譚德寧 付振魯 梁斌順

(山東普利森集團(tuán)有限公司，山東德州 253003)

在金屬切削加工過(guò)程中，如果采用冷卻液對(duì)刀具和工件進(jìn)行冷卻，能起到潤(rùn)滑、排屑、冷卻和減磨的作用，是機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)和穩(wěn)定加工精度的保證。對(duì)于有些機(jī)床如深孔加工機(jī)床，冷卻液是至關(guān)重要的，沒(méi)有它就不能正常工作。目前，一些機(jī)床生產(chǎn)廠家采用壓縮機(jī)強(qiáng)制制冷，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，但是價(jià)格高、耗電大和污染環(huán)境。本文介紹一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用且無(wú)污染的油液冷卻自動(dòng)控制裝置，被冷卻液可以是油或乳化液。下面以油為例進(jìn)行說(shuō)明。

1 制冷原理和方法

在有些機(jī)床工作中，加工工件需要用冷卻液制冷才能正常工作，如深孔鉆床、磨齒機(jī)、滾齒機(jī)等。冷卻箱溫度的控制通常是靠溫度繼電器作檢測(cè)，溫度到達(dá)一定限度，電信號(hào)發(fā)訊給控制系統(tǒng)，然后再由I/O接口通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)出制冷信號(hào)，見(jiàn)圖1。這種溫度繼電器是熱電阻式溫度計(jì)，是利用金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度，電阻體是由鉑絲或銅絲制成的。如ZK2102深孔鉆床對(duì)冷卻液有如下要求:當(dāng)切削冷卻液的油溫升高到一定程度(此機(jī)床調(diào)節(jié)到50℃)時(shí)，中央按鈕站上的油溫指示燈即亮，自動(dòng)接通與冷卻油箱連接的冷卻水管，對(duì)切削冷卻液進(jìn)行冷卻。經(jīng)過(guò)多年的觀察與思考，筆者設(shè)計(jì)了上述圖1所示的簡(jiǎn)單、節(jié)能、低成本的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由變量柱塞泵組3供油，經(jīng)過(guò)溢流閥6調(diào)壓進(jìn)行深孔鉆削冷卻，然后經(jīng)過(guò)排屑斗流回冷卻液箱。冷卻液箱上面由紙質(zhì)濾油器8過(guò)濾。其中水冷冷卻器9是關(guān)鍵的熱交換器，對(duì)油液進(jìn)行降溫。

在對(duì)冷卻液進(jìn)行冷卻時(shí)，需合理經(jīng)濟(jì)地實(shí)行最佳控制，使冷卻液的溫度控制在50℃左右。該冷卻箱分為兩個(gè)油箱，油液從機(jī)床上回來(lái)通過(guò)紙質(zhì)濾油器8先流經(jīng)右油箱，再通過(guò)泵組11將油輸入水冷冷卻器9進(jìn)行熱交換后流入左油箱，實(shí)現(xiàn)油液溫度調(diào)節(jié)。

控制方法如圖2所示，把冷卻液箱分成兩個(gè)油箱——左油箱、右油箱，關(guān)鍵的部件是冷卻器6和溫控閥7。在兩個(gè)冷卻箱連接的管路上安裝一個(gè)溫控閥7——隨溫度變化而長(zhǎng)短變化，溫控器由一個(gè)有彈性的折迭式的密閉膨脹圓筒和兩個(gè)閥門(mén)所組成。用黃銅制成的膨脹圓筒內(nèi)裝有易于揮發(fā)的乙醚水溶液。膨脹圓筒內(nèi)液體的蒸氣壓力隨著周?chē)鷾囟榷兓?，故圓筒高度外圍液體溫度升高時(shí)，筒內(nèi)液體氣化，體積增大，使圓筒膨脹而向上伸長(zhǎng)，于是上管道逐漸開(kāi)大，側(cè)管道則逐漸關(guān)小。反之，膨脹圓筒外圍液體溫度降低時(shí)，筒的高度減小，使上管道逐漸關(guān)小，側(cè)管道逐漸開(kāi)大。

在溫控閥各閥門(mén)的不同開(kāi)度下，使冷卻液的循環(huán)通路有如下3種情況:

(1)當(dāng)冷卻箱在正常熱狀態(tài)下工作(冷卻液溫度低于40℃)，膨脹圓筒內(nèi)的蒸氣壓力很低，使膨脹圓筒收縮到最小高度，上管道關(guān)閉，側(cè)管道則完全開(kāi)啟，此時(shí)冷卻液不需制冷。

(2)當(dāng)冷卻液溫度高于50℃左右時(shí)，冷卻液全部流經(jīng)冷卻散熱器，此時(shí)溫控閥的上管道完全開(kāi)啟，而側(cè)管道完全關(guān)閉，形成大循環(huán)制冷。

(3)當(dāng)冷卻液在40～50℃范圍時(shí)，這兩個(gè)管道均處于與溫度相適應(yīng)的半開(kāi)位置，此時(shí)只有部分冷卻液流經(jīng)散熱器進(jìn)行制冷。

熱傳遞的3種方式為對(duì)流、傳導(dǎo)、熱輻射。要想使冷卻液盡快冷卻下來(lái)，這里采用了“對(duì)流”制冷的方法。水冷冷卻器6是一組帶散熱片的銅管，兩段與散熱器前后蓋內(nèi)的制冷液相通，工作時(shí)制冷液(水)在管子內(nèi)流動(dòng)，而冷卻油則在管子外受隔片限制而成曲路流動(dòng)。高溫油液的熱量通過(guò)制冷管上的散熱片傳遞給制冷液(水)而被帶走，達(dá)到了冷卻的目的。

2 水和油散熱量對(duì)比

由熱學(xué)可知:

式中:Q為散熱量;C為比熱;m為質(zhì)量;Δt為溫度差。由此可知，采用“對(duì)流”散熱的方法，合理選用水冷冷卻器6的散熱面積能使制冷液與冷卻液出口的溫度基本相同(Δt≤5 ℃)。

表1 幾種物質(zhì)的比熱

由表1中可知，選用液態(tài)氫作為制冷液是最理想但卻是不現(xiàn)實(shí)的，選用水作為制冷液才是最經(jīng)濟(jì)的，吸熱能力幾乎是油的2倍。從實(shí)際出發(fā)選用水作為制冷液，注意在選用散熱器時(shí)要有足夠的散熱面積。當(dāng)水的質(zhì)量與油的質(zhì)量m相同、溫度變化Δt也相同時(shí)，Q水=2Q油，說(shuō)明水的吸熱能力比油強(qiáng)2倍。在深孔鉆床ZK2102上原先使用油作制冷液，所需冷卻油的體積為實(shí)際流量的10倍，現(xiàn)在，使用水作制冷液，所需冷卻油的體積為實(shí)際流量的5倍即可，減少了冷卻油的用量，成本降低。

采用風(fēng)機(jī)吹掃冷卻器6的目的是使冷卻液向周?chē)h(huán)境散熱的速度加快，阻滯冷卻液溫度的上升，有一定的作用。周?chē)h(huán)境溫度高時(shí)可以安裝風(fēng)機(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件溫控閥和水冷冷卻器的介紹，提出了一種自動(dòng)控制油溫的冷卻裝置，再通過(guò)散熱量公式比較，得出水是一種經(jīng)濟(jì)的制冷液，用過(guò)的水可以重新作為自來(lái)水使用，無(wú)浪費(fèi)。該種冷卻制冷裝置比采用壓縮機(jī)強(qiáng)制制冷省電、價(jià)格也便宜，是一種無(wú)污染的冷卻方法，值得在有些企業(yè)中推廣使用。

［1］陳心昭.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.