用于发动机生产的切削液冷却过滤研究

用于发动机生产的切削液冷却过滤研究

动力总成的生产往往由大量金属切削机床组成，如发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等，此类零件的加工大多选用湿式加工，即加工过程中需要使用切削液进行冷却。切削液和切屑是机加工车间的主要污染源之一，减少切削液用量并妥善处理，不仅是目前流行的清洁生产的需要，同时也是节能减排、降本增效的必然选择。

汽车生产是大批量生产模式的典型代表，动力总成车间加工中心密集、节拍快，要求使用高效的冷却过滤处理系统，同时毛坯材料较单一（多为铸铝、铸铁材质），为切削液统一集中处理提供了可能性。集中冷却过滤系统高效节能环保，正在被国内外车企越来越广泛地采用，如何正确使用以发挥其最大效能就显得迫在眉睫。本文以加工中心中使用的切削液为例，重点研究切削液的处理方式。

切削液与处理方式

1.切削液的作用

切削液分为切削油和水溶性切削液两大类，水溶性切削液又分为全合成、半合成和乳化型三小类，加工中心一般使用乳化型的水溶性切削液。金属加工中切削液主要起冷却、润滑排屑、防锈和清洗的作用，金属切削时由于金属变形和摩擦，产生大量的热量，如不及时将热量带走将导致热量积聚在刀具上，影响刀具切削性能。切削时同时产生大量切屑，如不及时将切屑从切削区移开，将划伤加工表面，甚至导致刀具粘结，因此需要带屑清洗。铁件周围存在大量水汽，在局部高温的作用下，工件极易生锈，此时切削液还起到防锈的作用。

2.切削液过滤物化指标

由于切削液关乎加工质量和稳定性、刀具寿命，因此经净化后的切削液需要实时监测，满足要求后才能继续使用。对过滤后的净液监测项很多，主要有浓度、pH值、过滤精度等，具体参数见表1。

3.处理方式

切削液过滤形式分为四大类：沉淀过滤、缝隙过滤、离心过滤和磁性过滤，加工中心一般使用缝隙过滤和离心过滤两种方式，其原理如图1所示。其中缝隙过滤的使用介质种类有许多种，常见过滤介质有滤网、滤纸、过滤芯、过滤筒、过滤袋和纤维粉等。

图1 过滤原理

过滤介质的选择非常重要，过滤介质的选取需要根据过滤精度和流量来确定，由于直接关乎后期使用效果，所以选择时需要根据实际情况合理选用。不同类型的机床产生的切屑形状不同，如加工中心一般产生较大颗粒切屑，可采重力过滤进行初级过滤；而磨床类产生的粉末较细，小颗粒可通过过滤介质，容易产生淤泥，如图2所示，考虑采用磁性过滤装置或过滤筒增加反冲功能。缸体、缸盖一般为铸铝或铸铁材料，一般采用沉淀的方法将大颗粒切屑沉降到液箱底部，再用刮屑板将其提升出液面，再采用滤纸过滤小颗粒杂质。

图2 金属污泥

冷却过滤系统

如上所述，脏液中含有大量杂质，需要通过选用合理的、性价比高的过滤方案。根据冷却过滤系统规模大小及供应机床台数，可分为单机型和集中型两种。

1.单机冷却过滤系统

加工中心一般配有单机刮屑链和冷却过滤单元，如图3所示，对脏液进行过滤冷却，循环使用。大颗粒切屑通过刮屑链送往积屑小车，脏液收集后利用液体的重力通过滤纸进行过滤，该系统具有成本低，布局灵活，独立性强等优点，但缺点同样明显，如切削液寿命短、污染环境、维护工作量大等。

图3 单机冷却过滤系统

对于大型封闭式恒温工厂，清洁度和温控要求高，而单机冷却液箱是敞开式结构，热量直接散发在车间，使车间闷热，对工作环境影响比较大。同时受限于布局，液箱容积往往仅数立方米，消泡性和散热性差，切削液容易发生泡沫溢出和渗漏。实际使用中，由于需要逐台控制检测，带来很多负面效应，如频繁地加液、换液导致冷却箱周围湿滑，存在安全隐患。每台加工中心都配备过滤冷却装置，过于分散，无法对切屑进行深入处理，特别对于大型工厂，切削液维护和废物处理工作量巨大。正是以上缺点，限制了单机冷却过滤的使用范围。

2.集中冷却过滤系统

单机冷却过滤系统无法满足大型工厂的使用要求，自动化程度高、节能环保的集中冷却过滤系统越来越广泛地被采用，特别适用于发动机、变速器工厂。

（1）系统组成集中冷却过滤系统由过滤系统、供回液系统、增氧系统、除油系统以及管路冲刷系统等部分组成。

过滤系统解决方案有很多种，各有千秋，但基本思路一致。大体思路为大颗粒切屑依靠重力沉淀分离，由泵组或重力在过滤单元两侧产生压力差，切削液通过，杂质无法通过，从而获得净液。不同的过滤单元，使用场合、效果不尽相同，具体组合方案有多种，如表2所示。

目前我公司新工厂缸体、缸盖线采用了一种星形过滤单元：金属滤网内注入乳状纤维，俗称预涂粉（预涂粉由纤维粉加液搅拌而成），由专门的装置注入过

滤单元，如图4所示，液体通过预涂粉之间的缝隙过滤，它是缝隙式过滤的一种。预涂粉使用寿命结束后，过滤压力增大，控制系统侦测到出液管负压增大后，可由机械装置将过滤单元提起，由振动的方法将失效的块状预涂粉从滤网上剥离，通过刮屑链排出系统，当重新注入预涂粉后，过滤单元恢复工作。该结构消除了滤纸结构破损后导致过滤失效的隐患，且过滤精度高，可达30μm，同时消除高污染性的废弃滤纸，可减小成本压力。

图4 星形过滤单元结构

供回液系统由液箱（沉淀液箱、脏液箱、净液箱）、供回液泵、热量交换器等组成。液箱布置形式有地上和地下两种，地上式的采用液箱与管路全部位于地面之上，而地下水池式将回液沟槽与液箱置于地面之下，该方案可很好的利用厂房地下空间。

供液泵可选用变频泵或者恒频泵，由于机床用液量不是固定的，存在波动，而机床对供液压力要求恒定，故优先采用变频泵，其具有节能环保、噪音低等优点。根据泵的安装位置不同，分为正压过滤与负压过滤两种，负压过滤将过滤泵与供液泵合二为一，结构简单且节能。

热量交换器是保证切削液温度的第一层保障，为了保证切削液的应有性能和加工精度，需要使切削液的温度恒定在22℃左右。夏天可以用厂房外的冷却水对切削液进行降温；冬天切削液温度较低，又需要对切削液进行加热处理，因此热交换器非常重要。

增氧系统是为了增加切削液中的氧气含量，抑制切削液中的厌氧菌生长，防止细菌分解切削液成分；同时细菌生长易造成切削液霉变，产生异味，污染环境，该系统可延长切削液寿命，降低成本，地下式液箱尤其需要注意增氧。

除油系统的作用是将混入切削液中的杂质油（机床导轨、丝杠润滑油，液压油，工件防锈油）分离开来，防止污油影响切削液品质。集中冷却系统一般采用多级过滤，沉淀液箱根据两者不同比重进行油水分离，再利用撇油器对浮油进行捕获。