切削加工 |干式切削环境污染采集方法与影响分析研究

通信作者简介

王禹林

南京理工大学机械工程学院

• 博士 教授 博导

• 研究方向为先进制造技术、精密测控技术以及智能装备与机器人等

• 国家万人计划“青年拔尖”人才、江苏高校“青蓝工程”培养对象-中青年学术带头人

• “高性能制造技术与重大装备”重点研发计划指南编制组专家

• 获中国机械工业技术发明奖一等奖、教育部自然科学奖二等奖、江苏省科学技术二等奖等

王杨敏,刘前军,潘一,徐国达,孙宇昕,何彦,王禹林.干式切削环境污染采集方法与影响分析研究[J].制造技术与机床,2022(05):29-35.

DOI:10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.05.005

干式切削环境污染采集方法与影响分析研究

王杨敏① 刘前军② 潘一① 徐国达① 孙宇昕①

何彦③ 王禹林①

（①南京理工大学机械工程学院；②机械工业科技发展中心 ；③重庆大学机械传动国家重点实验室）

摘 要

干式切削工艺作为绿色加工的主流工艺，已得到广泛应用，为实现对干式切削加工环境污染的控制，研制了一种可集成采集粉尘、油雾和噪声等数据的机加环境污染采集工具，提出了一种环境污染在线采集方法，进行了单因素试验与正交试验，研究了切削速度、每齿进给量、冷却条件和材料类型对环境污染的影响规律与程度。结果表明：机床防护门前为最佳采样方位，0.5 m为最佳采样距离；相比传统切削，典型干式切削工艺油雾污染较低，而粉尘污染较高；切削速度与材料类型对环境污染排放影响较大，每齿进给量影响较小，冷却方式对粉尘浓度有一定的影响。研究结果可为干式切削环境数据的获取提供可借鉴的采集设备与采集方法，可为工艺优化与绿色评价提供数据支撑。

干式切削工艺；数据采集工具；数据采集方法；工艺优化；绿色制造

导 语

传统机械加工工艺在生产过程中会产生大量有毒有害的切削粉尘、油雾和噪声等，这些污染物会危害人类的身体健康，长期接触会增加慢性疾病的发生概率。干式切削因避免使用切削液降低了车间环境污染，是一种典型的绿色切削加工工艺，已成为绿色切削加工的主流工艺，但另一方面因缺少切削液的润滑作用和更高切削速度的需求，加工过程中产生粉尘和噪声污染仍会对人体和环境产生不利影响。因此，分析干式切削工艺参数对环境污染量的影响规律与影响程度，优化干式切削工艺参数，对推动机械制造行业绿色化发展具有显著意义。

高质量获取加工环境数据是开展工艺参数影响分析的基础，环境污染采集工具方面，黎冠等基于嵌入式单片机并搭载相应的粉尘传感器实现了车间环境粉尘数据的实时采集与显示；刘茜等选取了某大型机加车间数控机床，使用声级计测量了车间噪声值，研究了大型机加车间噪声的暴露特点。但上述采集工具大多集成度和通用性低、无法对多个指标量进行集成采集，数据采集质量无法保证，且在环境污染采集方法方面，粉尘等污染排放测量虽有相关标准，但制定年代较早，且仅规定了离线法采集，数据实时性难以得到保证，难以适用于在线传感器采集方式的场景。

目前，国内外学者在干式切削工艺参数影响方面进行了大量的工作。George P等设计了3种转速、3种进给量和恒定切削深度的AISI 410钢干式铣削正交试验，通过极差与方差分析研究了切削参数对加工表面粗糙度的影响规律。Karthik M S等进行了EN 31轴承钢材料干式车削正交试验，基于方差分析研究了切削参数对表面粗糙度的影响规律。王曦等运用高速干式切削加工AF1410高强度钢研究分析了不同切削参数下刀具磨损、切削力、切削温度以及已加工表面粗糙度的变化规律。Pathak A D等在AISI A2工具钢干式车削试验中，结合基于模糊逻辑的多响应性能指标与极差、方差分析研究了切削参数对表面粗糙度和切削力的影响规律和程度。Nayak S K等通过灰色关联法结合方差分析研究了不同切削参数对AISI 304不锈钢干式车削过程中材料去除率、切削力和表面粗糙度等切削性能指标的影响。孙涛等基于均匀设计法设计了高速干式铣削高温合金试验方案，分析了切削速度、每齿进给量、背吃刀量和刀具半径对工件表面完整性的影响规律。环境影响方面，祁宏坚等面向传统铣削工艺，研究了切削参数对加工过程中粉尘、油雾的影响规律。

上述研究在干式切削加工表面完整性、切削力的参数影响和传统切削环境影响方面具有很好的理论指导和借鉴意义，然而对于加工参数在干式切削加工环境污染方面的影响规律还尚未研究，所研究的参数影响因子也大多只局限于加工时的切削参数，对于同样会对加工过程产生巨大影响的工艺参数，例如：材料类型及冷切方式等，还鲜有研究。因此，本文针对典型干式切削加工环境污染，开发集成化数据采集装置，针对数据采集点方位和距离进行了干式切削加工环境污染采集方法的试验研究，开展了单因素与正交试验，探讨了切削速度、每齿进给量、材料类型以及冷却条件对环境污染指标的影响规律和影响程度，提出工艺优化建议，以期为干式切削的工艺参数优化选用提供参考，从而实现对干式切削加工环境污染的控制。

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