基于射流原理的霧狀切削液收集裝置設(shè)計(jì)

吳新龍 陳再良 芮延年

【摘要】針對(duì)普通數(shù)控機(jī)床切削加工時(shí)的霧狀切削液對(duì)環(huán)境和操作者的影響，研究切削液簡(jiǎn)易收集的裝置，通過(guò)利用射流技術(shù)，對(duì)霧狀切削液的控制性能進(jìn)行了比較、分析，設(shè)計(jì)出了一種新型霧狀切削液的收集裝置。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床 射流 切削液 收集

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）10 -0225-02

1.引言

濕式切削中，切削液作為機(jī)械加工的重要輔料，主要有冷卻、潤(rùn)滑、清洗和防銹四個(gè)主要作用。它可以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，提高零件的加工精度和切削加工效率，降低工件表面粗糙度。同時(shí)切削液也是材料切削加工中的主要污染及成本增加的主要因素，它對(duì)環(huán)境的影響很大。

普通數(shù)控車(chē)床不是全封閉的（如圖1），在加工零件時(shí)，切削過(guò)程中由于切削溫度高，使切削液形成霧狀揮發(fā)，污染環(huán)境。有公司進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的綜合調(diào)查，對(duì)象是經(jīng)常與一種類(lèi)型切削液（礦物油.乳油液或合成切削液）接觸的金屬切削機(jī)床操作工、不直接接觸切削液的裝配工人、從來(lái)未在機(jī)床工作過(guò)的三類(lèi)受到切削液懸浮顆粒作用的工人，結(jié)果表明：大部分都患有呼吸系統(tǒng)的疾病，如一般性鼻炎.咳嗽，呼吸困難、慢性支氣管炎等，機(jī)床操作工人患這類(lèi)疾病的人數(shù)比裝配工人多。而且礦物油常會(huì)引起氣喘、鼻炎和咳嗽，而合成切削液常引起慢性支氣管炎。因此，美國(guó)國(guó)家勞動(dòng)安全和保健機(jī)構(gòu)（NIOSH）制定了更加嚴(yán)格的環(huán)衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn).要求空氣中有害物質(zhì)的容許含量由原來(lái)的5mg/m3降低為0.5mg/m3。且空氣中的有害物質(zhì)容許的顆粒直徑（PM）由原來(lái)的10μm下降到2.5μm。美國(guó)、歐洲等一些國(guó)家采取了旨在既確保操作人員健康又使機(jī)床使用安全的專(zhuān)門(mén)立法就有250條之多。

在我們的教學(xué)實(shí)訓(xùn)中，經(jīng)常使用到切削液進(jìn)行加工，如何減小對(duì)環(huán)境的污染，減小對(duì)老師和學(xué)生呼吸系統(tǒng)的傷害是擺在我們面前的一個(gè)難題。

2.方案設(shè)計(jì)

2.1 射流技術(shù)

噴射器是一種沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件、對(duì)工作介質(zhì)無(wú)嚴(yán)格要求的小型流體機(jī)械，大量的應(yīng)用于動(dòng)力、造紙、紡織、制冷、抽真空等多種工作場(chǎng)合。圖2給出了噴射器的結(jié)構(gòu)，它利用較高壓力的工作流體在噴嘴部分把壓力能轉(zhuǎn)

換為動(dòng)能，其出口處形成高速射流，同時(shí)在吸入室形成低壓區(qū)，抽吸被引射流體，工作流體與引射流體在混合室內(nèi)經(jīng)過(guò)質(zhì)量、能量的交換后形成單一均勻的混合流體，混合流體在擴(kuò)散管中進(jìn)行動(dòng)能向壓力能的轉(zhuǎn)化，達(dá)到一定的背壓后被排出。（如圖2所示）

射流的能量密集程度高，速度衰減較慢，利用空氣射流產(chǎn)生較強(qiáng)的負(fù)壓效應(yīng)高效的抽吸霧狀切削液，然后利用射流的動(dòng)能將其排出。由于空氣在縮放噴嘴中加速形成超音速射流，壓力能轉(zhuǎn)化為速度能，從而在噴嘴出口形成低壓區(qū)，將霧狀切削液抽入并使得切削液在“氣動(dòng)喉部”處達(dá)到音速，所以抽吸效率的高低與空氣在噴嘴出口處與油煙在吸入口處之間壓差密切相關(guān)，除此之外，因?yàn)閺膰娮炝鞒龅目諝馍淞鳟a(chǎn)生很強(qiáng)的剪切力，霧狀切削液在這個(gè)剪切力的帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，因而兩股流體的接觸面積也會(huì)對(duì)抽吸效率造成較大影響。

數(shù)控實(shí)訓(xùn)車(chē)間配備有氣站，供生產(chǎn)實(shí)習(xí)的數(shù)控車(chē)床、數(shù)控加工中心等使用，我們可以充分利用壓縮空氣作為我們收集裝置的動(dòng)力來(lái)源，不需要額外的在機(jī)床上進(jìn)行電源的改造，減少成本和提高安全性。

噴射器的理論、最佳幾何尺寸關(guān)系以及各種工況下噴射器的特性曲線方程式已經(jīng)很完善，我們可以結(jié)合機(jī)床的尺寸和霧狀切削液的特性設(shè)計(jì)出合理的噴射器的幾何尺寸。

我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)兩級(jí)（多級(jí)）噴射裝置，在混合室或喉管處再增加一個(gè)吸入室，利用宏誘導(dǎo)作用，讓抽吸效率提高，同時(shí)達(dá)到降低能耗的目的。（如圖3所示）。

2.2 收集裝置實(shí)現(xiàn)的基本功能

我們可以在機(jī)床防護(hù)門(mén)上方安裝頂吸式霧狀切削液的收集裝置，利用壓縮空氣產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，在壓力差的作用，霧狀切削液攜帶大量的空氣被不斷吸入，在射口氣流的作用下水霧狀切削液沿著壁流動(dòng)，最后經(jīng)過(guò)流入廢屑槽，經(jīng)過(guò)濾后重新進(jìn)入流動(dòng)循環(huán)。

從工作原理可以看出。霧狀切削液收集裝置可以近似的認(rèn)為是點(diǎn)匯式抽吸（如圖4所示），點(diǎn)匯式抽吸的規(guī)律是距匯點(diǎn)不同距離的各等速球面上流量相等，隨著離開(kāi)匯點(diǎn)距離的增大，流速呈二次方衰減，所以吸霧狀氣流的能量衰減很快導(dǎo)致實(shí)際能夠影響的吸風(fēng)區(qū)域很小。一般而言，抽吸的有效半徑只有400mm左右。由于防護(hù)門(mén)上方據(jù)卡盤(pán)中心軸線高度在450mm～500mm左右，霧狀切削液的回收率在70%～85%之間。

為了提高抽吸效率，可以通過(guò)改變收集裝置的結(jié)構(gòu)形狀和安裝方式（如圖所示），將進(jìn)氣口設(shè)置在側(cè)面，拉近了匯點(diǎn)與霧狀切削液源的距離，增強(qiáng)抽吸的效果。（如圖5所示）

目前的研究資料表明，若將切削液中的碎屑等雜質(zhì)從40μm降低到10μm以下，刀具的使用壽命可延長(zhǎng)1～3倍，另外，由于切削加工的需要不可避免地使用了含亞硝酸鹽、鉻酸鹽等有害物質(zhì)的切削液，那么在制造系統(tǒng)中就應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的廢液處理、凈化和相應(yīng)精密的過(guò)濾。我們可以在收集裝置的引流管附近增加過(guò)濾裝置，以達(dá)到延長(zhǎng)刀具壽命的目的。

2.3 與機(jī)床的連接

為了讓霧狀切削液收集設(shè)備與機(jī)床聯(lián)動(dòng)，可以設(shè)計(jì)成手動(dòng)開(kāi)啟收集裝置或者機(jī)床程序自動(dòng)運(yùn)行時(shí)就能自行開(kāi)啟。我們可以將相關(guān)的控制信號(hào)點(diǎn)連接至數(shù)控機(jī)床的PLC上，就像控制數(shù)控機(jī)床的外部設(shè)備一樣來(lái)進(jìn)行切削液收集裝置的使用。

以FANUC 0I TD 系統(tǒng)機(jī)床為例，如果通過(guò)手動(dòng)操作，設(shè)計(jì)中以X7.0為手動(dòng)開(kāi)啟收集裝置的信號(hào)點(diǎn)，按一下按鍵，收集裝置開(kāi)啟，再按一下按鍵，收集裝置自動(dòng)關(guān)閉。Y2.0信號(hào)點(diǎn)為裝置開(kāi)啟指示。

如果要自動(dòng)開(kāi)啟，可將上梯形圖中R7.4信號(hào)串聯(lián)在切削液開(kāi)啟信號(hào)或自動(dòng)運(yùn)行開(kāi)始信號(hào)上，就能實(shí)現(xiàn)收集裝置的自動(dòng)開(kāi)啟，若要關(guān)閉，則可以關(guān)聯(lián)數(shù)控機(jī)床的介紹信號(hào)，如M09切削液關(guān)閉指令，M2、M30程序結(jié)束指令。

2.4 噪聲的控制

噪音是評(píng)價(jià)收集裝置性能的一個(gè)重要參數(shù)，GB/T17713-1997規(guī)定小于74 dB（A）。在收集裝置上利用射流技術(shù)后，就產(chǎn)生一個(gè)很大的噪聲源，除了在裝置上安裝隔音材料，設(shè)置消音器等常規(guī)技術(shù)手段外，還可以為進(jìn)一步降低噪聲還應(yīng)考慮葉輪流道內(nèi)氣流的流動(dòng)狀況，如增加紊流化裝置、導(dǎo)流葉片等，實(shí)施全方位的降噪和機(jī)床的防振處理。

3.總結(jié)與展望

噴射器技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是比較成熟的技術(shù)，所以將其應(yīng)用霧狀液體收集器上技術(shù)可行，借鑒于這些成熟的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)適用于機(jī)床的水霧狀，油霧狀切削液收集設(shè)備并不困難。

通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)易收集裝置的設(shè)計(jì)，我們能夠在很大程度上減輕對(duì)車(chē)間環(huán)境的污染、減輕對(duì)老師和學(xué)生呼吸系統(tǒng)的傷害，達(dá)到綠色生產(chǎn)，安全生產(chǎn)的目的。

此外，我們還可以加強(qiáng)對(duì)收集設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)及動(dòng)力特性的研究，注重收集設(shè)備與機(jī)床的一體化設(shè)計(jì)，在進(jìn)行收集設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)如果能夠把機(jī)床切削運(yùn)動(dòng)對(duì)空氣流動(dòng)的影響因素者慮進(jìn)去，進(jìn)行綜合性技術(shù)改造，在兩者之間形成一種互補(bǔ)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]王銳，芮延年，陰浩等.一種新型射流式廚房油煙凈化機(jī)的設(shè)計(jì)[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（2）：7-9.

[2]戴永鋒，張紅兵.地下車(chē)庫(kù)通風(fēng)設(shè)計(jì)探討[J].制冷與空調(diào)，2008，22（2）：74-76.

[3]趙越.提高抽油煙機(jī)抽吸效率的條件[J].輕工機(jī)械，2004（2）：113-114.

[4]薛勝雄. 高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用[M]6 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

[5]朱佩玲.室內(nèi)油煙控制技術(shù)的改進(jìn)研究[J].價(jià)值工程.2012