切削液集中過濾系統(tǒng)功能模塊的解析與探究

趙亞寧，王小強

（寧夏共享機床輔機有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

濕式加工是當(dāng)前機械加工企業(yè)所采用的主要冷卻方式，切削液是最常用的媒介，主要有冷卻、清洗和潤滑的作用。隨著機床性能的提高以及機器人和自動化設(shè)備的高速發(fā)展，企業(yè)對切削液的品質(zhì)有了更高的要求，這對切削液相關(guān)的處理設(shè)備也提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在切削液的高精度過濾，大流量供給，高利用率，綠色環(huán)保等方面。高精度的切削液能夠減少刀具的磨損，提高零件表面加工質(zhì)量；切削液大流量供給對于機床、刀具、加工零件的冷卻以及避免機床內(nèi)部積屑有積極的作用；高利用率對企業(yè)的投入產(chǎn)出比有著重要意義；環(huán)保政策以及工業(yè)廢水的清潔排放使得切削液的過程維護和處理要求更為嚴格。

切削液是機械加工企業(yè)中最大的污染源，加工設(shè)備在機械零件的生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的大量切削液及切屑混合物每時每刻需要處理，切削液和切屑的妥善處理，不僅是清潔生產(chǎn)的需要，也是企業(yè)節(jié)能減排、降本增效的必然選擇，更是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動中必須要履行的社會責(zé)任。

1 企業(yè)現(xiàn)狀與過濾技術(shù)應(yīng)用特征

目前國內(nèi)機械制造企業(yè)中針對切削液的處理方式有兩種：單機過濾和集中過濾系統(tǒng)。單機過濾是指每臺機床自身帶有過濾水箱，切削液過濾后在該機床內(nèi)部循環(huán)使用，每臺機床產(chǎn)生的鐵屑單獨收集。集中過濾系統(tǒng)是指多臺機床或整個生產(chǎn)線的設(shè)備使用相同的切削液，切削液使用后經(jīng)管道匯流到專門的設(shè)備進行集中過濾處理，廢屑進行統(tǒng)一收集，干凈的切削液統(tǒng)一供給各加工設(shè)備使用。單機過濾和集中過濾系統(tǒng)各有優(yōu)勢。單機過濾形式簡單，多用在加工設(shè)備數(shù)量較少，廠房空間較充裕的情況下。集中過濾系統(tǒng)可以對整條加工線的切削液質(zhì)量進行統(tǒng)一控制，廠房內(nèi)設(shè)備布置整齊，環(huán)境良好、自動化程度高、總的運行成本低。

集中過濾是一個系統(tǒng)工程，通過過濾介質(zhì)的再生循環(huán)為機械加工設(shè)備不斷地提供潔凈的切削液，企業(yè)可以依據(jù)設(shè)備布局和生產(chǎn)工藝流程配置不同的功能模塊。但是，一套完善的集中過濾系統(tǒng)（見圖1）應(yīng)包括：單機回液提升泵站、回液管路、沉淀刮板式粗過濾機、負壓精過濾機、反沖洗過濾裝置、供液管路、鐵屑收集處理裝置、油霧收集處理裝置、配液補液裝置、浮油浮渣處理裝置、增氧殺菌裝置、自動調(diào)節(jié)液溫裝置、電氣控制系統(tǒng)、以及變頻穩(wěn)壓系統(tǒng)等。

圖1 集中過濾系統(tǒng)的構(gòu)成

2 總體規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 遵循的原則

濕式加工在機械制造領(lǐng)域是最常見的方式。加工期間使用水溶性切削液來沖洗夾具，冷卻刀具進而提高工件的表面質(zhì)量。工件在不同的加工工序會產(chǎn)生不同形態(tài)的切屑，常見的有團屑、長屑和碎屑。為了減輕設(shè)備的負荷和降低故障率，切屑的過濾分離采用的總原則是逐級、逐層過濾與分離。團屑、長屑通常需要進行預(yù)分離，通過排屑機排出至少75%的切屑（重量比例），殘余的切屑會隨切削液一起回流至單機回液提升泵站，單機回液泵站所采用的離心泵，要求泵的葉輪部分具有良好的耐磨性；泵對切屑和切削液的混合比（重量比例）有著嚴格的限制，通常要求小于1.5%，此類泵通常需要連續(xù)運行，不建議頻繁起停和干運轉(zhuǎn)，因此泵的流量特性需要和機床使用的流量要匹配。

2.2 過濾的工藝流程

我們將結(jié)合切削液在集中過濾系統(tǒng)中的流向，對上述各功能模塊的作用進行詳細解析，便于企業(yè)和專業(yè)工程技術(shù)人員在實際應(yīng)用中有所啟發(fā)。

回液泵出口至回液主管路部分要考慮使用的可靠性和維護的便利性，此段管路上需要設(shè)置止回閥、壓力表、手動球閥和自動球閥等。回液主管路通常為無壓力管路，為了便于切屑和切削液的流動，管路通常沿著切削液的流向會設(shè)定一定的傾角，在管路上需間隔一段距離設(shè)置多處沖洗口和維護口，以便于切屑和切削液的回流。相對較長的切屑一般會在回液提升泵站中進行破碎，再通過泵將切屑和切削液的混合物輸送至回液管路中，然后進入沉淀刮板式粗過濾機（一級過濾）進行過濾，并由模鍛鏈刮板排屑機將切屑排出。

一級過濾后的切削液及小切屑進入負壓精過濾機（二級過濾）進行過濾，精過濾機的過濾介質(zhì)通常為一次性濾紙或無紡布，也會有企業(yè)選用循環(huán)過濾帶的方式，使用循環(huán)過濾帶的優(yōu)點在于過濾介質(zhì)的使用周期長，減少更換濾紙和設(shè)備維護的頻次，但是需要注意，采用循環(huán)過濾帶需配備濾帶清洗裝置，以確保濾帶的過濾能力。過濾介質(zhì)能夠?qū)⑶邢饕褐兴募毿∏行技半s質(zhì)過濾掉，過濾后的切削液的精度能達到一般加工設(shè)備的工作要求。過濾后的切削液通過泵輸送給機床再次使用。如果機床使用中心出水刀具（所需切削液的精度一般為20-30微米），此時需要對切削液再次進行過濾（三級過濾），使得切削液的精度符合使用要求后被機床利用。三級過濾通常選用過濾罐，小流量的情況下一般選用單筒過濾罐，或雙筒過濾罐；使用雙筒過濾罐的好處在于過濾罐維護時不需要停機，通過筒體的切換即可完成。大流量通常采用更先進的反沖洗過濾裝置，該裝置能實現(xiàn)在線自動反沖洗，使得過濾罐自動清洗維護，確保長期使用。反沖洗過濾裝置通常配置獨立的控制器，通過和主控系統(tǒng)的通訊，實現(xiàn)設(shè)備的自動控制與運行。

2.3 粗過濾及精過濾設(shè)備

集中過濾系統(tǒng)針對不同的加工材料，需采取不同的粗過濾手段。比如，當(dāng)加工材料主要為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、鋼件等密度較大材料時,粗過濾一般通過重力沉降后由刮板排屑機排出。當(dāng)加工材料為鋁合金、鎂合金等密度較小材料時，一般采用預(yù)處理的方式，即對鋁屑及切削液的混合物通過楔形過濾網(wǎng)進行過濾，較大的鋁屑被過濾網(wǎng)攔截后，通過刮板排屑機預(yù)先排出。粗過濾后的切削液及細小鋁屑進入精過濾機。

下面結(jié)合圖2對切削液在精過濾機中的過濾過程進行詳細描述：精過濾機通過中間隔板將箱體分割成兩部分，下部作為真空室，上部作為污液箱。精過濾機的隔板（帶孔或楔形絲網(wǎng)板）上方鋪設(shè)有過濾介質(zhì)（過濾紙或無紡布），切削液流經(jīng)過濾介質(zhì)時，切削液中粒徑大于過濾介質(zhì)孔徑的切屑及雜質(zhì)被過濾介質(zhì)截留，在端吸泵的抽吸作用下，在真空室內(nèi)形成一定的負壓，當(dāng)過濾介質(zhì)截留的切屑越來越厚時，真空室的真空度也不斷升高，當(dāng)真空度達到真空度檢測開關(guān)的預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)自動開啟凈液箱與精過濾機下腔連接管路閥，凈液箱內(nèi)的凈液快速補充到真空室內(nèi)，消除真空室內(nèi)的負壓，過濾介質(zhì)與隔板的吸附壓力也隨之消除，此時程序自動啟動刮板鏈電機，電機通過傳動軸驅(qū)動刮板鏈運動，并將過濾介質(zhì)推動一段距離，過濾介質(zhì)移動一段距離后，刮板鏈電機停止，凈液箱與真空室之間的閥自動關(guān)閉，精過濾機繼續(xù)進行過濾，這樣精過濾機就完成了一個濾紙再生過程，如此循環(huán)，持續(xù)向供液管路內(nèi)供給潔凈的切削液。在過濾介質(zhì)移動過程時，泵所輸送的切削液是凈液箱向真空室補充的切削液，雖然此時過濾介質(zhì)不過濾，但是凈液箱補充的凈液足夠泵向供液管提供不間斷的切削液。當(dāng)過濾介質(zhì)恢復(fù)正常過濾后，供液泵輸出的凈液中有一小部分會再次補充到凈液箱內(nèi)（主供液管處設(shè)有旁路與凈液箱連通），當(dāng)凈液箱內(nèi)的液位恢復(fù)到正常高度后，通過液位開關(guān)反饋使凈液補充閥關(guān)閉補液停止，凈液箱內(nèi)的液體可在下次濾紙再生過程中使用。

圖2 集中過濾系統(tǒng)的流程圖

2.4 功能選配

集中過濾系統(tǒng)在規(guī)劃過程中還需考慮以下功能：

（1）刮板在刮屑時其上會殘留切屑，為了確保刮板的刮屑及輸送效果，需要針對刮板設(shè)置沖洗裝置。

（2）切削液在冷卻刀具、夾具和工件的過程會帶走大量的熱而產(chǎn)生霧氣，也會由于高壓噴射而產(chǎn)生霧氣，如果對這種情況不加以處理會造成環(huán)境污染和人員健康傷害，采用油霧收集器可以有效解決上述問題。

（3）切削液在循環(huán)使用過程中會隨著蒸發(fā)和切屑的攜帶排出而使切削液逐漸減少，濃度變動。配液補液裝置就是依據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的液位高度和濃度比例，自動計量、加注補充切削液原液和水。

（4）切削液清洗冷卻過程中會攜帶機床導(dǎo)軌和其他潤滑部位的油酯，為了清除浮油延長切削液的使用壽命，需配置浮油浮渣處理裝置，分離出的浮油浮渣需收集至污液箱。

（5）切削液在使用過程中還易滋生細菌，進而影響切削液品質(zhì)，切削液中的細菌可分為親氧型和厭氧型兩類。其中厭氧型是造成切削液黑臭的主要原因，為了減少切削液的更換周期，降低生產(chǎn)成本需配置增氧殺菌裝置。

（6）切削液循環(huán)使用過程中會吸收大量的熱量，溫度會有變化；另外由于季節(jié)的變化也會導(dǎo)致切削液的溫度出現(xiàn)變動，為了更好地發(fā)揮冷卻效果，保證加工精度，需配置自動調(diào)節(jié)液溫裝置。

（7）生產(chǎn)線機床用液量的變化會引起供液管路的壓力變化。壓力傳感器實時監(jiān)控供液管道的壓力，并將壓力以模擬量信號的形式輸出給模擬量輸入模塊。通過模擬量輸出模塊給變頻器一個能連續(xù)控制變頻器頻率和電壓的電流信號。變頻器根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)供液水泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)水泵隨外界負載的變化而隨動。如此閉環(huán)控制，以實現(xiàn)供液管路壓力相對穩(wěn)定的目的。變頻恒壓控制改變了定量供應(yīng)方式，降低了管網(wǎng)壓力的波動且在節(jié)能降耗上效果顯著。

（8）刮板排出的切屑會攜帶一部分切削液，這會造成切削液的浪費和環(huán)境污染。需要對切屑和切削液進行分離。常用的處理手段是離心分離設(shè)備，如離心機。

（9）切屑通常為松散狀態(tài)，所占體積較大，為了減少儲存空間，通常配備壓塊設(shè)備使切屑的體積減小，切屑清理周期延長。

（10）清洗循環(huán)濾帶產(chǎn)生的污液、反沖過濾器反沖產(chǎn)生的污液、甩干機工作時產(chǎn)生的污液、壓塊過程擠壓出的切削液需要收集再處理，一般選用紙帶過濾機，過濾后的切削液通過泵供給聚結(jié)式油水分離器，分離出油污和切削液，油污被收集至污液箱，切削液則返回至過濾系統(tǒng)循環(huán)使用。

（11）切削液是有使用時限的，為了便于箱體內(nèi)大量切削液的排出，還需配置排液管道和閥門，或者切削液排出泵。通常選用隔膜泵，隔膜泵對廢液有良好的耐腐蝕性能。

（12）為了便于切削液分析，設(shè)備上通常需要設(shè)置取樣點。

（13）使用離心機進行切削液箱的養(yǎng)護，離心機必須配單獨的泵，這樣可確保切削液箱養(yǎng)護獨立于機床供給，在不生產(chǎn)的時候也能進行。

3 結(jié)語

綜上所述，在大型機械加工企業(yè)的生產(chǎn)中，集中過濾系統(tǒng)可以對整條加工線的切削液質(zhì)量進行統(tǒng)一控制，廠房內(nèi)設(shè)備布置整齊，環(huán)境良好、自動化程度高，運行成本低。企業(yè)可以選配所需的功能模塊來實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。本文主要闡述了切削液集中過濾系統(tǒng)的功能模塊解析與實際應(yīng)用注意事項，以及最核心的負壓精過濾機的工作原理，旨在使用戶對集中過濾系統(tǒng)有個全面的認識，便于在廠房規(guī)劃、設(shè)備布局及配置選型方面有所借鑒。