多功能復合型排屑過濾裝置設計研究

(寧夏共享機床輔機有限公司，寧夏 銀川 750021)

針對數控機床加工環境復雜，加工產生的金屬切屑既有卷狀團屑，又有細碎切屑的情況，單一功能的排屑器無法滿足這種多種切屑自動排屑的要求。而且，切屑和機床切削液長時間混合在一起，易造成切削液變質、環境污染的同時影響機床的加工精度和適用壽命[1]。從環保和節能的觀點來看，利用科學方法對這些切屑及時排出機床外面，進行回收利用[2]。將切削液過濾分離，進行重復循環使用，從而能夠降低企業生產成本，提高車間管理水平。多功能復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合式的自動排屑、切屑和切削液自動分離以及自動排屑和切液分離的集成在一起的多功能復合型排屑過濾裝置。

1 工作流程及設計目標

1.1 工作流程

想要解決上述問題，多功能復合型排屑過濾裝置必須同時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。工作流程設計如圖1所示。

1.2 設計目標

由于現代數控機床的復合性已經超出傳統的單一加工機床的功能，這就要求與之配套的自動排屑器必須具有復合性，以適應最終用戶的需求[3]。基于上述考慮，多功能復合型排屑過濾裝置的設計目標確定如下：

(1) 多功能復合型排屑過濾裝置既適用于長卷屑的加工概況，也要適用于細碎屑的工況，另外，排屑的基礎功能以外，應當具有自動過濾功能。

(2)上段鏈板排屑器在輸送團狀切屑過程中，由于團屑過大造成鏈板運轉不流暢，導致排屑器殼體變形、電動機停轉。

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

(4)下段刮板排屑器在運轉過程中，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。

2 總體技術方案設計

本文研發設計的多功能復合型排屑過濾裝置的設計方案如圖2所示，總體分為兩段，上段為一個鏈板式排屑器，下段為一個刮板式排屑器，分別設計有各自獨立的驅動電動機。刮板式排屑器內部設計有一個過濾滾筒，過濾滾筒與刮板排屑器的輸送鏈條嚙合。機床加工產生的混合切屑(團屑和碎屑)進入上段鏈板排屑器，鏈板排屑器側面設計有出水孔，混合切屑中的團屑通過鏈板排屑器輸送到集屑車。細碎切屑混合在切削液中，隨著切削液一起進入到下段刮板排屑器中。細碎切屑和切削液的混合物(以下簡稱屑液混合物)進入到下段刮板排屑器后，屑液混合物通過過濾滾筒的分離，干凈的切削液流經滾筒進入機床冷卻液箱。

3 鏈板式排屑器

3.1 鏈板排屑器重點結構設計

(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形成團屑，團屑過大會造成鏈板運轉不流暢，所以設計時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，鏈板上設計有沖壓成型的凸點，用來防止細碎切屑粘在鏈板片上。鏈板上設計有刮板，為了節約材料成本，刮板厚度2.5 mm，為了增加刮板強度，刮板形狀設計為波浪形。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。

多功能復合型排屑過濾裝置中，上段鏈板排屑器下部設計有下段刮板排屑器，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計。(1)如圖5所示，在鏈板片上除了設計凸臺防止細碎屑粘在鏈板上以外，還設計漏液孔，切削液可以從漏液孔中滲入鏈板下方，進入下段刮板排屑器中。部分細碎切屑也會通過漏液孔進入下段刮板排屑器。正因為有下段刮板排屑器的存在，所以并不擔心鏈板漏液孔會漏細碎切屑的問題。(2)為了解決帶液問題，鏈板上的刮板形狀設計為平板，其厚度設計為5 mm。平刮板設計有兩種結構：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。兩種刮板底部設計漏液孔。刮板在鏈板上的布局方式為：每個刮板間距為254 mm，每布置3個無鋸齒刮板，布置1個鋸齒型刮板。

通過以上兩點的特殊設計，鏈板帶液問題得到很好的改善。經過試驗對比帶液量減少80%。

3.2 鏈板規格尺寸的確定

上段鏈板排屑器由于輸送的是長卷屑或團屑，所以對鏈板的強度要求比較高。所以鏈板鏈條的規格選型、電動機功率的選擇。如表1所示。

表1 輸送距離、電機功率、鏈條節距對應表

排屑器輸送距離/m電機功率/kW鏈條節距/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輸至集屑車后，少量細碎切屑和切削液一起進入下段刮板式排屑器。刮板式排屑器中設計有刮屑板，沉淀到排屑器底部的切屑由刮屑板刮出機體外，進入集屑車。切削液經過過濾滾筒的過濾后進入切削液箱，實現了最終的屑液分離，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問題的解決方案設計

刮板式排屑器是利用鏈條上安裝的刮屑板將細碎刮排出機體外的，刮板和鏈條上會附著一些切削液，刮屑板運行至出屑口時，切削液掉入集屑車，另一方面細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，造成切削液的浪費以及對環境的污染。

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

5 過濾滾筒

5.1 過濾滾筒工作原理

過濾滾筒不是一個獨立存在的功能部件，而是集成在下段刮板式排屑器內部。過濾滾筒與刮板式排屑器的輸送鏈條嚙合，隨著排屑器的運轉在不斷的轉動。過濾滾筒的圓周上安裝過濾網，過濾滾筒內部設計有若干個噴嘴，切削液箱上會設計一個多級離心泵，泵與噴嘴相連。在滾筒轉動的過程中噴嘴噴灑出的切削液對濾網不斷清洗，以實現濾網自清洗功能，防止過濾網被切屑堵塞，實現濾網免維護。另外，噴嘴前端管路上設計有管路過濾器，以防止噴嘴堵塞。管路過濾器帶有壓差發訊器，過濾器堵塞時機床報警。提醒工作人員及時清理。其基本原理如圖10所示。

5.2 噴嘴射流性能試驗驗證

噴嘴具有一定的射流角，相鄰兩個噴嘴軸向間隔的距離以及噴嘴與過濾網之間的距離，這兩個距離的大小對濾網的沖洗效果有很大的影響。試驗采用常用的扇形噴嘴，噴嘴規格：內孔φ5 mm，射流角120°。

(1)試驗方法：調整相鄰兩個噴嘴間距、噴嘴與濾網間距，通過調整間距來觀察濾網的沖洗效果。預先在濾網上涂抹污油，圖11～13是不同間距時濾網被沖洗的效果。

(2)試驗數據記錄與試驗效果圖

表2數據是相鄰兩個噴嘴間距為100 mm時的試驗數據。

表2 噴嘴間距為100 mm時的試驗數據

噴嘴網板間距/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)實驗數據趨勢擬合

根據實驗結果記錄表2，使用Excel表格進行數據擬合，如圖14所示。

由實驗結果得到擬合曲線Y=0.001 575X2+8.002 1(Y表示噴嘴與濾網的間距，X表示噴嘴間距，如圖15所示)。

當噴嘴間距為300 mm和400 mm時，通過擬合公式得到噴嘴與濾網的最佳距離分別為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為調整系數)。通過實驗驗證，噴嘴間距為300 mm時，最佳噴射距離在160 mm左右；噴嘴間距為400 mm時，最佳噴射距離在270 mm左右。與擬合公式計算的結果基本吻合，證明擬合公式可用。

6 總體控制電路設計

多功能復合型排屑器過濾裝置控制邏輯設計如下：

(1)上段鏈板式排屑器和下段刮板式排屑器必須同時運轉工作，以保證排屑過濾正常。

(2)設計手動、自動模式，自動模式下由機床控制排屑器的啟動與停止。

(3)手動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行單獨操作，包括：啟動、停止、正傳及反轉。

(4)清洗滾筒濾網的水泵和整個系統同時工作，以保證滾筒濾網能夠得到及時清理。

(5)整個控制回路設計急停開關。

控制回路電路圖如圖16所示。

另外，在機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計成間歇運轉。根據輸送速度、切屑量以及機械結構尺寸計算運轉和停止的時間，例如：運行60 s,停止20 s。這樣間歇式的運轉有兩方面的優點：(1)可以減少設備運行時間，減少電量的浪費，節能并降低運營成本；(2)停止的這段時間增加了切屑瀝液時間，減少切屑帶液量。

7 結語

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

多功能復合型排屑器過濾裝置2014年獲得授權發明專利1項，并完善了技術儲備、樣機試制與實驗。在近幾年不斷地完善過程中其部分結構與方法獲得專利授權或正在審核中。隨著近兩年客戶需求的不斷提高，多功能復合型排屑器過濾裝置實現了批量生產和銷售。該裝置專利號：201320689207.5、201510704457.5。