切削液供给、净化与回收处理新进展

切削液供给、净化与回收处理新进展

切削液的正确供给、净化与回收利用，不仅可以提高切削液的使用效果，保证工件加工的质量，而且可以延长刀具的使用寿命，降低加工成本，本文介绍了它们的新进展。

前言

在金属切削过程中，必须合理使用切削液。切削液的效果不仅与切削液种类、品牌的正确选择有关，还与其供给和净化方法有关。正确的供给和净化不仅可以提高切削液的效果，而且可以降低工件表面的粗糙度和提高工件的加工精度，延长刀具的使用寿命。使用过的废切削液中含有大量的矿物油和表面活性剂（乳化剂），过去由于对其危害性认识不足，采取直接排放。随着工业的快速发展，这种含油废水的排放量日益增加，据不完全统计，仅中国大陆机械工业每天排放的废切削液就达2亿多吨。含油废水对环境的污染越来越严重，从河流到溪流，几乎都受到不同程度的污染，严重影响水生动植物的生长、农业灌溉和人们的生活用水。 另外，废切削液中的表面活性剂更难去除，因为它的作用是使矿物油高度分散在水中，而很多乳化剂都有增加致癌物质的副作用，比分散油污染危害更大。因此，未经处理的废切削液绝不能随意排放。废切削液的回收利用，不仅符合环保要求，而且节约能源，降低生产成本。

切削液供给方法及其改进

1. 常见供给方式及其改进

目前生产中常用的切削液供给方法有两种：浇注法和内冷法。前者用齿轮泵或低压泵（0.1-0.2MPa）通过管道和喷嘴将切削液直接浇注到刀具前表面与切屑的界面和刀具后表面与工件的接触面积上。这种方法最简单，但供液效果差，切削液消耗量大。内冷法多用于油孔钻、深孔钻、射吸钻、套料刀和单刃镗铰刀等孔加工刀具上。需要在刀体上开供液孔，然后将高压（1-10MPa）、高速的切削液流引入刀体并喷射到切削表面上。这种方法供液效果好，但需有专门的切削液供给系统，使用受到限制。

目前的研究表明，冷却切削液最有效的方法是“蒸汽束”喷淋冷却法，这种方法接近干切削，而且切削液消耗少，加工成本低。众所周知，湿切削中切削液的使用和回收费用在机械加工中占了相当大的比重。据德国的一项统计，在高生产率的工业部门中，切削液及其管理费用加起来占加工费用的16%，而刀具费用只占4%。在与切削液有关的总费用中，22%是切削液的加工费用，而采用干切削就节省了这部分费用。

图1 利用“蒸汽束”供给切削液的装置

1─储液罐 2、3─过滤器 4、7、10─管道 5─集液罐 6─喷嘴 8─箱盖 9─喷射器 11─蒸汽阀 12─节流阀 13─水管

“蒸汽束”喷雾冷却是将切削液用空气在一定压力（0.3-1.0MPa）下雾化并以很高的速度喷向切削区，使该区域内高温状态下呈雾化形式的切削液液滴很快汽化。由于液体汽化时吸收大量热量，可大大降低切削区的温度。同时切削液还能带走切削区和空间内的热量和粉末，改善工作环境。实践证明，在使用相同量的切削液时，“蒸汽束”喷雾冷却在相同时间内吸收的热量是浇注法的1000倍。因此，它不仅可以增加刀具的使用寿命，而且可以大大减少切削液的消耗。根据德国格林（）公司的试验，一些汽车生产线采用“蒸汽束”喷雾冷却，每班仅耗油半杯，可使用廉价的工厂衍生油。 “蒸汽束”喷雾冷却既适用于自动生产线，也适用于一般的金属切削加工。图1是在普通钻床上采用“蒸汽束”供给切削液的装置。该装置由储液罐1（包括工作部分I和溢流部分II）、过滤器2、3、集液盘5、喷嘴6、箱盖8、喷射器9、气阀11、节流阀12、水管13及管道4、7、10组成。工作时，打开气阀11，压缩空气以Pc=0.4MPa的压力从管道中压出，产生高压气流。当高压气流经过水管13上部时，产生负压，切削液被吸出储液罐，并被打成液滴。上述高压气流带着微小的切削液液滴渗透到切削区。 它在高温下会迅速汽化，吸收大量的热量，从而有效降低切削温度。收集在集液盘中的废液可经过滤器过滤后流回储液罐继续使用。节流阀12用于改变管路中的压力，以调节切削液的流量。气阀11可通过电信号(通过直流电压U=24V)操作。使用表明，该装置结构简单，使用方便。

图 2：采用重力排屑的蒸汽喷射冷却钻孔方法

图2是美国汽车制动器厂在自动生产线上采用的利用蒸汽束冷却法的重力驱动排屑钻削新方法。将工件翻转，钻头从下往上钻削，使切屑靠重力落下，同时利用蒸汽束对刀具和工件进行喷淋冷却。据悉，这种方法比用切削液高压冲洗效果更好，可以延长刀具寿命。

据悉，俄罗斯“罗什技术”研究生产公司研制出了一种静电冷却干切削（空气冷却的一种）生态净化工艺，该工艺已在30多个国家获得专利，并在美国、德国、日本、瑞士等工业发达国家得到应用。静电冷却干切削技术的本质是将经过放电处理的空气输送到切削区，在很多情况下可以代替切削液的使用。切削时产生的热电流通过切削区，使工件和刀具的硬度下降。在正确选择设备工作规范的条件下，可以减小通过刀具的电流（可减小到零），扩大通过工件的电流（增加一倍）。这样，可以减少刀具硬度的下降，增加工件切削层硬度的下降，从而提高刀​​具的寿命（可提高1.5～4倍），提高工件加工表面的质量。 在切割不锈钢、钛​​合金等难加工材料时，这种效果尤为显著。

2、切削液集中供给方式

目前一些工业发达国家已采用切削液集中供给方式，所谓集中供给就是将多台切削方式、材料相同的湿式加工机床的各机床上独立的切削液供给装置合并为一个供给系统，如图3所示。

图3 切削液集中供给示意图

L─切削液集中供给及净化装置

L1─含有杂质的切削液流 L2清洁的切削液流

C─内循环M1、M2…Mn─机床

集中供液采用大循环、大流量、大行程液体回流，因此切削液热量迅速散发，供液系统温度低，在周末、节假日等停机期间有内部循环（见图3中回路C），使大流量的切削液不间断流动，有效抑制细菌的滋生。同时也便于对切削液的性能指标（如pH值、浓度、泡沫等）进行自动控制，保证切削液的质量。此外，集中供液还便于对脏污的流体进行集中净化，保护生态环境。我国上海大众汽车有限公司发动机厂采用切削液集中供液后，切削液平均寿命比单机分散供液提高了2.5倍，取得了显著的经济效益。但集中供液的一次性投资成本较高。

切削液净化处理及其装置

1、切削液净化的重要性及其处理方法

过去人们认为只有在滚压、磨削等精密加工中，才需要使用经过精细过滤和净化的切削液。但近年来的研究表明，如果切削液中的杂质（如切屑、砂轮粉等）由40μm降低到10μm，刀具寿命可延长1～3倍。由于人们用肉眼看不到小于40μm的颗粒，因此切削液中粒径小于20μm的杂质，特别是2～10μm的颗粒，往往被人们忽视。然而这些看不见的杂质对金属切削的影响却不容低估，因为在切削过程中，它们会进入刀具前端面与切屑、刀具后端面与工件的界面，从而产生强烈的摩擦，提高切削温度，大大降低刀具寿命，并使加工表面质量变差。 因此，目前研究认为，无论是精密加工，还是钻、铰、扩孔、镗孔等普通加工，为了提高刀具寿命和可靠性，提高零件加工质量，都应使用净化切削液。另外，洁净的切削液还能防止微生物的生长。

切削液的净化就是要及时除去工作中带入的碎屑、砂轮粉等杂质。常见的净化方法有：过滤、分离。过滤法是利用铜丝网、布网、泡沫塑料等多孔材料制作过滤器，除去切削液在工作过程中产生的杂质；分离法是利用重力沉降、惯性分离、磁分离等装置除去切削液在工作过程中产生的杂质。实际生产中，往往几种方法联合使用。

2.切削液净化装置

图4为一种切削液多级过滤净化装置，该装置不仅制造简单、结构紧凑，而且过滤效果好，能保证切削液具有较高的洁净度。

图4 切削液多级过滤装置

1、8─控制阀 2、5─涡流分离器 3─溢流阀 4─密封箱 6─液压泵 7─储液罐 9─管路 10─磁选器 11─过滤箱 12─回收装置

该装置由液压泵6、涡流分离器2、5(粗过滤器5、精过滤器2)、磁选器10、高压密封箱4、过滤箱11、储液箱7、溢流阀3、控制阀1、8组成。工作时，液压泵6从储液箱7中抽取切削液并压入第一级涡流分离器5，使切削液中10～25μm的杂质分离出来，然后充满整个密封箱4并在箱内产生高压。当压力达到一定值时，切削液被压入第二级涡流分离器2进行精细过滤净化，分离出5～10μm的细小颗粒。经过上述净化后的切削液即可通向机床工作区使用。 使用过的杂质较多的切削液和涡流分离器2、5产生的沉淀物经回收装置12的锥体流入过滤箱11，经磁选处理后，含切屑杂质得到初步处理后流回储液箱7继续使用。在使用过程中，如果需要暂时切断切削液的供应（例如更换加工零件），只需关闭控制阀，切削液就会通过溢流阀3流回储液箱7，整个过滤净化系统就可以不间断地工作。

图5为俄罗斯以转子-定子系统为基础研制的切削液净化装置（俄罗斯专利发明号），其原理是利用流动的切削液在经过变截面的孔时，产生较大的压降和速度梯度现象，可获得高度分散细腻的切削液，切削液中的颗粒可破碎至0.8-1.2μm。据说这是目前最有效的切削液净化装置。

图5 转子定子切削液净化装置

1─主体 2─内涡工作室 3─通道口 4─定子 5─转子 6─小孔 7─进气管 8─出气管

该装置由机体1、定子4和转子5组成。工作时，由液压泵从储液罐中泵送上来的切削液在重力作用下，通过装置内的进液管7输送到装置内或进入旋转的转子5内腔，形成大的柱状液滴，在液流压力和转子盘产生的离心力作用下，将粒径30～40μm的颗粒杂质沿径向迅速带走并涡旋分离，而液流则穿过转子上的小孔6，迅速流向定子的通道孔3，同时，部分液流进入定子与转子形成的径向间隙8，将5～20μm的细小颗粒分离出来。 由于转子高速旋转（可达3000r/min），从定子通道孔喷出的液流形成强烈的螺旋涡流，并集中在机体与定子形成的涡流工作室2内。再加上高速旋转的转子能周期性地堵塞定子4的进液通道孔3，从而达到切削液脉动供给的要求，起到激振破碎的作用，进一步将切削液中的颗粒分裂。因此，最终从涡流工作室2出口端流出的切削液将是一种高度分散、细密的清洁切削液。经过上述多重涡流处理后的切削液即可被引至机床的工作区使用。

切削液中油的回收与处理

图6 油旋板油回收装置

1─传动机构 2─甩油环 3─柱塞泵 4─容器 5─油箱 6─通道

图7：电子浮选回收油装置

1─储液罐 2─储油罐 3─电子气浮装置 4─超滤装置 5、7─循环容器 6─液压泵 8─沉淀物

使用过的废切削液中含有大量的矿物油，如制备一吨乳化油需用600-800公斤机械油，为了节省能源，必须将其回收利用。由于油一般悬浮在切削液表面，因此可采用图6所示的装置将其回收利用。其实现方法是利用浸入液体中的旋转甩油板2。浮油粘附在板上，由刮刀将油刮落，并沿溜槽6流入油箱5。然后用柱塞泵3将油从油箱5中抽出，输送到容器4中。甩油板的旋转由传动机构1实现。

图7示出了从使用过的废乳化液中回收油的装置，由储液罐1、储油罐2、电子浮选装置3、管式超滤器(超滤机)4、液压泵6、循环容器5、7组成。工作时，将使用过的乳化液引入储液罐1，罐内需加入少量破乳剂，以除去乳化液中的表面活性剂(乳化剂)，破坏乳化液的稳定性，促进油水分离。悬浮在储液罐表面的油层部分引入储油罐2，处理后的乳化液大部分进入循环容器7。部分乳化液由液压泵6输送至超滤装置4，经半透膜超滤。 水和溶解的低分子物质可通过膜上的缝隙流入循环容器5，循环使用或排至工厂净化池，而油等高分子物质则送至电子浮选装置3，油被分离成悬浮凝聚态，进入储油罐2备用。电子浮选装置中的另一部分液体仍流回循环容器7，继续循环。利用此装置，经过6至8小时的工作循环，可回收使用过的乳化液中的油。这些油可作为工厂的辅助产品，例如，它们可提供给建材部门作为多孔烧结粘土的原料，也可替代重油或作为燃料燃烧时添加的辅助原料。

戚树岩机车车辆技术研究所高级工程师叶毅、淮阴工学院教授叶伟昌