盲孔加工切屑的自動(dòng)清理裝置設(shè)計(jì)*

王　玲，劉殿江，趙　娟

(1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島　266033)

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盲孔加工切屑的自動(dòng)清理裝置設(shè)計(jì)*

王玲1，劉殿江2，趙娟3

(1.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島266033)

為保證大型構(gòu)件上臺(tái)階盲孔的精度，復(fù)雜的加工工藝下經(jīng)常需要多次停車以進(jìn)行人工除屑，大批量加工此類盲孔時(shí)不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，頻繁停機(jī)會(huì)影響設(shè)備的使用，除屑時(shí)還因不安全因素而造成人身傷害等事故。結(jié)合盲孔的加工工藝分析了切屑的特征，針對(duì)不同形狀的切屑討論了孔加工時(shí)的自動(dòng)除屑方案，依照方案制作了自動(dòng)除屑的工具，試驗(yàn)了自動(dòng)除屑效果，基本實(shí)現(xiàn)了切屑的自動(dòng)、安全清理，同時(shí)將單個(gè)盲孔的加工時(shí)間由原來(lái)的3～5min縮短為約2min。

盲孔加工；切屑特征；自動(dòng)清理裝置

0　引言

構(gòu)件的組成往往是較為復(fù)雜的，大型構(gòu)件之間的相互連接更是如此，有時(shí)要在構(gòu)件上加工深的臺(tái)階盲孔(如車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(jīng)過(guò)多道工序才能完工。在孔加工過(guò)程中，每次加工產(chǎn)生的切屑都會(huì)對(duì)后序的加工精度產(chǎn)生一定影響。為此，工人會(huì)在每次加工后，停機(jī)用磁棒和鐵鉤進(jìn)行人工除屑，這不僅會(huì)降低孔的加工效率，還會(huì)因每次清理切屑都要穿梭于構(gòu)件和工作臺(tái)之間，地面上的切屑、油污和切屑液等可能會(huì)給除屑人員帶來(lái)一定的安全隱患。據(jù)調(diào)研，95%以上的孔加工師傅對(duì)此都感到頭疼。

從文獻(xiàn)來(lái)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(huì)使加工設(shè)備本身的系統(tǒng)復(fù)雜化，有些并不適合批量加工大型件內(nèi)盲孔的自動(dòng)清理，伴隨機(jī)加工過(guò)程的自動(dòng)程序化除屑尚未見(jiàn)報(bào)道。本文結(jié)合盲孔加工工藝要求，觀察分析切屑的形狀、特征，設(shè)計(jì)切屑的自動(dòng)化清理方案，制作試驗(yàn)用的除屑工具，分析、試驗(yàn)除屑效果，實(shí)現(xiàn)切屑的自動(dòng)、安全清理。

1　切屑的特征

圖1所示的是一個(gè)上孔徑小、下孔徑大的待加工臺(tái)階盲孔。為保證孔的精度，需將上孔徑加工到60mm(孔深97mm)。根據(jù)其三次粗鏜和一次精鏜加工的工藝要求，加工過(guò)程中每次粗加工之后都會(huì)有切屑?xì)埩粼诳變?nèi)，影響下次的加工，而且每次粗加工都因進(jìn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗、精加工的切屑分別以粒狀C形切屑和帶狀長(zhǎng)卷切屑為主。其中第一次粗加工后產(chǎn)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(zhǎng)卷屑，但帶狀屑長(zhǎng)度均小于50mm，卷屑的直徑約5mm，切屑總量達(dá)125g；第三次粗加工的切屑主要是以纏繞的帶狀長(zhǎng)卷屑為主，卷屑的直徑約3mm，切屑總量達(dá)81g。最后精加工時(shí)其切屑為少量帶狀纏繞的細(xì)長(zhǎng)屑，切屑總量達(dá)32g。四次加工后的切屑形狀見(jiàn)圖2所示。

圖1　待加工臺(tái)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(dòng)除屑方案

針對(duì)每次加工后沉積到孔底的切屑，擬采取在不停機(jī)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(biāo)準(zhǔn)刀柄上，預(yù)先配置在刀具庫(kù)中。加工時(shí)根據(jù)加工順序，在需要除屑時(shí)，通過(guò)加工中心的換刀指令進(jìn)行自動(dòng)取屑、退屑操作即可。

2.1帶狀長(zhǎng)卷切屑的除屑方案

對(duì)于較長(zhǎng)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(jù)切屑本身重量及相互間的作用力，設(shè)計(jì)清理帶狀長(zhǎng)卷屑的夾具及卷鉗的結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算、校核各部件強(qiáng)度及剛度，確定各部件的尺寸。

其次：制作試驗(yàn)用的夾具及卷鉗。然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行粗、精鏜孔加工，并觀察用夾具及卷鉗的除屑效果。試驗(yàn)過(guò)程中逐步優(yōu)化參數(shù)和調(diào)整工具的結(jié)構(gòu)，改善除屑效果。

最后，確定清理長(zhǎng)卷屑的除屑工具。

2.2粒狀C形切屑的除屑方案

根據(jù)磁棒對(duì)鐵屑的吸附作用原理，對(duì)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(jù)電磁力大小與氣隙大小之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。永久磁鐵除屑工具根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度和強(qiáng)磁體磁力線的分布情況模擬分析吸附鐵屑的能力。

對(duì)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(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1帶狀長(zhǎng)卷屑除屑工具的設(shè)計(jì)與除屑分析

(1)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及除屑試驗(yàn)分析

夾具設(shè)計(jì)成可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示：主要結(jié)構(gòu)：刀柄、外夾、復(fù)位彈簧和內(nèi)夾。在外夾上設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)槽，內(nèi)夾上部的橫桿沿轉(zhuǎn)動(dòng)槽向上運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)內(nèi)夾相對(duì)于外夾轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)取屑動(dòng)作。當(dāng)需要清理鐵屑時(shí)，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(dòng)，內(nèi)夾上的橫桿被盲孔上表面阻擋，從而在外夾的轉(zhuǎn)動(dòng)槽中向上運(yùn)動(dòng)，鐵屑被纏繞并夾住。由于在轉(zhuǎn)槽的上部還設(shè)有一個(gè)定位槽，這樣就保持了內(nèi)夾與外夾的夾取狀態(tài)。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(shè)置擋塊，可使內(nèi)夾上的橫桿脫離定位槽。然后橫桿在復(fù)位彈簧的作用下沿轉(zhuǎn)動(dòng)槽向下運(yùn)動(dòng)，被夾取出來(lái)的切屑便掉落在此。本次除屑動(dòng)作完后，再由換刀指令將夾具換回刀具庫(kù)，繼續(xù)完成后面的加工程序。

圖3　夾具

用此夾具除屑時(shí)，其鐵屑可能會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)槽進(jìn)入內(nèi)夾或卡在轉(zhuǎn)槽中，致使夾屑動(dòng)作無(wú)法繼續(xù)完成，除屑效果會(huì)不理想。

(2)卷鉗的設(shè)計(jì)與除屑試驗(yàn)分析

卷鉗取屑按照螺旋正轉(zhuǎn)的反向拉力作用進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要結(jié)構(gòu)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(jī)床上，螺旋彈簧部分可以固定到刀桿上作為一個(gè)刀具。螺旋彈簧材料選用B組碳素彈簧鋼絲，除屑過(guò)程分析如下：

(a)卷鉗

(b)退屑座

需要清理帶狀長(zhǎng)卷屑時(shí)，通過(guò)加工中心的換刀指令將卷鉗換裝到主軸上。主軸帶動(dòng)卷鉗移動(dòng)到盲孔的上方后正轉(zhuǎn)，同時(shí)Z軸負(fù)方向進(jìn)給。調(diào)整好轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)速度，使螺旋彈簧的尖端緩慢下移，進(jìn)入盲孔。待其接觸鐵屑后繼續(xù)下移，將鐵屑卷繞到螺旋彈簧上。主軸下降一定距離后停轉(zhuǎn)，Z軸正向進(jìn)給，將揉成了團(tuán)狀的帶狀長(zhǎng)螺卷切屑鉤出。然后主軸水平移動(dòng)，向退屑座靠近。待螺旋彈簧靠上退屑座后，再調(diào)用攻絲程序，使主軸反轉(zhuǎn)，Z軸負(fù)向進(jìn)給，將鐵屑留在退屑座上，完成一次自動(dòng)除屑過(guò)程。

除屑時(shí)，因螺旋卷鉗除屑工具的彈簧材料強(qiáng)度高，取屑、放屑動(dòng)作較簡(jiǎn)單，卷鉗的結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，其除屑效果會(huì)比較理想。

(3)帶狀長(zhǎng)卷屑的除屑試驗(yàn)及方案確定

綜合上述兩種工具的結(jié)構(gòu)和除屑效果分析，帶狀長(zhǎng)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(shè)計(jì)與除屑分析

(1)電磁除屑工具的設(shè)計(jì)及除屑分析

電磁除屑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示：此工具主要由刀柄、固定機(jī)構(gòu)、定位銷、發(fā)電機(jī)和電磁鐵組成。同樣，按照自動(dòng)除屑要求，當(dāng)需要清理鐵屑時(shí)，通過(guò)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(jī)構(gòu)可以與刀柄產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)的輸入軸與刀柄連接，主體通過(guò)連接法蘭與固定機(jī)構(gòu)連接，當(dāng)加工中心的主軸以一定速度帶動(dòng)刀柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生電流使電磁鐵工作，產(chǎn)生一定的磁吸引力。同時(shí)，通過(guò)主軸移動(dòng)將此工具伸進(jìn)需要清理鐵屑的盲孔內(nèi)吸附鐵屑。電磁鐵吸附C形粒狀鐵屑后，主軸移動(dòng)將此工具移出除屑孔，到達(dá)指定放屑位置后，主軸停轉(zhuǎn)，電磁鐵消磁，吸附的鐵屑掉落在此，完成本次除屑動(dòng)作，然后換刀繼續(xù)后續(xù)加工過(guò)程。

圖5　電磁除屑工具結(jié)構(gòu)圖

電磁除屑工具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，除屑過(guò)程中因主軸旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性較差。為確保安全，裝置中發(fā)電機(jī)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(chǎn)生的磁力很小，將無(wú)法完成除屑工作。

(2)永久磁鐵除屑工具的設(shè)計(jì)及除屑分析

永久磁鐵除屑工具利用了較強(qiáng)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(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6　永久磁鐵除屑工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

永久磁鐵除屑工具的結(jié)構(gòu)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(guò)程分析如下：通過(guò)加工中心的換刀指令將其換裝到主軸上。主軸移動(dòng)將其定位到需要除屑盲孔的上方，然后Z軸負(fù)方向進(jìn)給，當(dāng)退屑套筒的封頭(軟磁鐵)碰到鐵屑后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，使上下鉤鎖鉤在一起(需要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)來(lái)確定此距離，以便在程序中設(shè)定好距離以確保每次下降時(shí)上下鉤鎖均能鉤掛在一起)。Z軸正向進(jìn)給，移出除屑孔。待主軸水平移動(dòng)到指定的放屑位置后正轉(zhuǎn)，設(shè)置好轉(zhuǎn)速使上鉤鎖在離心力的作用下與下鉤鎖脫開(kāi)，同時(shí)退屑套筒在拉伸彈簧的作用下回彈，即可完成自動(dòng)退屑的過(guò)程。

永久磁鐵采用強(qiáng)磁性能的釹鐵硼合金[11]，其磁力強(qiáng)能吸附的鐵屑量較大，經(jīng)校核永久磁鐵除屑工具的強(qiáng)度滿足要求[12]。此工具在結(jié)構(gòu)上無(wú)任何電器元件，工作較穩(wěn)定，其除屑安全系數(shù)高，除屑效果會(huì)較好。

(3)粒狀C形切屑的除屑方案確定

通過(guò)對(duì)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(dòng)除屑工具與除屑試驗(yàn)

按照上述設(shè)計(jì)方案，制作清理帶狀長(zhǎng)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(jiàn)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(qiáng)度和離心塊的離心力，離心塊和中心軸均用45號(hào)鋼制作。

(a)離心解鎖部件

(b)永久磁鐵除屑部件

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了多次的除屑試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中取屑、放屑過(guò)程順暢。其中，用卷鉗工具清理長(zhǎng)卷屑時(shí)，一次基本上即可將長(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)卷屑和第3次清理粒狀C形屑的結(jié)果，試驗(yàn)驗(yàn)證了兩種除屑工具均達(dá)到了預(yù)期的除屑效果。實(shí)現(xiàn)了程序自動(dòng)化除屑的要求，并提高了孔的加工效率，單個(gè)盲孔的加工時(shí)間由原來(lái)的3～5min縮減到約2min。

(a)帶狀長(zhǎng)卷切屑第一次除屑

(b)粒狀C形切屑第三次除屑

4　結(jié)論

結(jié)合批量加工大型構(gòu)件上的盲孔加工工藝，分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了盲孔加工切屑的自動(dòng)清理。試驗(yàn)驗(yàn)證了切屑的自動(dòng)清理效果，基本達(dá)到了清理要求，實(shí)現(xiàn)了切屑的自動(dòng)、安全清理，避免了人工除屑事故的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除屑后，單個(gè)盲孔的加工時(shí)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。

[1] 邱泉水，苗鴻賓，沈興全.深孔加工中再生型顫振的分析和仿真[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2015(8):90-92.

[2] 楊順田，楊天雄，彭美武.深孔鉆斷排屑機(jī)理與變切加工數(shù)控宏程序研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012(4)：80-83.

[3] 賈永鵬，景旭文，劉傳君，等.基于Deform-3D的船用柴油機(jī)機(jī)身深孔加工仿真研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(12)：141-144.

[4] M.R.Horgan.真空吸附技術(shù)[J].輕工機(jī)械,1998(4)：41-43.

[5] 樊鐵鑌.深孔加工的切屑處理[J].工具技術(shù),1998(9):35-40.

[6] 龔慧生.盲孔除切屑機(jī)的研制與應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2000(3)：52-53.

[7] 黃偉.高壓內(nèi)排屑深孔加工[J].有色設(shè)備,2003(3)：23-26.

[8] 馬清艷,馬青華.機(jī)械式軸向深孔振動(dòng)鉆削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2013,29(4):86-87.

[9] 趙如意,關(guān)世璽.深孔鉆削切屑形態(tài)的研究[J].新技術(shù)新工藝,2010(2):42-43.

[10] 朱俊生.深盲孔排屑吹管[P].CN102921673A 2013-02-13.

[11] 溫旭東.永磁材料磁性能的研究[D].鄭州:鄭州大學(xué)，2012.

[12] 陸敏,裴景玉,徐霖,等.自卸式鐵屑甩油離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力分析[J].化工機(jī)械,2013,40(3):373-375.

(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(yè)技術(shù)學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目(QDGW2014Z06)

王玲(1973—)，女，河南南陽(yáng)人，青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程設(shè)備與制造，(E-mail)181127795@qq.com。

TH122;TG65

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