基于射流原理的霧狀切削液收集裝置設計

吳新龍 陳再良 芮延年

【摘要】針對普通數控機床切削加工時的霧狀切削液對環境和操作者的影響，研究切削液簡易收集的裝置，通過利用射流技術，對霧狀切削液的控制性能進行了比較、分析，設計出了一種新型霧狀切削液的收集裝置。

【關鍵詞】數控機床 射流 切削液 收集

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）10 -0225-02

1.引言

濕式切削中，切削液作為機械加工的重要輔料，主要有冷卻、潤滑、清洗和防銹四個主要作用。它可以延長刀具的使用壽命，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，它對環境的影響很大。

普通數控車床不是全封閉的（如圖1），在加工零件時，切削過程中由于切削溫度高，使切削液形成霧狀揮發，污染環境。有公司進行了專門的綜合調查，對象是經常與一種類型切削液（礦物油.乳油液或合成切削液）接觸的金屬切削機床操作工、不直接接觸切削液的裝配工人、從來未在機床工作過的三類受到切削液懸浮顆粒作用的工人，結果表明：大部分都患有呼吸系統的疾病，如一般性鼻炎.咳嗽，呼吸困難、慢性支氣管炎等，機床操作工人患這類疾病的人數比裝配工人多。而且礦物油常會引起氣喘、鼻炎和咳嗽，而合成切削液常引起慢性支氣管炎。因此，美國國家勞動安全和保健機構（NIOSH）制定了更加嚴格的環衛標準.要求空氣中有害物質的容許含量由原來的5mg/m3降低為0.5mg/m3。且空氣中的有害物質容許的顆粒直徑（PM）由原來的10μm下降到2.5μm。美國、歐洲等一些國家采取了旨在既確保操作人員健康又使機床使用安全的專門立法就有250條之多。

在我們的教學實訓中，經常使用到切削液進行加工，如何減小對環境的污染，減小對老師和學生呼吸系統的傷害是擺在我們面前的一個難題。

2.方案設計

2.1 射流技術

噴射器是一種沒有運動部件、對工作介質無嚴格要求的小型流體機械，大量的應用于動力、造紙、紡織、制冷、抽真空等多種工作場合。圖2給出了噴射器的結構，它利用較高壓力的工作流體在噴嘴部分把壓力能轉

換為動能，其出口處形成高速射流，同時在吸入室形成低壓區，抽吸被引射流體，工作流體與引射流體在混合室內經過質量、能量的交換后形成單一均勻的混合流體，混合流體在擴散管中進行動能向壓力能的轉化，達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，利用空氣射流產生較強的負壓效應高效的抽吸霧狀切削液，然后利用射流的動能將其排出。由于空氣在縮放噴嘴中加速形成超音速射流，壓力能轉化為速度能，從而在噴嘴出口形成低壓區，將霧狀切削液抽入并使得切削液在“氣動喉部”處達到音速，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，除此之外，因為從噴嘴流出的空氣射流產生很強的剪切力，霧狀切削液在這個剪切力的帶動下向前運動，因而兩股流體的接觸面積也會對抽吸效率造成較大影響。

數控實訓車間配備有氣站，供生產實習的數控車床、數控加工中心等使用，我們可以充分利用壓縮空氣作為我們收集裝置的動力來源，不需要額外的在機床上進行電源的改造，減少成本和提高安全性。

噴射器的理論、最佳幾何尺寸關系以及各種工況下噴射器的特性曲線方程式已經很完善，我們可以結合機床的尺寸和霧狀切削液的特性設計出合理的噴射器的幾何尺寸。

我們可以設計一個兩級（多級）噴射裝置，在混合室或喉管處再增加一個吸入室，利用宏誘導作用，讓抽吸效率提高，同時達到降低能耗的目的。（如圖3所示）。

2.2 收集裝置實現的基本功能

我們可以在機床防護門上方安裝頂吸式霧狀切削液的收集裝置，利用壓縮空氣產生一個負壓區，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，最后經過流入廢屑槽，經過濾后重新進入流動循環。

從工作原理可以看出。霧狀切削液收集裝置可以近似的認為是點匯式抽吸（如圖4所示），點匯式抽吸的規律是距匯點不同距離的各等速球面上流量相等，隨著離開匯點距離的增大，流速呈二次方衰減，所以吸霧狀氣流的能量衰減很快導致實際能夠影響的吸風區域很小。一般而言，抽吸的有效半徑只有400mm左右。由于防護門上方據卡盤中心軸線高度在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，可以通過改變收集裝置的結構形狀和安裝方式（如圖所示），將進氣口設置在側面，拉近了匯點與霧狀切削液源的距離，增強抽吸的效果。（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從40μm降低到10μm以下，刀具的使用壽命可延長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、鉻酸鹽等有害物質的切削液，那么在制造系統中就應設置相應的廢液處理、凈化和相應精密的過濾。我們可以在收集裝置的引流管附近增加過濾裝置，以達到延長刀具壽命的目的。

2.3 與機床的連接

為了讓霧狀切削液收集設備與機床聯動，可以設計成手動開啟收集裝置或者機床程序自動運行時就能自行開啟。我們可以將相關的控制信號點連接至數控機床的PLC上，就像控制數控機床的外部設備一樣來進行切削液收集裝置的使用。

以FANUC 0I TD 系統機床為例，如果通過手動操作，設計中以X7.0為手動開啟收集裝置的信號點，按一下按鍵，收集裝置開啟，再按一下按鍵，收集裝置自動關閉。Y2.0信號點為裝置開啟指示。

如果要自動開啟，可將上梯形圖中R7.4信號串聯在切削液開啟信號或自動運行開始信號上，就能實現收集裝置的自動開啟，若要關閉，則可以關聯數控機床的介紹信號，如M09切削液關閉指令，M2、M30程序結束指令。

2.4 噪聲的控制

噪音是評價收集裝置性能的一個重要參數，GB/T17713-1997規定小于74 dB（A）。在收集裝置上利用射流技術后，就產生一個很大的噪聲源，除了在裝置上安裝隔音材料，設置消音器等常規技術手段外，還可以為進一步降低噪聲還應考慮葉輪流道內氣流的流動狀況，如增加紊流化裝置、導流葉片等，實施全方位的降噪和機床的防振處理。

3.總結與展望

噴射器技術在工業領域廣泛應用，是比較成熟的技術，所以將其應用霧狀液體收集器上技術可行，借鑒于這些成熟的工業應用技術開發適用于機床的水霧狀，油霧狀切削液收集設備并不困難。

通過對簡易收集裝置的設計，我們能夠在很大程度上減輕對車間環境的污染、減輕對老師和學生呼吸系統的傷害，達到綠色生產，安全生產的目的。

此外，我們還可以加強對收集設備工作時產生的流場及動力特性的研究，注重收集設備與機床的一體化設計，在進行收集設備的優化設計時如果能夠把機床切削運動對空氣流動的影響因素者慮進去，進行綜合性技術改造，在兩者之間形成一種互補關系。

參考文獻：

[1]王銳，芮延年，陰浩等.一種新型射流式廚房油煙凈化機的設計[J].蘇州大學學報，2005，25（2）：7-9.

[2]戴永鋒，張紅兵.地下車庫通風設計探討[J].制冷與空調，2008，22（2）：74-76.

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

[4]薛勝雄. 高壓水射流技術與應用[M]6 北京：機械工業出版社，1998

[5]朱佩玲.室內油煙控制技術的改進研究[J].價值工程.2012