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。

管路冲刷系统是为消除切屑在管路拐弯处或流速缓慢处的堆积而设计的，一般采用从净液管路中取切削液进行冲刷的方法，从而保证切屑可全部流回液箱，防止堆积堵塞。

另外对于铸铁件机加线，当液箱采用地上式时，脏液提升泵需要将混有铁屑的切削液泵回液箱，泵的叶轮需要考虑断屑与抽屑功能。

（2）工作原理集中冷却过滤系统示意图如图5所示，其工作原理为机床使用过的切削液经回液泵回沉淀箱，大颗粒的切屑在此沉淀，经刮屑链排到系统外部，浮油漂浮在液面上，可通过撇油器进行捕获、清理，切削液经沉淀箱下方连通器孔进入脏液箱，在供液泵产生的负压下经过星形过滤单元，得到净液。

其中一部分净液泵入净液箱备用，其余净液经热交换系统向机床供液。

当其中某一过滤单元发生堵塞或者预涂粉失效时，将从净液箱中抽取液体来补充，同时过滤单元自动进行清洁，清洁完毕后重新供液。

图5 集中冷却过滤系统示意图（3）集中冷却过滤系统优缺点集中冷却过滤具有许多特点，如大循环、大流量、大行程，散热快；与单机过滤冷却系统相比，切削液寿命提高了三倍左右；可采用PLC控制，自动化程度高，使用周期长，维护简单，切屑便于集中处理（压块、甩干等），密封性好，夏天空气中不会有异味，有利于环境清洁；切削液易于控制维护，只需要在净液出口处进行抽检控制；通过热交换系统可实现恒温控制，同时如厂房内外冷却水进行冷却，可将热量带到厂房外部，降低了夏天厂房内的温度，增加舒适度；过滤精度高，过滤精度高可延长刀具使用寿命，降低工件表面粗糙度数值。

可加装撇油器，消除切削液中的污油，提高切削液使用寿命；便于废水集中处理，通过管道可将废水直接排到污水处理站进行清理。

但同时也存在诸多缺点，如布线复杂，建设周期长，施工难度大，一次性投资大，一旦发生故障可能造成整线停机，风险大；如果采用空中回液，需要采用回液泵进行提升，由于泵的搅动易造成切削液起泡，对切削液的消泡性提出了更高的要求。

集中冷却过滤与单机冷却过滤的优缺点具体可见表3所示。

集中冷却过滤单机冷却过滤优点1、冷却液为同一品牌、浓度、过滤精度等 2、改善工作环境 3、能够集中处理切屑和固体杂质 4、统一管理，有利于延长冷却液的寿命，减少废液排放1、可选用多个品牌的冷却液 2、根据加工工艺不同，每序可以配不同浓度的冷却液 3、生产线工艺布置灵活，后期易改造 4、独立性好，避免互相干扰缺点1、机床位置固定，且增加了切削液受污染的可能性 2、独立性差，易造成过滤系统及生产线机床的集体停机 3、易引起泡沫问题，对切削液的品质要求高1、消泡性及散热性差 2、切屑处理系统繁多，且切屑处理复杂 3、点检、维护复杂 4、环境污染严重3.冷却过滤选用原则及成功案例对于小型工厂内分散布置的加工中心，适宜采用单机冷却过滤系统。

对于大型动力总成零件工厂，如发动机缸体、缸盖、框架和变速箱壳体等，由于产量大，机床数量多，且切削液型号相同，故可采用大型的集中冷却过滤系统。

集中冷却过滤系统可以大幅提高切削液寿命，降低生产成本，实现清洁生产，改善员工工作环境，因此该系统具有先进性与环保性的特点。

过滤机的基本参数主要有过滤精度、过滤介质的尺寸、流量、箱体尺寸和出屑量。

如我公司某缸体生产线，年产能30万台，机床切削液的过滤精度要求高（外冷100μm/内冷30μm）, 流量需求较大（8000L/min），故采用了集中冷却过滤系统。

具体方案为地上式液箱，空中回液，外冷过滤单元采用星形过滤单元，机床主轴内冷采用单独的离心式过滤，以保证内冷过滤要求；液箱容积一般为每分钟需求流量的10倍左右，液箱的容积最终确定为120m3。

该系统经过近一年的使用，充分发挥了集中处理高效节能、保护环境、运营成本低的优点。

总结切削液作为动力总成工厂一种非常重要的消耗品，不仅用量大，而且容易污染环境，因此有必要对其进行深入研究。

本文围绕切削液的净化过滤处理，对过滤方式、过滤介质和过滤系统尺寸选取进行了研究，得出大型机加工车间适宜采用集中冷却系统的结论。

同时结合我公司长期使用经验，将先进的切削液处理理念进行推广，为汽车企业切削液处理提供优秀的解决方案，从而振兴我国装备制造业。