一種針對非金屬材料車削長屑切斷裝置的研究與設(shè)計(jì)

柳建鋒， 王靜

（寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721013）

0 引言

對于非金屬材質(zhì)零件，大多數(shù)制作工藝以模具壓鑄成形為主，但對高精度非金屬材料如塑料、橡膠等所制零件，模具壓鑄精度已不能滿足零件使用要求，通常需要通過機(jī)械加工手段來達(dá)到所需尺寸精度。以車床加工橡膠密封圈為例，密封圈材質(zhì)多以各類橡膠為主，尤其在有高精度要求的密封圈制造過程中，關(guān)鍵配合尺寸精度均采用車削加工實(shí)現(xiàn)。隨著該類車削工藝的逐年發(fā)展應(yīng)用，采用橡膠或塑料材質(zhì)的密封圈在車削加工中極易產(chǎn)生長屑，如不及時(shí)清理，對已加工工件表面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的刮傷，該現(xiàn)象已成為密封圈車削加工中遇到的普遍問題。本文通過研究一種將橡膠或塑料車削所產(chǎn)生的長屑在加工過程中將其切斷的裝置，從而改善橡膠或塑料車削工藝的不足，發(fā)揮出這類車削工藝的最大優(yōu)勢。

1 加工工藝分析

提到橡膠密封圈車削工藝，大多會(huì)想到加工產(chǎn)生的長屑會(huì)纏繞刀具或工件，因多數(shù)這類非金屬材質(zhì)較軟，且具有一定韌性，車削易產(chǎn)生帶狀長屑，且不易斷掉，這種長屑如不及時(shí)從刀具周圍立即清除，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)很大的帶狀屑球，懸浮于已車削過的工件表面，導(dǎo)致已完成的工件表面刮傷，影響密封圈使用效果。為解決該問題，可以設(shè)想一下，這類非金屬材料普遍質(zhì)量較輕，若能有一個(gè)類似吸塵器的裝置，將其瞬間吸走即可解決問題，但是由于橡膠韌性強(qiáng)，若不停地吸入一根很長很長的屑，那么在管道內(nèi)部因空間方向多變，在管道彎曲部分，會(huì)急速產(chǎn)生團(tuán)狀屑，導(dǎo)致管路堵塞。這樣的方案還是有缺陷的。如果能在長屑進(jìn)入管道前將其處理為短屑，這樣就不會(huì)堵塞管道了。為此我們在長屑進(jìn)入管道前設(shè)想增加一個(gè)斷屑裝置，這樣就解決了長屑成團(tuán)堵塞管道問題。通過以上車削過程及長屑處理過程的分析，對該車削工藝所用設(shè)備提出了新要求，要求設(shè)備配置吸屑裝備、斷屑裝置，滿足密封圈車削工藝要求。

2 整機(jī)方案的提出

有了對非金屬材質(zhì)密封圈車削工藝過程的分析，對機(jī)床提出一些特殊配置要求：1）機(jī)床需增加一個(gè)吸屑裝置3，如圖1所示；2）在機(jī)床刀架附近需增加一個(gè)斷屑裝置4，如圖2所示。至少具備這兩個(gè)條件，方可滿足上述工藝對機(jī)床的要求。

圖1 機(jī)床整體布局圖

圖2 斷屑裝置在機(jī)內(nèi)的布局圖

針對這些要求，首先，對設(shè)備整機(jī)方案進(jìn)行構(gòu)想，如圖1所示，在機(jī)床側(cè)面放置一個(gè)吸屑裝置3，通過吸屑管2連接至主機(jī)1內(nèi)部的車削刀具附近，實(shí)現(xiàn)對車削產(chǎn)生長屑的及時(shí)處理，滿足將長屑瞬間吸走的要求。通過這樣一系列的處理過程，吸屑裝置3所吸入的非金屬廢屑定期在該處可進(jìn)行集中回收處理，減少廢屑對周圍環(huán)境的污染，提升機(jī)床品質(zhì)。

其次，對機(jī)床內(nèi)部布局進(jìn)行設(shè)想。如圖2所示，在車刀7的附近布置一個(gè)可以將長屑3切斷的斷屑裝置4，在長屑3被吸入斷屑裝置4過程中，將其處理為短屑。整個(gè)斷屑裝置4是和刀塔5固定在一起的，車削時(shí)跟隨車刀7一起移動(dòng)，斷屑裝置4的吸屑口始終處于與車刀7刀尖固定距離的位置，在車削過程中產(chǎn)生的長屑3會(huì)受到斷屑裝置4處吸屑口處強(qiáng)大的吸力，呈直線狀進(jìn)入吸屑口，為保證長屑不與車削后的工件表面接觸，需要將剛車削產(chǎn)生的長屑立即吸入斷屑裝置4，將長屑在第一時(shí)間被設(shè)置在斷屑裝置4內(nèi)部的機(jī)構(gòu)切斷成若干短屑被吸走，從而達(dá)到保護(hù)工件、防止管道堵塞的目的。

3 切斷裝置的研究與設(shè)計(jì)

機(jī)床內(nèi)外布局設(shè)計(jì)完成后，接下來對斷屑裝置具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。假設(shè)車削所產(chǎn)生的長屑是一根很長的線，要將這根線在單位時(shí)間內(nèi)均勻地分成所需要的若干個(gè)規(guī)定長度的短屑，這就首先保證長屑要被及時(shí)吸走，且長屑進(jìn)入斷屑裝置的速度不小于車削刀具的線速度，這樣才可依據(jù)車削刀具線速度來計(jì)算所需短屑的長度。否則長屑會(huì)堵在斷屑裝置入口處，無法實(shí)現(xiàn)斷屑的目的。在這里特別提示一下，首先要選擇一款吸力足夠大的吸屑裝置，關(guān)于吸屑柜的選型，相關(guān)制造商會(huì)根據(jù)實(shí)際工況推薦一款合適的產(chǎn)品。

下面介紹一下吸屑裝置選型中關(guān)鍵參數(shù)真空度及風(fēng)量估算方法供大家參考。

首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算所需真空度。在估算吸力的大小時(shí)，需著重考慮長屑端頭質(zhì)量、進(jìn)入管道的速度及機(jī)床內(nèi)部空間大小等因素。要將車削起初產(chǎn)生的屑頭快速吸進(jìn)斷屑裝置切斷刀斷面處，吸力至少大于這段屑頭的重力，加之又是從側(cè)面吸入，建議吸力大于2倍重力。真空度的單位一般為“kPa”,這類機(jī)床工況復(fù)雜，為簡便計(jì)算，直接用所吸屑頭所受重力的2倍作為吸力，用所吸屑頭的吸力直接作用截面作為吸力所受面積，利用壓強(qiáng)計(jì)算的基本公式P=F/S,可粗略估算出所需真空度參數(shù)，在選型時(shí)可再適當(dāng)乘以安全系數(shù)。

第二，估算一下風(fēng)量。風(fēng)量的估算需結(jié)合車削線速度，單位一般為“m3/h”,這個(gè)參數(shù)估算時(shí)可將屑頭的大小所在空間建立一個(gè)立方體，把這個(gè)立方體看作一個(gè)單位，車削線速度是每分鐘會(huì)產(chǎn)生若干個(gè)這樣的最小單位空間，所以風(fēng)量用這個(gè)最小單位乘以線速度即可估算出，為消除工況影響也可適當(dāng)乘以安全系數(shù)。

舉例：屑頭長度為100 mm,寬度為5 mm，厚度為0.2 mm，質(zhì)量約為10 g，估算真空度及風(fēng)量。真空度估算：m=0.01 kg，g=9.8 N/kg，則吸力F=2mg=2×0.01×9.8=0.196 N；選取長度×厚度形成的截?cái)嗝娣eS=0.1×0.0002=0.00002 m2；真空度P=F/S=0.196/0.00002=9.8 kPa。風(fēng)量估算：屑頭長邊為100 mm，所在單位立方體大小可用長度作為邊長計(jì)算，可算得單位立方體積N=0.001 m3,取車削線速度V=200 m/min，估算風(fēng)量Q=V×N×60=200×0.001×60=12 m3/h。根據(jù)這兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)估算值選擇合適的吸屑裝置即可。

接下來研究一下斷屑裝置的設(shè)計(jì)。要將一根長屑截?cái)喑扇舾尚《危话悴扇〉姆椒ㄊ羌魯啵瑢τ跀?shù)控機(jī)床而言，最容易實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作無非有兩種，即直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果采用剪刀原理的擺線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)成本過高，不經(jīng)濟(jì)，在這里推薦使用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，比較容易實(shí)現(xiàn)且結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間。如圖3所示，可采取兩個(gè)十字交叉旋轉(zhuǎn)刀片4結(jié)構(gòu)，一個(gè)固定，一個(gè)旋轉(zhuǎn)，依據(jù)剪切原理將長屑剪斷。旋轉(zhuǎn)刀片4每繞中心旋轉(zhuǎn)一圈，兩個(gè)刀片相交兩次，可對長屑進(jìn)行兩次剪切，只要旋轉(zhuǎn)刀片4轉(zhuǎn)速與長屑吸入速度合理匹配，長屑持續(xù)呈線性進(jìn)入吸屑口，通過間斷剪切，就可得到所需長度的短屑。

圖3 刀具方案圖

有了對切斷刀具的初步方案設(shè)計(jì)，下面對旋轉(zhuǎn)刀片4轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)大小進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)長屑線速度為V=200 m/min，吸屑裝置的吸力足夠保證長屑以同樣的速度進(jìn)入斷屑裝置，所需截?cái)嗪蠖绦奸L度為L=100 mm，求旋轉(zhuǎn)刀具轉(zhuǎn)速。這種切斷刀具每轉(zhuǎn)一圈切斷次數(shù)為S=2 次/r，計(jì)算過程如下。

第一步，計(jì)算旋轉(zhuǎn)刀具轉(zhuǎn)速,該部分計(jì)算原理為：單位時(shí)間內(nèi)長屑通過斷屑裝置的長度與刀片旋轉(zhuǎn)的次數(shù)的關(guān)系，長屑以200 m/min的速度通過，在1 min內(nèi)屑長為200 m，將200 m在1 min內(nèi)切斷成2000份長度為0.1 m的斷屑，需要切斷大約2000次，主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)切斷2次，從而可得1 min內(nèi)刀片旋轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)。具體計(jì)算公式為

將式（1）代入數(shù)值得N=200/（0.1×2）=1000 r/min。

第二，步計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率,要計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率，需先從刀片受力情況開始分析，電動(dòng)機(jī)要驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)首先要克服主軸自身重力，其次克服切斷阻力，在該裝置方案中，因其非金屬材料質(zhì)輕柔軟，刀具受力非常小，計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)，只要考慮主軸空載功率即可。要計(jì)算主軸空載功率先對主軸結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量進(jìn)程預(yù)估，對主軸與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式進(jìn)行初步選型等一系列設(shè)計(jì)。

接下來詳細(xì)研究主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，只需帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作期間不受軸向力，由于轉(zhuǎn)速不是很高，支撐的關(guān)鍵零件軸承選擇深溝球軸承即可。軸承大小根據(jù)主軸內(nèi)孔大小確定。主軸的內(nèi)孔大小是根據(jù)斷屑裝置入口處大小決定，一般入口直徑大于φ40 mm效果較好。因其轉(zhuǎn)速不是很高,軸承潤滑選擇油脂潤滑即可，考慮該部分使用工況，在選擇軸承時(shí)直接選擇帶密封結(jié)構(gòu)軸承，可降低機(jī)床維護(hù)成本。軸承跨距大于3倍的軸承內(nèi)孔直徑,支撐效果較佳。

軸承初選完成后進(jìn)行帶輪設(shè)計(jì)，從上述受力粗略分析來看，該部分受力不大，屬于輕型系列設(shè)計(jì)，在電動(dòng)機(jī)與刀片安裝主軸傳動(dòng)方式上選擇較為容易且成本較低的結(jié)構(gòu)即可。這里推薦同步帶傳動(dòng)，主要考慮到結(jié)構(gòu)簡單易造、設(shè)計(jì)靈活、便于操作。傳動(dòng)方式選定后，需設(shè)計(jì)帶輪相關(guān)參數(shù)。如果按常規(guī)設(shè)計(jì)，就從電動(dòng)機(jī)功率開始設(shè)計(jì)，從而推導(dǎo)出滿足功率傳遞的帶輪大小，但現(xiàn)在不知道所需電動(dòng)機(jī)功率，無法直接計(jì)算。這種情況可采用預(yù)估法進(jìn)行設(shè)計(jì)，等待全部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行逆向校核。對于這類斷屑裝置，可以根據(jù)具體結(jié)構(gòu)大小確定帶輪直徑尺寸。結(jié)合以上分析及現(xiàn)有數(shù)據(jù)，可進(jìn)行初步計(jì)算，舉例說明如下：假設(shè)刀片安裝主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)質(zhì)量M=3 kg,帶輪直徑D=80 mm，電動(dòng)機(jī)與主軸傳動(dòng)比按1：1計(jì)算，安全系數(shù)選取1.5，重力加速度g=9.8 m/s2,軸承摩擦因數(shù)按F=0.1，可利用經(jīng)驗(yàn)公式（2）估算主軸所需轉(zhuǎn)矩T。計(jì)算原理為：作用在帶輪外徑上垂直于直徑的力等于克服組件旋轉(zhuǎn)的重力，在旋轉(zhuǎn)過程中由于存在軸承內(nèi)部的摩擦力，所以需要用重力乘以軸承的摩擦因數(shù)，可得主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力，用這個(gè)力再乘以帶輪半徑的力臂，從而得出刀片安裝主軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。為設(shè)計(jì)簡便，這里設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)與刀片安裝主軸之間傳動(dòng)比采用了1：1，所以刀片安裝主軸所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，即可利用轉(zhuǎn)矩與功率關(guān)系式算出電動(dòng)機(jī)功率。

主軸所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

將式（2）代入數(shù)值得T=1.5×3×9.8×0.1×0.08/2=0.176 N·m。

轉(zhuǎn)矩與功率關(guān)系公式為

將式（3）代入數(shù)值得P=0.176×1000/9550=0.018 kW。

得到電動(dòng)機(jī)功率后，可以參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中機(jī)械傳動(dòng)部分對以上初選數(shù)值進(jìn)行校核計(jì)算，對于薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行修復(fù)加強(qiáng)，整個(gè)過程要注意傳動(dòng)效率及安全系數(shù)的合理選擇。

通過以上基本計(jì)算，根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡及驅(qū)動(dòng)方式，初步設(shè)計(jì)一個(gè)切斷裝置結(jié)構(gòu)（如圖4），該結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)普通電動(dòng)機(jī)11驅(qū)動(dòng)主同步帶輪10，經(jīng)同步帶7驅(qū)動(dòng)從動(dòng)同步帶輪6，帶動(dòng)主軸5機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，主軸5帶動(dòng)與其固定在一起的旋轉(zhuǎn)刀具3進(jìn)行圓周切斷動(dòng)作。為更好地保證長屑在吸力的作用下進(jìn)入切斷裝置，建議在固定刀具的前端設(shè)計(jì)一個(gè)喇叭狀的吸屑口1，便于起初長屑端頭進(jìn)入斷屑裝置，起導(dǎo)向作用。另一方面在主軸后端設(shè)計(jì)一個(gè)與吸屑管相連的后法蘭9，保證短屑的密封性傳送。值得注意的是，在機(jī)構(gòu)材質(zhì)選擇上，為避免質(zhì)量過大影響刀架車削效果，建議采用鋁合金之類的輕質(zhì)材料制作，效果會(huì)更佳。

圖4 切斷裝置結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

隨著越來越多的非金屬材料被應(yīng)用于高端精密零件，機(jī)械加工工藝已成為其成品加工的首選工藝，機(jī)械加工所產(chǎn)生的大量廢屑處理是一大難題，這種斷屑裝置在我公司數(shù)控車床上已大量應(yīng)用，為用戶解決了多種斷屑問題。鑒于該結(jié)構(gòu)的實(shí)用性強(qiáng)，可參照應(yīng)用于其他機(jī)械加工設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)加工廢屑的及時(shí)粉碎處理回收，具有較大的推廣價(jià)值。