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| 机械工厂切削液过滤的方式 | |
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摘要：本文介绍常见湿式加工系统采用过滤器的形式，以及供液、回液方式，各种不同方式与土建和各公用专业的关系。
在最近的项目中采用湿式加工方案的越来越多，以下谈一点个人对湿式加工涉及到的问题的体会。
1 湿式加工概念 所谓湿式加工，简单的讲就是在金属切削过程中，采用大量有一定压力和流量的切削液冲洗刀具和被加工部位，废屑收集，废液经过滤后重新使用的一种加工方式。从而减少刀具和切屑、工件之间的摩擦，带走切削热，有效提高加工质量、延长刀具使用寿命、改善工人劳动环境。
切削液使用后经过沉淀、过滤可以再重新使用。根据机床结构和布置特点、加工批量等因素可分为单机过滤和集中过滤系统两大类。单机过滤是指设备自身带有过滤箱，切削液在该设备内部循环使用，每台设备的废屑单独收集。集中过滤系统是指几台设备或整条生产线采用相同的切削液，使用后的切削液经地沟或管道流入专门的设备进行集中过滤、处理，废屑集中收集，干净的切削液再统一供给各台加工设备使用。
单机过滤和集中过滤系统各有优势，需要根据实际的生产情况来确定究竟选用何种过滤形式。单机过滤形式简单，多用在湿式加工设备数量较少的情况下，与厂房结构没有任何关系；集中过滤系统可以对整条加工线的切削液质量进行统一控制，有效延长切削液使用寿命，自动化程度高，厂房内设备布置整齐，总的运行成本低。
2 几种常见过滤器
机械加工行业中过滤系统常采用的过滤器有真空纸带过滤器、滤芯式过滤器、吸附层过滤器、滚筒过滤器、重力过滤器等。
2.1 滤芯式过滤器
滤芯式过滤器常用于机械加工要求精度高、废屑成末状的超精加工过滤，或做为二级过滤提高过滤精度时使用。过滤精度1至3μ，单个滤芯的过滤能力为0.8l/min。废液从滤芯外表面进入，杂质被隔离在滤芯表面，杂质越积越厚，当滤芯无法正常工作时，从滤芯内部向外吹压缩空气，清除杂质，重新开始过滤。滤芯为尼龙材质，使用寿命非常有限，平均为4～5年。滤芯式过滤器内部由许多滤芯组成，根据流量的不同使用不同的数量
2.2 吸附层过滤器
吸附层过滤器的过滤精度为3～8μ，单台过滤机的处理能力为1～600m3/h。原理是利用吸附在滤芯上的纤维素或硅藻土起过滤作用。滤芯使用不锈钢钢丝制成。过滤开始之前，先在过滤器内添加介质（纤维素或硅藻土），并使其吸附在滤芯表面形成过滤层，然后过滤开始，废液从滤芯外表面进入，杂质被吸附在滤芯表面，干净的液体从滤芯内部抽出，当过滤层的厚度达到预定值时，清洁单元开始工作清除并排出滤芯表面附着物，新的循环开始。
2.3 滚筒过滤机
滚筒过滤机一般用在车、铣、钻、攻这类切屑较大的机械加工中，单一的滚筒过滤机过滤精度在100μ以上，过滤精度较低。
2.4 重力过滤器
重力过滤器是依靠切削液本身的重力作用，使液体在经过滤布后，废屑和杂质留在滤布上并逐渐形成滤饼，随着滤饼厚度的增加，液体流动阻力增大，液面上升。当液面上升到预定位置时，滤布前进排出滤饼，开始新的循环，干净的液体重新使用的一种过滤方式。过滤精度为30～50μ。它与真空纸带过滤器最大的区别在于真空过滤器依靠泵来抽取干净液体，净液箱内形成真空，液体流速快。重力过滤器控制简单，而真空过滤器控制系统复杂、准确，自动化程度高。
2.5 真空纸带过滤器
2.5.1 形式简述
真空纸带过滤器适用于大多数的机械加工行业，是最常见的集中过滤系统。
工程中常常几个配合起来使用，根据系统精度和流量要求，有时配置为一套粗过滤器一套精过滤器，有时配置为一套粗过滤器两套精过滤器。整个系统结构复杂，占地面积较大。
2.5.2 真空纸带过滤器特点
2.5.2.1 精度控制
过滤精度可以根据需要进行控制，通常为15～80μ，单机流量设计范围在15～1800m3/h，精度范围和流量范围都比较大。系统内的切削液每小时可以循环7～10次。过滤器体积由流量决定，但宽度取决于滤布的宽度。通常粗过滤器宽度1.5m左右，精过滤器宽度2.5m左右。这种过滤器的过滤精度靠滤布和滤饼来控制，其中起主要作用的是滤饼。污液在经过滤布时废屑颗粒被留在滤布上，形成滤渣层，叫做“滤饼”。随着废屑颗粒的增多，有些滞留在滤渣层表面，使滤饼增厚，有些进入滤渣内部，减小滤渣缝隙，增加滤饼密度。滤饼越厚、密度越大，过滤精度就越高。在提高过滤精度的同时液体流动的阻力会增加，净液箱真空度就会变大。当真空度达到预定数值时，阀门开启，纸带前进，排出滤渣，开始新的循环。干净的液体从净液箱输送到加工设备使用。
2.5.2.2 介质选用
过滤介质常采用无纺布，但无纺布是不能循环使用的，而且会造成环境污染。现在有一些厂家使用循环过滤带，是一种尼龙材质的过滤介质。铸铁件加工线过滤系统使用的循环过滤带能使用2～3年，其它加工件的过滤带使用寿命更长。循环过滤带价格较贵，每米的价格是无纺布的250倍左右。
2.5.2.3 配置 过滤设备可以配备冷却循环系统，使过滤后的切削液温度稳定，确保零件加工质量。还需配备除油装置，用来去除液体中的油质。系统通常配备有自动、半自动、手动和假日循环四种模式。系统需要配置几个甚至十几个泵，有的是正常生产时使用的系统泵，用来维持系统压力；有的是污水泵，排污水时使用；有的是系统维护时使用的；还有的是备用泵。值得一提的是假日循环泵，当生产线停止加工的时候采用假日循环泵，保持系统内液体流动性，节约能耗的同时防止切削液变质。除假日循环泵以外，其它泵的功率都非常大，根据系统流量的不同，单台泵的功率大的可达上百千瓦。例如，一汽集团无锡柴油机厂，发动机生产线的一套过滤系统流量为2840m3/h，共有10台泵，每台泵的功率均为90kW。
系统内切削液的浓度、质量需要每天检测控制，增加添加剂防止液体变质。过滤器通常配有自动补液装置，适当添加原液或水，保证系统内液体浓度在许可范围，常采用的浓度为90％～95％。切削液原液是一种不易燃烧、不爆炸的液体，化学性质稳定。可以小批量存放在车间内，也可以大批量存放在库房内。切削液的存放要求通风要好，温度最好控制在0℃～40℃。如果使用进口切削液，再加上科学的保养，可以使用2年，甚至更长时间。目前国产切削液的性质还不十分稳定，生产使用时间略短一些，价格也较进口的便宜。
如果要求的精度高，真空纸带过滤器还可以与其它形式的过滤器配合使用，有效提高过滤精度。
2.6 水力漩流过滤器 水力漩流过滤器利用的是物理原理，物体所受离心力的大小与物体重量有关。高速液流从进液口以切线方向进入圆锥形过滤器，形成漩流。固体颗粒随液体一起做回旋运动，由于固体颗粒比重大于液体，在离心力作用下，运动过程中的固体更容易向容器壁移动，遇到容器壁后向下滑落，从排渣口排出。液体边回旋边下降，在过滤器内部形成一个圆柱形低压区，当下降的液流回转半径与低压圆柱半径相同时，液流受到从排渣口进入气体的影响而向上运动，从过滤器上面的出液口排出。
这种过滤器结构简单，价格便宜，过滤精度高，达到10～50μ，常用于清洗机或单机过滤。水力漩流过滤器对进入的液体流量有着严格的要求，流量过小难以形成理想效果的漩流，分离效果差；流量过大液体充满过滤器无法形成漩流，起不到分离作用。另外，过滤效果与杂质密度有着直接的关系，小密度的杂质颗粒没有大密度的杂质颗粒分离效果好。例如，铸铁颗粒的过滤效果要优于铝合金颗粒。
2.7 磁力过滤器
磁力过滤器是利用磁性对导磁颗粒的吸引作用，使用过的液体流过磁场，导磁颗粒被留下，其余通过的一种过滤方式。主要是针对铁屑使用的，可以利用这一特点对铁屑进行分离。例如被加工件既有铁又有铝的成份，可以先使用磁力过滤器将铁屑分离出来单独收集，然后再使用其它过滤器过滤。
3 过滤器的供、回液方式
这一部分是主要针对集中过滤系统而言的。过滤器和设备之间的供液、回液方式有许多种，采用的方式不同对厂房结构的影响就不同。有的过滤器布置在地下室，有的布置在厂房地坪上。如果布置在地下室就需要有地沟，有地沟，就必须要在设计初期考虑地沟的位置、深度，因为地沟的位置、深度会对厂房柱子产生很大影响。如果地沟中心线距离柱子的中心尺寸不超过1米，那么地沟的地下结构恐怕就得和厂房柱子的地下结构一起施工了。如果柱子与地沟因为种种原因不能同时施工的话，在设计阶段最好避免两者相互干涉，否则的话将会给施工带来麻烦。
在工厂设计初期，如果确定采用湿式加工的方案，建筑、结构和公用各专业就需要考虑供液、回液方式对本专业的影响，做到未雨绸缪，尽可能的一次规划到位。
以下介绍几种常见的集中过滤系统采用的供、回液方式。
3.1 空中供液、地沟回液
机床布置在车间地坪上，过滤器布置在地下室内。每台机床都设置有排屑口，使用后的切削液从排屑口流入地沟，经地沟回流到过滤器内，过滤干净的切削液在压力作用下从空中管道供应给机床使用。
地沟通常为400mm～500mm宽，具有1％～2％的坡度，国内厂家设计的坡度常取2％。地沟起点处深度为地下300mm～400mm深，当生产线长度较长时，最深处可深达2.5m以上。地沟内每隔6～8m设置冲屑口一个。冲屑口的作用是用干净的液体冲刷地沟底部，防止废屑在地沟底部堆积。每个地沟拐弯处也需要设置冲屑口。冲屑管从供液管引出，到地沟内管径变小，提高冲屑管压力。
在地沟最深处设置一泄漏控制阀，如果地沟有任何泄漏可以及时反馈信息，防止地下水污染，节约能源。
这种回液方式涉及到的地下特构是最复杂的，地沟、地坑的位置、深度都是结构专业最关心的问题。当地下特构与厂房柱子距离较近时，厂房柱子基础就不得不考虑到地下特构的影响，往往会采取将柱子基础下沉的办法来避免地沟与柱子基础相互干涉。公用专业地下管网的布置也必须要考虑到地沟的问题，及早避免地沟之间的相互交叉，尽可能减少施工的麻烦。地沟的布置通常是与生产线平行的，也会有部分垂直的支沟（有时是主沟）。支沟深度较浅，主沟深度较深。
另外，由于集中过滤系统通常流量较大，所以供液管管径也非常大，可达400mm甚至更大。根据系统流量不同，供液管有时为两根。还有排污管、供水管、供气管等空中管道，具体管径和重量必须要等到过滤设备订货、设计之后才可能最终确定，但这些载荷在工厂设计之初，考虑厂房吊点载荷时是必须要考虑进去的。
地沟一种是通过式的，一种是旁置式的。通过式的地沟对应的设备下面是V形槽，槽体与地沟相通；旁置的地沟通常是从设备后面经过，设备后面是与地沟相通的液槽。地沟一般做成明沟，上面设置钢盖板。通过式地沟在设备下方不需要设置盖板，旁置式地沟全部需要盖板。
国内常见的地沟形式有三种：
A、刮板沟：常见于干式加工，也可用于湿式加工排屑。沟底部为平底，内部设置有刮板链等输送装置。
B、叉拉沟：常用于团状废屑的排屑系统，沟内部设置有叉子。
C、U形冲沟：地沟成U形，由3块钢板组成，两侧壁各一块4～6mm厚，底部一块8mm厚钢板，焊接而成。该地沟具有一定坡度，且内部设置有冲屑口。这种沟在湿式加工排屑系统中最为常见。
由于过滤设备体积大，内部盛满切削液，所以放置过滤器的地坑需考虑地基承载力的要求。地坑底部及侧壁常常需要有预埋件，底部预埋工字钢用来调平设备，侧壁预埋钢板方便钢构件的安装。
3.2 空中供液、地下集中、空中压力回液
机床和过滤器都布置在车间地坪上，地面下布置有回液罐。每台设备都有排屑口，使用后的切削液从排屑口排出，经地沟流入回液罐，当液面到达预定高度时，回液泵开启工作，废液在压力作用下直接流回过滤器，干净的液体再经空中管道送至机床。
这种回液方式适用于U形布置的机床，可以减小地沟长度，减少深地沟数量。
回液罐设置在地面以下，在估算回液罐最小体积的时候通常考虑液罐有效容积可以容纳所服务设备40秒种（甚至更长时间）的排液总量。每台回液罐服务3台设备，假如每台设备的流量为400l/min，那么回液罐的有效容积最小为0.8m3。与回液罐配套使用的回液泵需要设置两台，一用一备。
过滤器本身布置在地面上可以减少地下特构工作量，设备布置起来也更加灵活。
3.3 空中供液、地下集中、空中重力回液
这种回液方式与“空中供液、地下集中、空中压力回液”结构相似，最大的区别在于该回液方式主要依靠的是重力。废液从设备出来流入地沟后，在重力作用下流入回液罐，当液面上升到预定值时，回液泵开启，液体流入空中回液槽，然后在重力作用下流回过滤器。
这种排液方式最显著的特点是空中有回液槽，就好像是将回液地沟架在空中一样。空中回液槽是带有一定坡度的，“空中供液、地下集中、空中压力回液”的回液管在空中是水平的，在这点上两者也有所不同。
3.4 空中供液、空中压力回液、全地面布置
这种布置方式最大的优点是所有设备全部布置在地面以上，一台设备配备一套回液装置。没有地沟、地坑之类的特构，厂房形式简单、设备布置灵活、工作环境舒适。
废液从设备出来进入回液罐，在回液泵压力作用下直接回到过滤器。过滤干净的切削液从空中管道供应给各台设备使用。
该回液方式对设备本身的要求与上述各种方式不同，要求每台设备都配备有各自的回液罐和回液泵。有的设备采取加高床身的办法，将设备下面做成整体的液箱做为回液罐使用，并配备回液泵。也有的设备将整个回液装置设置在机床旁边。
采用这种回液方式会增加空中管道的数量。一台设备一根回液管道，虽然一根管道的重量很轻，但数量之大无疑会增加厂房吊点所需考虑的载荷。
3.5 空中供液、空中重力回液、全地面布置
这种布置方式与“空中供液、空中压力回液、全地面布置”的唯一不同点就是该回液方式是压力与重力相结合的。废液从设备流入储液罐后在压力作用下进入重力回液槽，然后在重力作用下流回过滤器。重力回液槽与“空中供液、地下集中、空中重力回液”的重力回液槽相同。所有设备也是全部布置在地面以上。
4 结束语
以上介绍的几种方式除采用空中重力回液槽的形式以外，其它的几种方式均较常见。湿式加工的切削液过滤形式、过滤器的选择以及回液方式的选择都与多种因素有关，每种布置方式都有其自身的优点和难以避免的缺点，不可能定性的推断哪种方式最好，只能是具体项目具体分析，综合比较后选用一种最恰当的方式。这就要求我们工艺和土建、公用各专业紧密配合，充分沟通，把可能出现的问题解决在设计的最初阶段。
3/15/2012 | |
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