竹板铣削工艺参数对铣削粉尘粒度粒形分布的影响

2022-09-28尹健崔运祺蔡依彤丁涛朱南峰

林业工程学报 2022年5期

尹健，崔运祺，蔡依彤，丁涛，朱南峰

(南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037)

我国竹类资源十分丰富[1]。竹板材铣削加工中会伴随大量粉尘的产生，长期暴露在有机粉尘污染的环境中会引起过敏性皮炎、哮喘、肺纤维化等问题，严重时甚至会致癌[2]；同时，该粉尘又属于可燃性粉尘，极易燃烧，在一定条件下会发生粉尘爆炸[3-4]。

国内外学者的研究表明，木材切削加工中粉尘粒度、粒形分布与加工过程中的工件材料、刀具材料、切削参数、空气湿度等有关[5-10]。研究证实，影响粉尘排放量的关键因素是平均切削厚度[11-12]。当平均切削厚度小于0.05 mm时，空气中粉尘的浓度显著增加；而当平均切削厚度大于0.1 mm时，空气中粉尘的浓度显著下降。郭晓磊等[13]研究了平均切削厚度对中密度纤维板(MDF)铣削粉尘粒度分布及表面粗糙度的影响，发现粉尘粒度总体分布为0.5～450.0 μm，并且MDF粉尘颗粒的平均粒径及中值粒径随平均铣削厚度增加而增加。邢成等[14]利用图像法对刨花板钻孔粉尘的尺寸和形态分布进行了研究，试验表明，钻孔粉尘尺寸分布较广。

上述研究大多是针对木材及其相关制品，而对竹板材铣削粉尘的研究却很少。本研究以竹板材铣削中的平均铣削厚度为变量，探讨铣削参数对粉尘粒度粒形分布特征的影响，为减少竹板材铣削加工中粉尘的产生提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

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

1.2 试验设备及仪器

1.2.1 铣削设备

铣削加工利用威格特SYNTEC GMB-E数控加工中心。板材铣削加工示意图见图1。

图1 铣削加工示意图Fig. 1 Schematic diagram of milling process

1.2.2 铣削刀具

试验刀具为硬质合金三刃直柄铣刀，刀柄直径为12 mm，刀的回转直径为8 mm，刀刃长为20 mm，刀齿为3个。

1.2.3 测试仪器

采用FS-80真空吸尘器(风量为3 m3/min)收集铣削产生的粉尘，再用博纬标准检验筛分机对其进行筛分；粉尘质量测定采用HC系列电子天平；粉尘颗粒的大小和形态分析则采用Occhio系列真空分散器和粒形粒度分析仪。

1.3 试验方法

在工厂工况环境下进行铣削加工试验，铣削时吸尘器工作。由于平均铣削厚度对产生的粉尘量具有很大的影响，故用平均铣削厚度aav作为研究参数，讨论其对板材铣削粉尘粒度粒形分布的影响(图2)。

图2 平均铣削厚度示意图Fig. 2 Schematic diagram of average milling thickness

铣削厚度a即两相邻刀齿切削轨迹间的垂直距离，计算公式为：

a=Uz·sinθ=Uz·sinφ

(1)

式中：Uz为每齿进给量，mm/齿；θ为运动遇角，(°)；φ为瞬时转角，(°)。每齿进给量Uz为：

(2)

式中：U为进给速度，m/min；n为主轴转速，r/min；z为切削的齿数。以接触弧中点作为平均计算点，则平均铣削厚度为[13]：

(3)

式中：φ0为接触角，(°)；h为铣削深度，mm；D为铣刀切削圆直径，mm；θav为以接触弧中点的铣削速度方向作为计算依据时的运动遇角。

本试验中，z=3、h=4 mm、D=8 mm为定值。主轴转速、进给速度是铣削加工中的主要参数，平均铣削厚度的改变可由这两个参数决定。本研究设计两组试验实现平均切削厚度的递增。试验组一为固定主轴转速(16 000 r/min)，根据等差的平均铣削厚度确定相应的进给速度；试验组二为固定进给速度(4.000 m/min)，根据试验组一中相应的平均铣削厚度，确定对应的主轴转速。试验设计见表1。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.4 数据处理

采用粒形粒度分析仪中的内置图形分析软件对粉尘试验样品的扫描图像进行分析。利用等效面积径、长径比、坚固度3种参数来表征粉尘颗粒的粒度与粒形。等效面积直径在图像法中对粉尘颗粒尺寸的描述最为准确；长径比反映粉尘颗粒的形状，随着长径比的增大，粉尘颗粒越细长；坚固度反映粉尘颗粒的表面结构，随着坚固度的增大，粉尘颗粒内部越饱满[14]。

2 结果与分析

2.1 粉尘分布特性

2.1.1 粉尘质量分布

平均铣削厚度变化对铣削粉尘质量分布的影响见图3。

图3 不同平均铣削厚度下的粉尘质量分布Fig. 3 Mass distribution of dust under different average milling thicknesses

在不同铣削参数下所产生的粒径≥100 μm的粉尘质量占比达到95%以上，其中粒径≥1 000 μm的粉尘质量占比最大。固定主轴转速为16 000 r/min，逐渐提高进给速度时，粒径≥1 000 μm的粉尘质量占比从35%升至47%，粒径<500 μm的粉尘质量占比则从40%降至22%。固定进给速度为4 m/min，逐渐降低主轴转速时，粒径≥1 000 μm的粉尘质量占比从48%升至63%，粒径<500 μm的粉尘质量占比则从29%降至14%。

可以看出，尽管有相同的平均切削厚度，在主轴转速16 000 r/min下产生的粒径>1 000 μm的粉尘质量占比普遍小于进给速度4 m/min下所产生的相应粉尘，反之亦然。随着平均铣削厚度的逐渐增大，粒径<100 μm、粒径≥100～200 μm、粒径≥200～500 μm 的粉尘质量占比逐渐减小，≥1 000 μm的粉尘质量占比则显著增加。粒径≥500～1 000 μm的粉尘质量占比随进给速度的增加呈上升趋势，而随主轴转速的下降变化趋势不明显。

由此可见，平均铣削厚度的增加使得粒径较大颗粒的质量占比上升，降低主轴转速比提高进给速度更容易产生大颗粒粉尘。这是因为铣削速度影响切削层材料的破坏程度，而主轴转速对铣削速度的影响远大于进给速度，进而对切削层材料的破坏程度起决定性作用[13]。同时，竹板铣削的表面质量也与铣削参数有关。本研究为竹材铣削，通过改变铣削参数为降低粉尘排放提供了基础参数，但在实际加工中，应综合其对两者的影响并进行权衡，以实现在不影响产品质量的前提下，尽可能降低粉尘排放。

图4 粉尘粒径分布与数量百分比的关系Fig. 4 The relationship between the distribution of dust particle size and the quantity percentage

2.1.2 粉尘数量分布

尽管从质量分布的结果来看，粒径≥100 μm的粉尘颗粒占绝大多数，但由于体积较大的颗粒粉尘数量与小颗粒粉尘数量不在一个数量级上，因此质量分布并不能完整地反映粉尘颗粒实际数量的占比。利用图像法得到的整体粉尘颗粒的粒径分布见图4。图4a是粉尘颗粒为0～1 000 μm的数量分布，83%的颗粒粒径<100 μm，属于可吸入颗粒物，对人体健康存在严重威胁，因此有必要重点分析100 μm以下的粉尘数量分布特性[7,15]。从图4b中可以看出，粒径为0～50 μm的颗粒物占比高达61%，粒径为0～20 μm的颗粒物占比在22%以上，粒径<10 μm的颗粒物占8%以上，这说明铣削粉尘中含有大量细微颗粒物，其在空气中传播距离较长。研究表明，细微颗粒物比表面积与颗粒之间的相互作用力呈正相关，所以细微粉尘颗粒易团聚[14]。

平均铣削厚度对粒径0～100 μm颗粒数量分布的影响见图5。

图5 粒径<100 μm的颗粒在不同平均铣削厚度下的粒径分布Fig. 5 The size distribution of particles with diameter lower than 100 μm under different average milling thicknesses

由图5a可看出，中段50%的颗粒粒径主要分布于18.5～72.6 μm，中位径大多在40 μm左右。整体上看，随着平均切削厚度的递增，中值粒径随进给速度的增加呈上升趋势，而随主轴转速的下降呈降低趋势。降低主轴转速所得的粉尘中位径普遍高于提高进给速度所得数值。图5b是间隔为10 μm的分段粒径分布，在16 000 r/min转速条件下，粒径10～20 μm的颗粒数量最多，占总体的13.4%～16.6%；而在4 m/min的进给速度下，粒径20～30 μm的颗粒数量最多，占总体的13.9%～16.4%。这一结果说明，尽管增加平均铣削厚度可有效地提高大颗粒粉尘的质量占比，但对于粒径<100 μm的可吸入粉尘而言，主轴转速与粒径分布的关系更为密切。

在较低的进给速度条件下，主轴转速与切削力成反比，主轴转速的降低使得增加的切削力对颗粒产生了二次破坏，增加了细微颗粒的占比，使得粒径0～100 μm粉尘数量分布更加集中于10～30 μm粒径。另外，切屑受切削刃挤压与磨削的作用加剧，从而产生更多的小颗粒粉尘。

注：P10为长径比统计数据的第10百分位数，表示样品中有10%的颗粒长径比小于等于图中P10对应的数值。P25、P50、P75、P90以此类推[15]。图6 粒径<100 μm的颗粒在不同平均铣削厚度下的长径比分布Fig. 6 The aspect ratio distribution of particles with diameter lower than 100 μm under different average milling thicknesses

2.2 粉尘粒形分布特性

2.2.1 平均铣削厚度对长径比的影响

粒径0～100 μm的粉尘长径比分布见图6。从图6中可以看出，粉尘长径比主要集中在49.8%～72.5%，长径比中值为62.3%～65.8%，这与刨花板钻孔粉尘的形态分布相似[14]。长径比的中值与平均铣削厚度没有线性关系，但平均铣削厚度在整体上与P75～P25和P10～P90呈正相关，试验组二中长径比的P75～P25和P10～P90略高于试验组一。这意味着平均铣削厚度的增加使得粉尘的长径比差异更大，且降低主轴转速对粉尘长径比的差异性影响更为显著。

粒径<100 μm颗粒的长径比平均值见图7。由图7可以看出，平均长径比总体上随着粉尘颗粒粒径的增大而减小，这说明粒径较小的颗粒形态更趋近于球体，颗粒随粒径的增大逐渐出现细长化趋势。Guo等[16]对松木、豆茎等研磨颗粒研究后也发现同样的规律。

图7 不同粒径与颗粒长径比平均值的关系Fig. 7 The relationship between different particle diameters and the average value of particle aspect ratio

铣削参数的改变对细微颗粒物的形态影响较小，但在相对较大一些的粒径区间，平均长径比会随平均铣削厚度的增加而先减小后增加,且随着粒径的逐渐增加，不同平均铣削厚度所造成的平均长径比差异也越来越大。长径比与颗粒的流动性相关性很大，随着颗粒变长，颗粒间的内结合力变大，流动性变弱[14]。当平均铣削厚度在0.14 mm以下时，粒径>50 μm的切屑大多以破裂的粉尘颗粒形态为主，平均铣削厚度的增加拉长了单个切屑的长度，粉尘颗粒的形态偏狭长。

而随着平均铣削厚度的进一步增加，切屑出现片状或块状颗粒，粉尘的形态又趋于规则。长径比和粒径的数量占比关系及部分典型的颗粒平面扫描图像见图8。从图8中可以看出，粉尘集中分布在粒径10～20 μm、长径比60%～70%的数值周围，平均铣削厚度的增加使得这一分布特征更加显著。

图8 长径比和等效面积直径间的数量占比关系Fig. 8 The quantity proportion relationship between the aspect ratio and the equivalent area diameter

注：P10为坚固度统计数据的第10百分位数，表示样品中有10%的颗粒坚固度小于等于图中P10对应的数值。P25、P50、P75、P90以此类推[15]。图9 粒径<100 μm的颗粒在不同平均铣削厚度下的坚固度分布Fig. 9 The firmness distribution of particles with diameter lower than 100 μm under different average milling thicknesses

2.2.2 平均铣削厚度对坚固度的影响

粒径0～100 μm的粉尘坚固度分布见图9。从图9中可以看出，粉尘坚固度主要集中在85.3%～96.8%，坚固度中值为92.1%～93.3%。坚固度的中值与平均铣削厚度没有线性关系，但平均铣削厚度在整体上与P25～P75和P10～P90呈正相关，试验组二中坚固度的P25～P75和P10～P90略高于试验组一。这意味着平均铣削厚度的增加使得粉尘的坚固度差异更大，且降低主轴转速对粉尘坚固度的差异性影响更为显著。粒径<100 μm的粉尘颗粒坚固度平均值见图10。可以看出，平均坚固度总体上随着粉尘颗粒粒径的增大而减小，这说明粒径较小的颗粒形态更规则，颗粒的饱满度更高。

图10 不同粒径区间的平均坚固度Fig. 10 Average firmness in different particle size ranges

切削参数的改变对细微颗粒物的形态影响较小，但在相对较大一些的粒径区间，平均坚固度会随平均铣削厚度的增加先减小后增加,且随着粒径的逐渐增加，不同平均铣削厚度所造成的坚固度差异也越来越大，这与长径比的结果十分接近。

粉尘颗粒的坚固度整体上随粒径的增加而降低，随进给速度的增大，大颗粒粉尘的表面轮廓凹凸不平，形态不规整。随主轴转速的增大，粉尘颗粒的坚固度整体呈上升趋势。表明在高主轴转速条件下粉尘颗粒表面轮廓的凹凸程度减小，整体表面结构更规整。小颗粒粉尘的表面轮廓更饱满，形态结构更规整，粉尘颗粒的坚固度整体上随粒径的增加而降低。