切削過程中懸浮粉塵顆粒的空間分布特性研究

任 凡 劉 飛

重慶大學機械傳動國家重點實驗室,重慶,400030

0 引言

機械加工,特別是干切削過程中會產生大量的粉塵。盡管現代數控機床大多采用封閉結構,限制了粉塵擴散,但是在機床防護門打開時,仍有懸浮粉塵顆粒泄露。特別是沒有除塵裝置的開放式或半開放式的年代較早的普通機床依然大量存在,它們加工中產生的粉塵直接排放到周圍空氣中。這些細微粉塵顆粒能在空氣中長時間懸浮,特別是粉塵顆粒尺寸很小時,它們很難被移除,并容易被人體吸入,危害人體健康。其中,直徑小于10μ m粉塵顆粒(PM10)是可吸入的,特別是直徑小于2.5μ m的細微粉塵顆粒(PM2.5)又稱為可入肺顆粒,能夠進入人體肺泡甚至血液循環系統中去,可能引發心臟病、肺病、呼吸道疾病,降低肺功能等。

為此,隨著近年來綠色制造研究的開展,切削粉塵問題引起國內外廣大學者的關注,但大部分研究關注于細微粉塵顆粒的產生、危害、機理和影響因素。研究表明,細微粉塵顆粒的數量和顆粒大小與加工過程中的工件材料、刀具材料、切削參數等有關[1-8]。這些研究期望通過優化加工減少細微粉塵顆粒的產生,但是如果沒有除塵系統,不論細微粉塵顆粒產生的數量減少為多少,始終不能完全避免細微粉塵顆粒的產生,細微粉塵顆粒仍會被排放到空氣中。文獻[7]指出,磨削加工中產生的金屬粉塵大部分是可吸入性的,如果不使用除塵系統,懸浮在機床附近空氣中的粉塵顆粒濃度就會超過某些國家的環境規范。懸浮粉塵顆粒的分布規律對于減少粉塵危害及除塵措施的有效開展具有重要的意義,然而針對此方面的研究未見報道。

機床切削產生的細微粉塵顆粒的擴散和稀釋是很復雜的過程。即便忽略重力和通風對細微粉塵顆粒擴散的影響,細微粉塵顆粒還是會隨著因工件或刀具在切削過程中運動引起的空氣紊流而擴散,要準確模擬金屬切削活動產生的流場是比較困難的。《金屬切削機床粉塵濃度的測定》(JB/T 9878—1999)規定了金屬切削機床生產性粉塵濃度的濾膜測量方法,該方法只針對在工人經常操作的位置進行采樣,并規定采樣后用精密天平對收集在濾膜上的粉塵進行稱重,因此不能現場獲得數據;此外規定采樣后濾膜上的粉塵質量應為1～10mg,更加適合大顆粒粉塵的測量,對于細微粉塵顆粒,許多切削過程產生的總質量可能不足1mg,若使用該方法將會造成很大測量誤差。文獻[2,4-6]為獲得產生的切削粉塵的質量數據,使用激光粉塵儀對切削點附近的細微粉塵顆粒濃度進行連續測試,然而其測試條件是用防塵罩將切削點封閉,獲得的粉塵濃度并不能反映自由空間條件下,即現實加工條件下切削粉塵擴散的情況。因此,筆者在無通風的自由空間內,針對量大面廣的車削加工,通過實驗方法研究機床恒負載加工環境下細微粉塵顆粒的空間分布特性。

1 實驗原理

濃度是描述粉塵顆粒分布的直觀指標。機械加工過程中的粉塵濃度分布,除了受到不同加工條件下產生的粉塵數量和質量的影響外,還受室內換氣率、房間容積、通風裝置、氣流狀態等因素影響。

首先,機械加工產生的粉塵顆粒的數量和顆粒大小與加工過程中的工件材料、刀具材料、刀具表面粗糙度、切削角度、切削速度、進給速度、切削深度等有關。盡管影響切削粉塵產生量的因素眾多,但加工材料、進給速度和切削速度是影響粉塵產生量的顯著因素[3-4]。從圖1可以看出,對于同種類型的加工材料,切削粉塵量隨切削速度變化的規律一致;對于同一種加工材料,即使切削進給量不同,切削粉塵量隨切削速度而變化的模式也是相似的,因此,針對典型加工材料的典型加工條件下的切削粉塵的實驗研究也將具有典型性。在圖1中,Du為量綱一的綠色評價因子

式中,mdust為產生細微粉塵顆粒的總質量;mchip為產生的切削屑的總質量。

其次,盡管構成機械加工環境的氣流復雜,但可以肯定的是切削過程中機床附近區域的氣流主要是由工件 —刀具系統的運動引起的,因而可以忽略通風氣流、人員活動帶來的隨機空氣運動等。切削運動引發的流場描述比較困難,但可以用流體學方法分析影響粉塵濃度分布的因素。計算流體力學的拉格朗日模型將空氣相看作連續相,因此可通過求解單個顆粒的動量方程得到單個顆粒的運動軌跡,即

式中,vp為顆粒的速度,m/s;τ為時間,s;υa為空氣的黏度,Pa˙s;ρp為顆粒的密度,kg/m3;dp為顆粒的直徑,m;Cc為克寧漢修正系數;v為空氣的速度,m/s;g為自由落體加速度,m/s2;ρa為空氣的密度,kg/m3;Fs為顆粒受到的Saffman提升力,N。

式(2)中右邊第一項為流體曳力,第二項為顆粒所受重力和浮力,第三項為Saffman提升力。

為了得到顆粒的濃度分布,需要將顆粒的軌道進行統計。顆粒濃度的計算用單元格顆粒源法(PSI—C),即

式中,Cj為第j個單元格內顆粒的平均質量濃度;M為每條軌道所代表的流量,且假設每條軌道所代表的流量一樣;τi,j為顆粒在第j個單元格第i條軌道的停留時間;m為軌道數;Vj為第j個單元格的體積。

由于空氣紊流主要由切削運動引起,因此,流場中的空氣速度一定是關于切削速度的函數,即u=f(vc),結合式(2)、式(3)可知,Cj=f′(vc),即粉塵濃度的分布一定同切削速度相關。

綜合上述分析,本文認為:切削運動引起的氣流運動模式主要影響粉塵濃度的空間分布模式,機械加工產生的粉塵總量影響濃度分布的大小。由于不同工況下產生的粉塵量不一樣,特定的懸浮粉塵顆粒的空間濃度數值沒有普遍意義,但對于車削加工,與進給運動相比,卡盤—工件系統的轉動為主要運動,各種加工條件下,卡盤—工件系統引起的空氣運動模式非常相似,因此,懸浮粉塵濃度的相對指標能反映其共同特性。

此外,當加工過程中參數恒定不變時,根據式(1),可認為加工過程中粉塵源強是連續均勻的,且卡盤—工件系統的轉動勻速,因此認為機床附近的粉塵顆粒濃度場達到穩定狀態。由于切削速度是影響粉塵濃度分布的重要因素,因此,通過測量典型加工材料機械加工過程中不同切削速度下的空間點的粉塵濃度,就可將其相對指標用來表征切削懸浮粉塵顆粒的分布模式。

2 實驗設計

使用基于光反射原理的微電腦激光粉塵儀LD—5C(H)對機床附近空氣進行在線連續采樣。當光照射在空氣中懸浮的粒子上時,產生光散射,在光學系統和粉塵性質一定的條件下,散射光強度與粉塵濃度成比例。光散射法測定空氣中的粉塵濃度是通過測量散射光強度,經過轉換求得粉塵質量濃度。粉塵儀的抽氣速度為2L/min,且在粉塵儀進氣口安裝PM10粒子分離切割器,只允許直徑小于10μ m的粉塵顆粒進入檢測設備。空氣中粉塵質量濃度與光散射式粉塵儀測定的相對質量濃度的比值——質量濃度轉換系數K取為0.012(參考日本PM10的K值標準)。粉塵儀與PC機通過RS232通信接口相連,每次連續監測采樣后,將數據傳送到PC機進行處理。

為避免室外和通風設備帶來的空氣擾動影響粉塵擴散,測量時,停止機械加工車間內所有非測試機床的工作,并關閉所有窗戶、風扇、空調等,且保證機床外2m內無障礙物。測量時,建立的實驗平臺及坐標系如圖2所示。

文獻[9]指出當細微粉塵顆粒到達壁面時,一般情況是黏附到壁面后結束顆粒軌道運行,所以通常顆粒不能積攢足夠的能量來克服壁面的黏附力。據此,本文認為粉塵顆粒碰到車床床面和卡盤面時都黏附到了機床表面,因此不考慮—y和—z方向的粉塵濃度分布。此外,同切削轉速相比,進給速度非常慢,z軸正向的氣流運動相對來說非常弱,因此,本文主要討論oxy平面內粉塵濃度分布。為獲得粉塵的空間分布狀態,按照“近密遠疏”的原則選取如表1所示的若干測試點。加工條件如表2所示。

表1 粉塵濃度測試空間測試點位置 m

續表1

表2 車削加工測試條件

保證每種車削條件重復加工若干次,每次加工過程中粉塵儀只在一個空間測試點測量。加工過程中負載恒定,又假設懸浮粉塵顆粒濃度場穩定,且等于測量所得切削時間內的細微粉塵顆粒的平均值。為保持每次測試條件相同,必須保證測量開始前空氣粉塵濃度相同,在未進行任何切削時,測得空氣中本底粉塵濃度,記為C0。每次測試后,打開窗戶和換氣扇加速通風,直至粉塵濃度降為C0。

3 實驗結果分析與討論

3.1 實驗結果

實驗結果數據如表3所示。

通過MAT LAB對數據進行二維的三次插值處理,獲得圖3所示oxy平面粉塵濃度分布等值線圖。空間粉塵分布濃度可能不精確,但能反映基本特性。

表3 不同加工條件下測試點的粉塵濃度 mg/m3

3.2 粉塵分布方向性分析

在圖3a、圖3b中,粉塵濃度在oxy平面的第二象限內相對更高,即機床前側總體的粉塵濃度明顯高于機床后側總體的粉塵濃度,亦即工人操作區域的粉塵濃度相對較高;在圖3c、圖3d中,粉塵濃度在x=0的兩側分布相對均勻。

另外,測試點可以粗略地分為以坐標原點為中心的6個射線方向:—x方向包括點1～6,記為方向A;x方向包括點7～12,記為方向B;y方向包括點13～16,記為方向C;剩下的點分別處于oxy平面的第一和第二象限內,且分別在π/4和3π/4附近,簡化記為D和E方向。

求得的每個方向的粉塵濃度平均值及其不同切削速度下的不同方向的粉塵濃度變異系數如表4所示。

表4 不同方向平均粉塵濃度比較 mg/m3

在切削速度為53.6m/min的工況下,不同方向粉塵濃度變異系數最為顯著。在現實機械加工環境下,假設人均高度1.7m,嘴鼻等呼吸器官的離地高度約為1.5m,從圖3a中可以看出工人吸入的粉塵濃度高達0.8～1.4mg/m3。

從圖1b可以看出切削粉塵在低速和高速兩個切削速度范圍內最小。因此,即使低速和高速切削產生的粉塵總量都比較低,但由于粉塵濃度方向性問題,低速切削產生的粉塵更加集中在機床操作人員的工作位置,被員工吸入的量相對更多,所以從職業健康角度更推薦使用高速切削。此外,從生產效率來看,高速切削無疑更具優勢。因此,高速切削不僅更具競爭力,而且更加環保。

3.3 粉塵空間分布梯度

使用相對指標——變異系數CV來評價粉塵空間分布的梯度問題,消除不同切削轉速下產生的粉塵總量水平高低的影響。由于粉塵濃度空間分布具有方向性,因此,選取方向性明顯的—x方向的粉塵濃度作為研究對象(表5)。

表5 —x方向粉塵濃度梯度

隨著切削速度的增大,粉塵濃度空間分布的變異系數減小。也就是說在研究空間范圍內,切削速度越低,粉塵濃度梯度越大;切削速度越高,粉塵分布越均勻,梯度越小。從圖3可直觀地獲得類似結論。

對于高速切削的情況,因為粉塵濃度分布梯度小,因此在對粉塵分布的模擬時,可以做一些近似處理,認為在一定的空間范圍內濃度分布均勻。

3.4 現象分析與解釋

對于上述懸浮粉塵顆粒分布特性,本文從主粉塵產生和其擴散的能量方面進行如下定性分析。

首先,細微粉塵顆粒是在切屑成形過程中,因剪切區中由塑性形變產生軟化帶的斷裂導致的各種形式的微摩擦產生的。這種微摩擦同切削條件、工件材料的塑性及切屑成形模式密切相關[3]。從微觀的角度來看,切削產生細微粉塵由以下幾個部分組成(圖4):①剪切帶內的剪切活動對材料的擠壓引發塑性變形產生一部分粉塵(Q1);②在切屑的成形過程中,切屑的變形產生另外一部分粉塵(Q2);③切屑在前刀面的滑移將經歷第二次變形和摩擦,導致一部分粉塵的產生(Q3);④刀具在新切表面的擦動產生的更多粉塵(Q4),并且在切削開始時和刀具發生刀面磨損時粉塵量會增加。如果有積屑瘤產生,積屑瘤破裂排出時會產生第二次摩擦損耗,因此產生更多的粉塵。

粉塵在產生的瞬間主要集中在刀具同工件接觸點周圍。在本實驗中,刀具同工件接觸點正好在—x軸上,且主軸正向轉動(正轉),切屑朝第二象限方向脫落,第二象限粉塵濃度必然相對較高。

切削粉塵產生后,要經過一定的傳播過程才能向空氣中擴散,粉塵顆粒從靜止狀態變為懸浮狀態的過程稱作啟動或塵化過程。對于車削加工,粉塵顆粒啟動過程影響因素復雜,可能受風壓、升力、沖擊、壓差、振動等作用,本文把切削粉塵的啟動原因歸結為一種接觸力,即細微粉塵顆粒離開刀具—工件系統瞬間受到的接觸力,接觸力可以認為是工件旋轉過程中給粉塵的切向作用力,使其像被投擲的物體一樣沿切向離開刀具—工件系統,且使粉塵顆粒獲得同切削線速度一樣大小的切向初始速度。若從能量的角度來考慮,粉塵顆粒離開刀具—工件系統瞬間的動量為

式中,m為粉塵顆粒的質量;v0為粉塵顆粒離開刀具—工件系統的瞬時速度,v0=vc。

初速度越大的粉塵顆粒,其逃離刀具—工件系統的能力也越強。

粉塵變成懸浮狀態后,跟隨切削旋轉引起的氣流而擴散,粉塵顆粒在運動過程中受到大小和方向都不斷變化的黏滯力作用。但一般來說,工件轉速越快,空氣流速也越快;轉速越高,粉塵顆粒受到的空氣黏滯力越大,獲得的能量也就越多。粉塵顆粒在機械力和空氣黏滯力的共同作用下,切削轉速越高,粉塵顆粒獲得的能量越多,擴散能力亦就相應增強。

因此,從能量的角度分析認為:在較低切削速度下,粉塵獲得的能量較低,不足以脫離粉塵產生的區域,所以具有明顯方向性,且粉塵濃度分布梯度明顯;在較高切削速度下,粉塵獲得較高的能量,其擴散能力強,擴散距離遠,還能擴散到距粉塵產生區域較遠的空間,在機床周圍粉塵濃度分布更加均勻,濃度分布梯度小。

4 結論

本文研究了恒負載機械加工條件下直徑小于10μ m的細微粉塵顆粒的空間分布。首先通過激光粉塵儀測得不同切削速度下、切削時間內,切削點周圍不同空間位置的粉塵濃度。通過圖形和數值分析得到以下結論:

(1)在低切削速度范圍內,粉塵濃度分布具有明顯方向性,即機床前側的粉塵濃度明顯高于機床后側;高切削速度下,機床前后側的粉塵濃度分布狀態相似,無明顯方向性。同低速切削產生的粉塵集中在機床操作人員的工作位置相比,高速切削不僅更具競爭力,且更加環保。

(2)隨著切削速度的增大,粉塵分布的濃度梯度越來越小,在較高切削速度下,粉塵分布比較均勻,即在切削速度較高的情況下,可以認為在一定的空間范圍內濃度分布均勻。

切削粉塵分布特性的研究結果,可為粉塵空間分布的宏觀性數值模擬提供依據,從而為粉塵控制提供參考。

[1]Martyny J W,Hoover M D,Mroz M M,et al.Aerosols Generated duringBeryllium Machining[J].Journal of Occupational and Environmental Medicine,2000,42(1):8-18.

[2]Balout B,Songmene V,M asounave J.An Experimental Study of Dust Generation during Dry Drilling of Pre—cooled and Pre—heated Workpiece Materials[J].Journal of Manufacturing Processes,2007,9(1):23-34.

[3]Khettabi R,Songmene V.Understanding the Formation of Nano and Micro Particles during Metal Cutting[J].International Journal of Signal System Control and Engineering,2008,1(3):203-210.

[4]Arumugam P U,Malshe A P,Batzer S A,et al.Study of Airborne Dust Emission and Process Performance during Dry Machining of Aluminum—Silicon Alloy with PCD and CVD Diamond—coated Tools[J].Journal of M anufacturing Processes,2003,5(2):163-169.

[5]Khettabi R,Songmene V,Masounave J.Effect of Tool Lead Angle and Chip Formation Mode on Dust Emission in Dry Cutting[J].Journal of M aterials Processing Technology,2007,194(1/3):100-109.

[6]Zaghbani I,Songmene V,Khettabi R.Fine and Ultrafine Particle Characterization and Modeling in High—peed Milling of 6061—T6 Aluminum Alloy[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2009,18(1):38-48.

[7]Tonshoff H K,Karpuschewski B,Glatzel T.Particle Emission and Emission in Dry Grinding[J].Annals of the CIRP,1997,46(2):693-695.

[8]Arumugam P U,Malshe A P,Batzer S A.Dry Machining of Aluminum—Silicon Alloy Using Polished CVD Diamond—coated Cutting Tools Inserts[J].Surface and Coatings Technology,2006,200(11):3399-3403.

[9]Hinds W C.Aerosol Technology:Properties,Behavior,and Measurementof Airborne Particles[M].New York:Wiley,1982.