切削液凈化處理器設(shè)備的研究*

汪 舒，羅 健，張 韜，薛 喆，王 慧

(1 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214100；2 張家港市微納新材料科技有限公司，江蘇 蘇州 201316；3 中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

切削液是一種金屬材料切削、銑削、磨削加工過(guò)程中，用來(lái)冷卻、潤(rùn)滑刀具及加工工件的機(jī)械加工輔助液，具有良好的冷卻、潤(rùn)滑、防銹、除油清洗和防腐蝕功能。切削液分為油基切削液和水基切削液[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前油基切削液的使用量約占切削液總量的20%，水基切削液的使用量約占切削液總量的80%。在水基切削液的使用過(guò)程中，工件上的潤(rùn)滑油及大量的機(jī)床導(dǎo)軌油與水基切削液混合在一起，這種混合了各種雜質(zhì)的切削液，經(jīng)過(guò)循環(huán)使用，最終再次流入切削液水箱。切削液長(zhǎng)期的循環(huán)使用和夜間長(zhǎng)時(shí)間的擱置，使大量的混合油漂浮于切削液表面，近而阻止了切削液與空氣之間的聯(lián)系，導(dǎo)致大量的細(xì)菌在切削液里滋生，這不但大大增加了刀具的磨損，還降低了工件表面的精度，同時(shí)影響了工人的工作環(huán)境、工人的健康并造成空氣污染、水資源污染和土地污染等環(huán)境問(wèn)題[2]。如何凈化切削廢液，延長(zhǎng)切削液的使用壽命，這是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

切削液的油液分離主要是根據(jù)浮油和切削液的密度不同，進(jìn)行分離。此外還可根據(jù)它們不同的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分離。常見(jiàn)方法有：酸析法、重力分離法、吸附法、電化學(xué)法、旋轉(zhuǎn)法等方法。這些常見(jiàn)的方法各有利弊，根據(jù)不同企業(yè)的要求，應(yīng)用于不同類型混合液的分離[3-4]。

大型企業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚，有條件購(gòu)買大型的切削液回收處理設(shè)備，經(jīng)處理后的廢液符合國(guó)家廢液排放標(biāo)準(zhǔn)。但許多中小型企業(yè)考慮到成本，無(wú)法購(gòu)置一整套大型切削廢液處理設(shè)備，大部分企業(yè)選擇將其打包給專業(yè)的污水處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理。然而，部分小微型企業(yè)由于切削液使用量較少、使用頻率較低，常常會(huì)被污水處理機(jī)構(gòu)拒絕合作或是被收取高額的廢液處理費(fèi)；還有一小部分企業(yè)頂風(fēng)作案，觸碰法律，將未處理的切削液私自排放。因此，如何經(jīng)濟(jì)、合理的對(duì)切削廢液進(jìn)行回收處理是目前亟待解決的重要問(wèn)題[5]。

基于以上分析，本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一套小型切削液回收處理設(shè)備，該設(shè)備利用重力分離法，達(dá)到油水分離、去除浮油、凈化切削液的目的，在切削液回收的同時(shí)兼顧了經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

1 小型切削液油水分離裝置設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，切削廢液的表面存在大量變質(zhì)浮油(來(lái)源于導(dǎo)軌油和潤(rùn)滑油)，下層切削液通常又含有大量金屬切屑及其他雜質(zhì)，本團(tuán)隊(duì)針對(duì)這兩大問(wèn)題，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套切削液凈化處理設(shè)備。凈化處理設(shè)備的工作流程詳見(jiàn)圖1，其主要適用于水基切削液的凈化回收。該設(shè)備主要包括吸油裝置、氣動(dòng)隔膜泵、緩流設(shè)備、廢油箱、濾液箱等部件[6]。

圖1 切削液回收處理器的工作流程Fig.1 Workflow of cutting fluid recovery processor

1.2 切削廢液處理器的設(shè)計(jì)要求

1.2.1 浮油器裝置的設(shè)計(jì)及選型

本設(shè)備漂浮裝置(詳見(jiàn)圖2)的浮油器在造型設(shè)計(jì)上與普通吸油嘴具有本質(zhì)的區(qū)別。普通的吸油嘴沒(méi)有漂浮器，放置在切削液回收箱時(shí)都是沉在回收箱底部，但是切削廢液中的切屑因重力沉降也會(huì)聚集在回收箱底部，這樣易導(dǎo)致切削廢液中的切屑被吸到隔膜泵中，使通道堵塞，降低裝置的工作效率，甚至損壞裝置，金屬切屑還有可能沉降在分層箱的底部，造成清理困難、增加維護(hù)成本、降低工作效率等問(wèn)題。本設(shè)備為了避免這一情況的發(fā)生，在吸油嘴上增加了兩個(gè)漂浮球來(lái)固定吸油嘴的位置，使吸油嘴可以一直浮在切削廢液的表面，減少切屑及其它雜質(zhì)進(jìn)入到凈化設(shè)備中，且可以使更多的表層浮油混合液進(jìn)入到設(shè)備當(dāng)中，提高設(shè)備回收凈化廢液的效率。

圖2 漂浮裝置Fig.2 Floating device

1.2.2 金屬雜質(zhì)過(guò)濾器的設(shè)計(jì)及選型

經(jīng)過(guò)漂浮器處理后，被吸入的切削廢液中，所含切屑的量仍不可忽略，若不進(jìn)行過(guò)濾處理，這些切屑往往會(huì)導(dǎo)致隔膜泵、緩流裝置的堵塞。本設(shè)備的過(guò)濾器(詳見(jiàn)圖3)，采用了多層濾網(wǎng)，對(duì)切屑的過(guò)濾更徹底，同時(shí)讓切削廢液自下而上流經(jīng)過(guò)濾裝置。自下而上的流向可以讓切削液中較大的切屑因自身重力而自行沉降，較小的切屑會(huì)因?yàn)榍邢饕毫魉賹?dǎo)致其上升，這時(shí)多層濾網(wǎng)會(huì)對(duì)較小切屑進(jìn)行層層攔截，實(shí)現(xiàn)多層過(guò)濾。

圖3 金屬雜質(zhì)過(guò)濾器細(xì)節(jié)圖Fig.3 Details of metal impurity filters

1.2.3 隔膜泵的選型

氣動(dòng)隔膜泵的種類有很多，型號(hào)不同的設(shè)備適用于不同種類的氣動(dòng)隔膜泵。本設(shè)備是為中小微型企業(yè)服務(wù)，多為單臺(tái)機(jī)床服務(wù)，應(yīng)盡量減小設(shè)備的占地尺寸，因而，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們選擇小型的氣動(dòng)隔膜泵，經(jīng)試驗(yàn)，該隔膜泵完全滿足單臺(tái)機(jī)床的使用要求，其具體型號(hào)參見(jiàn)表1。

表1 氣動(dòng)隔膜泵主要參數(shù)

1.2.4 緩流裝置的設(shè)計(jì)

圖4 緩流裝置Fig.4 Slow-flow device

目前現(xiàn)有的切削廢液回收裝置中，切削廢液在流入分層箱前未對(duì)它進(jìn)行緩流處理，切削廢液本身為油液混合物，這樣很有可能導(dǎo)致兩種情況：一種情況是油液受到?jīng)_擊，混合在一起難以分離；第二種是油液剛剛流進(jìn)分層箱還沒(méi)來(lái)得及物理分層就流入濾液箱和廢油箱，導(dǎo)致分離無(wú)效[2]。本小組設(shè)計(jì)的緩流裝置(詳見(jiàn)圖5)主要作用為減緩切削液因氣動(dòng)隔膜泵抽取時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大流速?zèng)_擊，避免造成油液深度混合。緩流裝置的內(nèi)部為多層小且密的濾網(wǎng)，切削廢液流過(guò)濾網(wǎng)密且小的小孔時(shí)可以緩慢滴落，從而讓切削液無(wú)沖擊的流向分層箱，讓油液有充足時(shí)間分層，提高設(shè)備整體的工作效率。

1.2.5 升降溢液口的設(shè)計(jì)

升降溢液口(詳見(jiàn)圖5)的作用：調(diào)節(jié)切削液流入濾液箱的流速，提高回收后切削液的收集質(zhì)量。使用方法：升降溢液口的底部為螺紋結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)升降溢液口，調(diào)節(jié)底部與分層箱的距離，同時(shí)控制升降溢液口頂端與分層箱液面的高度差。工作原理：升降溢液口的頂端是遠(yuǎn)低于廢油箱側(cè)邊的高度，二者形成高度差，而浮油與切削液因?yàn)槊芏炔煌?，又是難以相溶，導(dǎo)致二者分層，上層是浮油，下層是切削液，因?yàn)樯狄缫嚎谑峭?，所以切削液?huì)流入濾液箱，浮油會(huì)流入廢油箱，從而實(shí)現(xiàn)切削液和浮油的分離。

圖5 升降溢液口Fig.5 Lifting spillway

1.2.6 分層箱的設(shè)計(jì)及計(jì)算

分層箱(詳見(jiàn)圖6)的主要作用：當(dāng)切削廢液通過(guò)緩流裝置到達(dá)分層箱時(shí)，由于分層箱容積大，切削廢液上升速度緩慢，這為切削廢液提供了油液分層的時(shí)間，浮油和切削液就可以很好地進(jìn)行物理分層。為后面浮油和切削液流入濾液箱和廢油箱做好鋪墊。分層箱的深度及寬度的比例，會(huì)影響切削液的回收處理效率，其尺寸本小組通過(guò)下面計(jì)算獲得。

圖6 分層箱Fig.6 Layered box

通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，得出研究對(duì)象適合斯托克斯公式

(1)

式中：ρs是顆粒間密度；ρ為流體的密度；μ是流體間的粘度；r是顆粒半徑；g為重力加速度。

上式中除了顆粒半徑r不知道，其他的都為已知量，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得切削廢液的體積為0.05 mL。進(jìn)而可以計(jì)算出切削顆粒的半徑。

r=2.88×10-3m

根據(jù)上文導(dǎo)軌油的粘度表，選取導(dǎo)軌油粘度值為μ=28.8×10-3Pa·s，能夠通過(guò)公式算出浮油在切削液中的上浮速度：

=3.54×10-2

因?yàn)榱髁縌=V×A，A=3.54 cm×1 cm=3.54 cm2，Q=16 L/min

因此可以得出分層箱的長(zhǎng)度是深度的兩倍左右，本組設(shè)計(jì)的分層箱長(zhǎng)度為25 cm，深度為12 cm。

2 小型切削液油水分離裝置的使用效果分析

根據(jù)上文中各重要組件的設(shè)計(jì)及選型，該設(shè)備的整體布局詳見(jiàn)圖7。工作時(shí)，將浮油裝置置于切削廢液中，切削廢液由隔膜泵驅(qū)動(dòng)，將廢液吸入浮油裝置。廢液通過(guò)管道輸送到過(guò)濾器，雜質(zhì)被過(guò)濾器過(guò)濾掉。過(guò)濾后的廢液進(jìn)入緩流裝置，減緩了液體的流速，使混合油液有足夠的時(shí)間分層。切削廢液流入分層箱內(nèi)，基本呈現(xiàn)油水分離狀態(tài)。當(dāng)上層浮油(主要由廢導(dǎo)軌油和潤(rùn)滑油組成)達(dá)到一定高度時(shí)，會(huì)自動(dòng)流入廢油箱內(nèi)。此時(shí)，調(diào)整溢液管的高度，可以使底部的切削液進(jìn)入濾液箱內(nèi)，完成對(duì)切削液的回收。

圖7 切削液回收處理器三維模型圖Fig.7 3D Model of cutting fluid recovery processor

圖7中的切削液回收凈化設(shè)備通過(guò)使用隔膜泵輸出自由流量，最大為17 L/min。根據(jù)流體的連續(xù)性方程計(jì)算得出，此臺(tái)設(shè)備的工作效率為17 L/min。處理前后效果詳見(jiàn)圖8及圖9，經(jīng)對(duì)比，明顯看出本設(shè)備處理后的切削液呈乳白色，其表面的浮油量明顯減少。

圖8 切削液Fig.8 Cutting fluid

3 結(jié) 論

結(jié)合資料與實(shí)際情況，機(jī)械加工過(guò)程中，切削液的使用率高達(dá)80%，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年大約有3億噸鋼材在加工過(guò)程中變成切屑[1]，這從側(cè)面表明了切削液使用量之大。在如此巨大的用量面前，切削廢液處理帶來(lái)的危害問(wèn)題迫切需要得到解決，同時(shí)使生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益調(diào)至最佳狀態(tài)。本文提及了多種處理方法，這些方法運(yùn)用廣泛，但都存在著各自的問(wèn)題，主要問(wèn)題體現(xiàn)在能耗、處理效果等方面。因而各型企業(yè)需要一種功能全、性價(jià)比高的設(shè)備。本文所闡述的設(shè)備在一定程度上能完美解決這些問(wèn)題，使企業(yè)最大利益化，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，且本設(shè)備低碳環(huán)保，符合當(dāng)代社會(huì)需求。