По мере роста требований к прямым характеристикам обработки металла и к сопутствующим функциональным свойствам любая потеря целостности рецептуры сказывается на результате. Если бы использовалась разовая схема применения, загрязнение, вносимое самой операцией, не создавало бы серьезных проблем. Даже в разовой схеме результат мог бы ухудшиться из-за качества воды для разбавления концентрата и из-за выбранных способов хранения и подачи, но в целом такая СОЖ сохраняла бы весь необходимый пакет активных веществ и присадок.
В реальной практике разовое применение допустимо лишь в отдельных процессах. Как правило, СОЖ используют многократно в течение месяцев и даже лет. Рециркуляция означает, что отработанную жидкость собирают в емкость и вновь подают в зону контакта инструмент-заготовка. Простая связка бак плюс насос уже образует систему рециркуляции. Повторное использование особенно важно из-за ужесточения нормативов по сбросу сточных вод на предприятиях, где применяют СОЖ. Лимиты стали строже, поэтому требуется увеличивать срок службы СОЖ до утилизации.
При рециркуляции на жидкость начинают воздействовать многочисленные загрязнители. СОЖ контактирует со стружкой и мелкодисперсными частицами, улавливает аэрозоль и пыль при каскадном сливе с деталей и станка, загрязняется протечками узлов, остатками предыдущих операций на детали, водой, следами от персонала и обслуживающего персонала. Список может быть очень длинным.
Чтобы вернуть СОЖ в рабочее состояние после такого воздействия, влияние загрязнителей нужно минимизировать. Частично это достигается химическим путем добавление свежего концентрата или функциональных присадок. Однако на ряд загрязнителей добавки почти не действуют. К ним относятся металлическая стружка и шлам, мелкие твердые частицы, а также свободное постороннее масло.
Всегда, когда возможно загрязнители нужно удалять из жидкости и из системы. Обычно для этого применяют методы разделения и фильтрации. Критично поддерживать чистоту СОЖ.
Прежде чем выбрать схему очистки, необходимо обсудить множество аспектов. Нельзя ограничиться общей формулировкой «удалить стружку». Нужны проектные критерии и ответы на ключевые вопросы. К критериям относятся обрабатываемый материал, тип станочных операций, форма образующейся стружки, объем снимаемого металла, производительность, мощность станков, тип СОЖ, требуемый расход жидкости, планировка цеха. По мере проектирования рассматривают типовой набор узлов и получают первичные ответы. Как правило, это возвратные лотки или верхняя обратная магистраль, стружечные конвейеры, фильтры, насосы линии подачи, узлы приготовления и долива, электрические и пневматические системы управления, а также агрегаты термостабилизации. Ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос обычно не применяются в цеховых контурах СОЖ. Эти мембранные процессы используют для подготовки входной воды и при очистке отходов СОЖ. Если применять их непосредственно на рециркулирующей СОЖ, мембраны будут выборочно удалять компоненты рецептуры и вредить эксплуатационным свойствам.
Частицы и чистота жидкости
Прежде чем обсуждать характеристики частиц, важно ответить на вопросы: насколько свободной от твердой фазы должна быть СОЖ и какой уровень чистоты считать достаточным. На практике дают разные ответы и выбирают разные подходы. Всегда следует ожидать остаточную равновесную концентрацию металлической стружки малой фракции в жидкости. Абсолютной фильтрации, при которой удаляются все частицы, в отрасли не существует. Следовательно, задача сводится к минимизации равновесного уровня загрязнения с помощью одного или нескольких устройств разделения и фильтрации. Рассматривая только привычные методы разделения и фильтрации, полезно понять, каким будет равновесный уровень металлосодержащих частиц в СОЖ.
Равновесный уровень возникает потому, что фильтр не удаляет 100% снимаемого в процессе металла при каждом проходе жидкости. Некоторое количество частиц остается в контуре и накапливается, пока система не достигнет своего равновесного состояния. Для каждого процесса и каждой схемы фильтрации этот уровень будет своим. Он зависит от применяемой СОЖ, качества обслуживания жидкости и станков, от типа фильтра и многих внешних факторов. Чтобы определить разумный и необходимый уровень, проводят испытания на действующей системе и сопоставляют результаты. По итогам определяют целевые уровни твердых частиц, которые следует поддерживать.
Важно оперировать двумя числами равновесного состояния. Первое это количество металлических загрязнений, допустимое в обращении. Выражают его в мг/л или ppm. Это лишь масса загрязнения, и цифра на первый взгляд может казаться небольшой. Например, 10 мг/л выглядят незначительно, но в центральной системе на 38000 л это уже около 0,38 кг циркулирующих металлических частиц. В контуре на 380000 л это уже примерно 3,8 кг. Увеличение ppm ведет к кратному росту массы рециркулирующих частиц.
Второе число это характеристика качества частиц, то есть их размер, достигающий зоны инструмент-заготовка. Отмечалось, что диапазон 3-8 мкм может оказывать большее влияние, чем предполагалось ранее. Понимать размер непросто, поскольку существует несколько методик измерения и описания частиц. Часто размер условно трактуют как эквивалентный сферический диаметр, хотя реальные частицы далеки от сферической формы. Стружка и шлам встречаются в виде пластинчатых фрагментов, цилиндриков, частей сломанной спирали и т. п. Тем не менее для инженерной коммуникации удобно использовать один линейный параметр в мкм. Согласование допустимого уровня чистоты это одно из первых требований при проектировании. Следует задавать два целевых показателя количество рециркулируемой грязи на равновесии и средний характерный размер частиц.
Равновесные частицы в потоке это лишь остаток того, что образует сам процесс снятия металла. Спектр частиц включает большой разброс форм, размеров вплоть до десятков сантиметров и объемов. Конкретные формы и размеры зависят от металла и от применяемого инструмента. Для стали при точении и фрезеровании стружка может быть длинной и лентообразной или мелкой и спиральной. При шлифовании стали важно различать операцию до термообработки и после. До термообработки типична стружка вида рыболовных крючков, которая сцепляется в подобие металлической мочалки. После термообработки, на закаленных деталях подшипниковые кольца, пальцы и т. п., стружка гораздо мельче. Алюминий дает широкий набор форм. У чугуна стружка обычно плоская и образует более плотные скопления. В обычных операциях возникает смесь крупной и мелкой стружки. В ряде процессов, например хонингование, чистовое шлифование, притирка средний размер частиц малый, и требования к фильтрации другие. При разных сплавах, станках, режимах и оснастке конфигурацию стружки следует анализировать пристально, чтобы подобрать оптимальную схему фильтрации под желаемый эффект.
Новые поколения станков спроектированы с меньшими расходами СОЖ. Это снижает оборотный объем жидкости и дает возможность возвращать в зону резания более чистую СОЖ благодаря улучшенной фильтрации. Широко применяются ячейки из нескольких станков, где на каждую машину ставят свой фильтрующий и или разделительный узел. Суммарно это уменьшает расход СОЖ за счет более целенаправленной подачи и сокращения промывочных потоков.
Системы грубого отделения стружки
Перед тонкой фильтрацией обычно применяют объемные решения для отделения крупной стружки и шлама. Это шлюзовые и барабанные устройства, решетки, гидроциклоны и специальные стружечные сепараторы, которые снижают нагрузку на фильтры.
Рециркуляционные системы и утилизация загрязнителей
Узлы разделения
· Отстойные емкости снижение скорости потока, осаждение тяжелых частиц, раздельный сбор слоя свободного масла.
· Сепараторы пены снижают содержание пены и улучшают работу последующих фильтров.
· Центробежные сепараторы ускоренное отделение частиц по плотности, эффективны для мелкого шлама.
· Магнитные сепараторы удаление ферромагнитных частиц, полезны при обработке сталей и чугуна.
Узлы фильтрации
- Расходные материалы сменные фильтроэлементы нетканые полотна, картриджи. Преимущество предсказуемая тонкость фильтрации, недостаток расход на замену.
- Постоянные материалы барабанные, дисковые, металлические сетки, самоочищающиеся системы. Преимущество низкая стоимость владения при больших потоках, недостаток требования к обслуживанию и к качеству предварительного отделения.
Вспомогательные подсистемы
- Удаление постороннего масла скиммеры дисковые, ременные, трубчатые, коалесцеры. Снижают рост биопленки и улучшают смазывающие свойства.
- Установки приготовления и долива СОЖ: пропорциональные дозаторы, вентури-смесители, резервуары для приготовления и контроля. Обеспечивают стабильность концентрации.
- Термостабилизация теплообменные контуры для поддержания заданной температуры, что снижает вспенивание и дрейф вязкости.
- Сигнализация и автоматизация датчики уровня, температуры, давления и расхода, pH и концентрации, аварийные и сервисные оповещения.
Новые разработки
Тенденции включают локальные модульные фильтры на каждую машину, интеграцию мониторинга состояния по качественным показателям жидкости, коалесцентные и мембранные блоки на этапе подготовки входной воды и на участке очистки отходов, а также интеллектуальные алгоритмы управления доливом и удалением загрязнителей. Мембранные методы в основном оставляют за собой подготовку воды и посточистку, чтобы не вынимать из рабочей СОЖ целевые компоненты рецептуры.
Долговременная работа смазочно-охлаждающей жидкости в замкнутых контурах возможна только при системном подходе к удалению загрязнителей. Ключ к стабильности – это правильно выбранная комбинация узлов разделения и фильтрации, ориентированная на конкретный материал, операции, форму стружки, целевые уровни чистоты и на планировку производства. Важно договориться о целевых числах равновесного состояния по массе и по характерному размеру частиц, поддерживать их эксплуатационными мерами и корректировать схему по результатам контроля. С подбором СОЖ и разработкой регламентов очистки вам помогут специалисты компании «Likkor».