盲孔加工切屑的自動清理裝置設計*

王　玲，劉殿江，趙　娟

(1.青島港灣職業技術學院 輪機工程系，山東 青島　266404；2.青島越洋工程咨詢有限公司，山東 青島　266071；3.青島理工大學 機械工程學院，山東 青島　266033)

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盲孔加工切屑的自動清理裝置設計*

王玲1，劉殿江2，趙娟3

(1.青島港灣職業技術學院 輪機工程系，山東 青島266404；2.青島越洋工程咨詢有限公司，山東 青島266071；3.青島理工大學 機械工程學院，山東 青島266033)

為保證大型構件上臺階盲孔的精度，復雜的加工工藝下經常需要多次停車以進行人工除屑，大批量加工此類盲孔時不僅費工費時，頻繁停機會影響設備的使用，除屑時還因不安全因素而造成人身傷害等事故。結合盲孔的加工工藝分析了切屑的特征，針對不同形狀的切屑討論了孔加工時的自動除屑方案，依照方案制作了自動除屑的工具，試驗了自動除屑效果，基本實現了切屑的自動、安全清理，同時將單個盲孔的加工時間由原來的3～5min縮短為約2min。

盲孔加工；切屑特征；自動清理裝置

0　引言

構件的組成往往是較為復雜的，大型構件之間的相互連接更是如此，有時要在構件上加工深的臺階盲孔(如車輛轉向架構架上的空氣彈簧孔)以便于與其它部件相連。為保證此類盲孔的加工精度，往往要經過多道工序才能完工。在孔加工過程中，每次加工產生的切屑都會對后序的加工精度產生一定影響。為此，工人會在每次加工后，停機用磁棒和鐵鉤進行人工除屑，這不僅會降低孔的加工效率，還會因每次清理切屑都要穿梭于構件和工作臺之間，地面上的切屑、油污和切屑液等可能會給除屑人員帶來一定的安全隱患。據調研，95%以上的孔加工師傅對此都感到頭疼。

從文獻來看，研究孔加工理論者[1-3]較多。而在盲孔除屑[4-10]的研究中，有些會使加工設備本身的系統復雜化，有些并不適合批量加工大型件內盲孔的自動清理，伴隨機加工過程的自動程序化除屑尚未見報道。本文結合盲孔加工工藝要求，觀察分析切屑的形狀、特征，設計切屑的自動化清理方案，制作試驗用的除屑工具，分析、試驗除屑效果，實現切屑的自動、安全清理。

1　切屑的特征

圖1所示的是一個上孔徑小、下孔徑大的待加工臺階盲孔。為保證孔的精度，需將上孔徑加工到60mm(孔深97mm)。根據其三次粗鏜和一次精鏜加工的工藝要求，加工過程中每次粗加工之后都會有切屑殘留在孔內，影響下次的加工，而且每次粗加工都因進給量不同而形成不同形狀和不同重量的切屑。

依照孔的加工工藝，在實驗室內進行加工試驗，發現粗、精加工的切屑分別以粒狀C形切屑和帶狀長卷切屑為主。其中第一次粗加工后產生大量的C形切屑，切屑直徑約8mm，切屑總量約154g；第二次粗加工后粒狀切屑的比例明顯降低，絕大部分切屑為帶狀長卷屑，但帶狀屑長度均小于50mm，卷屑的直徑約5mm，切屑總量達125g；第三次粗加工的切屑主要是以纏繞的帶狀長卷屑為主，卷屑的直徑約3mm，切屑總量達81g。最后精加工時其切屑為少量帶狀纏繞的細長屑，切屑總量達32g。四次加工后的切屑形狀見圖2所示。

圖1　待加工臺階盲孔示意圖

(a)第一、二次粗加工后的切屑

(b)第三次粗加工和最后精加工后的切屑

2　自動除屑方案

針對每次加工后沉積到孔底的切屑，擬采取在不停機的情況下清理，不同形狀的切屑用不同的除屑工具，并將工具作為刀具安裝在標準刀柄上，預先配置在刀具庫中。加工時根據加工順序，在需要除屑時，通過加工中心的換刀指令進行自動取屑、退屑操作即可。

2.1帶狀長卷切屑的除屑方案

對于較長的切屑，考慮用夾取法或纏繞卷取法，擬采用夾具或卷鉗作為除屑工具。

首先：根據切屑本身重量及相互間的作用力，設計清理帶狀長卷屑的夾具及卷鉗的結構，通過計算、校核各部件強度及剛度，確定各部件的尺寸。

其次：制作試驗用的夾具及卷鉗。然后在實驗室內進行粗、精鏜孔加工，并觀察用夾具及卷鉗的除屑效果。試驗過程中逐步優化參數和調整工具的結構，改善除屑效果。

最后，確定清理長卷屑的除屑工具。

2.2粒狀C形切屑的除屑方案

根據磁棒對鐵屑的吸附作用原理，對于粒狀C形切屑的清理工具，擬采用永久磁鐵或電磁工具。電磁除屑工具用直流電，根據電磁力大小與氣隙大小之間的關系進行計算和設計。永久磁鐵除屑工具根據磁場強度和強磁體磁力線的分布情況模擬分析吸附鐵屑的能力。

對比永久磁鐵和電磁工具的除屑效果，確定適合C形粒狀屑的除屑工具。

3　試驗驗證與分析

3.1帶狀長卷屑除屑工具的設計與除屑分析

(1)夾具的結構設計及除屑試驗分析

夾具設計成可旋轉的結構，如圖3所示：主要結構：刀柄、外夾、復位彈簧和內夾。在外夾上設有一個轉動槽，內夾上部的橫桿沿轉動槽向上運動時會帶動內夾相對于外夾轉動，從而實現取屑動作。當需要清理鐵屑時，利用加工中心的換刀指令將夾具換裝到主軸上，主軸移到盲孔上方后向下移動，內夾上的橫桿被盲孔上表面阻擋，從而在外夾的轉動槽中向上運動，鐵屑被纏繞并夾住。由于在轉槽的上部還設有一個定位槽，這樣就保持了內夾與外夾的夾取狀態。待主軸帶著夾具及夾取的鐵屑移出盲孔后，在指定的放屑位置處設置擋塊，可使內夾上的橫桿脫離定位槽。然后橫桿在復位彈簧的作用下沿轉動槽向下運動，被夾取出來的切屑便掉落在此。本次除屑動作完后，再由換刀指令將夾具換回刀具庫，繼續完成后面的加工程序。

圖3　夾具

用此夾具除屑時，其鐵屑可能會通過轉槽進入內夾或卡在轉槽中，致使夾屑動作無法繼續完成，除屑效果會不理想。

(2)卷鉗的設計與除屑試驗分析

卷鉗取屑按照螺旋正轉的反向拉力作用進行設計，主要結構包括兩部分：取切屑用的螺旋彈簧部分和退切屑用的退屑座，如圖4所示：退屑座固定在機床上，螺旋彈簧部分可以固定到刀桿上作為一個刀具。螺旋彈簧材料選用B組碳素彈簧鋼絲，除屑過程分析如下：

(a)卷鉗

(b)退屑座

需要清理帶狀長卷屑時，通過加工中心的換刀指令將卷鉗換裝到主軸上。主軸帶動卷鉗移動到盲孔的上方后正轉，同時Z軸負方向進給。調整好轉速和運動速度，使螺旋彈簧的尖端緩慢下移，進入盲孔。待其接觸鐵屑后繼續下移，將鐵屑卷繞到螺旋彈簧上。主軸下降一定距離后停轉，Z軸正向進給，將揉成了團狀的帶狀長螺卷切屑鉤出。然后主軸水平移動，向退屑座靠近。待螺旋彈簧靠上退屑座后，再調用攻絲程序，使主軸反轉，Z軸負向進給，將鐵屑留在退屑座上，完成一次自動除屑過程。

除屑時，因螺旋卷鉗除屑工具的彈簧材料強度高，取屑、放屑動作較簡單，卷鉗的結構也簡單，其除屑效果會比較理想。

(3)帶狀長卷屑的除屑試驗及方案確定

綜合上述兩種工具的結構和除屑效果分析，帶狀長卷屑的除屑工具宜采用螺旋卷鉗。

3.2粒狀C形切屑除屑工具的設計與除屑分析

(1)電磁除屑工具的設計及除屑分析

電磁除屑機構設計如圖5所示：此工具主要由刀柄、固定機構、定位銷、發電機和電磁鐵組成。同樣，按照自動除屑要求，當需要清理鐵屑時，通過加工中心的換刀指令將其換裝到主軸上，定位銷與加工中心上的定位孔配合，使固定機構可以與刀柄產生相對轉動。發電機的輸入軸與刀柄連接，主體通過連接法蘭與固定機構連接，當加工中心的主軸以一定速度帶動刀柄旋轉時，發電機可以產生電流使電磁鐵工作，產生一定的磁吸引力。同時，通過主軸移動將此工具伸進需要清理鐵屑的盲孔內吸附鐵屑。電磁鐵吸附C形粒狀鐵屑后，主軸移動將此工具移出除屑孔，到達指定放屑位置后，主軸停轉，電磁鐵消磁，吸附的鐵屑掉落在此，完成本次除屑動作，然后換刀繼續后續加工過程。

圖5　電磁除屑工具結構圖

電磁除屑工具結構較復雜，除屑過程中因主軸旋轉，穩定性較差。為確保安全，裝置中發電機的電壓需在36V以下，由于受盲孔所限，電磁鐵不能太大。但電磁鐵在36伏電壓下產生的磁力很小，將無法完成除屑工作。

(2)永久磁鐵除屑工具的設計及除屑分析

永久磁鐵除屑工具利用了較強的鐵磁吸附作用吸附切屑和離心式解鎖以退磁去屑的原理，其結構圖如圖6所示。

圖6　永久磁鐵除屑工具結構設計圖

永久磁鐵除屑工具的結構主要有離心法蘭、上下鉤鎖、退屑套筒等。用此工具清理粒狀C形切屑的過程分析如下：通過加工中心的換刀指令將其換裝到主軸上。主軸移動將其定位到需要除屑盲孔的上方，然后Z軸負方向進給，當退屑套筒的封頭(軟磁鐵)碰到鐵屑后繼續運動，使上下鉤鎖鉤在一起(需要經過多次試驗來確定此距離，以便在程序中設定好距離以確保每次下降時上下鉤鎖均能鉤掛在一起)。Z軸正向進給，移出除屑孔。待主軸水平移動到指定的放屑位置后正轉，設置好轉速使上鉤鎖在離心力的作用下與下鉤鎖脫開，同時退屑套筒在拉伸彈簧的作用下回彈，即可完成自動退屑的過程。

永久磁鐵采用強磁性能的釹鐵硼合金[11]，其磁力強能吸附的鐵屑量較大，經校核永久磁鐵除屑工具的強度滿足要求[12]。此工具在結構上無任何電器元件，工作較穩定，其除屑安全系數高，除屑效果會較好。

(3)粒狀C形切屑的除屑方案確定

通過對比分析，選擇粒狀C形切屑的清理工具為永久磁鐵除屑工具。

3.3制做自動除屑工具與除屑試驗

按照上述設計方案，制作清理帶狀長卷屑的工具卷鉗和清理粒狀C形屑的永久磁鐵除屑工具，分別見圖7、圖8所示。

(a)卷鉗工具

(b)退屑座

為減輕除屑工具的整體重量，永久磁鐵除屑工具的大部分零件選用鋁合金材料制作。為保證裝置的整體強度和離心塊的離心力，離心塊和中心軸均用45號鋼制作。

(a)離心解鎖部件

(b)永久磁鐵除屑部件

在實驗室內進行了多次的除屑試驗，試驗過程中取屑、放屑過程順暢。其中，用卷鉗工具清理長卷屑時，一次基本上即可將長卷屑取出并順利放到指定的放屑位置。使用永久磁鐵除屑工具清理粒狀切屑時，最多需要3次即可將碎屑基本清理干凈。圖9顯示了第一次清理長卷屑和第3次清理粒狀C形屑的結果，試驗驗證了兩種除屑工具均達到了預期的除屑效果。實現了程序自動化除屑的要求，并提高了孔的加工效率，單個盲孔的加工時間由原來的3～5min縮減到約2min。

(a)帶狀長卷切屑第一次除屑

(b)粒狀C形切屑第三次除屑

4　結論

結合批量加工大型構件上的盲孔加工工藝，分析、設計、實現了盲孔加工切屑的自動清理。試驗驗證了切屑的自動清理效果，基本達到了清理要求，實現了切屑的自動、安全清理，避免了人工除屑事故的發生。實現自動除屑后，單個盲孔的加工時間約減少了一倍，提高了盲孔的加工效率，也為其它盲孔的批量加工提供參考。

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(編輯李秀敏)

Device Design on Chips Auto-Cleaned from Machining Blind Hole

WANG Ling1，LIU Dian-jiang2，ZHAO Juan3

(1.Department of Marine Engineering,Qingdao Harbor Vocational & Technical College,Qingdao Shandong 266404,China;2.Qingdao Yueyang Engineering Consultant Co., Ltd.,Qingdao Shandong 266071,China)

Machining technology of blind hole in large structural component is complicated in order to ensure the precise degree in processing. Since the chips produced in each step would affect the machining precision in the following steps,it usually needs to stop machining and clear up chips manually.When mass-producing, which is potentially dangerous to personal safety,time-consuming as well as affecting the machine with stop-and-go driving.This paper,analyzes the characteristics of chips in blind hole processing according to the machining technology,puts forward automatic cleaning ways and makes instruments.After experiments,it is proved that the automatic chips cleaning is safe and effective,and the time of processing a blind hole is from 3 to 5 minutes to about 2 minutes.

machining blind hole;characteristics of chips;auto-taking and auto-putting device

1001-2265(2016)07-0135-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.038

2015-09-06；

2015-10-08

青島港灣職業技術學院科技計劃項目(QDGW2014Z06)

王玲(1973—)，女，河南南陽人，青島港灣職業技術學院副教授，碩士，研究方向為輪機工程設備與制造，(E-mail)181127795@qq.com。

TH122;TG65

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