切削液净化处理器设备的研究*

汪 舒，罗 健，张 韬，薛 喆，王 慧

(1 无锡职业技术学院，江苏 无锡 214100；2 张家港市微纳新材料科技有限公司，江苏 苏州 201316；3 中机试验装备股份有限公司，吉林 长春 130000)

切削液是一种金属材料切削、铣削、磨削加工过程中，用来冷却、润滑刀具及加工工件的机械加工辅助液，具有良好的冷却、润滑、防锈、除油清洗和防腐蚀功能。切削液分为油基切削液和水基切削液[1]。据统计，目前油基切削液的使用量约占切削液总量的20%，水基切削液的使用量约占切削液总量的80%。在水基切削液的使用过程中，工件上的润滑油及大量的机床导轨油与水基切削液混合在一起，这种混合了各种杂质的切削液，经过循环使用，最终再次流入切削液水箱。切削液长期的循环使用和夜间长时间的搁置，使大量的混合油漂浮于切削液表面，近而阻止了切削液与空气之间的联系，导致大量的细菌在切削液里滋生，这不但大大增加了刀具的磨损，还降低了工件表面的精度，同时影响了工人的工作环境、工人的健康并造成空气污染、水资源污染和土地污染等环境问题[2]。如何净化切削废液，延长切削液的使用寿命，这是一个亟待解决的重要问题。

切削液的油液分离主要是根据浮油和切削液的密度不同，进行分离。此外还可根据它们不同的化学性质进行分离。常见方法有：酸析法、重力分离法、吸附法、电化学法、旋转法等方法。这些常见的方法各有利弊，根据不同企业的要求，应用于不同类型混合液的分离[3-4]。

大型企业经济实力雄厚，有条件购买大型的切削液回收处理设备，经处理后的废液符合国家废液排放标准。但许多中小型企业考虑到成本，无法购置一整套大型切削废液处理设备，大部分企业选择将其打包给专业的污水处理机构进行处理。然而，部分小微型企业由于切削液使用量较少、使用频率较低，常常会被污水处理机构拒绝合作或是被收取高额的废液处理费；还有一小部分企业顶风作案，触碰法律，将未处理的切削液私自排放。因此，如何经济、合理的对切削废液进行回收处理是目前亟待解决的重要问题[5]。

基于以上分析，本团队自主研发了一套小型切削液回收处理设备，该设备利用重力分离法，达到油水分离、去除浮油、净化切削液的目的，在切削液回收的同时兼顾了经济性和实用性。

1 小型切削液油水分离装置设计

1.1 工作原理

根据调研发现，切削废液的表面存在大量变质浮油(来源于导轨油和润滑油)，下层切削液通常又含有大量金属切屑及其他杂质，本团队针对这两大问题，设计并研发了一套切削液净化处理设备。净化处理设备的工作流程详见图1，其主要适用于水基切削液的净化回收。该设备主要包括吸油装置、气动隔膜泵、缓流设备、废油箱、滤液箱等部件[6]。

图1 切削液回收处理器的工作流程Fig.1 Workflow of cutting fluid recovery processor

1.2 切削废液处理器的设计要求

1.2.1 浮油器装置的设计及选型

本设备漂浮装置(详见图2)的浮油器在造型设计上与普通吸油嘴具有本质的区别。普通的吸油嘴没有漂浮器，放置在切削液回收箱时都是沉在回收箱底部，但是切削废液中的切屑因重力沉降也会聚集在回收箱底部，这样易导致切削废液中的切屑被吸到隔膜泵中，使通道堵塞，降低装置的工作效率，甚至损坏装置，金属切屑还有可能沉降在分层箱的底部，造成清理困难、增加维护成本、降低工作效率等问题。本设备为了避免这一情况的发生，在吸油嘴上增加了两个漂浮球来固定吸油嘴的位置，使吸油嘴可以一直浮在切削废液的表面，减少切屑及其它杂质进入到净化设备中，且可以使更多的表层浮油混合液进入到设备当中，提高设备回收净化废液的效率。

图2 漂浮装置Fig.2 Floating device

1.2.2 金属杂质过滤器的设计及选型

经过漂浮器处理后，被吸入的切削废液中，所含切屑的量仍不可忽略，若不进行过滤处理，这些切屑往往会导致隔膜泵、缓流装置的堵塞。本设备的过滤器(详见图3)，采用了多层滤网，对切屑的过滤更彻底，同时让切削废液自下而上流经过滤装置。自下而上的流向可以让切削液中较大的切屑因自身重力而自行沉降，较小的切屑会因为切削液流速导致其上升，这时多层滤网会对较小切屑进行层层拦截，实现多层过滤。

图3 金属杂质过滤器细节图Fig.3 Details of metal impurity filters

1.2.3 隔膜泵的选型

气动隔膜泵的种类有很多，型号不同的设备适用于不同种类的气动隔膜泵。本设备是为中小微型企业服务，多为单台机床服务，应尽量减小设备的占地尺寸，因而，在设计时，我们选择小型的气动隔膜泵，经试验，该隔膜泵完全满足单台机床的使用要求，其具体型号参见表1。

表1 气动隔膜泵主要参数

1.2.4 缓流装置的设计

图4 缓流装置Fig.4 Slow-flow device

目前现有的切削废液回收装置中，切削废液在流入分层箱前未对它进行缓流处理，切削废液本身为油液混合物，这样很有可能导致两种情况：一种情况是油液受到冲击，混合在一起难以分离；第二种是油液刚刚流进分层箱还没来得及物理分层就流入滤液箱和废油箱，导致分离无效[2]。本小组设计的缓流装置(详见图5)主要作用为减缓切削液因气动隔膜泵抽取时产生的强大流速冲击，避免造成油液深度混合。缓流装置的内部为多层小且密的滤网，切削废液流过滤网密且小的小孔时可以缓慢滴落，从而让切削液无冲击的流向分层箱，让油液有充足时间分层，提高设备整体的工作效率。

1.2.5 升降溢液口的设计

升降溢液口(详见图5)的作用：调节切削液流入滤液箱的流速，提高回收后切削液的收集质量。使用方法：升降溢液口的底部为螺纹结构，旋转升降溢液口，调节底部与分层箱的距离，同时控制升降溢液口顶端与分层箱液面的高度差。工作原理：升降溢液口的顶端是远低于废油箱侧边的高度，二者形成高度差，而浮油与切削液因为密度不同，又是难以相溶，导致二者分层，上层是浮油，下层是切削液，因为升降溢液口是通孔，所以切削液会流入滤液箱，浮油会流入废油箱，从而实现切削液和浮油的分离。

图5 升降溢液口Fig.5 Lifting spillway

1.2.6 分层箱的设计及计算

分层箱(详见图6)的主要作用：当切削废液通过缓流装置到达分层箱时，由于分层箱容积大，切削废液上升速度缓慢，这为切削废液提供了油液分层的时间，浮油和切削液就可以很好地进行物理分层。为后面浮油和切削液流入滤液箱和废油箱做好铺垫。分层箱的深度及宽度的比例，会影响切削液的回收处理效率，其尺寸本小组通过下面计算获得。

图6 分层箱Fig.6 Layered box

通过理论与实验的结合，得出研究对象适合斯托克斯公式

(1)

式中：ρs是颗粒间密度；ρ为流体的密度；μ是流体间的粘度；r是颗粒半径；g为重力加速度。

上式中除了颗粒半径r不知道，其他的都为已知量，经过实验测量得切削废液的体积为0.05 mL。进而可以计算出切削颗粒的半径。

r=2.88×10-3m

根据上文导轨油的粘度表，选取导轨油粘度值为μ=28.8×10-3Pa·s，能够通过公式算出浮油在切削液中的上浮速度：

=3.54×10-2

因为流量Q=V×A，A=3.54 cm×1 cm=3.54 cm2，Q=16 L/min

因此可以得出分层箱的长度是深度的两倍左右，本组设计的分层箱长度为25 cm，深度为12 cm。

2 小型切削液油水分离装置的使用效果分析

根据上文中各重要组件的设计及选型，该设备的整体布局详见图7。工作时，将浮油装置置于切削废液中，切削废液由隔膜泵驱动，将废液吸入浮油装置。废液通过管道输送到过滤器，杂质被过滤器过滤掉。过滤后的废液进入缓流装置，减缓了液体的流速，使混合油液有足够的时间分层。切削废液流入分层箱内，基本呈现油水分离状态。当上层浮油(主要由废导轨油和润滑油组成)达到一定高度时，会自动流入废油箱内。此时，调整溢液管的高度，可以使底部的切削液进入滤液箱内，完成对切削液的回收。

图7 切削液回收处理器三维模型图Fig.7 3D Model of cutting fluid recovery processor

图7中的切削液回收净化设备通过使用隔膜泵输出自由流量，最大为17 L/min。根据流体的连续性方程计算得出，此台设备的工作效率为17 L/min。处理前后效果详见图8及图9，经对比，明显看出本设备处理后的切削液呈乳白色，其表面的浮油量明显减少。

图8 切削液Fig.8 Cutting fluid

3 结 论

结合资料与实际情况，机械加工过程中，切削液的使用率高达80%，据不完全统计，全世界每年大约有3亿吨钢材在加工过程中变成切屑[1]，这从侧面表明了切削液使用量之大。在如此巨大的用量面前，切削废液处理带来的危害问题迫切需要得到解决，同时使生态环境和经济效益调至最佳状态。本文提及了多种处理方法，这些方法运用广泛，但都存在着各自的问题，主要问题体现在能耗、处理效果等方面。因而各型企业需要一种功能全、性价比高的设备。本文所阐述的设备在一定程度上能完美解决这些问题，使企业最大利益化，降低企业运营成本，且本设备低碳环保，符合当代社会需求。