微量润滑系统参数对切削环境空气质量的影响_赵威

186 表2
润滑油 种类 A B C D 20℃密度/ (g/cm3) 0.90 0.85 0.90 0.95
机 润滑油物理特性
40 ℃黏度/ (mm2/s) 10 22 22 42
械
工
程
学
报
第 50 卷第 13 期期
增多”的结论一致。
倾点/℃ –12 –24 –24 –12
0
前言
*
微量润滑作为一种可代替切削液的新型冷却 润滑方式，以其良好的冷却、润滑、排屑、低污染 等综合性能而得到了越来越广泛的应用。目前国内
* 国家自然科学基金 (51005118) 和高等学校博士学科点专项科研基金 (20093218110019)资助项目。 20130709 收到初稿， 20140421 收到修改稿
1
1.1
试验方法与试验方案
Hale Waihona Puke Baidu
试验方法与试验仪器 试验用低温微量润滑系统主要由课题组研发 [15] 的低温冷风发生装置 与德国 VOGEL 外混式微量 润滑系统构成。试验过程中，采用 FA-3 型 8 级气 溶胶分布采样器进行油雾采集，然后应用 OHAUS AR1140 高精度分析天平(感量 0.1 mg)对采集的切 削油雾进行称重分析，进而计算切削现场油雾浓度 [10] 数值。其中，油雾浓度数值计算公式如下 C = 1 000×(W2 – W1) / V0 – C0 (1)
(南京航空航天大学机电学院
210016)
摘要：微量润滑(Minimum quantity lubrication，MQL)切削是现代机加工领域一项先进的准干式切削技术，但微量润滑切削过 程中产生的切削油雾仍会影响切削现场的环境空气质量，危害切削场所人员的健康。基于重量分析法，对微量润滑条件下的 切削现场油雾浓度进行了测量与分析，揭示了润滑油用量、供气压力、喷射靶距、射流温度以及润滑油特性等微量润滑系统 参数对切削现场油雾浓度 PM10 与 PM2.5 的影响规律。研究结果表明，润滑油用量是影响切削现场油雾浓度的最主要因素， 随着润滑油用量的增加，切削现场油雾浓度显著增大，应控制在 15 mL/h 以内；在射流温度较低的条件下，空气中悬浮的水 汽会发生凝结与黏附现象，从而造成低温微量润滑条件下的油雾浓度检测结果较室温条件下明显增大，但低温微量润滑条件 下切削现场油雾浓度会随着射流温度的降低而相对降低。 关键词：微量润滑；环境空气质量；油雾浓度 中图分类号：TG502
外对微量润滑切削技术的研究涵盖了钻削、铣削、 [1] 车削、磨削和锯切等多种切削工艺 。大量的研究 表明，针对淬硬钢、高温合金、钛合金以及不锈钢 等难加工材料的高速切削，与干式切削和湿式切削 相比，微量润滑能够表现出更优良的冷却润滑性 [2-7] [6] 能 。如 BIAN 等 采用低温微量润滑技术切削 PH13-8Mo 高强度不锈钢，较干式切削可延长刀具 [7] 寿命 1.86 倍；YUAN 等 采用微量润滑并辅以低温
表1
试验参数 润滑油用量 Q／(mL/h) 供气压力 p／MPa 喷射靶距 L／mm 射流温度 T／℃ 润滑油种类
试验参数
参数值 10, 15, 20, 25, 30 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 10, 20, 30, 40, 50 –20, –15, –10, 0, 10, 室温 A, B, C, D
月 2014 年 7 月
赵
威等：微量润滑系统参数对切削环境空气质量的影响
185
冷风切削 Ti6Al4V 钛合金，较干式切削、湿式切削 及微量润滑切削可显著降低切削力、刀具磨损以及 表面粗糙度数值。 然而，一直以来人们普遍关注微量润滑替代切 削液之后所带来的冷却、润滑、排屑等综合性能， 却常常忽略切削油雾所带来的环境空气质量安全问 题，而这种问题往往会对长期处于加工现场人员的 [8] 健康带来严重的潜伏性危害。如 PARK 等 指出， 从实际应用角度考虑，控制微量润滑时的油雾粒径 分布与浓度大小对冷却润滑效果以及环境空气质量 等十分必要，其对微量润滑条件下的油雾粒径分布 的研究结果表明，小粒径( 100 μm)油雾颗粒数随 射流压力增大而增多， 但随喷射靶距的增大而减少。 [9] LAWAL 等 则通过应用植物型润滑油进行微量润 滑加工的一系列实例，综述了微量润滑的特点和优 势，并指出采用植物型润滑油进行微量润滑时产生 的细小油雾颗粒对环境几乎无危害。但在加工场所 环境条件的影响下，采用植物型润滑油产生的细小 润滑油颗粒有可能沾染上环境空气中其他有害粉 尘、细菌、微生物等物质而变质或污染，从而对环 [10] 境空气质量和人体安全产生一定的危害 。 切削环境空气质量安全性与切削过程产生的 油雾浓度及其粒径分布密切相关。油雾颗粒越小， 油雾浓度越高，对人体健康的危害越大。目前公认 对人体造成最主要危害的是空气动力学直径小于 10 μm 的可吸入颗粒物(PM10)以及可直达肺泡造成 无法修复伤害的空气动力学直径小于 2.5 μm 的可 吸入颗粒物(PM2.5)。因而，世界工业发达国家如美 国、英国及日本等除了制订了相应的环境空气质量 标准以外，又相继制定了针对车间切削环境的油雾 3 浓度接触限值标准如 PM10 5 mg/m ，PM2.5 0.5 3 [11] mg/m 等 。我国环境保护部与国家质量监督检验 检疫总局于 2012 年联合发布了最新的环境空气质 量标准(GB3095-2012)，在 GB3095-1996 的基础上， 增加了 PM10 的一级标准和 PM2.5 的一级、二级标 [12] 准 ；我国国家机械工业局曾于 1999 年发布了针 对金属切削机床的油雾浓度测定的行业标准，该标 准建议切削机床油雾浓度 PM10 的最大值不应超过 3[13] 5 mg/m ，但目前国内在车间切削环境的油雾接 触浓度方面，仍未制定相应的 PM2.5 限值标准。 鉴于微量润滑切削产生的油雾对切削环境的 [14] 潜在危害，基于重量分析法 ，测试了微量润滑系 统参数如润滑油用量、射流温度、供气压力、喷射 靶距及润滑油黏度及倾点等对切削油雾浓度的影 响，以期为微量润滑条件下的切削环境空气质量安 全控制提供一定的数据支撑。
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016)
Abstract：Minimum quantity lubrication (MQL) has been accepted as a successful semi-dry application because of its satisfactory performance in practical machining operations. However, the oil mist generated from MQL machining process has a direct impact on the ambient air quality, and then does harm to those who permanently work in this environment. Using the weighing method, the oil mist concentration in machining workshop is measured and analyzed, and the influence of MQL system parameters such as oil flow rate, air pressure, spray distance to target, jet temperature and lubricant property on the oil mist concentration PM10 and PM2.5 in the machining workshop are investigated. The results show that oil flow rate is the most important factor which affects the oil mist concentration in the machining workshop. With the increase of oil flow rate, the oil mist concentration increases significantly. The oil flow rate should be limited to less than 15 mL/h. The water vapor in the air is easy to condense and adhere to the fine particles at low jet temperatures, which results in that the measurement results of oil mist concentration are higher than those at room temperatures. But the oil mist concentration will decrease as the jet temperature decreases during the cryogenic MQL milling process. Key words：minimum quantity lubrication；ambient air quality；oil mist concentration
Investigation on the Influence of System Parameters on Ambient Air Quality in Minimum Quantity Lubrication Milling Process
ZHAO Wei HE Ning LI Liang YANG Yinfei SHI Qi
第 50 卷第 13 期 2014 年 7 月
机
械
工 程
学
报
Vol.50 Jul.
No.13 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.13.184
微量润滑系统参数对切削环境空气质量的影响*
赵 威 何 宁 李 亮 杨吟飞
南京
史 琦
V0 qv t p0 273 273 K 101 324.72
3
C——油雾浓度(mg/m )； W1——采样前滤膜重量(mg)，精确到 0.1 mg； W2——采样后滤膜重量(mg)，精确到 0.1 mg； V0——标准状态(0℃，标准大气压)采样空气 体积(L)； qv——采样流量(L/min)； t——采样时间(min)； K——采样时的环境温度(℃)； p0——采样时的大气压力(Pa)； 3 C0——本底试验的油雾浓度(mg/m )。 所有试验均在半封闭机床上进行，该机床空间 约为 4 m× 3 m× 2 m；将 FA-3 气溶胶分布采样器组 装好放置于距地面 1.5 m 且离机床主轴 0.5 m 处的 机床防护门内侧(防护门不完全封闭)，抽气流量设 置为 28.3 mL/h，并将刀具转速设定为 2 000 r/min。 为减少环境温度与空气湿度等对测量结果的影响， 所有试验要求环境温度 20～26 ℃，室内空气相对 湿度 50%～70% RH，每次采样均待采样区油雾浓 度达到近似稳定状态后再开始采样， 采样时间为 2.0 h 以上， 采样间隔期内应用排气扇进行通风 0.5 h 以 上以保证采样基数一致。 1.2 试验方案 本试验重在考察微量润滑系统参数如润滑油 用量、射流温度、供气压力、喷射靶距以及润滑油 特性等对车间切削现场油雾浓度的影响，具体参数 设置如表 1 所示。其中，试验中采用的 A、B、C、 D 四种润滑油均为植物型润滑油，其物理特性如表 2 所示。 式中