竹板銑削工藝參數(shù)對(duì)銑削粉塵粒度粒形分布的影響

尹健，崔運(yùn)祺，蔡依彤，丁濤，朱南峰

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

我國(guó)竹類資源十分豐富[1]。竹板材銑削加工中會(huì)伴隨大量粉塵的產(chǎn)生，長(zhǎng)期暴露在有機(jī)粉塵污染的環(huán)境中會(huì)引起過(guò)敏性皮炎、哮喘、肺纖維化等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)掳2]；同時(shí)，該粉塵又屬于可燃性粉塵，極易燃燒，在一定條件下會(huì)發(fā)生粉塵爆炸[3-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，木材切削加工中粉塵粒度、粒形分布與加工過(guò)程中的工件材料、刀具材料、切削參數(shù)、空氣濕度等有關(guān)[5-10]。研究證實(shí)，影響粉塵排放量的關(guān)鍵因素是平均切削厚度[11-12]。當(dāng)平均切削厚度小于0.05 mm時(shí)，空氣中粉塵的濃度顯著增加；而當(dāng)平均切削厚度大于0.1 mm時(shí)，空氣中粉塵的濃度顯著下降。郭曉磊等[13]研究了平均切削厚度對(duì)中密度纖維板(MDF)銑削粉塵粒度分布及表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)粉塵粒度總體分布為0.5～450.0 μm，并且MDF粉塵顆粒的平均粒徑及中值粒徑隨平均銑削厚度增加而增加。邢成等[14]利用圖像法對(duì)刨花板鉆孔粉塵的尺寸和形態(tài)分布進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明，鉆孔粉塵尺寸分布較廣。

上述研究大多是針對(duì)木材及其相關(guān)制品，而對(duì)竹板材銑削粉塵的研究卻很少。本研究以竹板材銑削中的平均銑削厚度為變量，探討銑削參數(shù)對(duì)粉塵粒度粒形分布特征的影響，為減少竹板材銑削加工中粉塵的產(chǎn)生提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

楠竹竹板，密度695 kg/m3，含水率8%～10%，幅面600 mm×300 mm×20 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

1.2.1 銑削設(shè)備

銑削加工利用威格特SYNTEC GMB-E數(shù)控加工中心。板材銑削加工示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 銑削加工示意圖Fig. 1 Schematic diagram of milling process

1.2.2 銑削刀具

試驗(yàn)刀具為硬質(zhì)合金三刃直柄銑刀，刀柄直徑為12 mm，刀的回轉(zhuǎn)直徑為8 mm，刀刃長(zhǎng)為20 mm，刀齒為3個(gè)。

1.2.3 測(cè)試儀器

采用FS-80真空吸塵器(風(fēng)量為3 m3/min)收集銑削產(chǎn)生的粉塵，再用博緯標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩分機(jī)對(duì)其進(jìn)行篩分；粉塵質(zhì)量測(cè)定采用HC系列電子天平；粉塵顆粒的大小和形態(tài)分析則采用Occhio系列真空分散器和粒形粒度分析儀。

1.3 試驗(yàn)方法

在工廠工況環(huán)境下進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，銑削時(shí)吸塵器工作。由于平均銑削厚度對(duì)產(chǎn)生的粉塵量具有很大的影響，故用平均銑削厚度aav作為研究參數(shù)，討論其對(duì)板材銑削粉塵粒度粒形分布的影響(圖2)。

圖2 平均銑削厚度示意圖Fig. 2 Schematic diagram of average milling thickness

銑削厚度a即兩相鄰刀齒切削軌跡間的垂直距離，計(jì)算公式為：

a=Uz·sinθ=Uz·sinφ

(1)

式中：Uz為每齒進(jìn)給量，mm/齒；θ為運(yùn)動(dòng)遇角，(°)；φ為瞬時(shí)轉(zhuǎn)角，(°)。每齒進(jìn)給量Uz為：

(2)

式中：U為進(jìn)給速度，m/min；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；z為切削的齒數(shù)。以接觸弧中點(diǎn)作為平均計(jì)算點(diǎn)，則平均銑削厚度為[13]：

(3)

式中：φ0為接觸角，(°)；h為銑削深度，mm；D為銑刀切削圓直徑，mm；θav為以接觸弧中點(diǎn)的銑削速度方向作為計(jì)算依據(jù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)遇角。

本試驗(yàn)中，z=3、h=4 mm、D=8 mm為定值。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度是銑削加工中的主要參數(shù)，平均銑削厚度的改變可由這兩個(gè)參數(shù)決定。本研究設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)平均切削厚度的遞增。試驗(yàn)組一為固定主軸轉(zhuǎn)速(16 000 r/min)，根據(jù)等差的平均銑削厚度確定相應(yīng)的進(jìn)給速度；試驗(yàn)組二為固定進(jìn)給速度(4.000 m/min)，根據(jù)試驗(yàn)組一中相應(yīng)的平均銑削厚度，確定對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用粒形粒度分析儀中的內(nèi)置圖形分析軟件對(duì)粉塵試驗(yàn)樣品的掃描圖像進(jìn)行分析。利用等效面積徑、長(zhǎng)徑比、堅(jiān)固度3種參數(shù)來(lái)表征粉塵顆粒的粒度與粒形。等效面積直徑在圖像法中對(duì)粉塵顆粒尺寸的描述最為準(zhǔn)確；長(zhǎng)徑比反映粉塵顆粒的形狀，隨著長(zhǎng)徑比的增大，粉塵顆粒越細(xì)長(zhǎng)；堅(jiān)固度反映粉塵顆粒的表面結(jié)構(gòu)，隨著堅(jiān)固度的增大，粉塵顆粒內(nèi)部越飽滿[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉塵分布特性

2.1.1 粉塵質(zhì)量分布

平均銑削厚度變化對(duì)銑削粉塵質(zhì)量分布的影響見(jiàn)圖3。

圖3 不同平均銑削厚度下的粉塵質(zhì)量分布Fig. 3 Mass distribution of dust under different average milling thicknesses

在不同銑削參數(shù)下所產(chǎn)生的粒徑≥100 μm的粉塵質(zhì)量占比達(dá)到95%以上，其中粒徑≥1 000 μm的粉塵質(zhì)量占比最大。固定主軸轉(zhuǎn)速為16 000 r/min，逐漸提高進(jìn)給速度時(shí)，粒徑≥1 000 μm的粉塵質(zhì)量占比從35%升至47%，粒徑<500 μm的粉塵質(zhì)量占比則從40%降至22%。固定進(jìn)給速度為4 m/min，逐漸降低主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，粒徑≥1 000 μm的粉塵質(zhì)量占比從48%升至63%，粒徑<500 μm的粉塵質(zhì)量占比則從29%降至14%。

可以看出，盡管有相同的平均切削厚度，在主軸轉(zhuǎn)速16 000 r/min下產(chǎn)生的粒徑>1 000 μm的粉塵質(zhì)量占比普遍小于進(jìn)給速度4 m/min下所產(chǎn)生的相應(yīng)粉塵，反之亦然。隨著平均銑削厚度的逐漸增大，粒徑<100 μm、粒徑≥100～200 μm、粒徑≥200～500 μm 的粉塵質(zhì)量占比逐漸減小，≥1 000 μm的粉塵質(zhì)量占比則顯著增加。粒徑≥500～1 000 μm的粉塵質(zhì)量占比隨進(jìn)給速度的增加呈上升趨勢(shì)，而隨主軸轉(zhuǎn)速的下降變化趨勢(shì)不明顯。

由此可見(jiàn)，平均銑削厚度的增加使得粒徑較大顆粒的質(zhì)量占比上升，降低主軸轉(zhuǎn)速比提高進(jìn)給速度更容易產(chǎn)生大顆粒粉塵。這是因?yàn)殂娤魉俣扔绊懬邢鲗硬牧系钠茐某潭?，而主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削速度的影響遠(yuǎn)大于進(jìn)給速度，進(jìn)而對(duì)切削層材料的破壞程度起決定性作用[13]。同時(shí)，竹板銑削的表面質(zhì)量也與銑削參數(shù)有關(guān)。本研究為竹材銑削，通過(guò)改變銑削參數(shù)為降低粉塵排放提供了基礎(chǔ)參數(shù)，但在實(shí)際加工中，應(yīng)綜合其對(duì)兩者的影響并進(jìn)行權(quán)衡，以實(shí)現(xiàn)在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能降低粉塵排放。

圖4 粉塵粒徑分布與數(shù)量百分比的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the distribution of dust particle size and the quantity percentage

2.1.2 粉塵數(shù)量分布

盡管從質(zhì)量分布的結(jié)果來(lái)看，粒徑≥100 μm的粉塵顆粒占絕大多數(shù)，但由于體積較大的顆粒粉塵數(shù)量與小顆粒粉塵數(shù)量不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因此質(zhì)量分布并不能完整地反映粉塵顆粒實(shí)際數(shù)量的占比。利用圖像法得到的整體粉塵顆粒的粒徑分布見(jiàn)圖4。圖4a是粉塵顆粒為0～1 000 μm的數(shù)量分布，83%的顆粒粒徑<100 μm，屬于可吸入顆粒物，對(duì)人體健康存在嚴(yán)重威脅，因此有必要重點(diǎn)分析100 μm以下的粉塵數(shù)量分布特性[7,15]。從圖4b中可以看出，粒徑為0～50 μm的顆粒物占比高達(dá)61%，粒徑為0～20 μm的顆粒物占比在22%以上，粒徑<10 μm的顆粒物占8%以上，這說(shuō)明銑削粉塵中含有大量細(xì)微顆粒物，其在空氣中傳播距離較長(zhǎng)。研究表明，細(xì)微顆粒物比表面積與顆粒之間的相互作用力呈正相關(guān)，所以細(xì)微粉塵顆粒易團(tuán)聚[14]。

平均銑削厚度對(duì)粒徑0～100 μm顆粒數(shù)量分布的影響見(jiàn)圖5。

圖5 粒徑<100 μm的顆粒在不同平均銑削厚度下的粒徑分布Fig. 5 The size distribution of particles with diameter lower than 100 μm under different average milling thicknesses

由圖5a可看出，中段50%的顆粒粒徑主要分布于18.5～72.6 μm，中位徑大多在40 μm左右。整體上看，隨著平均切削厚度的遞增，中值粒徑隨進(jìn)給速度的增加呈上升趨勢(shì)，而隨主軸轉(zhuǎn)速的下降呈降低趨勢(shì)。降低主軸轉(zhuǎn)速所得的粉塵中位徑普遍高于提高進(jìn)給速度所得數(shù)值。圖5b是間隔為10 μm的分段粒徑分布，在16 000 r/min轉(zhuǎn)速條件下，粒徑10～20 μm的顆粒數(shù)量最多，占總體的13.4%～16.6%；而在4 m/min的進(jìn)給速度下，粒徑20～30 μm的顆粒數(shù)量最多，占總體的13.9%～16.4%。這一結(jié)果說(shuō)明，盡管增加平均銑削厚度可有效地提高大顆粒粉塵的質(zhì)量占比，但對(duì)于粒徑<100 μm的可吸入粉塵而言，主軸轉(zhuǎn)速與粒徑分布的關(guān)系更為密切。

在較低的進(jìn)給速度條件下，主軸轉(zhuǎn)速與切削力成反比，主軸轉(zhuǎn)速的降低使得增加的切削力對(duì)顆粒產(chǎn)生了二次破壞，增加了細(xì)微顆粒的占比，使得粒徑0～100 μm粉塵數(shù)量分布更加集中于10～30 μm粒徑。另外，切屑受切削刃擠壓與磨削的作用加劇，從而產(chǎn)生更多的小顆粒粉塵。

注：P10為長(zhǎng)徑比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的第10百分位數(shù)，表示樣品中有10%的顆粒長(zhǎng)徑比小于等于圖中P10對(duì)應(yīng)的數(shù)值。P25、P50、P75、P90以此類推[15]。圖6 粒徑<100 μm的顆粒在不同平均銑削厚度下的長(zhǎng)徑比分布Fig. 6 The aspect ratio distribution of particles with diameter lower than 100 μm under different average milling thicknesses

2.2 粉塵粒形分布特性

2.2.1 平均銑削厚度對(duì)長(zhǎng)徑比的影響

粒徑0～100 μm的粉塵長(zhǎng)徑比分布見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，粉塵長(zhǎng)徑比主要集中在49.8%～72.5%，長(zhǎng)徑比中值為62.3%～65.8%，這與刨花板鉆孔粉塵的形態(tài)分布相似[14]。長(zhǎng)徑比的中值與平均銑削厚度沒(méi)有線性關(guān)系，但平均銑削厚度在整體上與P75～P25和P10～P90呈正相關(guān)，試驗(yàn)組二中長(zhǎng)徑比的P75～P25和P10～P90略高于試驗(yàn)組一。這意味著平均銑削厚度的增加使得粉塵的長(zhǎng)徑比差異更大，且降低主軸轉(zhuǎn)速對(duì)粉塵長(zhǎng)徑比的差異性影響更為顯著。

粒徑<100 μm顆粒的長(zhǎng)徑比平均值見(jiàn)圖7。由圖7可以看出，平均長(zhǎng)徑比總體上隨著粉塵顆粒粒徑的增大而減小，這說(shuō)明粒徑較小的顆粒形態(tài)更趨近于球體，顆粒隨粒徑的增大逐漸出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)化趨勢(shì)。Guo等[16]對(duì)松木、豆莖等研磨顆粒研究后也發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律。

圖7 不同粒徑與顆粒長(zhǎng)徑比平均值的關(guān)系Fig. 7 The relationship between different particle diameters and the average value of particle aspect ratio

銑削參數(shù)的改變對(duì)細(xì)微顆粒物的形態(tài)影響較小，但在相對(duì)較大一些的粒徑區(qū)間，平均長(zhǎng)徑比會(huì)隨平均銑削厚度的增加而先減小后增加,且隨著粒徑的逐漸增加，不同平均銑削厚度所造成的平均長(zhǎng)徑比差異也越來(lái)越大。長(zhǎng)徑比與顆粒的流動(dòng)性相關(guān)性很大，隨著顆粒變長(zhǎng)，顆粒間的內(nèi)結(jié)合力變大，流動(dòng)性變?nèi)鮗14]。當(dāng)平均銑削厚度在0.14 mm以下時(shí)，粒徑>50 μm的切屑大多以破裂的粉塵顆粒形態(tài)為主，平均銑削厚度的增加拉長(zhǎng)了單個(gè)切屑的長(zhǎng)度，粉塵顆粒的形態(tài)偏狹長(zhǎng)。

而隨著平均銑削厚度的進(jìn)一步增加，切屑出現(xiàn)片狀或塊狀顆粒，粉塵的形態(tài)又趨于規(guī)則。長(zhǎng)徑比和粒徑的數(shù)量占比關(guān)系及部分典型的顆粒平面掃描圖像見(jiàn)圖8。從圖8中可以看出，粉塵集中分布在粒徑10～20 μm、長(zhǎng)徑比60%～70%的數(shù)值周圍，平均銑削厚度的增加使得這一分布特征更加顯著。

圖8 長(zhǎng)徑比和等效面積直徑間的數(shù)量占比關(guān)系Fig. 8 The quantity proportion relationship between the aspect ratio and the equivalent area diameter

注：P10為堅(jiān)固度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的第10百分位數(shù)，表示樣品中有10%的顆粒堅(jiān)固度小于等于圖中P10對(duì)應(yīng)的數(shù)值。P25、P50、P75、P90以此類推[15]。圖9 粒徑<100 μm的顆粒在不同平均銑削厚度下的堅(jiān)固度分布Fig. 9 The firmness distribution of particles with diameter lower than 100 μm under different average milling thicknesses

2.2.2 平均銑削厚度對(duì)堅(jiān)固度的影響

粒徑0～100 μm的粉塵堅(jiān)固度分布見(jiàn)圖9。從圖9中可以看出，粉塵堅(jiān)固度主要集中在85.3%～96.8%，堅(jiān)固度中值為92.1%～93.3%。堅(jiān)固度的中值與平均銑削厚度沒(méi)有線性關(guān)系，但平均銑削厚度在整體上與P25～P75和P10～P90呈正相關(guān)，試驗(yàn)組二中堅(jiān)固度的P25～P75和P10～P90略高于試驗(yàn)組一。這意味著平均銑削厚度的增加使得粉塵的堅(jiān)固度差異更大，且降低主軸轉(zhuǎn)速對(duì)粉塵堅(jiān)固度的差異性影響更為顯著。粒徑<100 μm的粉塵顆粒堅(jiān)固度平均值見(jiàn)圖10?？梢钥闯?，平均堅(jiān)固度總體上隨著粉塵顆粒粒徑的增大而減小，這說(shuō)明粒徑較小的顆粒形態(tài)更規(guī)則，顆粒的飽滿度更高。

圖10 不同粒徑區(qū)間的平均堅(jiān)固度Fig. 10 Average firmness in different particle size ranges

切削參數(shù)的改變對(duì)細(xì)微顆粒物的形態(tài)影響較小，但在相對(duì)較大一些的粒徑區(qū)間，平均堅(jiān)固度會(huì)隨平均銑削厚度的增加先減小后增加,且隨著粒徑的逐漸增加，不同平均銑削厚度所造成的堅(jiān)固度差異也越來(lái)越大，這與長(zhǎng)徑比的結(jié)果十分接近。

粉塵顆粒的堅(jiān)固度整體上隨粒徑的增加而降低，隨進(jìn)給速度的增大，大顆粒粉塵的表面輪廓凹凸不平，形態(tài)不規(guī)整。隨主軸轉(zhuǎn)速的增大，粉塵顆粒的堅(jiān)固度整體呈上升趨勢(shì)。表明在高主軸轉(zhuǎn)速條件下粉塵顆粒表面輪廓的凹凸程度減小，整體表面結(jié)構(gòu)更規(guī)整。小顆粒粉塵的表面輪廓更飽滿，形態(tài)結(jié)構(gòu)更規(guī)整，粉塵顆粒的堅(jiān)固度整體上隨粒徑的增加而降低。

3 結(jié) 論

1)竹板銑削粉塵顆粒的尺寸分布較廣，大多數(shù)粉塵顆粒粒徑在100 μm以內(nèi)，歸屬于總懸浮顆粒物范疇，具有較強(qiáng)的懸浮和擴(kuò)散能力。在加工中要做好除塵措施，避免造成工況環(huán)境污染。

2)隨著平均銑削厚度的逐漸增大，粒徑小于500 μm的粉塵質(zhì)量百分?jǐn)?shù)逐漸減小，粒徑大于1 000 μm的粉塵質(zhì)量百分?jǐn)?shù)則顯著增加；粒徑0～100 μm粉塵的中值粒徑隨進(jìn)給速度的增加呈上升趨勢(shì)，而隨主軸轉(zhuǎn)速的下降呈降低趨勢(shì)，主軸轉(zhuǎn)速與粉塵粒徑分布的關(guān)系更為密切。

3)竹板銑削粉塵顆粒的形態(tài)隨平均銑削厚度和粉塵粒徑的變化產(chǎn)生顯著差異，大顆粒粉塵總體上形態(tài)結(jié)構(gòu)不規(guī)整，小顆粒粉塵則較為規(guī)整。這種形態(tài)變化特點(diǎn)是多種原因綜合作用的結(jié)果。

4)竹板平均銑削厚度對(duì)銑削粉塵粒度粒形分布的影響，為竹板材銑削加工生產(chǎn)中粉塵減排和治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。