刨花板銑削加工中粉塵排放及分布特性的研究

蔡依彤，崔運祺，王慧敏，尹 健，朱南峰

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

木材工業(yè)中存在著粉塵、污水、噪聲三大環(huán)境污染源，其中木粉塵污染影響最大。木粉塵與礦物粉塵相比，其單體質(zhì)量小、形狀復(fù)雜，為不規(guī)則或多棱體，細(xì)小塵粒在空氣中易擴(kuò)散[1]。木粉塵的危害可簡要分為兩類：一是木粉塵會導(dǎo)致職業(yè)病，它通過人體呼吸道進(jìn)入血液中容易引發(fā)癌癥[2]；二是木粉塵會引起燃燒爆炸事故，給操作工人的生產(chǎn)作業(yè)帶來巨大的安全隱患[3]。

木材加工行業(yè)的多項研究顯示，切削參數(shù)、工件材料、含水率等條件對粉塵排放量的影響顯著。Palmqvist J[4]研究了松木、山毛櫸和纖維板三種材料銑削加工中小于10 μm的粉塵顆粒排放量，試驗表明，平均切屑厚度對木材加工過程的粉塵量影響最大，木材含水率的影響次之，纖維板銑削加工的粉塵量約為松木的6倍。Ugulino B等[5]利用螺旋銑刀對紅橡木進(jìn)行切削加工，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均切削厚度較低時，銑削深度越大，粉塵排放量越大。Ratnasingam J[6]評估了橡膠木切削過程10 μm以下的粉塵顆粒排放量，當(dāng)平均切屑厚度為0.1 mm、木材含水率為12～14%時，粉塵排放量較小。Rautio S等[7]建立了MDF切削加工粉塵濃度(PM10)與平均切削厚度的數(shù)學(xué)預(yù)測模型。以上研究均分析了加工參數(shù)與粉塵排放量的關(guān)系，期望通過優(yōu)化參數(shù)來減少粉塵排放，實現(xiàn)對污染的控制。

目前，采用跟隨刀頭移動的吸塵罩及粉塵吸集除塵系統(tǒng)，已是行業(yè)內(nèi)治理數(shù)控加工機(jī)床工作場所粉塵污染的普遍措施。但平面銑削類加工即便在有吸塵罩的情況下，一部分粉塵仍無可避免地擴(kuò)散至機(jī)床四周，難以有效吸凈。特別是近年來五軸數(shù)控加工中心的推廣應(yīng)用，主軸的多方向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致主軸頭上無法安置吸塵罩，木粉塵直接排放到機(jī)床周圍環(huán)境中。三層結(jié)構(gòu)刨花板表面平整、加工性能好，是制作板式家具常用的原材料，其表層以特制微型刨花鋪裝，芯層則用粗厚的大刨花鋪裝。目前，對于刨花板銑削加工中粉塵排放量的影響因素以及粉塵分布特性的研究，還鮮有報道。

本研究特設(shè)置在無吸塵狀態(tài)下對三層結(jié)構(gòu)刨花板進(jìn)行銑削加工，分析不同加工參數(shù)條件對刨花板銑削粉塵濃度的影響，同時考慮板材特殊的表芯層差異，研究不同刨花層銑削過程粉塵的濃度分布規(guī)律及切屑的粒徑分布特征，為刨花板銑削加工粉塵的減排以及數(shù)控加工中心四周除塵裝置的布局提供一定的理論依據(jù)。

1 銑削試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為三層結(jié)構(gòu)刨花板，氣干密度710 kg/m3，含水率7.4%，幅面300 mm×150 mm×18 mm。

1.2 試驗設(shè)備及儀器

1.2.1 切削設(shè)備與刀具

切削設(shè)備采用南興MGK01型高速木材復(fù)合加工中心；刀具選用直徑8 mm的TCT數(shù)控通用三刃柄銑刀。

1.2.2 濃度測定及粒徑測試

粉塵濃度的測定采用LD-5C型激光粉塵儀，是根據(jù)光散射原理設(shè)計的帶濾膜在線采樣器的微電腦激光粉塵儀[8]。含塵空氣由采樣口吸入，經(jīng)可更換切割器分離，除去粗大粒子進(jìn)入檢測器暗室，粉塵在激光照射下產(chǎn)生散射光，通過測量散射光強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換求得粉塵質(zhì)量濃度。本試驗通過濾膜稱重法測得質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K，K值設(shè)定為0.098。

粉塵粒徑的測試，采用Occhio VDD270真空分散器及Occhio Scan 600粒形粒度分析儀。

1.3 試驗方法

在約70 m3的封閉實驗室環(huán)境中，對三層結(jié)構(gòu)刨花板進(jìn)行平面銑削加工，銑削加工示意圖如圖1所示。試驗中板材吸附在工作臺上，實線表示已切削部分，虛線表示待切削部分，銑削深度為h，刀具右偏置且順時針旋轉(zhuǎn)。試驗控制工件銑削總量一定，在與板材同一水平高度、距板材中心點500 mm處A點放置激光粉塵儀。粉塵儀進(jìn)氣口處安裝TSP粒子分離切割器，只允許直徑小于100 μm的粉塵顆粒進(jìn)入，采用連續(xù)監(jiān)測的模式測定加工過程的粉塵濃度。

圖1 銑削加工示意

本研究以刨花板的平均銑削厚度aav為考察因素，其理論計算公式[9]：

(1)

式中：U為進(jìn)給速度(m/min)；n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；z為銑刀齒數(shù)(個)；h為銑削深度(mm)；D為銑刀直徑(mm)。

由式(1)可知，在銑刀齒數(shù)和銑刀直徑一定的情況下，平均銑削厚度由進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和銑削深度共同確定。為研究刨花板銑削加工中平均銑削厚度與粉塵濃度的關(guān)系，同時研究進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度這三個切削參數(shù)變化對粉塵濃度的影響，本研究設(shè)計了三種方案共12組試驗，試驗設(shè)計見表1。表1中，每組方案里均含有4個平均銑削厚度變量，第Ⅰ組方案在固定銑削深度(1 mm)和主軸轉(zhuǎn)速(10 000 r/min)的條件下，通過改變進(jìn)給速度來調(diào)節(jié)平均銑削厚度；第Ⅱ組方案在固定銑削深度(1 mm)和進(jìn)給速度(8 000 mm/min)的條件下，通過改變主軸轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)平均銑削厚度；第Ⅲ組方案在固定主軸轉(zhuǎn)速(10 000 r/min)和進(jìn)給速度(8 000 mm/min)的條件下，通過改變銑削深度來調(diào)節(jié)平均銑削厚度。

表1 試驗設(shè)計

為進(jìn)一步研究刨花板銑削加工中粉塵的擴(kuò)散與分布，試驗隨后在另一恒定銑削參數(shù)條件下(設(shè)置進(jìn)給速度4 000 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min、銑削深度1 mm)分別銑削刨花板的表、芯層。本試驗主要討論工作臺面高度(1 m)處的粉塵濃度分布，在該平面內(nèi)選取若干點進(jìn)行濃度測定，粉塵濃度采樣點布置如圖2所示。設(shè)置板材中心點為原點O，建立XOY平面坐標(biāo)系，X、Y軸方向如圖所示。采樣點以“等間距”原則分布，在X、Y軸方向各布置9列，相鄰兩個采樣點之間間隔250 mm。測定過程保證板材始終處在銑削狀態(tài)，激光粉塵儀在一個采樣點連續(xù)監(jiān)測10次(1 min/次)，再通過加權(quán)求平均值獲得該點的粉塵濃度值。試驗重復(fù)加工若干次，保證每次試驗前空氣中粉塵濃度的初始值相同，直至所有布置點采樣完畢。測定結(jié)束后，收集工件表面及工作臺面附近的切屑，隨機(jī)取樣進(jìn)行粒徑分析。

圖2 粉塵濃度采樣點布置

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 平均銑削厚度與粉塵濃度的關(guān)系

2.1.1 進(jìn)給速度變化

進(jìn)給速度變化對粉塵濃度的影響如圖3所示。由進(jìn)給速度增大所調(diào)節(jié)的平均銑削厚度值增大時，粉塵濃度沒有發(fā)生明顯的變化。其原因是隨著平均銑削厚度的增大，單位時間內(nèi)切削的板材量增加，但進(jìn)給速度的加快導(dǎo)致產(chǎn)生的切屑多為粗大顆粒，對于100 μm以下的細(xì)粉塵顆粒數(shù)影響不大，說明進(jìn)給速度對銑削刨花板的粉塵濃度影響很小。

圖3 進(jìn)給速度變化對粉塵濃度的影響

2.1.2 主軸轉(zhuǎn)速變化

主軸轉(zhuǎn)速變化對粉塵濃度的影響如圖4所示。由主軸轉(zhuǎn)速減小所調(diào)節(jié)的平均銑削厚度值增大時，粉塵濃度隨主軸轉(zhuǎn)速的減小而降低。這是因為主軸轉(zhuǎn)速影響切削層材料的破壞程度，當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時，刀具的每齒進(jìn)給量小，使得銑削過程產(chǎn)生顆粒較細(xì)的粉塵；同時，刀具對板材的銑削力隨轉(zhuǎn)速增加而增大，切削刃對切屑擠壓與剪切能力的增強(qiáng)促使部分大顆粒切屑破碎成小顆粒，粉塵濃度增大。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速變化對粉塵濃度的影響

2.1.3 銑削深度變化

銑削深度變化對粉塵濃度的影響如圖5所示。

圖5 銑削深度變化對粉塵濃度的影響

由銑削深度增大所調(diào)節(jié)的平均銑削厚度值增大時，粉塵濃度隨之有顯著的升高。這是因為銑削深度和進(jìn)給速度都是影響單位時間內(nèi)板材銑削總量的關(guān)鍵因素，但與進(jìn)給速度變化不同的是，銑削深度增大，切削刃與工件的接觸面增大，切屑受刀刃磨削和分離的作用更大，容易造成粉塵飛揚(yáng)，這使得100 μm以下的粉塵顆粒被濃度儀采樣器大量地吸入，粉塵濃度顯著增大。

從圖3、圖4、圖5還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均銑削厚度為0.1 mm時，3組方案測得的粉塵濃度值相近。Rautio S等[7]指出，在松木、山毛櫸和纖維板三種材料的銑削加工中，無論以何種方式獲得平均銑削厚度，相同的平均銑削厚度值會對應(yīng)相同的細(xì)粉塵量。從本文的試驗結(jié)果看來，這一規(guī)律不完全適用于刨花板的銑削加工，這可能與加工材料的特性以及粉塵濃度的測定方式有關(guān)。

2.2 刨花板銑削加工中粉塵的分布特性

2.2.1 表、芯層刨花銑削粉塵的濃度分布

在進(jìn)給速度4 000 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min，銑削深度1 mm的恒定銑削參數(shù)條件下分別對表、芯層刨花，通過Origin軟件對各采樣點的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行等高線圖處理，獲得的表、芯層刨花銑削粉塵濃度分布如圖6所示。

圖6 表、芯層刨花銑削粉塵濃度分布

由圖6可見，表層刨花的銑削粉塵云相對聚攏，芯層刨花的銑削粉塵云較為分散。從圖中等高線的數(shù)值及其密集程度可知，粉塵的高濃度區(qū)域主要集中在塵源附近。表層刨花銑削粉塵在各區(qū)域的濃度均高于芯層刨花，整體約為芯層刨花的1.5倍。表、芯層刨花銑削粉塵在X、Y軸各方向的濃度擴(kuò)散程度不同，但主要擴(kuò)散方向同為-X軸方向。在距塵緣中心250 mm的區(qū)域內(nèi)，粉塵濃度隨距離的增加而顯著下降，且在Y軸方向上降低的速率大于X軸；在距塵緣中心500 mm的區(qū)域外，粉塵濃度均降至最高值的1/2以下，但濃度降低的速率逐漸放緩。從整體看來，芯層刨花銑削粉塵濃度隨距離變化而降低的速率高于表層刨花。

在銑削過程中，粉塵隨刀具旋轉(zhuǎn)獲得一定的動能，在空氣流場中呈懸浮狀態(tài)隨氣流擴(kuò)散。自從刀刃處分離，懸浮飄揚(yáng)，直至沉降的過程，粉塵會持續(xù)做無規(guī)則的布朗運動，使其從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域不斷擴(kuò)散[8-10]。粉塵由于顆粒細(xì)小，相互之間吸引力強(qiáng)，容易發(fā)生團(tuán)聚而迅速沉降，因此在靠近塵源中心的區(qū)域，粉塵濃度隨距離的變化明顯下降，部分未發(fā)生團(tuán)聚的粉塵則繼續(xù)向機(jī)床四周擴(kuò)散。本試驗中由于刀具順時針旋轉(zhuǎn)，受氣流運動影響，切屑主要朝機(jī)床水平軸線右側(cè)方向飛揚(yáng)，導(dǎo)致-X軸方向粉塵濃度相對較高，粉塵擴(kuò)散的距離也更遠(yuǎn)。

銑削過程切屑刃擠壓和剪切板材產(chǎn)生的粉塵是刨花板銑削粉塵的主要來源，而在塵源中心因刀具高速轉(zhuǎn)動形成的紊流作用下，產(chǎn)生的粉塵、木屑之間碰撞摩擦，也會形成新的粉塵。由于刨花板表、芯層之間存在表面形態(tài)和層間結(jié)合力的差異，表層以微型刨花鋪裝，刨花等效面積較小，經(jīng)膠黏劑膠合、熱壓制成后，刨花之間膠合力相對較低，受到切削沖擊力時易打散飛揚(yáng)；芯層刨花表面多為細(xì)長刨花，刨花之間的結(jié)合方式為片與片結(jié)合，膠合力相對較高，不易脫落。因此，當(dāng)切削力恒定時，表層刨花銑削粉塵獲得的初動能高于芯層刨花。由于顆粒細(xì)小、流動性好，表層刨花銑削粉塵在較高的初動能下能夠擴(kuò)散至機(jī)床四周更遠(yuǎn)的空間，粉塵濃度分布均勻、濃度梯度??；芯層刨花銑削粉塵因顆粒更大、初動能更小，導(dǎo)致流動性受限，而粉塵、木屑之間在相互作用力下碰撞形成新粉塵的幾率也更大，故粉塵濃度分布不均勻，濃度梯度大。

2.2.2 表、芯層刨花切屑的粒徑分析

試驗中對收集的切屑進(jìn)行了粒徑分析，表、芯層刨花切屑在0～100 μm區(qū)間的粒徑分布如圖7所示。由圖7可知，50 μm以下的顆粒物在表層刨花切屑中占比更多，60～100 μm的顆粒物則在芯層刨花切屑中占比更高。圖中兩條曲線的最高峰均出現(xiàn)在20～30 μm的粒徑區(qū)間，表明刨花板表、芯層切屑多為20～30 μm的小顆粒物。

圖7 表、芯層刨花切屑在0～ 100 μm區(qū)間的粒徑分布

表、芯層刨花切屑的平均粒徑如圖8所示。在各粒徑區(qū)間內(nèi)，芯層刨花切屑的平均粒徑均高于表層刨花，兩類切屑中，有90%為粒徑小于150 μm的顆粒物。此外，芯層刨花切屑粒徑的最大值接近于表層刨花切屑的2倍。結(jié)合刨花板鉆孔粉塵的產(chǎn)塵機(jī)理[11-14]分析，表、芯層刨花切屑是板材在銑刀刀刃作用下因塑性變形或脆性斷裂而產(chǎn)生的木質(zhì)纖維片斷，表層刨花的切屑形成過程多為塑性變形，刀具的擠壓和剪切破壞了材料本身的結(jié)合力。材料原先結(jié)構(gòu)的顆粒細(xì)小，故產(chǎn)生的切屑顆粒也小。而芯層細(xì)長形態(tài)的刨花容易發(fā)生脆性斷裂，由刀刃銑削形成小的切屑顆粒，或因為刨花之間的強(qiáng)結(jié)合力而整體脫落，形成明顯的大塊切屑[15]。表、芯層刨花切屑的體積平均粒徑如圖8所示，由圖8可見表層刨花切屑的體積平均粒徑比芯層刨花約小10 μm。

圖8 表、芯層刨花切屑的平均粒徑

圖9 表、芯層刨花切屑的體積平均粒徑

3 結(jié)論

本文研究了三層結(jié)構(gòu)刨花板銑削加工中，平均銑削厚度變化對粉塵濃度的影響以及銑削不同刨花層時粉塵的濃度分布及切屑的粒徑分布。通過激光粉塵儀測定不同切削參數(shù)條件下單一采樣點的粉塵濃度和銑削表、芯層刨花時多個采樣點的粉塵濃度，收集表、芯層刨花切屑進(jìn)行粒徑測試，研究得出以下結(jié)論：

(1)刨花板銑削加工中平均銑削厚度對粉塵濃度的影響，因切削參數(shù)變化的不同而呈現(xiàn)不同的規(guī)律。其中，主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度對粉塵濃度的影響較大，進(jìn)給速度對粉塵濃度的影響最小。合理降低主軸轉(zhuǎn)速和銑削深度可以有效減小粉塵排放。

(2)表層刨花銑削粉塵濃度整體約為芯層刨花的1.5倍，且濃度分布更均勻，濃度梯度小，這是因為表、芯層刨花之間存在表面形態(tài)和層間結(jié)合力的差異?？拷鼔m源中心的區(qū)域，粉塵濃度隨距離變化而明顯下降，可以參考刀具方向、切削力、銑削刨花層等因素，在塵源中心附近布局相應(yīng)的除塵設(shè)備，限制機(jī)床單元粉塵的擴(kuò)散。

(3)刨花板表、芯層切屑多為20～30 μm的小顆粒物，其中有90%的切屑粒徑小于150 μm。50 μm以下的顆粒物在表層刨花切屑中占比更多，表層刨花切屑的體積平均粒徑比芯層刨花約小10 μm。