多功能復(fù)合型排屑過濾裝置設(shè)計(jì)研究

(寧夏共享機(jī)床輔機(jī)有限公司，寧夏 銀川 750021)

針對數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境復(fù)雜，加工產(chǎn)生的金屬切屑既有卷狀團(tuán)屑，又有細(xì)碎切屑的情況，單一功能的排屑器無法滿足這種多種切屑自動(dòng)排屑的要求。而且，切屑和機(jī)床切削液長時(shí)間混合在一起，易造成切削液變質(zhì)、環(huán)境污染的同時(shí)影響機(jī)床的加工精度和適用壽命[1]。從環(huán)保和節(jié)能的觀點(diǎn)來看，利用科學(xué)方法對這些切屑及時(shí)排出機(jī)床外面，進(jìn)行回收利用[2]。將切削液過濾分離，進(jìn)行重復(fù)循環(huán)使用，從而能夠降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高車間管理水平。多功能復(fù)合型排屑過濾裝置具有很好的市場前景，本文著重研究了混合切屑的復(fù)合式的自動(dòng)排屑、切屑和切削液自動(dòng)分離以及自動(dòng)排屑和切液分離的集成在一起的多功能復(fù)合型排屑過濾裝置。

1 工作流程及設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 工作流程

想要解決上述問題，多功能復(fù)合型排屑過濾裝置必須同時(shí)具備鏈板排屑器和刮板排屑器的功能，還需要集成切屑過濾裝置。工作流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的復(fù)合性已經(jīng)超出傳統(tǒng)的單一加工機(jī)床的功能，這就要求與之配套的自動(dòng)排屑器必須具有復(fù)合性，以適應(yīng)最終用戶的需求[3]?；谏鲜隹紤]，多功能復(fù)合型排屑過濾裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)確定如下：

(1) 多功能復(fù)合型排屑過濾裝置既適用于長卷屑的加工概況，也要適用于細(xì)碎屑的工況，另外，排屑的基礎(chǔ)功能以外，應(yīng)當(dāng)具有自動(dòng)過濾功能。

(2)上段鏈板排屑器在輸送團(tuán)狀切屑過程中，由于團(tuán)屑過大造成鏈板運(yùn)轉(zhuǎn)不流暢，導(dǎo)致排屑器殼體變形、電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

(3)上段鏈板式排屑器在運(yùn)輸團(tuán)屑的過程中，有一部分切削液被鏈板帶出排屑器，進(jìn)入到集屑車，對切削液造成不必要的浪費(fèi)，增加最終用戶成本。

(4)下段刮板排屑器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，刮板上沾切削液，以及切屑中帶有的切削液，排屑過程將切削液帶出排屑器。同樣造成切削液的浪費(fèi)。

2 總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)

本文研發(fā)設(shè)計(jì)的多功能復(fù)合型排屑過濾裝置的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，總體分為兩段，上段為一個(gè)鏈板式排屑器，下段為一個(gè)刮板式排屑器，分別設(shè)計(jì)有各自獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。刮板式排屑器內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)過濾滾筒，過濾滾筒與刮板排屑器的輸送鏈條嚙合。機(jī)床加工產(chǎn)生的混合切屑(團(tuán)屑和碎屑)進(jìn)入上段鏈板排屑器，鏈板排屑器側(cè)面設(shè)計(jì)有出水孔，混合切屑中的團(tuán)屑通過鏈板排屑器輸送到集屑車。細(xì)碎切屑混合在切削液中，隨著切削液一起進(jìn)入到下段刮板排屑器中。細(xì)碎切屑和切削液的混合物(以下簡稱屑液混合物)進(jìn)入到下段刮板排屑器后，屑液混合物通過過濾滾筒的分離，干凈的切削液流經(jīng)滾筒進(jìn)入機(jī)床冷卻液箱。

3 鏈板式排屑器

3.1 鏈板排屑器重點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)鏈板排屑器排屑輸送空間尺寸的確定

如圖3所示，上段鏈板式排屑器切屑的入口高度尺寸為A，提升段以后的排屑空間高度尺寸為B。在排屑過程中，由于長卷屑裹成一團(tuán)形成團(tuán)屑，團(tuán)屑過大會(huì)造成鏈板運(yùn)轉(zhuǎn)不流暢，所以設(shè)計(jì)時(shí)A

(2)鏈板排屑器帶切削液問題的解決方法

筆者公司單一功能的普通鏈板排屑器使用的輸送鏈板如圖3所示，鏈板上設(shè)計(jì)有沖壓成型的凸點(diǎn)，用來防止細(xì)碎切屑粘在鏈板片上。鏈板上設(shè)計(jì)有刮板，為了節(jié)約材料成本，刮板厚度2.5 mm，為了增加刮板強(qiáng)度，刮板形狀設(shè)計(jì)為波浪形。這種波浪形的刮板凹下去的地方容易存儲切削液，從而將切削液帶出排屑器。

多功能復(fù)合型排屑過濾裝置中，上段鏈板排屑器下部設(shè)計(jì)有下段刮板排屑器，因此可以對上段鏈板排屑器使用的輸送鏈板做一些特殊設(shè)計(jì)。(1)如圖5所示，在鏈板片上除了設(shè)計(jì)凸臺防止細(xì)碎屑粘在鏈板上以外，還設(shè)計(jì)漏液孔，切削液可以從漏液孔中滲入鏈板下方，進(jìn)入下段刮板排屑器中。部分細(xì)碎切屑也會(huì)通過漏液孔進(jìn)入下段刮板排屑器。正因?yàn)橛邢露喂伟迮判计鞯拇嬖冢圆⒉粨?dān)心鏈板漏液孔會(huì)漏細(xì)碎切屑的問題。(2)為了解決帶液問題，鏈板上的刮板形狀設(shè)計(jì)為平板，其厚度設(shè)計(jì)為5 mm。平刮板設(shè)計(jì)有兩種結(jié)構(gòu)：一種是無鋸齒刮板，如圖6所示；另一種為鋸齒型刮板，如圖7所示。鋸齒型刮板用來提升長卷屑的排屑效率。兩種刮板底部設(shè)計(jì)漏液孔。刮板在鏈板上的布局方式為：每個(gè)刮板間距為254 mm，每布置3個(gè)無鋸齒刮板，布置1個(gè)鋸齒型刮板。

通過以上兩點(diǎn)的特殊設(shè)計(jì)，鏈板帶液問題得到很好的改善。經(jīng)過試驗(yàn)對比帶液量減少80%。

3.2 鏈板規(guī)格尺寸的確定

上段鏈板排屑器由于輸送的是長卷屑或團(tuán)屑，所以對鏈板的強(qiáng)度要求比較高。所以鏈板鏈條的規(guī)格選型、電動(dòng)機(jī)功率的選擇。如表1所示。

表1 輸送距離、電機(jī)功率、鏈條節(jié)距對應(yīng)表

排屑器輸送距離/m電機(jī)功率/kW鏈條節(jié)距/mm≤100.231.75≤300.7550.8≤601.5150

4 下段刮板式排屑器

4.1 刮板式排屑器工作原理

上段鏈板式排屑器將大部分長卷屑和碎屑運(yùn)輸至集屑車后，少量細(xì)碎切屑和切削液一起進(jìn)入下段刮板式排屑器。刮板式排屑器中設(shè)計(jì)有刮屑板，沉淀到排屑器底部的切屑由刮屑板刮出機(jī)體外，進(jìn)入集屑車。切削液經(jīng)過過濾滾筒的過濾后進(jìn)入切削液箱，實(shí)現(xiàn)了最終的屑液分離，起到凈化作用。工作原理如圖8所示。

4.2 刮板式排屑器帶液造成浪費(fèi)問題的解決方案設(shè)計(jì)

刮板式排屑器是利用鏈條上安裝的刮屑板將細(xì)碎刮排出機(jī)體外的，刮板和鏈條上會(huì)附著一些切削液，刮屑板運(yùn)行至出屑口時(shí)，切削液掉入集屑車，另一方面細(xì)碎切屑中也含有大量切削液，附著混合在切屑中排出至集屑車，造成切削液的浪費(fèi)以及對環(huán)境的污染。

為此，設(shè)計(jì)以下方案解決此問題。技術(shù)方案如圖9所示，出屑口上方設(shè)計(jì)導(dǎo)流板，導(dǎo)流板位于刮屑板下方并超出刮屑板一段距離，使得導(dǎo)流板完全能夠接住刮屑板和鏈條上掉下來的切削液，導(dǎo)流板接住的切削液回流至排屑器內(nèi)部。另外，刮屑板將切屑刮至導(dǎo)流板上時(shí)，切屑并不會(huì)立刻掉入集屑車，而是在導(dǎo)流板上方停留一段時(shí)間，這段時(shí)間正好也是切屑瀝液的時(shí)間。當(dāng)下一個(gè)刮屑板運(yùn)轉(zhuǎn)到導(dǎo)流板處時(shí)，下一個(gè)刮屑板所排出的切屑將停留在此處的切屑往前推，每個(gè)刮屑板如此循環(huán)，不斷將切屑推出排屑器外，進(jìn)入集屑車。如此，后面的切屑推前面的切屑，給切屑留足了瀝液時(shí)間。在排屑器外部，導(dǎo)流板下方設(shè)計(jì)有接液槽，接液槽側(cè)面通過回液管與排屑器機(jī)身主體側(cè)壁相連。導(dǎo)流板的外邊沿斜向下延伸至接液槽，沒有在導(dǎo)流板上瀝干凈的少量切削液沿著導(dǎo)流板外邊沿流入接液槽，通過回液管回流至排屑器內(nèi)部。經(jīng)過以上設(shè)計(jì)方法，排屑器帶液問題得到很大的改善。經(jīng)過試驗(yàn)可以減少95%左右的帶液量。

5 過濾滾筒

5.1 過濾滾筒工作原理

過濾滾筒不是一個(gè)獨(dú)立存在的功能部件，而是集成在下段刮板式排屑器內(nèi)部。過濾滾筒與刮板式排屑器的輸送鏈條嚙合，隨著排屑器的運(yùn)轉(zhuǎn)在不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)。過濾滾筒的圓周上安裝過濾網(wǎng)，過濾滾筒內(nèi)部設(shè)計(jì)有若干個(gè)噴嘴，切削液箱上會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)多級離心泵，泵與噴嘴相連。在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中噴嘴噴灑出的切削液對濾網(wǎng)不斷清洗，以實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)自清洗功能，防止過濾網(wǎng)被切屑堵塞，實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)免維護(hù)。另外，噴嘴前端管路上設(shè)計(jì)有管路過濾器，以防止噴嘴堵塞。管路過濾器帶有壓差發(fā)訊器，過濾器堵塞時(shí)機(jī)床報(bào)警。提醒工作人員及時(shí)清理。其基本原理如圖10所示。

5.2 噴嘴射流性能試驗(yàn)驗(yàn)證

噴嘴具有一定的射流角，相鄰兩個(gè)噴嘴軸向間隔的距離以及噴嘴與過濾網(wǎng)之間的距離，這兩個(gè)距離的大小對濾網(wǎng)的沖洗效果有很大的影響。試驗(yàn)采用常用的扇形噴嘴，噴嘴規(guī)格：內(nèi)孔φ5 mm，射流角120°。

(1)試驗(yàn)方法：調(diào)整相鄰兩個(gè)噴嘴間距、噴嘴與濾網(wǎng)間距，通過調(diào)整間距來觀察濾網(wǎng)的沖洗效果。預(yù)先在濾網(wǎng)上涂抹污油，圖11～13是不同間距時(shí)濾網(wǎng)被沖洗的效果。

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與試驗(yàn)效果圖

表2數(shù)據(jù)是相鄰兩個(gè)噴嘴間距為100 mm時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 噴嘴間距為100 mm時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

噴嘴網(wǎng)板間距/mm左沖洗面寬/mm右沖洗面寬/mm沖洗面寬/mm30105110※50140170※70140150※90※※380110※※330130※※410150※※410320※※400

(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢擬合

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表2，使用Excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖14所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到擬合曲線Y=0.001 575X2+8.002 1(Y表示噴嘴與濾網(wǎng)的間距，X表示噴嘴間距，如圖15所示)。

當(dāng)噴嘴間距為300 mm和400 mm時(shí)，通過擬合公式得到噴嘴與濾網(wǎng)的最佳距離分別為149.75×1.1=164.725和260.00×1.1=286(相鄰噴射面一般需要重疊0～20%，所以取1.1為調(diào)整系數(shù))。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，噴嘴間距為300 mm時(shí)，最佳噴射距離在160 mm左右；噴嘴間距為400 mm時(shí)，最佳噴射距離在270 mm左右。與擬合公式計(jì)算的結(jié)果基本吻合，證明擬合公式可用。

6 總體控制電路設(shè)計(jì)

多功能復(fù)合型排屑器過濾裝置控制邏輯設(shè)計(jì)如下：

(1)上段鏈板式排屑器和下段刮板式排屑器必須同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，以保證排屑過濾正常。

(2)設(shè)計(jì)手動(dòng)、自動(dòng)模式，自動(dòng)模式下由機(jī)床控制排屑器的啟動(dòng)與停止。

(3)手動(dòng)模式下可選擇對上段鏈板式排屑器和下段刮板式排屑器進(jìn)行單獨(dú)操作，包括：啟動(dòng)、停止、正傳及反轉(zhuǎn)。

(4)清洗滾筒濾網(wǎng)的水泵和整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作，以保證滾筒濾網(wǎng)能夠得到及時(shí)清理。

(5)整個(gè)控制回路設(shè)計(jì)急停開關(guān)。

控制回路電路圖如圖16所示。

另外，在機(jī)床切屑量不大的情況下，可以將上段鏈板排屑器和下段排屑器設(shè)計(jì)成間歇運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)輸送速度、切屑量以及機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算運(yùn)轉(zhuǎn)和停止的時(shí)間，例如：運(yùn)行60 s,停止20 s。這樣間歇式的運(yùn)轉(zhuǎn)有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)可以減少設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，減少電量的浪費(fèi)，節(jié)能并降低運(yùn)營成本；(2)停止的這段時(shí)間增加了切屑瀝液時(shí)間，減少切屑帶液量。

7 結(jié)語

本文主要闡述了多功能復(fù)合型排屑器過濾裝置的組成和基本工作原理，以及關(guān)鍵問題解決方法。

多功能復(fù)合型排屑器過濾裝置2014年獲得授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)，并完善了技術(shù)儲備、樣機(jī)試制與實(shí)驗(yàn)。在近幾年不斷地完善過程中其部分結(jié)構(gòu)與方法獲得專利授權(quán)或正在審核中。隨著近兩年客戶需求的不斷提高，多功能復(fù)合型排屑器過濾裝置實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和銷售。該裝置專利號：201320689207.5、201510704457.5。