叉之后，两者变得相等。

6. 不确定性分析
本文为机床的生命周期碳排放评估提供了一个参考评估思路、评估系统和计算方法。然而，当不同国家和地区的人们对机床进行生命周期碳排放评估时，即使是同一种类型的机床，其生命周期碳排放也会有所不同。这是因为机床生命周期碳排放评估存在一些不确定性。例如，机床的使用寿命、加工参数、能源结构、自制零件的原材料来源等都会导致这种不确定性。这种不确定性影响了机床整个生命周期碳排放计算的可靠性，并对计算有一定的限制，如下所述（图8）。

图8. 机床生命周期碳排放的不确定性影响因素。
(1) 材料来源
自制零件通常由工厂自行铸造和锻造；当然，有些企业也采用定制外包的方式。但无论哪种情况，不同的原材料来源会产生不同的碳排放量。例如，使用回收金属铸造的机床床身的碳排放远小于使用原始石材开采和精炼铸造的机床床身的碳排放。拆卸和再加工废旧机床所产生的碳排放量低于资源回收方法的碳排放量。此外，即使使用相同的材料、相同的尺寸和相同的功能部件，不同制造商生产的标准部件也会因为原材料来源、加工技术等因素的不同而产生不同的碳排放量。例如，TK6513铸铁的碳排放量高达108.9吨二氧化碳（tCO2），但如果机床床身部件来自废旧机床，则在加工和运输阶段的碳排放量会大大减少。

中小型机床在应用阶段的碳排放量占其整个生命周期的绝大部分，通常超过96%。能源不仅包括直接从自然界获取的一次能源，还包括经过人工转换的二次能源。一次能源的碳排放因子具有普遍性，在不同的生命周期评估（LCA）数据库之间差异较小，不确定性也较低。相比之下，二次能源的制备过程需要消耗能源，其碳排放因子与制备过程密切相关；如果同一二次能源的制备过程不同，其碳排放因子可能会有很大差异，不确定性较高。例如，水力发电几乎不产生二氧化碳，而热力发电的制备过程会产生大量碳排放。在这种情况下，北方电网的能源碳排放因子为0.7802千克二氧化碳/千瓦时（kgCO2/kWh），如果使用西北电网的0.6433千克二氧化碳/千瓦时的碳排放因子，则总碳排放量可减少128.86吨二氧化碳（tCO2）。因此，选择低碳排放因子的能源具有很大的节能潜力。此外，还应考虑完全可再生能源的电力情景，此时电力碳排放因子可近似为零，从而在使用阶段的电力消耗所导致的碳排放几乎可以消除，整个生命周期的碳排放量将显著降低。具体而言，TK6513的总碳排放量将从1067.54吨二氧化碳降至约333.2吨二氧化碳，TEST01的总碳排放量将从1320.98吨二氧化碳降至约286.8吨二氧化碳。

机床生命周期中不同阶段对区域电力排放因子的敏感性也有所不同。本研究将机床的生命周期碳排放分为五个阶段：直接受电力排放因子影响的阶段包括机床零部件生产阶段、组装阶段和应用阶段；运输阶段以及处置和再制造阶段则通过材料相关和燃料相关的排放因子进行量化。在我们的案例研究中，零部件生产阶段没有自制零部件的制造过程，组装阶段也遵循了特定的截止规则，因此这两个阶段的电力消耗所导致的碳排放可以忽略不计。因此，不同地区的应用阶段碳排放量会因电力排放因子的选择而存在显著差异。应用阶段的碳排放量可表示为C = E × EF，其中SEF表示对电力排放因子的敏感性系数，等于相应的电力需求E。在本研究中，两种机床的应用阶段电力需求分别为941,220千瓦时和1,325,520千瓦时。由此可见，应用阶段是受区域电网电力排放因子变化影响最大的阶段，而其他阶段由于不涉及电力消耗项，因此敏感性为零。因此，电力排放因子是一个关键的不确定性因素，它不仅会影响总碳排放量，还会影响不同生命周期阶段的碳排放构成。

在整个机床生命周期中，机床的标准部件、自制部件的原材料、成品机床等都需要运输和分配。但由于外包部件、原材料供应商、运输批次等因素的不同，运输方法和距离也存在不确定性，从而导致碳排放量难以预测。此外，在制造过程中，自制部件需要在工厂内多次转运，每次转运的距离和技术人员的操作水平都会影响运输阶段的碳排放量。例如，TK6513从制造商到购买者的运输过程中会产生80吨二氧化碳的碳排放，而TEST01则可以避免这部分碳排放，两者之间的差距显而易见。

机床从投入使用到最终报废需要运行多年，操作人员的使用习惯和维护水平会对机床的使用寿命产生一定影响，从而影响机床使用阶段的碳排放量。总体而言，操作人员的良好习惯和设备维护水平会延长机床的使用寿命，从而在评估期间增加总碳排放量，但平均碳排放量会降低。机床投入使用后，各模块和部件之间的配合会从初始的紧张状态逐渐变得顺畅，最终进入磨损阶段，年度碳排放量会先减少后增加。

机床报废后，不同的处置方法会导致碳排放量的巨大差异。受机床报废状态、回收技术水平及回收策略（产品级再利用、组件级再制造、材料回收）的影响，同一机床对再制造的贡献程度不同，其环境影响也具有高度不确定性。目前中国的拆卸技术水平较低，许多可重复使用的机床部件只能进行组件级再制造或作为原材料回收，导致产品回收效率低下且环保性能不佳。机床产品的回收和再利用可以提高材料利用率，从而提升产品的经济和环境效益，但再制造水平仍是一个不确定因素。

为了比较和评估不同机床的生命周期碳排放量，并解决现有模型普遍性不足和程序不统一的问题，本研究提出了一种基于声明单元的机床生命周期碳排放评估系统。该系统首先选择合理且具有针对性的声明单元，然后根据iERWC边界模型划分系统边界，并结合机床的加工特性建立不同生命周期阶段的碳排放模型。通过精心设计的实验获取活动级数据，并通过将活动数据与公共数据库或制造商提供的碳排放因子相结合来计算生命周期碳排放量。最后通过输入输出的质量平衡和专家判断对结果进行审核，以确保评估的可靠性和可重复性。根据待评估机床的应用领域和加工部件的特点，选择不同的声明单元进行生命周期碳排放评估，以实现同类不同机床之间的绿色性和可持续性比较。基于信息流的iERWC碳排放边界划分模型可以有效避免整个生命周期计算中某些因素的缺失。使用阶段的电力消耗所导致的碳排放量占整个生命周期碳排放量的绝大部分。由于使用阶段的碳排放量是通过排放因子计算的，因此电力结构对碳排放量的影响至关重要。如果假设使用电力完全来自可再生能源，TK6513和TEST01的总生命周期碳排放量将分别降至约333.2吨二氧化碳和286.8吨二氧化碳，主要碳排放源将转移到制造、运输、处置和再制造阶段。此外，涂层刀具的使用通过刀具消耗和更换需求影响应用阶段的碳排放，表明在评估和优化低碳加工时应将刀具相关库存纳入能源核算。研究加工过程中的参数优化对于实现节能和减排具有重要意义。案例研究还表明，轻量化设计和再制造可以有效降低机床的生命周期碳排放量。降低碳排放的关键策略是选择低碳排放因子的能源，并合理匹配设备和生产任务。