切削液供给、净化与回收处理技术新进展

魔神

        金属切削加工过程中，必须合理使用切削液。切削液的使用效果除与正确地选用切削液的品种和牌号有关外，还与它的供给与净化处理方法有关。正确的供给和净化处理不但可提高切削液的使用效果，而且可降低工件加工表面的粗糙度和提高工件加工精度，延长刀具使用寿命。而使用过的废切削液中含有大量矿物油料及表面活性剂（乳化剂），过去由于对它的危害性认识不足，所以都采取直接排放。随着工业的迅速发展，这种含油污水的排放量与日俱增。据不完全统计，中国大陆仅机械工业废切削液的日排放量已达2亿多吨。含油污水造成的环境污染日益严重，大至江河、小至溪流，几乎都受到不同程度的污染，严重地影响了水生动植物的生长、农业灌溉和人们的生活用水。此外，废切削液中的表面活性剂由于其作用是使矿物油料高度分散在水中，所以更难清除，而且不少乳化剂有增加致癌物的副作用，其危害性比分散的油污更为严重。因此，未经处理的废切削液不得任意排放。废切削液的回收处理，既符合环保要求，又可节约能源，降低生产成本。 
    切削液供给方法及其改进 
    一、常用供给方法及其改进 
    目前生产中常用的切削液供给方法有浇注法和内冷却法两种。前者是利用齿轮泵或低压泵（0.1～0.2MPa）通过管道和喷嘴将切削液直接浇注到刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件接触区的界面上。此法最为简单，但供液效果差，且切削液消耗大。内冷却法多用于油孔钻、深孔钻、喷吸钻、套料刀和单刃镗铰刀等孔加工刀具上，需在刀体内作出供液孔，然后将高压（1～10MPa）、高速的切削液流引入刀体内部，射向切削表面，此法的供液效果好，但需有一套专门的切削液供给系统，使用受到局限。 
    现在的研究表明，切削液采用近乎干式切削的“汽束”喷雾冷却法最为有效，而且切削液消耗少，加工成本低。众所周知，采用湿式切削时切削液的使用与回收费用在机械加工中占有相当大的比重。据德国一项统计资料表明，在高生产率的工业部门，切削液及其管理费用加在一起，要占加工费用的16%，而刀具费用仅占4%，在与切削液有关的总费用中，有22%是切削液的处理费用，而采用干式切削就节省了这部分的开支。
    “汽束”喷雾冷却是以一定压力（0.3～1.0MPa）的空气使切削液雾化，并以很高的速度喷向切削区域，使在该区域高温下呈雾化状的切削液滴很快汽化。由于液体在汽化时会吸收大量热量，因而可使切削区域内的温度大幅度下降，同时切削液还能带走切削区域和空间的热量和粉末，改善作业环境。实践证明，在使用等量切削液情况下，“汽束”喷雾冷却在相同时间内所吸收的热量是浇注法的1000倍。所以，它不但可提高刀具使用寿命，而且可使切削液的消耗大大减少。据德国格林（Guhring）公司试验证实，在一些汽车生产线上采用“汽束”喷雾冷却，每班只需耗用半杯油，并且可使用廉价的工厂派生油。“汽束”喷雾冷却既适用于自动生产线上，也适用于一般的金属切削加工中。一种在普通钻床上利用“汽束”供给切削液的装置由贮液箱（包括工作部和溢流部）、过滤器、集液盘、喷嘴、箱盖、喷吸器、气阀、节气阀、水管及管道等组成。工作时，开动气阀，压缩空气将以Pc=0.4MPa的压力从管路中压出，产生高压气流。高压气流在水管的上部通过时会产生负压，而将切削液从贮液箱中吸出，并击成雾滴状。上述高压气流带着微小液滴的切削液渗透到切削区，在高温下会迅速汽化，吸收大量热量，从而能有效地降低切削温度。而在集液盘中收集的废液经过滤器过滤后可流回贮液箱继续使用。节气阀是用来改变管路中的压力，以便调整切削液的流量。而气阀则可利用电信号（通过直流电压U=24V）操纵。使用表明，该装置结构简单，使用方便。 
    美国一家汽车制动器厂在自动生产线上使用一种靠重力排屑的“汽束”冷却钻削新方法。它将工件翻过来安装，采取钻头从下往上钻的方法，使切屑靠重力落下，同时利用“汽束”喷雾冷却刀具和工件。据报道，此法比用切削液高压冲洗法好，可使刀具有较长的使用寿命。
    据报道，俄罗斯“罗士技术”科研生产公司已经开发出在30多个国家获得专利发明的静电冷却干式切削（风冷的一种）生态净化工艺，并已在美国、德国、日本、和瑞士等工业发达国家中应用。静电冷却干切技术的实质在于向切削区域输送经过放电处理的空气，它可以在许多情况下取代切削液的使用。在进行切削加工时，产生的热电流通过切削区域，并导致工件与刀具的硬度降低。在正确选择装置工作规范情况下，可减小通过刀具的电流（可减至零），而扩大通过工件的电流（扩大一倍）。这样，便可减小刀具硬度的降低，加大工件被切削层硬度的下降，从而可提高刀具的寿命（可提高1.5～4倍）和改善工件加工表面的质量。在切削不锈钢和钛合金等难加工材料时，这一效果尤为显著。 
    二、切削液集中供给方法 
    目前一些工业发达国家已有将切削液采用集中供给的方式。所谓集中供给就是将多台湿式加工的、相同的切削方式和材料的，每台机床上各自独立的切削液供给装置，合并为一个供给系统。
    集中供液由于采用了大循环、大流量、大行程液体回流，所以切削液的热量散发快，供液系统温度低，并且在周末和节假日等停工期间还设有内循环，使大流量的切削液能不间断地流动，有效地抑制了细菌的生长，同时也易于对切削液的性能指标（如PH酸碱值、浓度以及泡沫等）实现自动控制，确保切削液的质量。此外，集中供液也便于污液的集中净化处理，保护生态环境。中国上海大众汽车有限公司发动机厂对切削液采用集中供液后，使切削液的平均寿命比单机分散供液时提高了2.5倍，取得了显著的经济效益。但集中供液一次性投入的成本较高。 
    切削液净化处理及其装置 
    一、切削液净化重要性及其处理方法 
    过去人们认为，只有在精密加工，例如滚压和研磨时，才须使用经过精细过滤净化的切削液，但近几年来研究表明，如将切削液中的杂质（如碎屑、砂轮粉末等）从40μm降低到10μm，刀具耐用度可延长1～3倍。由于人们的肉眼看不见小于40μm的微粒，所以切削液中的杂质，当其尺寸小于20μm，尤其是2～10μm的微粒常被人们所忽视，然而这些不可见的杂质对金属切削加工有着不可低估的影响，因为在切削加工时，它们将进入到刀具前刀面与切屑以及刀具后刀面与工件接触区的界面上，由此而产生强烈摩擦，使切削温度增加，并使刀具耐用度大大降低，同时使加工表面质量变差。因此，目前的研究认为，无论是精密加工，还是在钻削、扩孔、铰孔和镗孔等普通加工中，为了提高刀具耐用度和可靠性，改善零件加工质量，均应使用净化的切削液。此外，清洁的切削液还可防止微生物的生长。 
    切削液的净化处理就是将它在工作中带入的碎屑、砂轮粉末等杂质及时去除。常用的净化方法有：过滤法和分离法。过滤法是使用多孔材料，如铜丝网、布质网、泡沫塑料等制成过滤器，以除去在工作时切削液产生的杂质；分离法是应用重力沉淀、惯性分离、磁性分离等装置，除去在工作时切削液产生的杂质。实际生产中常将几种方法综合使用。 
    二、切削液净化处理装置 
    以一种切削液多级过滤净化装置为例，它不仅制造简单，结构紧凑，并且过滤效果好，能保证切削液有较高的清洁度。该装置由液压泵、旋涡分离器（粗滤和精滤）、磁性分离器、高压密封箱、过滤箱、贮液箱、溢流阀、控制阀等组成。工作时，液压泵将切削液从贮液箱内抽出并压入到第一级旋涡分离器内，使切削液中10～25μm的杂质被分离出来，然后充满整个密封箱并使箱内产生高压。当压力达到一定值后，切削液被压入到第二级旋涡分离器内，进行精滤净化处理，并将5～10μm的细小微粒分离出来。经过上述净化处理后的切削液便可引向机床工作区使用。而使用过的含杂质较多的切削液，以及从旋涡分离器中产生的沉淀物则通过回收器的锥体流入到过滤箱内。经过磁性分离处理，将其中含有切屑的杂质进行初步处理，然后再流回到贮液箱内继续使用。使用中，如需暂时切断切削液的供给（例如要更换加工零件），只要关闭控制阀，切削液就会通过溢流阀而流回到贮液箱内，使整个过滤净化系统不中断工作。 
    俄罗斯研制出一种利用转子－定子系统作为基础的切削液净化处理装置（俄罗斯专利发明号NO1503895），其原理是根据流动的切削液在通过变截面的孔时具有较大压力降和速度梯度声空现象，它能获得高度弥散细小的切削液，切削液中的微粒可破碎成0.8～1.2μm。据称，这是目前净化切削液最有效的一种装置。 
    该装置由本体、定子和转子等组成。工作时，从贮液箱里经液压泵抽上来的切削液被输送到装置中或依靠重力经装置中进口管进入到不断回转着的转子的内腔，形成了较大的柱滴，在液流压力和转子盘所产生的离心力作用下，它们将迅速沿径向带走并旋涡分离出粒径为30～40μm的微粒杂质，然而液流穿过转子上的小孔急速流向定子的信道孔内，同时部分液流则进入到定子和转子组成的径向间隙内，而将5～20μm细小微粒分离出来。由于转子的转速很高（达3000r/min），所以从定子信道孔中喷出的液流形成一股强烈的螺旋形涡流，并集中在本体和定子所组成的涡流工作室内。此外，因为高速回转着的转子还能周期性地堵塞住定子的进液通道孔，从而达到脉动供给切削液的要求，起激振破碎的作用，促使切削液中微粒进一步分裂，故最终从涡流工作室的出口端流出的切削液将是高度弥散细小的洁净切削液。经上述多次旋涡处理过的切削液可引向机床工作区使用。 
    切削液中油料的回收处理 
    使用过的废切削液中含有大量矿物油料，例如配制一吨乳化油需用机械油600～800kg。为了节约能源，必须回收处理。由于油一般都是悬浮在切削液的液面上，故可采用回收装置。它是利用浸在液体中旋转着的甩油盘来实现的。浮油黏附在盘上，利用刮板把油刮下来并沿着斜槽流聚到油罐中，然后用活塞泵再将油从罐中抽出并输送到容器中，甩油盘的旋转是通过传动机构来实现的。 
    从使用过的废乳化液中回收油料的一种装置是由贮液箱、贮油罐、电子浮选装置、管状超滤器（超级滤网）、液压泵、以及循环容器等组成。工作时，将使用过的乳化液通入到贮液箱内，在箱内应加入少量的破乳剂，以去除乳化液中的表面活性物质（乳化剂），破坏乳化液的稳定性，促使油水分离。部分悬浮在贮液箱表面上的油层导入到贮油罐内，经处理后的大部分乳化液进入循环容器内，部分乳化液则由液压泵输送到超滤装置内，经过半渗透的薄膜进行超滤。其中水和被溶解的低分子物质可通过薄膜上面的空隙而流入到循环容器内，以供再循环使用或排到工厂净化池中去，而油等高分子物质则送入到电子浮选装置内。其中油料将成悬浮凝结状被分离出来，并将它引入到贮油罐内备用。而电子浮选装置中另一部分液体则仍流回循环容器继续循环处理。采用这种装置经过6～8小时工作循环即可把使用过的乳化液中油料回收。这些油料可作为工厂辅助产品，例如可提供给建材部门作为多孔烧结粘土的原料，也可代替重油或在燃料燃烧时作为添加的辅助原料。