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切削液集中循环处理系统

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 机械工业第四设计研究院 黎海点击:
是加工设备工作过程的重要保障之一,可以说没有切削液的润滑冷却作用,高速切削、加工质量和生产效率等目前加工系统的几大因素都无从谈起。切削液起到的重要作用也是有前提的,那就是必须控制其浓度、杂质含量、压力、流量和温度:浓度控制通过专用仪器定时监控,采取补水或补原液的方式就可解决,后四项要素则要依赖切削液集中循环处理系统(以下简称为“集中处理系统”)去保证,尤其是杂质含量和温度。一旦控制不当,不但加工质量大受影响,切削液也会很快腐化变质,经常性换液会造成生产成本大幅提高,长期还可能导致昂贵的加工设备发生锈蚀。

集中处理系统的用途和目标可归纳为:为发动机零件加工生产线各金属切削设备提供符合特定要求(过滤精度、压力、流量和温度)的切削液,从而保证稳定的加工质量;便于生产车间对切削液的集中统一管理;过滤净化切削液,延长切削液的使用寿命,降低生产成本。下面以国际发动机生产行业普遍采用的真空负压式过滤机组(见图1)为主,展开对系统的介绍。


图1 过滤机组(模型)

集中处理系统针对的被过滤介质一般为7%~10%原液浓度的水基乳化型切削液,一套完整的系统可包括:真空负压过滤机组,含粗过滤箱、精过滤箱(真空负压,负压度可调节)、净液箱、除油及细小颗粒分离装置、刮屑排渣装置、过滤/供液组、切削液温控装置和备用箱等;回液泵/回液箱(罐);供液/回液管网;切屑甩干装置;切屑整压装置;全自动切削液配置加注系统;切削液再生系统;电气控制系统。

真空负压过滤机组

1.过滤原理

该机组利用系统泵的抽吸作用,使过滤介质两侧形成负压度,从加工设备汇集过来的污液通过过滤介质后,形成可供加工设备使用的净液,如此往复循环,过滤原理如图2所示。


图2 过滤原理

2.常见的过滤介质

常见的过滤介质包括过滤带和过滤滚筒。其中无纺布材料的滤带在欧美国家已逐渐被坚韧、耐腐蚀并可重复使用的尼龙材质循环过滤带所替代。目前系统供应商所提供的过滤介质均可达到30~80mm的过滤精度,完全可满足发动机生产线需要。

3.采用粗、精二级过滤

粗过滤箱采用沉淀刮板式,精过滤箱采用真空负压过滤方式。经粗滤的切削液由粗过滤箱流向精过滤箱。精过滤箱内的真空负压值可在一定范围内调节。过滤介质的再生(即去除介质表面污物,以便介质的循环使用)功能可依据负压值,时间设定或手动进行再生过程。

4.过滤/供液泵组的选用

(1)该泵组入口与真空负压过滤机的真空室连接,出口通过供液管网与每台机床连通,当该泵组工作时真空负压过滤机内的乳化液在泵吸力的作用下通过过滤介质(被过滤),再由泵增压通过供液管网送到机床。

(2)泵组应配备变频器起到调节流量和降低能耗的作用。供液泵组在PLC和变频器(一台)控制下,恒压变流量运行,多台泵能实现自动轮换工作。在系统停机后再次启动时,PLC会自动选择最短工作时间的泵作为工作泵。

(3)泵的电机均配有电软启动器,以减缓对电网的冲击。

(4)供液泵组必须配有备用泵,如果泵组中有一台泵损坏,备用泵自动开启。如果带变频器的工作泵发生问题,备用泵自动开启同时变频器会自动切换至该备用泵。

(5)泵进出口配备有减震块,起到降低震动和噪音的作用。

(6)泵组噪音等级<80dB(10m处测量)。

(7)供液泵选用卧式单体离心泵,泵的生产制造应符合DIN-EN733标准,采用符合DIN 24960的标准机械密封(石墨/碳化硅制造)(见图3)。


图3 符合DIN 24960的标准机械密封

(8)供液泵应优先选用Grundfos、KSB和Lowara等国际知名品牌。

5.除油及细小颗粒分离装置

切削液中含有无法被过滤介质滤除的细小固体颗粒以及从加工机床带来的油污,这些都是直接导致切削液变质的污染源,长期高浓度存在将导致切削液中细菌滋生、PH值下降、过滤器堵塞和切削液品质下降等问题,最终造成加工质量下降、臭气污染、切削液变质报废和机床腐蚀等不良后果。因此,要保证切削液质量的长久稳定,必需对这些污染源进行清除。图4是采用离心分离原理对污染源进行去除的工作示意图。


图4 除油及细小颗粒分离装置工作原理

6.切削液温控装置

切削液温升来源于切削过程生热、供/回液泵及其他发热源。切削液温度升高导致加工工件变形,加工精度下降,切削液消耗量增加,还会加速切削液的腐败过程。对于铝合金件的加工,切削液温度控制甚至要精确到“T±2℃”。

温控方式为从外界引入冷冻水,通过板式热交换器(见图5)实现冷冻水与切削液的热交换,达到为切削液降温的目的。由温度控制器调节三向阀控制冷冻水的通入量,自动调节切削液温度在系统的要求范围。


图5 板式热交换器(模型)

回液泵/回液箱(罐)

对于采用空中回液的系统,从加工设备流出的含切屑的切削液,需先汇集到回液箱(罐)后由回液泵提升至空中回液干管,方可回流到切削液过滤机组。由于从加工设备流出的切削液中含有大量金属切屑,容易造成提升泵堵塞及叶片磨损,因此对泵的性能提出了考验。目前行业内普遍采用涡流提升泵(Vortex Pump),其原理是涡轮在泵体内旋转,产生“凹形漩涡”现象,称为涡流。特殊的涡流效应叶轮可输送各种混合型液体、含气泡液体,其叶轮材料为含镍耐磨铸铁或特种不锈钢,非常耐磨,可长期免更换。回液泵应优先选用EVA、EGGER和Brinkmann等国际知名品牌。

对于铝合金或钢制零件加工,其切屑往往呈带状、长絮状或卷状,容易在提升泵内发生缠绕,不易被提升,因此该类切屑在进入涡流泵(见图6)之前,需加装切屑破碎机进行破碎,其工作过程为切屑经填压螺杆输送至破碎头,破碎头由内径带有凹槽的钢管和增压螺杆组成,螺杆在凹槽中推进切屑时将其预先切割,最后一个刀片在螺杆的带动下将切屑最终破碎。


图6 涡流泵

供液/回液管网

如果说过滤机组相当于整个集中处理系统的“心脏”,那么供液/回液管网则是连接至各个加工设备的“血管”。处理后的净液由过滤机组供液泵经空中供液管道以设定的压力送至各个加工设备。供液方式在各个系统中基本都是一样的,但机床至过滤机组的回液方式却变化多端,归结起来主要有两种回液方式:地下回液和空中回液。

地下回液类似城市的地下排水系统,在车间地坪±0.00标高以下做回液地沟,地沟中均布有冲屑管,防止切屑在沟底沉积。从机床流出的污液直接排入地沟,冲刷到过滤机组。地下回液在很长一段时期曾经成为回液的主导模式应用在众多的发动机工厂,但其诸多缺点也逐渐暴露出来。首先,地下回液要在地坪下做大量的回液地沟,特构施工的工程量很大,地沟坡度一般在2%作用,生产线较长时,往往导致地沟末端深达3~4m,一旦地沟中出现问题,根本无法维护。其次,地沟很难做到完全封闭,切削液的雾气易扩散到车间内造成环境污染,反过来,车间地面的异物也容易落入沟中污染切削液。地沟中一旦发生渗漏将无法被发现及修补,导致切削液污染地下土壤,因此欧美一些国家已经不再采用地下回液方式。最后,地下回液造成车间工艺平面布局被限制,设备无法做大的调整,未来生产格局的调整及技术改造将非常麻烦。

随着空中回液(见图7)技术的不断成熟,以及人们对地下回液弊端的认识加深,近年新建的发动机生产线大多采用了空中(管道)回液,其回液方式也多种多样,包括压力回液、重力回液和空中刮板回液等。地坪以下基本无需做特构,实施起来灵活方便。


图7 空中回液

切屑甩干和整压装置

大批量生产的发动机工厂,每天可产生多达数十吨的金属切屑,其中夹杂有大量的切削液,如果不进行回收再利用,则浪费是惊人的,且含液的切屑在运输过程中会污染地面。为此可在过滤机组的切屑出口处加装切屑甩干装置(见图8),其工作原理类似洗衣机甩干。经甩干的切屑其含液率低于5%。甩出的液体泵送至除油及细小颗粒分离装置的污液处理箱中,经过滤、油水分离和排除细小颗粒后,送回至切削液循环系统中回用。切屑进入甩干设备前,应设置备用通道,以免甩干设备故障影响系统正常工作。


图8 切屑甩干装置

甩干后的金属切屑可进一步整压成块状和饼状。对于磁性切屑(如铸铁)体积可压缩至整压前的1/5~1/20,而非磁性切屑(如铸铝)则可达到1/10~1/40。整压后的切屑非常便于运输,且附加值大大提高。切屑整压前后对比如图9所示。


图9 切屑整压前后对比

全自动切削液配置加注系统

加注系统可根据过滤箱液位和浓度的需要,按照预先设定的浓度比例自动完成油水混合并补加切削液的任务。同时可根据其他情况,进行特殊设定,人工操作完成加液任务。在配液出口处和过滤箱体内的实际配液浓度由人工进行检测,与预设浓度不符时,将实际浓度和设定浓度输入到系统中,过滤系统通过加注装置自动补偿调整浓度比例。通过得知每个月乳化液的加注量,可控制乳化液的消耗量。PLC中可分别显示近一个月内乳化油和水的加入量曲线图,由此可有效地控制乳化液的消耗量。

切削液再生系统

经过再生处理的切削液,其污油含量和杂质颗粒含量都能达到极低的水平,同时切削液中99%的细菌也被去除。利用再生系统定期对切削液进行再生处理,可使切削液始终保持在一个良好状态,延长切削液使用寿命,体现了“循环经济”关于资源重复使用和环境保护的理念。

电气控制系统

系统采用PLC控制,PLC上可预留以太网接口,方便连接车间工业网络。系统内部可以选用Profibus-DP现场总线网络,传感器和执行器通过总线模块与Profibus总线网络进行连接。每套系统配置独立的电器控制柜和主操作台,在主操作台上设有一个主控人机界面(具有中文/英文两种语言显示),动态监控设备的运行状态,显示故障信息和其他管理信息。系统控制面板如图10所示。


图10 系统控制面板

结语

一套配置完整的切削液集中处理系统,在管理得当、正常运行的情况下,可使系统切削液寿命达到2~4年甚至更久,日常只需补液即可,系统各项指标均优于单机处理系统(单机系统即为每台机床自带一套小型过滤系统)。系统的优点归纳如下:

1.减少了发动机生产线切削液更换次数,显著降低制造成本。

2.集中系统所使用的泵、阀门和制冷机等的数量远远少于单机系统,系统投资和运行能耗低于采用单机系统的发动机生产线。

3.经集中系统处理的切削液质量优于功能有限的单机系统,因此加工质量、寿命和机床寿命均更加有保障。

4.集中的系统意味着可实现集中的管理,只需少数几名专业人员就可方便有效管理一个庞大的系统,避免了分散型管理造成的诸多管理漏洞。

5.集中系统对于环境保护意义重大,切削液的排放、滤材的消耗和污染物处理成本均大大降低,是单机系统无法相比的。

综上所述,切削液集中处理系统无论在过去还是将来,都是大批量发动机生产工厂优先考虑配置的。国内外有众多的富有经验的供应商可提供成熟的技术服务,其应用前景必将更加广阔。(end)

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