【摘要】针对普通数控机床切削加工时的雾状切削液对环境和操作者的影响，研究切削液简易收集的装置，通过利用射流技术，对雾状切削液的控制性能进行了比较、分析，设计出了一种新型雾状切削液的收集装置。
【关键词】数控机床 射流 切削液 收集
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）10 -0225-02
1.引言
湿式切削中，切削液作为机械加工的重要辅料，主要有冷却、润滑、清洗和防锈四个主要作用。它可以延长刀具的使用寿命，提高零件的加工精度和切削加工效率，降低工件表面粗糙度。同时切削液也是材料切削加工中的主要污染及成本增加的主要因素，它对环境的影响很大。
普通数控车床不是全封闭的（如图1），在加工零件时，切削过程中由于切削温度高，使切削液形成雾状挥发，污染环境。有公司进行了专门的综合调查，对象是经常与一种类型切削液（矿物油.乳油液或合成切削液）接触的金属切削机床操作工、不直接接触切削液的装配工人、从来未在机床工作过的三类受到切削液悬浮颗粒作用的工人，结果表明：大部分都患有呼吸系统的疾病，如一般性鼻炎.咳嗽，呼吸困难、慢性支气管炎等，机床操作工人患这类疾病的人数比装配工人多。而且矿物油常会引起气喘、鼻炎和咳嗽，而合成切削液常引起慢性支气管炎。因此，美国国家劳动安全和保健机构（NIOSH）制定了更加严格的环卫标准.要求空气中有害物质的容许含量由原来的5mg/m3降低为0.5mg/m3。且空气中的有害物质容许的颗粒直径（PM）由原来的10μm下降到2.5μm。美国、欧洲等一些国家采取了旨在既确保操作人员健康又使机床使用安全的专门立法就有250条之多。
在我们的教学实训中，经常使用到切削液进行加工，如何减小对环境的污染，减小对老师和学生呼吸系统的伤害是摆在我们面前的一个难题。
2.方案设计
2.1 射流技术
喷射器是一种没有运动部件、对工作介质无严格要求的小型流体机械，大量的应用于动力、造纸、纺织、制冷、抽真空等多种工作场合。图2给出了喷射器的结构，它利用较高压力的工作流体在喷嘴部分把压力能转
换为动能，其出口处形成高速射流，同时在吸入室形成低压区，抽吸被引射流体，工作流体与引射流体在混合室内经过质量、能量的交换后形成单一均匀的混合流体，混合流体在扩散管中进行动能向压力能的转化，达到一定的背压后被排出。（如图2所示）
射流的能量密集程度高，速度衰减较慢，利用空气射流产生较强的负压效应高效的抽吸雾状切削液，然后利用射流的动能将其排出。由于空气在缩放喷嘴中加速形成超音速射流，压力能转化为速度能，从而在喷嘴出口形成低压区，将雾状切削液抽入并使得切削液在“气动喉部”处达到音速，所以抽吸效率的高低与空气在喷嘴出口处与油烟在吸入口处之间压差密切相关，除此之外，因为从喷嘴流出的空气射流产生很强的剪切力，雾状切削液在这个剪切力的带动下向前运动，因而两股流体的接触面积也会对抽吸效率造成较大影响。
数控实训车间配备有气站，供生产实习的数控车床、数控加工中心等使用，我们可以充分利用压缩空气作为我们收集装置的动力来源，不需要额外的在机床上进行电源的改造，减少成本和提高安全性。
喷射器的理论、最佳几何尺寸关系以及各种工况下喷射器的特性曲线方程式已经很完善，我们可以结合机床的尺寸和雾状切削液的特性设计出合理的喷射器的几何尺寸。
我们可以设计一个两级（多级）喷射装置，在混合室或喉管处再增加一个吸入室，利用宏诱导作用，让抽吸效率提高，同时达到降低能耗的目的。（如图3所示）。
2.2 收集装置实现的基本功能
我们可以在机床防护门上方安装顶吸式雾状切削液的收集装置，利用压缩空气产生一个负压区，在压力差的作用，雾状切削液携带大量的空气被不断吸入，在射口气流的作用下水雾状切削液沿着壁流动，最后经过流入废屑槽，经过滤后重新进入流动循环。
从工作原理可以看出。雾状切削液收集装置可以近似的认为是点汇式抽吸（如图4所示），点汇式抽吸的规律是距汇点不同距离的各等速球面上流量相等，随着离开汇点距离的增大，流速呈二次方衰减，所以吸雾状气流的能量衰减很快导致实际能够影响的吸风区域很小。一般而言，抽吸的有效半径只有400mm左右。由于防护门上方据卡盘中心轴线高度在450mm～500mm左右，雾状切削液的回收率在70%～85%之间。
为了提高抽吸效率，可以通过改变收集装置的结构形状和安装方式（如图所示），将进气口设置在侧面，拉近了汇点与雾状切削液源的距离，增强抽吸的效果。（如图5所示）
目前的研究资料表明，若将切削液中的碎屑等杂质从40μm降低到10μm以下，刀具的使用寿命可延长1～3倍，另外，由于切削加工的需要不可避免地使用了含亚硝酸盐、铬酸盐等有害物质的切削液，那么在制造系统中就应设置相应的废液处理、净化和相应精密的过滤。我们可以在收集装置的引流管附近增加过滤装置，以达到延长刀具寿命的目的。
2.3 与机床的连接
为了让雾状切削液收集设备与机床联动，可以设计成手动开启收集装置或者机床程序自动运行时就能自行开启。我们可以将相关的控制信号点连接至数控机床的PLC上，就像控制数控机床的外部设备一样来进行切削液收集装置的使用。
以FANUC 0I TD 系统机床为例，如果通过手动操作，设计中以X7.0为手动开启收集装置的信号点，按一下按键，收集装置开启，再按一下按键，收集装置自动关闭。Y2.0信号点为装置开启指示。
如果要自动开启，可将上梯形图中R7.4信号串联在切削液开启信号或自动运行开始信号上，就能实现收集装置的自动开启，若要关闭，则可以关联数控机床的介绍信号，如M09切削液关闭指令，M2、M30程序结束指令。
2.4 噪声的控制
噪音是评价收集装置性能的一个重要参数，GB/T17713-1997规定小于74 dB（A）。在收集装置上利用射流技术后，就产生一个很大的噪声源，除了在装置上安装隔音材料，设置消音器等常规技术手段外，还可以为进一步降低噪声还应考虑叶轮流道内气流的流动状况，如增加紊流化装置、导流叶片等，实施全方位的降噪和机床的防振处理。
3.总结与展望
喷射器技术在工业领域广泛应用，是比较成熟的技术，所以将其应用雾状液体收集器上技术可行，借鉴于这些成熟的工业应用技术开发适用于机床的水雾状，油雾状切削液收集设备并不困难。
通过对简易收集装置的设计，我们能够在很大程度上减轻对车间环境的污染、减轻对老师和学生呼吸系统的伤害，达到绿色生产，安全生产的目的。
此外，我们还可以加强对收集设备工作时产生的流场及动力特性的研究，注重收集设备与机床的一体化设计，在进行收集设备的优化设计时如果能够把机床切削运动对空气流动的影响因素者虑进去，进行综合性技术改造，在两者之间形成一种互补关系。
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