切削液凈化處理器設備的研究*

汪 舒，羅 健，張 韜，薛 喆，王 慧

(1 無錫職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 無錫 214100；2 張家港市微納新材料科技有限公司，江蘇 蘇州 201316；3 中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130000)

切削液是一種金屬材料切削、銑削、磨削加工過程中，用來冷卻、潤滑刀具及加工工件的機械加工輔助液，具有良好的冷卻、潤滑、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，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程中，工件上的潤滑油及大量的機床導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)過循環(huán)使用，最終再次流入切削液水箱。切削液長期的循環(huán)使用和夜間長時間的擱置，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，導致大量的細菌在切削液里滋生，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)境問題[2]。如何凈化切削廢液，延長切削液的使用壽命，這是一個亟待解決的重要問題。

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，進行分離。此外還可根據(jù)它們不同的化學性質(zhì)進行分離。常見方法有：酸析法、重力分離法、吸附法、電化學法、旋轉(zhuǎn)法等方法。這些常見的方法各有利弊，根據(jù)不同企業(yè)的要求，應用于不同類型混合液的分離[3-4]。

大型企業(yè)經(jīng)濟實力雄厚，有條件購買大型的切削液回收處理設備，經(jīng)處理后的廢液符合國家廢液排放標準。但許多中小型企業(yè)考慮到成本，無法購置一整套大型切削廢液處理設備，大部分企業(yè)選擇將其打包給專業(yè)的污水處理機構(gòu)進行處理。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，常常會被污水處理機構(gòu)拒絕合作或是被收取高額的廢液處理費；還有一小部分企業(yè)頂風作案，觸碰法律，將未處理的切削液私自排放。因此，如何經(jīng)濟、合理的對切削廢液進行回收處理是目前亟待解決的重要問題[5]。

基于以上分析，本團隊自主研發(fā)了一套小型切削液回收處理設備，該設備利用重力分離法，達到油水分離、去除浮油、凈化切削液的目的，在切削液回收的同時兼顧了經(jīng)濟性和實用性。

1 小型切削液油水分離裝置設計

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(來源于導軌油和潤滑油)，下層切削液通常又含有大量金屬切屑及其他雜質(zhì)，本團隊針對這兩大問題，設計并研發(fā)了一套切削液凈化處理設備。凈化處理設備的工作流程詳見圖1，其主要適用于水基切削液的凈化回收。該設備主要包括吸油裝置、氣動隔膜泵、緩流設備、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計要求

1.2.1 浮油器裝置的設計及選型

本設備漂浮裝置(詳見圖2)的浮油器在造型設計上與普通吸油嘴具有本質(zhì)的區(qū)別。普通的吸油嘴沒有漂浮器，放置在切削液回收箱時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聚集在回收箱底部，這樣易導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、增加維護成本、降低工作效率等問題。本設備為了避免這一情況的發(fā)生，在吸油嘴上增加了兩個漂浮球來固定吸油嘴的位置，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)進入到凈化設備中，且可以使更多的表層浮油混合液進入到設備當中，提高設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)過濾器的設計及選型

經(jīng)過漂浮器處理后，被吸入的切削廢液中，所含切屑的量仍不可忽略，若不進行過濾處理，這些切屑往往會導致隔膜泵、緩流裝置的堵塞。本設備的過濾器(詳見圖3)，采用了多層濾網(wǎng)，對切屑的過濾更徹底，同時讓切削廢液自下而上流經(jīng)過濾裝置。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，較小的切屑會因為切削液流速導致其上升，這時多層濾網(wǎng)會對較小切屑進行層層攔截，實現(xiàn)多層過濾。

圖3 金屬雜質(zhì)過濾器細節(jié)圖Fig.3 Details of metal impurity filters

1.2.3 隔膜泵的選型

氣動隔膜泵的種類有很多，型號不同的設備適用于不同種類的氣動隔膜泵。本設備是為中小微型企業(yè)服務，多為單臺機床服務，應盡量減小設備的占地尺寸，因而，在設計時，我們選擇小型的氣動隔膜泵，經(jīng)試驗，該隔膜泵完全滿足單臺機床的使用要求，其具體型號參見表1。

表1 氣動隔膜泵主要參數(shù)

1.2.4 緩流裝置的設計

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它進行緩流處理，切削廢液本身為油液混合物，這樣很有可能導致兩種情況：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分層箱還沒來得及物理分層就流入濾液箱和廢油箱，導致分離無效[2]。本小組設計的緩流裝置(詳見圖5)主要作用為減緩切削液因氣動隔膜泵抽取時產(chǎn)生的強大流速沖擊，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)，切削廢液流過濾網(wǎng)密且小的小孔時可以緩慢滴落，從而讓切削液無沖擊的流向分層箱，讓油液有充足時間分層，提高設備整體的工作效率。

1.2.5 升降溢液口的設計

升降溢液口(詳見圖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，而浮油與切削液因為密度不同，又是難以相溶，導致二者分層，上層是浮油，下層是切削液，因為升降溢液口是通孔，所以切削液會流入濾液箱，浮油會流入廢油箱，從而實現(xiàn)切削液和浮油的分離。

圖5 升降溢液口Fig.5 Lifting spillway

1.2.6 分層箱的設計及計算

分層箱(詳見圖6)的主要作用：當切削廢液通過緩流裝置到達分層箱時，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間，浮油和切削液就可以很好地進行物理分層。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，會影響切削液的回收處理效率，其尺寸本小組通過下面計算獲得。

圖6 分層箱Fig.6 Layered box

通過理論與實驗的結(jié)合，得出研究對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)過實驗測量得切削廢液的體積為0.05 mL。進而可以計算出切削顆粒的半徑。

r=2.88×10-3m

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

=3.54×10-2

因為流量Q=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度是深度的兩倍左右，本組設計的分層箱長度為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計及選型，該設備的整體布局詳見圖7。工作時，將浮油裝置置于切削廢液中，切削廢液由隔膜泵驅(qū)動，將廢液吸入浮油裝置。廢液通過管道輸送到過濾器，雜質(zhì)被過濾器過濾掉。過濾后的廢液進入緩流裝置，減緩了液體的流速，使混合油液有足夠的時間分層。切削廢液流入分層箱內(nèi)，基本呈現(xiàn)油水分離狀態(tài)。當上層浮油(主要由廢導軌油和潤滑油組成)達到一定高度時，會自動流入廢油箱內(nèi)。此時，調(diào)整溢液管的高度，可以使底部的切削液進入濾液箱內(nèi)，完成對切削液的回收。

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備通過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)性方程計算得出，此臺設備的工作效率為17 L/min。處理前后效果詳見圖8及圖9，經(jīng)對比，明顯看出本設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)合資料與實際情況，機械加工過程中，切削液的使用率高達80%，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界每年大約有3億噸鋼材在加工過程中變成切屑[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，切削廢液處理帶來的危害問題迫切需要得到解決，同時使生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟效益調(diào)至最佳狀態(tài)。本文提及了多種處理方法，這些方法運用廣泛，但都存在著各自的問題，主要問題體現(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、性價比高的設備。本文所闡述的設備在一定程度上能完美解決這些問題，使企業(yè)最大利益化，降低企業(yè)運營成本，且本設備低碳環(huán)保，符合當代社會需求。