水溶性切削液在机械加工中系统的统筹维护

机械加工过程中,应用到水溶性切削液,俗称冷却液,其主要作用是对工件进行冷却、润滑、清洗和防腐。一般按组成分为乳化液、半合成液和合成液。长期以来,切削液应用过程产生的废液成为影响节能减排、解决环境卫生问题的关键。在解决切削液的环境卫生问题方面存在三条路线:第一条路线是彻底摒弃切削液,采用干式切削技术,其中包括冷却风切削、吹氧切割及液氮切割等;第二条路线是改造传统切削液,将其负面影响降低到最小程度,使之成为环境友好的,并能被保护生态环境的法规所接受;第三条路线是采用干式切削技术,主要指微量切削技术。有鉴于此,我们对切削液的应用过程进行研究,提出了切削液的统筹维护方法,使切削液在使用过程中不集中排放废液,向零排放更接近一步。

常规切削液维护方案

一、 切削液的浓度

从切削液生产商出厂的产品,被称为原液,进入到生产现场后,需要用水稀释到一定的比例后才能使用,一般生产现场称这种稀释的液体为切削液。原液在应用切削液中所占的百分比称为切削液的浓度,切削液的浓度范围一般在5%~10%,在切削液质量稳定而加工要求不高的情况下,如某些粗加工过程中,有要求3%的,而在加工要求高,特别像拉削加工需要极压性高、MAPAL刀具加工需要润滑性高的情况下,切削液的浓度可能要求达12%~14%。切削液的浓度检测方法一般是折光法、碱值测定法。

切削液应在一定浓度下使用。若在不适当的浓度下使用,不仅不能发挥其应有的效果,而且会引起各种各样的问题:使用浓度过高不仅引起成本提高,而且容易发泡、引发皮炎、降低冷却性能,还可能因杂油的混入形成淤渣,造成切削液混浊和过滤器堵塞等;相反,如果使用浓度太低,首先容易产生的问题是防锈性能不足而引起锈蚀、润滑性能不好而导致刀具磨损增加、加工质量变坏等,然后是促进微生物滋长、工作液早期腐败。工作液浓度的变化往往是加工性能和理化性能下降的直接原因。所以,保持规定的浓度是水基切削液管理的重要环节。

二、 常规切削液维护流程

(1)新液配制。混配液:如果原液的自身的乳化性能好,只要把一定量的原液加入到稀释用水中,充分搅拌均匀即可得到均匀的乳化液,需要注意的是,配制乳化液时,需要将原液加入到稀释水中,如果反其道而行之,将稀释水加入到原液之中,在有些特殊情况下(如在较低温度下),可能生成胶状物质,之后很难再溶解开来。

在具体的工业应用中,一般是先将切削液原液通过混配器混配成一个较高浓度的混配液。在没有混配器的条件下,可以在一个容器中加入一定量的水,再加入原液,需注意加入原液时务必、稳流且缓慢,边加入边用工具搅拌,使原液充分地与水混合。切记,不可将水加入原液中,只能是将原液加入水中。

微乳液和全合成液的配制,由于其本身是水溶性的,液态的原液本身就含有一定量的水,较易溶解,稀释过程较简单,但也要遵循将原液加注到稀释用水中的原则。

混配液加注:混配液制备好以后,根据系统要求浓度和容量计算出混配液的加注量,再将混配液加注到液箱中。加注前一定要保证液箱清洗干净,有条件的情况下,可以用专用机床清洗剂或低浓度的切削液进行清洗。

液体调整:加注的混配液浓度较高,不能达到容积要求,这时需要补水。补充的水可直接加入到液箱中的混配液中,以达到液箱容积要求为止。切削液在调整时,要进行系统液体的循环运行,使液体处于流动状态,以使切削液混合均匀。这个循环过程的时间要根据系统的循环流量确定,一般不少于2h。

(2)日常加注。在切削液的使用过程中,浓度会逐渐下降,需要定期进行浓度检测,检测方法一般是折光法或滴定法,依据检测的浓度结果与要求的浓度控制要求对比,计算出需要补加的原液的量,再折合成混配液的量,做出补加计划进行加注。

(3)系统清理。当切削液使用到一定时间以后,液体中的杂质含量会增加,主要是加工过程中产生的细小颗粒、切削液本身的生成物、导轨油和液压油等的泄漏及水中带入成分的沉积等。这些杂质或悬浮在液体中,或沉积到箱底、箱壁或在机床的内表面。特别是悬浮在液体中的杂质,能影响到液体的化学指标,影响到切削液的润滑性、清洗性和防锈性,沉积的杂质能引起细菌和真菌的孳生。大颗粒的杂质会影响到工件的表面粗糙度。现在的切削液系统,一般都带有液体净化装置,如网式过滤、沉淀、离心分离、磁分离和网布过滤等。但其中的细小颗粒和悬浮杂质不能全部净化去除,而在液体中积累。所以要定期进行系统的清理,以去除系统的杂质。

常用切削液系统清理步骤如图1所示。

(4)换液。当切削液使用到规定寿命后,冷却、润滑、清洗和防腐性能下降,现场应用中可能发生如下情况:切削液的外观变化,有变黄、变黑的,也有变混浊的,总的说液体失去其本来的光泽。切削液各种控制指标波动大:浓度变动大,pH值下降,细菌和真菌高发,防锈性下降,若进行攻丝转矩或四球试验,试验结果可能发生突变。加注需求量明显增加,加注量增大而相应指标不同步变化。加工质量变化,特别是工件表面粗糙度和刀具寿命发生变化。

这时要及时换液,以防切削液突然恶化,影响正常的加工过程。常用切削液换液步骤如图2所示。

三、 切削液的消耗

(1)加工中的切屑带出。在加工过程中,切屑的排出依赖于刮屑链、滤纸和滤布等,在这个过程中,切削液会被带出到切屑箱。这部分液体从切屑中沥出后一般是按废液处理。对于集中冷却的大系统,也有设计专用的回用装置,通过净化处理后返回到系统中应用。

(2)加工中的蒸发。加工过程中的切削液,由于加工热量、液体流动和加压泵等原因,温度升高,使切削液蒸发加快,特别是利用了烟雾收集器后,汽化的切削液会被当作加工烟雾排出。

(3)加工中的有效成分消耗。刀具与工件作用时,作用部位产生局部高温,切削液中的相关成分,如有些极压添加剂等被消耗,产生切削液浓度的下降。

(4)到使用寿命后的换液。切削液寿命到期前要进行切削液的更换,是集中消耗。原用液体全部作为废液处理,系统排空后完全配加新的切削液。

(5)切削液原液的消耗量。以一条年产量为20万台的发动机缸盖生产线的统计为例,每年更换一次冷却液的原液消耗为4?200kg,每年加注的混配液中的原液量为34?440kg。可以看出,主要的切削液原液消耗是日常加工过程消耗,而不是换液消耗。换液过程消耗量只占总消耗量的11%。

四、 切削液性能变化

(1)切削液使用寿命确定。项目期,依据切削液供应商的经验推荐确定。正常生产阶段,依据液体状态变化趋势、生产产量和生产停机时间确定。优化阶段,依据历史经验、日常检测分析和加工工件变化状态等,合理优化切削液的更换周期。

(2)切削液的性能变化可分为几个阶段。一般按切削液使用时间顺序,将切削液的性能变化分为四个阶段:新液阶段、正常维护阶段、清理后维护阶段和换液前维护阶段。清理时机,一般在使用寿命一半的时间;换液前维护阶段,有时需要适当增加切削液的浓度,如整体提高控制浓度1%或按上限控制等;在加工条件较差的情况下,如高温、高湿等环境中,在换液前维护阶段还要增加防锈剂、杀菌剂和pH调整剂等添加剂。

切削液统筹维护方案

1. 基本原理

当一个系统的切削液使用到一定的时间(如使用寿命的一半)后,将其做为补加液分加到其他系统,而本系统配制新液。这样既保证了各系统的添加混配液良好,也使各系统都在一定的时间之内换液。前提条件:一是冷却液抗菌性和稳定性良好,二是切削液的消耗主要是日常添加混配液,换液消耗原液量占总消耗量的比例小于20%,结果是液体随着使用过程消耗掉,而不产生集中排放的废液。

2. 技术研究的特点

在保证常规切削液性能和有效的过滤技术的基础之上,进行切削液应用过程的研究。在切削液的应用过程中,切削液主要是被加工过程消耗掉,而没有被集中排放掉。

3. 实施过程

(1)划分切削液系统统筹维护单元。统筹维护单元划分原则:切削液型号相同、切削液系统容积相近、加工工件材质相同、设备的位置相对集中。

(2)实施步骤。以每个统筹维护单元为维护单位。对于每一个切削液系统,使用到一定时间后,进行切削液的更换。原用液不排至污水站,而是进行净化处理,之后,作为混配液加注到同一维护单元的其它系统中,而本切削液系统配制新的切削液。

清洗系统用液,可以配制一个低浓度的切削液,如1%~2%切削液。清洗后也经过净化处理,与原用切削液都作为混配液补加到同一维护单元的其他它系统中。清洗过程使用低浓度切削液是为了增加清洗效果且增加防锈性、降低泡沫的产生。清洗过程不加入机床清洗剂。

冷却液和清洗后的液体的净化处理,一般可采用如下方法:①沉降法。在容器中放置一定时间,撇除上部漂浮杂质,去除底部颗粒杂质。②离心法:去除密度大的颗粒和密度小的油类。③过滤法。用滤纸或滤袋过滤其大颗粒的杂质。

4. 实施案例

汽车发动机厂的一条缸盖加工生产线,共有加工中心28台,采用单机切削液供液系统。常规方案如图3所示:

图 3

统筹维护方案如图4所示:

图 4

方案实施过程对比(见表1):

表 1

五、 效果

(1)项目效果评价方式,如表2所示。

表 2

(2)实施效果总结。① 切削液技术指标评价:浓度每天检测,指标变化平稳;pH每天检测,指标变化平稳;抗菌性每月检测,没有细菌和真菌的发生;防锈性每月检测,指标平稳,在控制范围之内;硬度每周检测,指标有增加趋势,原因是添加的自来水硬度较高,但不影响切削液性能。若使用RO水,硬度指标会更加平稳。②切削液成本费用评价。按换液费用所占比例计算,切削液的费用节约约为10%。③废液减排评价。按切削液的换液过程统计,每次换液清理时,会有较脏废液的排放,如液体表面含有浮油的液、液箱底部沉积物中的液以及进行切削液再生处理时排出的废油液,这部分废液约占被处理液的10%~20%,即换液过程排放的废液减少80%。

结语

将各切削液系统划分维护单元,按各维护单元进行切削液的统筹维护,切削液质量保持良好,生产加工正常。整个切削液的维护过程切削液消耗量下降,同时极大地减少了到期切削液的集中排放。

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