童偉++王廷和++劉松年+++孫若望++王玲

摘 要：設(shè)計(jì)了由強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)，離心機(jī)構(gòu)和取屑放屑機(jī)構(gòu)裝配而成的永磁取屑裝置。該裝置利用強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)的強(qiáng)磁吸附能力和離心機(jī)構(gòu)的離心解鎖原理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化取屑、放屑功能。其中強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)使此裝置具備超強(qiáng)的取屑能力；在裝置完成放屑動(dòng)作時(shí)，離心機(jī)構(gòu)發(fā)揮離心解鎖功能。實(shí)際運(yùn)用表明，文章設(shè)計(jì)的永磁取屑裝置解決了傳統(tǒng)取屑時(shí)面臨的深盲孔小空間技術(shù)難題，提高了動(dòng)車轉(zhuǎn)向架空簧孔的加工效率。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)；離心機(jī)構(gòu)；取屑放屑機(jī)構(gòu)

引言

動(dòng)車組空氣彈簧安裝在高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中部，上接車體，通過(guò)空簧孔，下接到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，是列車二系懸掛系統(tǒng)中的主要承載部件?？栈煽咨喜窟B接空簧，下端與側(cè)梁、橫梁氣路聯(lián)通，空簧孔的加工質(zhì)量及內(nèi)部的清潔度如塵埃、雜質(zhì)，影響空簧的密封性及控制閥的精度，為保證空簧孔的加工質(zhì)量，需采用三次粗鏜和一次精鏜的加工工藝。

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架空簧孔是一類外小內(nèi)大的臺(tái)階盲孔，在每次的鏜削過(guò)程中都有大量的切屑沉積在空簧孔底部，目前，切屑是操作工人使用普通磁棒手動(dòng)清理完成。由于普通磁棒的磁能較低，需要多次吸附，才能完成切屑清理，導(dǎo)致空簧孔的加工效率明顯低于其他同類產(chǎn)品。

1 永磁取屑裝置總體概況

1.1 永磁取屑裝置的結(jié)構(gòu)組成

為實(shí)現(xiàn)空簧孔底部切屑的自動(dòng)化清理，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況，文章設(shè)計(jì)了該套永磁取屑裝置。設(shè)計(jì)的永磁取屑裝置主要由三個(gè)機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

1.1.1 離心機(jī)構(gòu)

離心機(jī)構(gòu)是由離心塊、離心法蘭、上鉤鎖、鋼絲繩、壓縮彈簧組成，它主要是通過(guò)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力使離心塊帶動(dòng)上鉤鎖完成上鉤鎖的解鎖動(dòng)作。

1.1.2 取屑放屑機(jī)構(gòu)

取屑放屑機(jī)構(gòu)由下鉤鎖、套筒法蘭、套筒、拉伸彈簧組成，它主要是通過(guò)拉伸彈簧的拉力使磁鐵軸與套筒相對(duì)運(yùn)動(dòng)以完成取屑放屑的動(dòng)作。

1.1.3 強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)

強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)是由永磁鐵、磁鐵軸、磁鐵座組成，磁鐵軸吸附在永磁鐵的上端面，可以有效地改變其磁場(chǎng)分布，使磁鐵取屑量顯著增加。

1刀柄連桿，2離心塊，3離心法蘭，4上鉤鎖，5下鉤鎖6套筒法蘭，7套筒，8磁鐵座，9封頭套筒，10壓縮彈簧，11鋼絲繩，12導(dǎo)向鍵，13拉伸彈簧，14磁鐵軸，15永磁體，16封頭

圖1 永磁取屑裝置示意圖

1.2 永磁取屑裝置的工作原理

永磁取屑裝置是利用強(qiáng)磁吸附和離心解鎖的原理實(shí)現(xiàn)其取屑放屑功能。其工作過(guò)程如下：需要清理切屑時(shí)，通過(guò)加工中心的換刀指令將該裝置換裝到主軸上。通過(guò)加工中心主軸的移動(dòng)將該裝置定位到所需清理盲孔的上方，Z軸負(fù)方向進(jìn)給，當(dāng)退屑套筒封頭觸碰到鐵屑后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最終使上鉤鎖和下鉤鎖掛連在一起；為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在程序里設(shè)定下降距離，保證每次下降時(shí)鉤鎖均能鎖合，Z軸正向進(jìn)給，移出空簧孔，主軸水平移動(dòng)到退屑位置；主軸正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，使上鉤鎖在離心力的作用下打開(kāi)，與下鉤鎖相連的退屑套筒在拉伸彈簧的拉伸力作用下回彈復(fù)位，即完成一次自動(dòng)取屑退屑的過(guò)程。

2 永磁取屑裝置硬件設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

2.1 磁鐵軸的設(shè)計(jì)

磁鐵軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中連接軸是磁鐵軸與刀柄連桿和離心法蘭的連接處，導(dǎo)向軸是套筒法蘭在磁鐵軸上滑動(dòng)的導(dǎo)向部位，導(dǎo)向鍵裝在鍵槽里，防止套筒相對(duì)磁鐵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，定位軸用來(lái)與磁鐵座連接和定位。

2.2 拉伸彈簧、離心塊及鉤鎖機(jī)構(gòu)的受力分析

拉伸彈簧的選用：拉伸彈簧的受力和彈性系數(shù)是根據(jù)套筒釋放鐵屑所需的拉力F拉和套筒釋放鐵屑的臨界距離L所確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定可得F拉=30N，L=40mm，為保證彈簧受力均勻，取彈簧兩邊載荷均為F均=32.3N，則選取B型拉伸彈簧，其參數(shù)為：材料直徑？覬=0.8mm，中徑Ф=5mm，自由長(zhǎng)度L原始=41mm。

永磁取屑裝置放屑時(shí)的動(dòng)平衡驗(yàn)證：放屑時(shí)，取單邊載荷為F單=32.3N，只考慮單側(cè)受力，取摩擦系數(shù)μ=0.2，則上鉤鎖受到的水平摩擦力為Fμ=6.5N，壓縮彈簧壓縮至上下鉤鎖打開(kāi)的臨界狀態(tài)時(shí)，壓縮彈簧的反向彈力F反向=15N；則鉤鎖能打開(kāi)的理論離心力F理論=Fμ+F反向=21.5N，所以實(shí)際離心力F實(shí)際？叟21.5N時(shí)才能打開(kāi)鉤鎖。

由于離心法蘭的尺寸限制，離心塊的質(zhì)心與中心軸軸心距離為76mm。考慮永磁取屑裝置的動(dòng)平衡性時(shí)，要求機(jī)床轉(zhuǎn)速不能超過(guò)400r/min，初選離心塊的質(zhì)量m=0.18kg，則經(jīng)計(jì)算可得：當(dāng)單側(cè)離心力為21.5N時(shí)，機(jī)床轉(zhuǎn)速為380r/min，能夠滿足永磁取屑裝置的動(dòng)平衡要求。

2.3 強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分析

2.3.1 釹鐵硼永磁體參數(shù)及尺寸選擇

釹鐵硼永磁材料屬于稀土永磁材料，在磁場(chǎng)性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于普通的鐵氧永磁體。根據(jù)空簧孔的尺寸大小和C形屑的切屑量，初步選取4塊？覬30mm、高5mm的釹鐵硼永磁鐵作為永磁取屑裝置的永磁體。

2.3.2 磁場(chǎng)分布有限元分析

圓柱狀釹鐵硼永磁體磁極在上下兩個(gè)端面處，為利用釹鐵硼永磁體磁力最強(qiáng)點(diǎn)，文章使永磁體的其中一極朝下，作為吸取鐵屑的部位。

文章采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)釹鐵硼永磁體的磁力線分布圖進(jìn)行模擬，如圖3-a所示，令下端為N極，當(dāng)不加磁鐵軸時(shí)，磁力線從永磁體下端出發(fā)，環(huán)繞360°回到上端。此時(shí)磁力線的特點(diǎn)是：自N極出發(fā)后以很大的曲率開(kāi)始彎轉(zhuǎn)，導(dǎo)致永磁體正下方磁力線迅速變疏和磁化能迅速降低，致使吸取的切屑質(zhì)量并不理想，達(dá)不到預(yù)期的清除效果。

（a）無(wú)磁鐵軸磁場(chǎng)分布 （b）有磁體軸磁場(chǎng)分布

圖3 磁力線分布對(duì)比圖

為改善釹鐵硼永磁體的磁場(chǎng)分布，本文在永磁體的其中一極吸附一根磁鐵軸，使另一極的磁感線分布情況得到極大改善，磁力線曲率比不加磁鐵軸時(shí)要小的多，如圖3-b所示。

3 永磁取屑裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用永磁取屑裝置，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了10次取屑實(shí)驗(yàn)，鉤鎖機(jī)構(gòu)工作順暢，取屑放屑工作順暢，現(xiàn)場(chǎng)最多采用4次取屑即可將切屑基本清除，其中第一次，第四次取屑量如圖4所示，實(shí)驗(yàn)證明永磁取屑裝置達(dá)到了預(yù)期的取屑效果。

（a）第一次取屑量 （b）第四次取屑量

圖4 第一次、第四次取屑量效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

永磁取屑裝置可以利用機(jī)床指令完成取屑放屑的自動(dòng)化過(guò)程，滿足了空簧孔鏜孔過(guò)程中切屑的自動(dòng)取放的要求；利用該套裝置可在1分鐘之內(nèi)完成一次鏜孔的清理，明顯減少了切屑的清理時(shí)間，只需調(diào)取程序即可完成取屑放屑操作，減少了人工操作的危險(xiǎn)性。

綜上所述，永磁取屑裝置能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向架空簧孔鏜削切屑的自動(dòng)化清理。

參考文獻(xiàn)

[1]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.

[2]周媛.螺旋銑刀在轉(zhuǎn)向架加工中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛工人， 2001（2）： 9-10.

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

[4]溫旭東.（Fe，Co）-RE-B-M（M=Cu，Nb）永磁材料磁性能的研究[D].鄭州大學(xué)，2012.

[5]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（3）：373-375.

作者簡(jiǎn)介：童偉（1987-），男，碩士研究生，主要從事先進(jìn)制造和制造業(yè)自動(dòng)化等工作。

通訊作者：王廷和（1957-），男，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師。endprint

摘 要：設(shè)計(jì)了由強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)，離心機(jī)構(gòu)和取屑放屑機(jī)構(gòu)裝配而成的永磁取屑裝置。該裝置利用強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)的強(qiáng)磁吸附能力和離心機(jī)構(gòu)的離心解鎖原理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化取屑、放屑功能。其中強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)使此裝置具備超強(qiáng)的取屑能力；在裝置完成放屑動(dòng)作時(shí)，離心機(jī)構(gòu)發(fā)揮離心解鎖功能。實(shí)際運(yùn)用表明，文章設(shè)計(jì)的永磁取屑裝置解決了傳統(tǒng)取屑時(shí)面臨的深盲孔小空間技術(shù)難題，提高了動(dòng)車轉(zhuǎn)向架空簧孔的加工效率。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)；離心機(jī)構(gòu)；取屑放屑機(jī)構(gòu)

引言

動(dòng)車組空氣彈簧安裝在高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中部，上接車體，通過(guò)空簧孔，下接到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，是列車二系懸掛系統(tǒng)中的主要承載部件?？栈煽咨喜窟B接空簧，下端與側(cè)梁、橫梁氣路聯(lián)通，空簧孔的加工質(zhì)量及內(nèi)部的清潔度如塵埃、雜質(zhì)，影響空簧的密封性及控制閥的精度，為保證空簧孔的加工質(zhì)量，需采用三次粗鏜和一次精鏜的加工工藝。

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架空簧孔是一類外小內(nèi)大的臺(tái)階盲孔，在每次的鏜削過(guò)程中都有大量的切屑沉積在空簧孔底部，目前，切屑是操作工人使用普通磁棒手動(dòng)清理完成。由于普通磁棒的磁能較低，需要多次吸附，才能完成切屑清理，導(dǎo)致空簧孔的加工效率明顯低于其他同類產(chǎn)品。

1 永磁取屑裝置總體概況

1.1 永磁取屑裝置的結(jié)構(gòu)組成

為實(shí)現(xiàn)空簧孔底部切屑的自動(dòng)化清理，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況，文章設(shè)計(jì)了該套永磁取屑裝置。設(shè)計(jì)的永磁取屑裝置主要由三個(gè)機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

1.1.1 離心機(jī)構(gòu)

離心機(jī)構(gòu)是由離心塊、離心法蘭、上鉤鎖、鋼絲繩、壓縮彈簧組成，它主要是通過(guò)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力使離心塊帶動(dòng)上鉤鎖完成上鉤鎖的解鎖動(dòng)作。

1.1.2 取屑放屑機(jī)構(gòu)

取屑放屑機(jī)構(gòu)由下鉤鎖、套筒法蘭、套筒、拉伸彈簧組成，它主要是通過(guò)拉伸彈簧的拉力使磁鐵軸與套筒相對(duì)運(yùn)動(dòng)以完成取屑放屑的動(dòng)作。

1.1.3 強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)

強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)是由永磁鐵、磁鐵軸、磁鐵座組成，磁鐵軸吸附在永磁鐵的上端面，可以有效地改變其磁場(chǎng)分布，使磁鐵取屑量顯著增加。

1刀柄連桿，2離心塊，3離心法蘭，4上鉤鎖，5下鉤鎖6套筒法蘭，7套筒，8磁鐵座，9封頭套筒，10壓縮彈簧，11鋼絲繩，12導(dǎo)向鍵，13拉伸彈簧，14磁鐵軸，15永磁體，16封頭

圖1 永磁取屑裝置示意圖

1.2 永磁取屑裝置的工作原理

永磁取屑裝置是利用強(qiáng)磁吸附和離心解鎖的原理實(shí)現(xiàn)其取屑放屑功能。其工作過(guò)程如下：需要清理切屑時(shí)，通過(guò)加工中心的換刀指令將該裝置換裝到主軸上。通過(guò)加工中心主軸的移動(dòng)將該裝置定位到所需清理盲孔的上方，Z軸負(fù)方向進(jìn)給，當(dāng)退屑套筒封頭觸碰到鐵屑后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最終使上鉤鎖和下鉤鎖掛連在一起；為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在程序里設(shè)定下降距離，保證每次下降時(shí)鉤鎖均能鎖合，Z軸正向進(jìn)給，移出空簧孔，主軸水平移動(dòng)到退屑位置；主軸正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，使上鉤鎖在離心力的作用下打開(kāi)，與下鉤鎖相連的退屑套筒在拉伸彈簧的拉伸力作用下回彈復(fù)位，即完成一次自動(dòng)取屑退屑的過(guò)程。

2 永磁取屑裝置硬件設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

2.1 磁鐵軸的設(shè)計(jì)

磁鐵軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中連接軸是磁鐵軸與刀柄連桿和離心法蘭的連接處，導(dǎo)向軸是套筒法蘭在磁鐵軸上滑動(dòng)的導(dǎo)向部位，導(dǎo)向鍵裝在鍵槽里，防止套筒相對(duì)磁鐵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，定位軸用來(lái)與磁鐵座連接和定位。

2.2 拉伸彈簧、離心塊及鉤鎖機(jī)構(gòu)的受力分析

拉伸彈簧的選用：拉伸彈簧的受力和彈性系數(shù)是根據(jù)套筒釋放鐵屑所需的拉力F拉和套筒釋放鐵屑的臨界距離L所確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定可得F拉=30N，L=40mm，為保證彈簧受力均勻，取彈簧兩邊載荷均為F均=32.3N，則選取B型拉伸彈簧，其參數(shù)為：材料直徑？覬=0.8mm，中徑Ф=5mm，自由長(zhǎng)度L原始=41mm。

永磁取屑裝置放屑時(shí)的動(dòng)平衡驗(yàn)證：放屑時(shí)，取單邊載荷為F單=32.3N，只考慮單側(cè)受力，取摩擦系數(shù)μ=0.2，則上鉤鎖受到的水平摩擦力為Fμ=6.5N，壓縮彈簧壓縮至上下鉤鎖打開(kāi)的臨界狀態(tài)時(shí)，壓縮彈簧的反向彈力F反向=15N；則鉤鎖能打開(kāi)的理論離心力F理論=Fμ+F反向=21.5N，所以實(shí)際離心力F實(shí)際？叟21.5N時(shí)才能打開(kāi)鉤鎖。

由于離心法蘭的尺寸限制，離心塊的質(zhì)心與中心軸軸心距離為76mm?？紤]永磁取屑裝置的動(dòng)平衡性時(shí)，要求機(jī)床轉(zhuǎn)速不能超過(guò)400r/min，初選離心塊的質(zhì)量m=0.18kg，則經(jīng)計(jì)算可得：當(dāng)單側(cè)離心力為21.5N時(shí)，機(jī)床轉(zhuǎn)速為380r/min，能夠滿足永磁取屑裝置的動(dòng)平衡要求。

2.3 強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分析

2.3.1 釹鐵硼永磁體參數(shù)及尺寸選擇

釹鐵硼永磁材料屬于稀土永磁材料，在磁場(chǎng)性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于普通的鐵氧永磁體。根據(jù)空簧孔的尺寸大小和C形屑的切屑量，初步選取4塊？覬30mm、高5mm的釹鐵硼永磁鐵作為永磁取屑裝置的永磁體。

2.3.2 磁場(chǎng)分布有限元分析

圓柱狀釹鐵硼永磁體磁極在上下兩個(gè)端面處，為利用釹鐵硼永磁體磁力最強(qiáng)點(diǎn)，文章使永磁體的其中一極朝下，作為吸取鐵屑的部位。

文章采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)釹鐵硼永磁體的磁力線分布圖進(jìn)行模擬，如圖3-a所示，令下端為N極，當(dāng)不加磁鐵軸時(shí)，磁力線從永磁體下端出發(fā)，環(huán)繞360°回到上端。此時(shí)磁力線的特點(diǎn)是：自N極出發(fā)后以很大的曲率開(kāi)始彎轉(zhuǎn)，導(dǎo)致永磁體正下方磁力線迅速變疏和磁化能迅速降低，致使吸取的切屑質(zhì)量并不理想，達(dá)不到預(yù)期的清除效果。

（a）無(wú)磁鐵軸磁場(chǎng)分布 （b）有磁體軸磁場(chǎng)分布

圖3 磁力線分布對(duì)比圖

為改善釹鐵硼永磁體的磁場(chǎng)分布，本文在永磁體的其中一極吸附一根磁鐵軸，使另一極的磁感線分布情況得到極大改善，磁力線曲率比不加磁鐵軸時(shí)要小的多，如圖3-b所示。

3 永磁取屑裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用永磁取屑裝置，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了10次取屑實(shí)驗(yàn)，鉤鎖機(jī)構(gòu)工作順暢，取屑放屑工作順暢，現(xiàn)場(chǎng)最多采用4次取屑即可將切屑基本清除，其中第一次，第四次取屑量如圖4所示，實(shí)驗(yàn)證明永磁取屑裝置達(dá)到了預(yù)期的取屑效果。

（a）第一次取屑量 （b）第四次取屑量

圖4 第一次、第四次取屑量效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

永磁取屑裝置可以利用機(jī)床指令完成取屑放屑的自動(dòng)化過(guò)程，滿足了空簧孔鏜孔過(guò)程中切屑的自動(dòng)取放的要求；利用該套裝置可在1分鐘之內(nèi)完成一次鏜孔的清理，明顯減少了切屑的清理時(shí)間，只需調(diào)取程序即可完成取屑放屑操作，減少了人工操作的危險(xiǎn)性。

綜上所述，永磁取屑裝置能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向架空簧孔鏜削切屑的自動(dòng)化清理。

參考文獻(xiàn)

[1]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.

[2]周媛.螺旋銑刀在轉(zhuǎn)向架加工中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛工人， 2001（2）： 9-10.

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

[4]溫旭東.（Fe，Co）-RE-B-M（M=Cu，Nb）永磁材料磁性能的研究[D].鄭州大學(xué)，2012.

[5]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（3）：373-375.

作者簡(jiǎn)介：童偉（1987-），男，碩士研究生，主要從事先進(jìn)制造和制造業(yè)自動(dòng)化等工作。

通訊作者：王廷和（1957-），男，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師。endprint

摘 要：設(shè)計(jì)了由強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)，離心機(jī)構(gòu)和取屑放屑機(jī)構(gòu)裝配而成的永磁取屑裝置。該裝置利用強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)的強(qiáng)磁吸附能力和離心機(jī)構(gòu)的離心解鎖原理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化取屑、放屑功能。其中強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)使此裝置具備超強(qiáng)的取屑能力；在裝置完成放屑動(dòng)作時(shí)，離心機(jī)構(gòu)發(fā)揮離心解鎖功能。實(shí)際運(yùn)用表明，文章設(shè)計(jì)的永磁取屑裝置解決了傳統(tǒng)取屑時(shí)面臨的深盲孔小空間技術(shù)難題，提高了動(dòng)車轉(zhuǎn)向架空簧孔的加工效率。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)；離心機(jī)構(gòu)；取屑放屑機(jī)構(gòu)

引言

動(dòng)車組空氣彈簧安裝在高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中部，上接車體，通過(guò)空簧孔，下接到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，是列車二系懸掛系統(tǒng)中的主要承載部件?？栈煽咨喜窟B接空簧，下端與側(cè)梁、橫梁氣路聯(lián)通，空簧孔的加工質(zhì)量及內(nèi)部的清潔度如塵埃、雜質(zhì)，影響空簧的密封性及控制閥的精度，為保證空簧孔的加工質(zhì)量，需采用三次粗鏜和一次精鏜的加工工藝。

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架空簧孔是一類外小內(nèi)大的臺(tái)階盲孔，在每次的鏜削過(guò)程中都有大量的切屑沉積在空簧孔底部，目前，切屑是操作工人使用普通磁棒手動(dòng)清理完成。由于普通磁棒的磁能較低，需要多次吸附，才能完成切屑清理，導(dǎo)致空簧孔的加工效率明顯低于其他同類產(chǎn)品。

1 永磁取屑裝置總體概況

1.1 永磁取屑裝置的結(jié)構(gòu)組成

為實(shí)現(xiàn)空簧孔底部切屑的自動(dòng)化清理，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況，文章設(shè)計(jì)了該套永磁取屑裝置。設(shè)計(jì)的永磁取屑裝置主要由三個(gè)機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

1.1.1 離心機(jī)構(gòu)

離心機(jī)構(gòu)是由離心塊、離心法蘭、上鉤鎖、鋼絲繩、壓縮彈簧組成，它主要是通過(guò)機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力使離心塊帶動(dòng)上鉤鎖完成上鉤鎖的解鎖動(dòng)作。

1.1.2 取屑放屑機(jī)構(gòu)

取屑放屑機(jī)構(gòu)由下鉤鎖、套筒法蘭、套筒、拉伸彈簧組成，它主要是通過(guò)拉伸彈簧的拉力使磁鐵軸與套筒相對(duì)運(yùn)動(dòng)以完成取屑放屑的動(dòng)作。

1.1.3 強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)

強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)是由永磁鐵、磁鐵軸、磁鐵座組成，磁鐵軸吸附在永磁鐵的上端面，可以有效地改變其磁場(chǎng)分布，使磁鐵取屑量顯著增加。

1刀柄連桿，2離心塊，3離心法蘭，4上鉤鎖，5下鉤鎖6套筒法蘭，7套筒，8磁鐵座，9封頭套筒，10壓縮彈簧，11鋼絲繩，12導(dǎo)向鍵，13拉伸彈簧，14磁鐵軸，15永磁體，16封頭

圖1 永磁取屑裝置示意圖

1.2 永磁取屑裝置的工作原理

永磁取屑裝置是利用強(qiáng)磁吸附和離心解鎖的原理實(shí)現(xiàn)其取屑放屑功能。其工作過(guò)程如下：需要清理切屑時(shí)，通過(guò)加工中心的換刀指令將該裝置換裝到主軸上。通過(guò)加工中心主軸的移動(dòng)將該裝置定位到所需清理盲孔的上方，Z軸負(fù)方向進(jìn)給，當(dāng)退屑套筒封頭觸碰到鐵屑后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最終使上鉤鎖和下鉤鎖掛連在一起；為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在程序里設(shè)定下降距離，保證每次下降時(shí)鉤鎖均能鎖合，Z軸正向進(jìn)給，移出空簧孔，主軸水平移動(dòng)到退屑位置；主軸正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，使上鉤鎖在離心力的作用下打開(kāi)，與下鉤鎖相連的退屑套筒在拉伸彈簧的拉伸力作用下回彈復(fù)位，即完成一次自動(dòng)取屑退屑的過(guò)程。

2 永磁取屑裝置硬件設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

2.1 磁鐵軸的設(shè)計(jì)

磁鐵軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中連接軸是磁鐵軸與刀柄連桿和離心法蘭的連接處，導(dǎo)向軸是套筒法蘭在磁鐵軸上滑動(dòng)的導(dǎo)向部位，導(dǎo)向鍵裝在鍵槽里，防止套筒相對(duì)磁鐵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，定位軸用來(lái)與磁鐵座連接和定位。

2.2 拉伸彈簧、離心塊及鉤鎖機(jī)構(gòu)的受力分析

拉伸彈簧的選用：拉伸彈簧的受力和彈性系數(shù)是根據(jù)套筒釋放鐵屑所需的拉力F拉和套筒釋放鐵屑的臨界距離L所確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定可得F拉=30N，L=40mm，為保證彈簧受力均勻，取彈簧兩邊載荷均為F均=32.3N，則選取B型拉伸彈簧，其參數(shù)為：材料直徑？覬=0.8mm，中徑Ф=5mm，自由長(zhǎng)度L原始=41mm。

永磁取屑裝置放屑時(shí)的動(dòng)平衡驗(yàn)證：放屑時(shí)，取單邊載荷為F單=32.3N，只考慮單側(cè)受力，取摩擦系數(shù)μ=0.2，則上鉤鎖受到的水平摩擦力為Fμ=6.5N，壓縮彈簧壓縮至上下鉤鎖打開(kāi)的臨界狀態(tài)時(shí)，壓縮彈簧的反向彈力F反向=15N；則鉤鎖能打開(kāi)的理論離心力F理論=Fμ+F反向=21.5N，所以實(shí)際離心力F實(shí)際？叟21.5N時(shí)才能打開(kāi)鉤鎖。

由于離心法蘭的尺寸限制，離心塊的質(zhì)心與中心軸軸心距離為76mm?？紤]永磁取屑裝置的動(dòng)平衡性時(shí)，要求機(jī)床轉(zhuǎn)速不能超過(guò)400r/min，初選離心塊的質(zhì)量m=0.18kg，則經(jīng)計(jì)算可得：當(dāng)單側(cè)離心力為21.5N時(shí)，機(jī)床轉(zhuǎn)速為380r/min，能夠滿足永磁取屑裝置的動(dòng)平衡要求。

2.3 強(qiáng)磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分析

2.3.1 釹鐵硼永磁體參數(shù)及尺寸選擇

釹鐵硼永磁材料屬于稀土永磁材料，在磁場(chǎng)性能方面遠(yuǎn)優(yōu)于普通的鐵氧永磁體。根據(jù)空簧孔的尺寸大小和C形屑的切屑量，初步選取4塊？覬30mm、高5mm的釹鐵硼永磁鐵作為永磁取屑裝置的永磁體。

2.3.2 磁場(chǎng)分布有限元分析

圓柱狀釹鐵硼永磁體磁極在上下兩個(gè)端面處，為利用釹鐵硼永磁體磁力最強(qiáng)點(diǎn)，文章使永磁體的其中一極朝下，作為吸取鐵屑的部位。

文章采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)釹鐵硼永磁體的磁力線分布圖進(jìn)行模擬，如圖3-a所示，令下端為N極，當(dāng)不加磁鐵軸時(shí)，磁力線從永磁體下端出發(fā)，環(huán)繞360°回到上端。此時(shí)磁力線的特點(diǎn)是：自N極出發(fā)后以很大的曲率開(kāi)始彎轉(zhuǎn)，導(dǎo)致永磁體正下方磁力線迅速變疏和磁化能迅速降低，致使吸取的切屑質(zhì)量并不理想，達(dá)不到預(yù)期的清除效果。

（a）無(wú)磁鐵軸磁場(chǎng)分布 （b）有磁體軸磁場(chǎng)分布

圖3 磁力線分布對(duì)比圖

為改善釹鐵硼永磁體的磁場(chǎng)分布，本文在永磁體的其中一極吸附一根磁鐵軸，使另一極的磁感線分布情況得到極大改善，磁力線曲率比不加磁鐵軸時(shí)要小的多，如圖3-b所示。

3 永磁取屑裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用永磁取屑裝置，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了10次取屑實(shí)驗(yàn)，鉤鎖機(jī)構(gòu)工作順暢，取屑放屑工作順暢，現(xiàn)場(chǎng)最多采用4次取屑即可將切屑基本清除，其中第一次，第四次取屑量如圖4所示，實(shí)驗(yàn)證明永磁取屑裝置達(dá)到了預(yù)期的取屑效果。

（a）第一次取屑量 （b）第四次取屑量

圖4 第一次、第四次取屑量效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

永磁取屑裝置可以利用機(jī)床指令完成取屑放屑的自動(dòng)化過(guò)程，滿足了空簧孔鏜孔過(guò)程中切屑的自動(dòng)取放的要求；利用該套裝置可在1分鐘之內(nèi)完成一次鏜孔的清理，明顯減少了切屑的清理時(shí)間，只需調(diào)取程序即可完成取屑放屑操作，減少了人工操作的危險(xiǎn)性。

綜上所述，永磁取屑裝置能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向架空簧孔鏜削切屑的自動(dòng)化清理。

參考文獻(xiàn)

[1]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.

[2]周媛.螺旋銑刀在轉(zhuǎn)向架加工中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛工人， 2001（2）： 9-10.

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

[4]溫旭東.（Fe，Co）-RE-B-M（M=Cu，Nb）永磁材料磁性能的研究[D].鄭州大學(xué)，2012.

[5]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（3）：373-375.

作者簡(jiǎn)介：童偉（1987-），男，碩士研究生，主要從事先進(jìn)制造和制造業(yè)自動(dòng)化等工作。

通訊作者：王廷和（1957-），男，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師。endprint