螺桿銑床分體式鏈板排屑器及水箱的設計

□ 王長興 □ 朱 凱

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1 設計背景

螺桿作為石油工業設備上常見的工業零件,有著廣泛的應用。隨著我國石油工業的長足發展,我國對各種型號的螺桿需求量逐年增加,進而增大了對螺桿銑床的需求量。為了滿足不同用戶的實際生產使用需求,對螺桿銑床排屑器及水箱的性能要求越來越高。排屑器及水箱作為螺桿銑床的重要組成部分,其性能的優劣直接影響到螺桿銑床對工件的加工精度。在加工過程中,為工件提供的冷卻液和及時有效地將高溫切屑排出,可以在一定程度上減少工件的熱變形,有利于螺桿的加工,提高了螺桿的加工精度和準確度。筆者通過對排屑器及水箱的基本類型進行介紹,并對主要組成部分的結構進行選型分析,從實際出發,設計一種分體式鏈板排屑器及水箱,以滿足使用需求達到最優效果。

2 排屑器基本類型

2.1 連接方式

按照排屑器與床身防護的連接方式可分為連體式排屑器與分體式排屑器。

(1) 連體式排屑器。連體式排屑器與車床的防護相連,加工時產生的切屑直接落入連體式排悄器中由其排出,切屑液由其過濾后重復使用,效率高,適用于切屑排量大、整體性強的螺桿銑床。缺點是由于螺桿銑床的結構導致安裝、拆卸維護不方便。

(2) 分體式排屑器。分體式排屑器及水箱與螺桿銑床的防護分體安裝,加工時產生的切屑落在螺桿銑床上,由重力作用滑入分布式排屑器中由其排出,設備靈活可移動。缺點是底部空間小,排屑器及水箱的高度受限,排屑量小,容易造成切屑的堆積。

2.2 排屑方式

按照排屑器排屑方式的不同可分為螺旋式、刮板式和鏈板式。

(1) 螺旋式排屑器。螺旋式排屑器的工作原理為,通過旋轉的葉片對切屑進行螺旋輸送,適用于顆粒狀、馬蹄狀、塊狀的切屑。

(2) 刮板式排屑器。刮板式排屑器的工作原理為,驅動電機驅動鏈輪鏈條,在刮板的作用下,切削沿其運動方向完成輸送,刮板式排屑器適用于各種形狀的切屑。

(3) 鏈板式排屑器。鏈板式排屑器的工作原理為,在鏈板上安裝等距離的小刮板,切削落在鏈板上,通過小刮板的作用下完成輸送。其特點是排屑效率高,適用于小顆粒、馬蹄狀、塊狀、絲狀的切屑。

3 水箱冷卻泵基本原理

水箱是工件加工時的重要冷卻裝備。通常情況下與排屑器設計為一體。為了防止切屑回流至冷卻泵中,在排屑器和水箱之間加有過濾裝置,冷卻液通過冷卻泵的作用噴淋于工件上,對加工中的工件、切屑和刀具進行降溫,有效地提高了螺桿的加工精度,延長了刀具的使用壽命。噴淋后的冷卻液通過排液器回流至水箱中完成循環,噴淋的流速越大,降溫的作用就越明顯。通常采用高揚程的水泵。冷卻泵和其它液下泵一樣,電機位于泵的上方,通過兩半連接塊直接與冷卻泵連接。進液口在泵體錐底部直接抽吸液體,出口在上方。冷卻泵原理為:需要抽吸的機床冷卻液由泵體的底部導流座進入冷卻泵葉輪,在葉片高速旋轉的動力下,揚程與吸力均有增大;冷卻液進入導流器壓力室后,速度減小,動能再轉換為勢能,最后壓力冷卻液經出水口排出,達到噴淋的效果。

4 分體式鏈板排屑器及水箱結構選型

通過對螺桿銑床的結構、加工螺桿時產生的切削大小、生產效率、排屑效率、過濾效果及制造成本等因素進行綜合考慮,選用分體式鏈板排屑器及水箱,其組成部分如圖1所示。

圖1 分體式鏈板排屑器及水箱組成部分

5 結構設計

5.1 輸送效率選擇與輸送量計算

當分體式鏈板排屑器及水箱采用小角度輸送布置時,輸送角為0°～15°,輸送效率計算:

ηc=ηC

(1)

式中:ηc為小角度輸送布置時的輸送效率;η為輸送效率;C為傾斜因數。

輸送量計算:

Q0=3 600BHVη

(2)

式中:Q0為輸送量;B為機槽高度;H為承載機槽高度;V為刮板鏈條速度。

計算所得的Q0必須滿足:

Q0≥Qmax

(3)

式中:Qmax為實際最大輸送量。

5.2 驅動電機選型

驅動電機選擇三相異步電機,采用鏈條傳動,可得電機功率為:

(4)

式中:P0為所需電機功率;K為電機功率備用因數,鏈板式排屑器取1.3～1.5;Fm為驅動輪圓周力;ηi為驅動裝置傳動功率。

ηi=η1η2

(5)

式中:η1為電機傳動效率,為0.92～0.94;η2為鏈傳動效率,為0.85～0.90。

5.3 鏈條選型

主要根據輸送鏈條的最大張力來進行選取,必須滿足:

Fr≤[F]

(6)

式中:F為鏈條最大張力;[F]為鏈條許用載荷;r為鏈條使用因數。

r=rvrlru

(7)

式中:rv為速度因數,當速度不大于0.32 m/s時,取1.0,當速度為0.32～0.5 m/s時,取1.2;rl為長度因數,當輸送機長度不大于50 m時,取1.0,當輸送機長度L0大于50 m時,取L0/50;ru為物料性能因數,對于一般塊切屑,取1.0,對于顆粒較小的切屑,取1.1～1.2。

5.4 鏈條長度計算

鏈板鏈條類型選擇滾動鏈條,長度計算:

Ls=C+2L

(8)

式中:Ls為鏈板鏈條長度;C為鏈條長度偏差值;一般取1.1倍鏈輪周長;L為輸送距離。

5.5 水泵選型

為了保證螺桿的加工精度,螺桿加工中需要大量的切削液對加工工件進行降溫,為了避免水泵的堵塞,回收的切削液在循環使用時,需安裝過濾網保證水泵的安全工作。螺桿加工中對切削液需求量大,采用揚程大于4 m的三相水泵。

5.6 主軸軸承選型

主軸軸承主要依據尺寸精度、基本額定負荷、轉速來進行選擇。滾動軸承是現代機器中廣泛應用的部件之一,依靠主要部件間的滾動接觸來支承轉動零件。

在一般條件下工作的軸承,只要選擇類型合適,易于安裝、維護。排屑器在使用過程中容易造成軸承的磨損,應及時給予潤滑措施。

5.7 鏈條滑道設計

鏈條滑道的設計直接影響到排屑器的運行效果,筆者采用上下軌雙層滑道,使鏈條的運行更加平穩。滑道安裝于機身側壁,既提高了自身強度,又減少了切屑對鏈條的干涉。

5.8 機身及水箱設計

結合實際工況,設計機身的高度為220 mm,寬度為350 mm,機槽為多次折彎制成,既提高了自身強度,又節省了人力物力。在機身前部安裝水箱,可防止切屑堵塞水泵,在連接處安裝金屬過濾網,保證水泵的正常運轉。

5.9 其它輔助裝置設計

張緊裝置安裝在排屑器及水箱的機頭部分,通過調節絲杠帶動驅動鏈輪的位置,進而達到張緊的作用。在機身頭尾各安裝兩個吊裝環,方便移動。裝屑小車收集從排泄口排出的切屑,方便處理。

6 應用效果

排屑器及水箱故障率過高導致機床停機而造成用戶的經濟損失是一種非常常見的情況,造成排屑器及水箱的故障原因一般為使用不當或設計不合理,在運行過程中被卡死。針對這兩種情況,設計優化和使用培訓必不可少。排屑器及水箱作為收集和運輸加工中的切屑、輸送和回收冷卻液的裝置,是螺桿加工銑床的重要組成部分。在螺桿加工中需要大量的冷卻液為毛坯料和加工刀具進行降溫,排屑器及水箱的使用效果,直接影響了螺桿的加工精度及刀具的使用壽命,進而減少了因刀具損壞對螺桿加工產生的不合格率。通過對排屑器及水箱的優化設計,提高了排屑器及水箱的效率,解決了螺桿銑床在加工螺桿中因為排屑不及時和冷卻效果不佳產生的精度問題。

7 結束語

合理的螺桿銑床排屑器及水箱設計,不僅需要扎實的理論基礎,更要從實際出發,充分了解使用時的具體要求,從被加工螺桿的材料、實際的切屑量、切屑的大小形狀、切削冷卻液的多少、具體的工作環境及工況等方面因素,再結合螺桿銑床的自身結構,不斷地進行改進優化,才能找到適合的機型。筆者重點通過對螺桿銑床排屑器及水箱的分類和結構介紹、影響其使用效果的多方面因素進行分析,最終采用分體式鏈板排屑器及水箱,得到滿足使用需求的最優效果,解決了螺桿銑床在螺桿加工中因為排屑不及時及冷卻效果不佳產生的精度問題,保證了螺桿的加工質量。