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(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400030

0 引言

機(jī)械加工,特別是干切削過程中會產(chǎn)生大量的粉塵。盡管現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床大多采用封閉結(jié)構(gòu),限制了粉塵擴(kuò)散,但是在機(jī)床防護(hù)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(jī)床依然大量存在,它們加工中產(chǎn)生的粉塵直接排放到周圍空氣中。這些細(xì)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(xì)微粉塵顆粒(PM2.5)又稱為可入肺顆粒,能夠進(jìn)入人體肺泡甚至血液循環(huán)系統(tǒng)中去,可能引發(fā)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(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注,但大部分研究關(guān)注于細(xì)微粉塵顆粒的產(chǎn)生、危害、機(jī)理和影響因素。研究表明,細(xì)微粉塵顆粒的數(shù)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(shù)等有關(guān)[1-8]。這些研究期望通過優(yōu)化加工減少細(xì)微粉塵顆粒的產(chǎn)生,但是如果沒有除塵系統(tǒng),不論細(xì)微粉塵顆粒產(chǎn)生的數(shù)量減少為多少,始終不能完全避免細(xì)微粉塵顆粒的產(chǎn)生,細(xì)微粉塵顆粒仍會被排放到空氣中。文獻(xiàn)[7]指出,磨削加工中產(chǎn)生的金屬粉塵大部分是可吸入性的,如果不使用除塵系統(tǒng),懸浮在機(jī)床附近空氣中的粉塵顆粒濃度就會超過某些國家的環(huán)境規(guī)范。懸浮粉塵顆粒的分布規(guī)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(jī)床切削產(chǎn)生的細(xì)微粉塵顆粒的擴(kuò)散和稀釋是很復(fù)雜的過程。即便忽略重力和通風(fēng)對細(xì)微粉塵顆粒擴(kuò)散的影響,細(xì)微粉塵顆粒還是會隨著因工件或刀具在切削過程中運(yùn)動引起的空氣紊流而擴(kuò)散,要準(zhǔn)確模擬金屬切削活動產(chǎn)生的流場是比較困難的?！督饘偾邢鳈C(jī)床粉塵濃度的測定》(JB/T 9878—1999)規(guī)定了金屬切削機(jī)床生產(chǎn)性粉塵濃度的濾膜測量方法,該方法只針對在工人經(jīng)常操作的位置進(jìn)行采樣,并規(guī)定采樣后用精密天平對收集在濾膜上的粉塵進(jìn)行稱重,因此不能現(xiàn)場獲得數(shù)據(jù);此外規(guī)定采樣后濾膜上的粉塵質(zhì)量應(yīng)為1～10mg,更加適合大顆粒粉塵的測量,對于細(xì)微粉塵顆粒,許多切削過程產(chǎn)生的總質(zhì)量可能不足1mg,若使用該方法將會造成很大測量誤差。文獻(xiàn)[2,4-6]為獲得產(chǎn)生的切削粉塵的質(zhì)量數(shù)據(jù),使用激光粉塵儀對切削點(diǎn)附近的細(xì)微粉塵顆粒濃度進(jìn)行連續(xù)測試,然而其測試條件是用防塵罩將切削點(diǎn)封閉,獲得的粉塵濃度并不能反映自由空間條件下,即現(xiàn)實(shí)加工條件下切削粉塵擴(kuò)散的情況。因此,筆者在無通風(fēng)的自由空間內(nèi),針對量大面廣的車削加工,通過實(shí)驗(yàn)方法研究機(jī)床恒負(fù)載加工環(huán)境下細(xì)微粉塵顆粒的空間分布特性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

濃度是描述粉塵顆粒分布的直觀指標(biāo)。機(jī)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(chǎn)生的粉塵數(shù)量和質(zhì)量的影響外,還受室內(nèi)換氣率、房間容積、通風(fēng)裝置、氣流狀態(tài)等因素影響。

首先,機(jī)械加工產(chǎn)生的粉塵顆粒的數(shù)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(jìn)給速度、切削深度等有關(guān)。盡管影響切削粉塵產(chǎn)生量的因素眾多,但加工材料、進(jìn)給速度和切削速度是影響粉塵產(chǎn)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(guī)律一致;對于同一種加工材料,即使切削進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(chǎn)生細(xì)微粉塵顆粒的總質(zhì)量;mchip為產(chǎn)生的切削屑的總質(zhì)量。

其次,盡管構(gòu)成機(jī)械加工環(huán)境的氣流復(fù)雜,但可以肯定的是切削過程中機(jī)床附近區(qū)域的氣流主要是由工件 —刀具系統(tǒng)的運(yùn)動引起的,因而可以忽略通風(fēng)氣流、人員活動帶來的隨機(jī)空氣運(yùn)動等。切削運(yùn)動引發(fā)的流場描述比較困難,但可以用流體學(xué)方法分析影響粉塵濃度分布的因素。計算流體力學(xué)的拉格朗日模型將空氣相看作連續(xù)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(yùn)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(shù);v為空氣的速度,m/s;g為自由落體加速度,m/s2;ρa(bǔ)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(xiàng)為流體曳力,第二項(xiàng)為顆粒所受重力和浮力,第三項(xiàng)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(jìn)行統(tǒng)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(nèi)顆粒的平均質(zhì)量濃度;M為每條軌道所代表的流量,且假設(shè)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(shù);Vj為第j個單元格的體積。

由于空氣紊流主要由切削運(yùn)動引起,因此,流場中的空氣速度一定是關(guān)于切削速度的函數(shù),即u=f(vc),結(jié)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(guān)。

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

此外,當(dāng)加工過程中參數(shù)恒定不變時,根據(jù)式(1),可認(rèn)為加工過程中粉塵源強(qiáng)是連續(xù)均勻的,且卡盤—工件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動勻速,因此認(rèn)為機(jī)床附近的粉塵顆粒濃度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。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(jī)械加工過程中不同切削速度下的空間點(diǎn)的粉塵濃度,就可將其相對指標(biāo)用來表征切削懸浮粉塵顆粒的分布模式。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

使用基于光反射原理的微電腦激光粉塵儀LD—5C(H)對機(jī)床附近空氣進(jìn)行在線連續(xù)采樣。當(dāng)光照射在空氣中懸浮的粒子上時,產(chǎn)生光散射,在光學(xué)系統(tǒng)和粉塵性質(zhì)一定的條件下,散射光強(qiáng)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(qiáng)度,經(jīng)過轉(zhuǎn)換求得粉塵質(zhì)量濃度。粉塵儀的抽氣速度為2L/min,且在粉塵儀進(jìn)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(jìn)入檢測設(shè)備?？諝庵蟹蹓m質(zhì)量濃度與光散射式粉塵儀測定的相對質(zhì)量濃度的比值——質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K取為0.012(參考日本PM10的K值標(biāo)準(zhǔn))。粉塵儀與PC機(jī)通過RS232通信接口相連,每次連續(xù)監(jiān)測采樣后,將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理。

為避免室外和通風(fēng)設(shè)備帶來的空氣擾動影響粉塵擴(kuò)散,測量時,停止機(jī)械加工車間內(nèi)所有非測試機(jī)床的工作,并關(guān)閉所有窗戶、風(fēng)扇、空調(diào)等,且保證機(jī)床外2m內(nèi)無障礙物。測量時,建立的實(shí)驗(yàn)平臺及坐標(biāo)系如圖2所示。

文獻(xiàn)[9]指出當(dāng)細(xì)微粉塵顆粒到達(dá)壁面時,一般情況是黏附到壁面后結(jié)束顆粒軌道運(yùn)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(jù)此,本文認(rèn)為粉塵顆粒碰到車床床面和卡盤面時都黏附到了機(jī)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(zhuǎn)速相比,進(jìn)給速度非常慢,z軸正向的氣流運(yùn)動相對來說非常弱,因此,本文主要討論oxy平面內(nèi)粉塵濃度分布。為獲得粉塵的空間分布狀態(tài),按照“近密遠(yuǎn)疏”的原則選取如表1所示的若干測試點(diǎn)。加工條件如表2所示。

表1 粉塵濃度測試空間測試點(diǎn)位置 m

續(xù)表1

表2 車削加工測試條件

保證每種車削條件重復(fù)加工若干次,每次加工過程中粉塵儀只在一個空間測試點(diǎn)測量。加工過程中負(fù)載恒定,又假設(shè)懸浮粉塵顆粒濃度場穩(wěn)定,且等于測量所得切削時間內(nèi)的細(xì)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(jìn)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(fēng),直至粉塵濃度降為C0。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

通過MAT LAB對數(shù)據(jù)進(jìn)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?？臻g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(diǎn)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(nèi)相對更高,即機(jī)床前側(cè)總體的粉塵濃度明顯高于機(jī)床后側(cè)總體的粉塵濃度,亦即工人操作區(qū)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(cè)分布相對均勻。

另外,測試點(diǎn)可以粗略地分為以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心的6個射線方向:—x方向包括點(diǎn)1～6,記為方向A;x方向包括點(diǎn)7～12,記為方向B;y方向包括點(diǎn)13～16,記為方向C;剩下的點(diǎn)分別處于oxy平面的第一和第二象限內(nèi),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(shù)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(shù)最為顯著。在現(xiàn)實(shí)機(jī)械加工環(huán)境下,假設(shè)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(dá)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(nèi)最小。因此,即使低速和高速切削產(chǎn)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(chǎn)生的粉塵更加集中在機(jī)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(yè)健康角度更推薦使用高速切削。此外,從生產(chǎn)效率來看,高速切削無疑更具優(yōu)勢。因此,高速切削不僅更具競爭力,而且更加環(huán)保。

3.3 粉塵空間分布梯度

使用相對指標(biāo)——變異系數(shù)CV來評價粉塵空間分布的梯度問題,消除不同切削轉(zhuǎn)速下產(chǎn)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(shù)減小。也就是說在研究空間范圍內(nèi),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(jié)論。

對于高速切削的情況,因?yàn)榉蹓m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(rèn)為在一定的空間范圍內(nèi)濃度分布均勻。

3.4 現(xiàn)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(chǎn)生和其擴(kuò)散的能量方面進(jìn)行如下定性分析。

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

粉塵在產(chǎn)生的瞬間主要集中在刀具同工件接觸點(diǎn)周圍。在本實(shí)驗(yàn)中,刀具同工件接觸點(diǎn)正好在—x軸上,且主軸正向轉(zhuǎn)動(正轉(zhuǎn)),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(chǎn)生后,要經(jīng)過一定的傳播過程才能向空氣中擴(kuò)散,粉塵顆粒從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閼腋顟B(tài)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(fù)雜,可能受風(fēng)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(jié)為一種接觸力,即細(xì)微粉塵顆粒離開刀具—工件系統(tǒng)瞬間受到的接觸力,接觸力可以認(rèn)為是工件旋轉(zhuǎn)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(tǒng),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(tǒng)瞬間的動量為

式中,m為粉塵顆粒的質(zhì)量;v0為粉塵顆粒離開刀具—工件系統(tǒng)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(tǒng)的能力也越強(qiáng)。

粉塵變成懸浮狀態(tài)后,跟隨切削旋轉(zhuǎn)引起的氣流而擴(kuò)散,粉塵顆粒在運(yùn)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(zhuǎn)速越快,空氣流速也越快;轉(zhuǎn)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(jī)械力和空氣黏滯力的共同作用下,切削轉(zhuǎn)速越高,粉塵顆粒獲得的能量越多,擴(kuò)散能力亦就相應(yīng)增強(qiáng)。

因此,從能量的角度分析認(rèn)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(chǎn)生的區(qū)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(kuò)散能力強(qiáng),擴(kuò)散距離遠(yuǎn),還能擴(kuò)散到距粉塵產(chǎn)生區(qū)域較遠(yuǎn)的空間,在機(jī)床周圍粉塵濃度分布更加均勻,濃度分布梯度小。

4 結(jié)論

本文研究了恒負(fù)載機(jī)械加工條件下直徑小于10μ m的細(xì)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(nèi),切削點(diǎn)周圍不同空間位置的粉塵濃度。通過圖形和數(shù)值分析得到以下結(jié)論:

(1)在低切削速度范圍內(nèi),粉塵濃度分布具有明顯方向性,即機(jī)床前側(cè)的粉塵濃度明顯高于機(jī)床后側(cè);高切削速度下,機(jī)床前后側(cè)的粉塵濃度分布狀態(tài)相似,無明顯方向性。同低速切削產(chǎn)生的粉塵集中在機(jī)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(huán)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(rèn)為在一定的空間范圍內(nèi)濃度分布均勻。

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

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