摘要：微量润滑（Minimum quantity lubrication，MQL）切削是现代机加工领域一种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。应用重量分析法对切削现场油雾浓度进行检测，分析了润滑油用量、供气压力、喷射靶距、射流温度等不同微量润滑系统参数下铣削速度对切削现场油雾浓度的影响规律。研究结果表明，随着铣削速度的增大，油雾颗粒与高转速刀具发生激烈碰撞形成二次雾化，造成切削现场油雾浓度PM10与PM2.5均相应增大，但微量润滑系统参数不同，PM10与PM2.5随铣削速度的变化规律亦不相同。
关键词：微量润滑；铣削速度；油雾浓度；环境空气质量
中图分类号：TG502 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）03-0440-06
Effect of Milling Speed on Oil Mist Concentration in Minimum Quantity Lubrication
Zhao Wei，Chen Chong，He Ning，Li Liang，Ren Fei，Liang Xinguang
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. The effect of milling speed on the oil mist concentration under different MQL system parameters such as oil flow rate， air pressure， spray distance to target and jet temperature， is analyzed. The research results show that， the oil mist concentration PM10 and PM2.5 in machining workshop will increase with the increase of milling speed due to the secondary atomization， which results from the fierce collision between oil mist particles generated from MQL system and cutting tool with high rotation speeds. But the varying patterns of oil mist concentration PM10 and PM2.5 are changing with the increase of milling speed at different MQL system parameters.
Key words： minimum quantity lubrication； milling speed； oil mist concentration； ambient air quality
微量润滑以其良好的冷却、润滑、排屑以及低污染等综合性能而受到了工业界的普遍关注，是高速、高性能切削采用的主要冷却润滑方式之一[1]。目前国内外对微量润滑切削技术的研究涵盖了钻削、铣削、车削、磨削和锯切等多种切削工艺[2]。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能[3-8]。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健康带来严重的潜伏性危害[9]。如微量润滑所产生的切削油雾进入呼吸系统，通过累积效应对呼吸系统造成危害，油雾颗粒越小，油雾浓度越高，对人体健康的危害越大[10]。此外，在加工场所环境条件的影响下，即使采用植物型润滑油，其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，从而对环境空气质量和人体安全产生一定的危害[11-13]。
基金项目：国家自然科学基金（51005118）资助项目；材料与工艺预研基金（GY2013149-04）资助项目。
收稿日期：2014-04-30；修订日期：2014-09-17
切削环境空气质量与切削过程产生的油雾浓度及其粒径分布密切相关。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，欧美等世界工业发达国家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浓度接触限值标准如PM10≤5 mg/m3，PM2.5≤0.5 mg/m3等[14].中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、二级标准[15]；中国围家机械工业局曾于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5 mg、m3[16]，但目前国内在车间切削环境油雾浓度力面，仍未制定相应的PM2.5限值标准。 针埘微量润滑切削产生的油雾对切削环境的潜在危害，在课题组前期研究的基础上[1，11-13]，采用重量分析法[17]，深入研究润滑油用量、供气压力、喷射靶距、射流温度等不同微量润滑系统参数条件下切削现场油雾浓度随铣削速度的变化规律，从而为微量润滑条件下的切削参数优化选择与环境空气质量安全控制提供数据支持。
1 试验方案
1.1 试验仪器与方法
试验用低温微量润滑系统主要由课题组研发的低温冷风发生装置与德国VOGEl外混式微量润滑系统构成[12-13]；油雾采集装置为FA-3型8级气溶胶分布采样器；并应用OHAUS AR1140高精度分析天平对采集的切削油雾进行称重分析，从而计算油雾浓度大小。
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型气溶胶分布采样器组装好放置于距地面1.5 m.离机床轴0.5 m处（见图1）；采用植物型润滑油进行微量润滑。具体实验过程为：（1）利用烤箱将玻璃纤维烘干（时长2h），并放入密封袋并做好标记；（2）将密封袋连同装入其中的玻璃纤维经OHASAR1140型称重天平称重，多次测量取均值；（3）已称重的玻璃纤维滤膜分别放置于撞击器的第4级（收集PM10）与第8级（收集PM2.5）采样板上；（4）组装好FA-3型气溶胶分布采样器，并将其按照设定位置放于机床侧门内；（5）测量并记录试验现场的温度、湿度以及气压；（6）开启微量润滑系统调好系统参数，开启机床，待微量润滑系统喷射油雾稳定后打开FA-3型气溶胶分布采样器主机，进行油雾采集，流量调整为28.3 L/min，采样时间2h以上；（7）采样结束后，取出采集板上的玻璃纤维并放于原来的密封袋中，多次称重取均值；（8）利用计算公式[11]进行切削现场的油雾浓度数值计算。
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，每次测试时间为2h以上，测试间隔期内应用排气扇进行通风0.5 h以上以保证测试基数一致。
1.2 试验参数
本试验重在考察不同微量润滑系统参数条件下铣削速度对切削现场油雾浓度的影响变化规律，具体参数设置如表l所示。其中，通过调节低温微量润滑系统中的半导体制冷器工作电流可以控制射流温度的变化，通过调压阀可以实现对低温微量润滑系统供气压力的调节。
此外，试验用刀具为直径D=25 mm的2齿机夹式立铣刀，刀具螺旋角0°；刀片为WK10非涂层硬质合金，前角25°，后角15°。
2 试验结果与分析
2.1 变润滑油用量下铣削速度对油雾浓度的影响
当润滑油用量Q>20 mL/h时，切削现场油雾浓度已经超出了切削环境空气质量控制标准（PM10≤5 mg/m3，PM2.5≤0.5 mg/m3）[13]，因此本试验仅测试分析Q=10 mL/h和Q=-5 mL/h时的切削油雾浓度情况（见图2）。从该图可以看出，随着铣削速度的提高，两组润滑油用量下的切削油雾浓度均有上升迹象，润滑油用量Q=10 mL/h、铣削速度vc对比图2（a）与图2（b）还可发现，润滑油用量Q= 15 mL/h时的油雾浓度明显高于Q=10 mL/h时的测量结果。因此，润滑油用量对油雾浓度值起到了决定性的影响，故而在微量润滑切削时，在控制润滑油用量的前提下，可选择的切削速度范围相对较宽。
2.2 变供气压力下铣削速度对油雾浓度的影响
图3为变供气压力下切削现场油雾浓度随铣削速度的变化趋势。从图3可以看出，随着铣削速度的增大，切削现场油雾浓度PM10，PM2.5均呈上升趋势。其中，供气压力p=0.4～0.6 MPa时油雾浓度上升趋势明显，但随着供气压力升高，油雾浓度上升趋势相对变缓，如供气压力p=0.7MPa时，随着铣削速度的增大，油雾浓度PM10几乎没有变化。然而，在高的供气压力下，随着铣削速度的提高，PM2.5却持续升高（见图3（d））。这说明在高的供气压力下，小粒径油雾颗粒大量产生，不利于PM2.5的控制。因此，微量润滑铣削过程中要尽量避免同时采用高的供气压力和高的切削速度。
2.3 变喷射靶距下铣削速度对油雾浓度的影响
图4为变喷射靶距下油雾浓度随铣削速度的变化趋势。其中，当喷射靶距L=20 mm时，随着铣削速度的增大，油雾浓度有明显的增加（见图4（a））；当喷射靶距L=30 mm时油雾浓度随铣削速度增加而增加的趋势有所减缓（见图4（b））；而当喷射靶距L≥40 mm时油雾浓度几乎不随铣削速度的增加而增加（见图4（c，d））。
随着喷射靶距增大，切削区与喷嘴之间的距离相应增大，凶而到达切削区与高速转动刀具碰撞的油雾颗粒数变少；同时由于润滑油颗粒在雾化场中的时间较长得到充分雾化，参与撞击的颗粒平均粒径小，二次撞击雾化颗粒物较少。因而当喷射靶距增大时，铣削速度对油雾浓度的影响减弱，但此时微量润滑的切削效果亦会随之降低。因此，在微量润滑切削过程中，应综合切削介质的冷却润滑效果与空气质量安全控制，合理选择喷射靶距与铣削速度。
2.4 变射流温度下铣削速度对油雾浓度的影响
图5为变射流温度下油雾浓度随铣削速度的变化趋势。从该图可以看出，不同射流温度下随着铣削速度的增大油雾浓度均呈现上升趋势。低温条件下的油雾浓度测量结果普遍大于室温条件下的测量结果。这主要是由于切削现场空气湿度较大，空气中悬浮的水汽容易在低温射流影响下凝聚成可测颗粒物，从而使得低温微量润滑条件下测得的油雾浓度数值远大于室温下测得的结果。但是，在10～-20℃的射流温度条件下，随着射流温度的降低，切削现场油雾浓度PM10，PM2.5数值有逐渐降低的趋势。这主要是因为低温条件下，润滑油黏度增大，雾化效果减弱，从而导致小颗粒油滴数相对减少。虽然相对于常温微量润滑条件，低温微量润滑条件下的切削现场油雾浓度数值较大，但低温微量润滑对于提高难加工材料加工效率、延长刀具寿命等方面具有较大的优势[7-8]。 从图5还可以看出，t=10℃，0℃时，铣削速度超过500 m/min后PM10几乎不变或略有降低，而PM2.5仍略有增加；t=-10℃，-20℃时，PM10，PM2.5均随铣削速度的增加而变化明显。这是因为随着射流温度的进一步下降，润滑油粘度进一步增大，雾化颗粒的平均粒径增大，二次撞击雾化在油雾产生过程中的比重加大，此时铣削速度对油雾浓度的影响相对明显。因此，可以在保证切削环境空气质量安全的条件下，兼顾空气湿度的影响，选取合适的射流温度。但在低温微量润滑切削条件下，应增强切削场所的通风设施，否则容易造成切削现场PM2.5油雾浓度超过控制标准。
3 结 论
通过研究分析不同微量润滑系统参数下铣削速度对油雾浓度的影响规律，可得到以下结论：
（1）在较高的润滑油用量下，射流高速撞击高转速刀具，使得二次雾化增强，油雾浓度随铣削速度增长趋势明显。
（2）在较小的供气压力下（≤0.5 MPa），油雾浓度随铣削速度增长的趋势明显，在较大的供气压力下（≥0.6 MPa），PM10增幅较小，但小粒径油雾颗粒数增多，不利于PM2.5的控制。
（3）在较小的喷射靶距下（≤20 mm），油雾浓度随铣削速度的增大有明显的增加，在较大的喷射靶距下（≥40 mm），油雾浓度几乎不随铣削速度的增大而增加。
（4）在射流温度与环境温度差值较大的情况下，由于切削场所空气湿度的影响，造成油雾浓度检测结果增大，但随着射流温度的降低，润滑油黏度亦会相应降低从而导致雾化效果减弱，油雾浓度相对降低。此外，当射流温度小于-10℃时，油雾浓度均随铣削速度的增加而变化明显。
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