柳建鋒， 王靜

（寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞 721013）

0 引言

對于非金屬材質零件，大多數制作工藝以模具壓鑄成形為主，但對高精度非金屬材料如塑料、橡膠等所制零件，模具壓鑄精度已不能滿足零件使用要求，通常需要通過機械加工手段來達到所需尺寸精度。以車床加工橡膠密封圈為例，密封圈材質多以各類橡膠為主，尤其在有高精度要求的密封圈制造過程中，關鍵配合尺寸精度均采用車削加工實現(xiàn)。隨著該類車削工藝的逐年發(fā)展應用，采用橡膠或塑料材質的密封圈在車削加工中極易產生長屑，如不及時清理，對已加工工件表面會產生嚴重的刮傷，該現(xiàn)象已成為密封圈車削加工中遇到的普遍問題。本文通過研究一種將橡膠或塑料車削所產生的長屑在加工過程中將其切斷的裝置，從而改善橡膠或塑料車削工藝的不足，發(fā)揮出這類車削工藝的最大優(yōu)勢。

1 加工工藝分析

提到橡膠密封圈車削工藝，大多會想到加工產生的長屑會纏繞刀具或工件，因多數這類非金屬材質較軟，且具有一定韌性，車削易產生帶狀長屑，且不易斷掉，這種長屑如不及時從刀具周圍立即清除，會在短時間內產生一個很大的帶狀屑球，懸浮于已車削過的工件表面，導致已完成的工件表面刮傷，影響密封圈使用效果。為解決該問題，可以設想一下，這類非金屬材料普遍質量較輕，若能有一個類似吸塵器的裝置，將其瞬間吸走即可解決問題，但是由于橡膠韌性強，若不停地吸入一根很長很長的屑，那么在管道內部因空間方向多變，在管道彎曲部分，會急速產生團狀屑，導致管路堵塞。這樣的方案還是有缺陷的。如果能在長屑進入管道前將其處理為短屑，這樣就不會堵塞管道了。為此我們在長屑進入管道前設想增加一個斷屑裝置，這樣就解決了長屑成團堵塞管道問題。通過以上車削過程及長屑處理過程的分析，對該車削工藝所用設備提出了新要求，要求設備配置吸屑裝備、斷屑裝置，滿足密封圈車削工藝要求。

2 整機方案的提出

有了對非金屬材質密封圈車削工藝過程的分析，對機床提出一些特殊配置要求：1）機床需增加一個吸屑裝置3，如圖1所示；2）在機床刀架附近需增加一個斷屑裝置4，如圖2所示。至少具備這兩個條件，方可滿足上述工藝對機床的要求。

圖1 機床整體布局圖

圖2 斷屑裝置在機內的布局圖

針對這些要求，首先，對設備整機方案進行構想，如圖1所示，在機床側面放置一個吸屑裝置3，通過吸屑管2連接至主機1內部的車削刀具附近，實現(xiàn)對車削產生長屑的及時處理，滿足將長屑瞬間吸走的要求。通過這樣一系列的處理過程，吸屑裝置3所吸入的非金屬廢屑定期在該處可進行集中回收處理，減少廢屑對周圍環(huán)境的污染，提升機床品質。

其次，對機床內部布局進行設想。如圖2所示，在車刀7的附近布置一個可以將長屑3切斷的斷屑裝置4，在長屑3被吸入斷屑裝置4過程中，將其處理為短屑。整個斷屑裝置4是和刀塔5固定在一起的，車削時跟隨車刀7一起移動，斷屑裝置4的吸屑口始終處于與車刀7刀尖固定距離的位置，在車削過程中產生的長屑3會受到斷屑裝置4處吸屑口處強大的吸力，呈直線狀進入吸屑口，為保證長屑不與車削后的工件表面接觸，需要將剛車削產生的長屑立即吸入斷屑裝置4，將長屑在第一時間被設置在斷屑裝置4內部的機構切斷成若干短屑被吸走，從而達到保護工件、防止管道堵塞的目的。

3 切斷裝置的研究與設計

機床內外布局設計完成后，接下來對斷屑裝置具體結構進行研究與設計。假設車削所產生的長屑是一根很長的線，要將這根線在單位時間內均勻地分成所需要的若干個規(guī)定長度的短屑，這就首先保證長屑要被及時吸走，且長屑進入斷屑裝置的速度不小于車削刀具的線速度，這樣才可依據車削刀具線速度來計算所需短屑的長度。否則長屑會堵在斷屑裝置入口處，無法實現(xiàn)斷屑的目的。在這里特別提示一下，首先要選擇一款吸力足夠大的吸屑裝置，關于吸屑柜的選型，相關制造商會根據實際工況推薦一款合適的產品。

下面介紹一下吸屑裝置選型中關鍵參數真空度及風量估算方法供大家參考。

首先根據經驗估算所需真空度。在估算吸力的大小時，需著重考慮長屑端頭質量、進入管道的速度及機床內部空間大小等因素。要將車削起初產生的屑頭快速吸進斷屑裝置切斷刀斷面處，吸力至少大于這段屑頭的重力，加之又是從側面吸入，建議吸力大于2倍重力。真空度的單位一般為“kPa”,這類機床工況復雜，為簡便計算，直接用所吸屑頭所受重力的2倍作為吸力，用所吸屑頭的吸力直接作用截面作為吸力所受面積，利用壓強計算的基本公式P=F/S,可粗略估算出所需真空度參數，在選型時可再適當乘以安全系數。

第二，估算一下風量。風量的估算需結合車削線速度，單位一般為“m3/h”,這個參數估算時可將屑頭的大小所在空間建立一個立方體，把這個立方體看作一個單位，車削線速度是每分鐘會產生若干個這樣的最小單位空間，所以風量用這個最小單位乘以線速度即可估算出，為消除工況影響也可適當乘以安全系數。

舉例：屑頭長度為100 mm,寬度為5 mm，厚度為0.2 mm，質量約為10 g，估算真空度及風量。真空度估算：m=0.01 kg，g=9.8 N/kg，則吸力F=2mg=2×0.01×9.8=0.196 N；選取長度×厚度形成的截斷面積S=0.1×0.0002=0.00002 m2；真空度P=F/S=0.196/0.00002=9.8 kPa。風量估算：屑頭長邊為100 mm，所在單位立方體大小可用長度作為邊長計算，可算得單位立方體積N=0.001 m3,取車削線速度V=200 m/min，估算風量Q=V×N×60=200×0.001×60=12 m3/h。根據這兩個經驗估算值選擇合適的吸屑裝置即可。

接下來研究一下斷屑裝置的設計。要將一根長屑截斷成若干小段，一般采取的方法是剪斷，對于數控機床而言，最容易實現(xiàn)的動作無非有兩種，即直線運動和旋轉運動。如果采用剪刀原理的擺線運動，實現(xiàn)成本過高，不經濟，在這里推薦使用旋轉運動，比較容易實現(xiàn)且結構緊湊，節(jié)省空間。如圖3所示，可采取兩個十字交叉旋轉刀片4結構，一個固定，一個旋轉，依據剪切原理將長屑剪斷。旋轉刀片4每繞中心旋轉一圈，兩個刀片相交兩次，可對長屑進行兩次剪切，只要旋轉刀片4轉速與長屑吸入速度合理匹配，長屑持續(xù)呈線性進入吸屑口，通過間斷剪切，就可得到所需長度的短屑。

圖3 刀具方案圖

有了對切斷刀具的初步方案設計，下面對旋轉刀片4轉速及驅動電動機大小進行計算。假設長屑線速度為V=200 m/min，吸屑裝置的吸力足夠保證長屑以同樣的速度進入斷屑裝置，所需截斷后短屑長度為L=100 mm，求旋轉刀具轉速。這種切斷刀具每轉一圈切斷次數為S=2 次/r，計算過程如下。

第一步，計算旋轉刀具轉速,該部分計算原理為：單位時間內長屑通過斷屑裝置的長度與刀片旋轉的次數的關系，長屑以200 m/min的速度通過，在1 min內屑長為200 m，將200 m在1 min內切斷成2000份長度為0.1 m的斷屑，需要切斷大約2000次，主軸每轉一轉切斷2次，從而可得1 min內刀片旋轉1000轉。具體計算公式為

將式（1）代入數值得N=200/（0.1×2）=1000 r/min。

第二，步計算電動機功率,要計算電動機功率，需先從刀片受力情況開始分析，電動機要驅動主軸旋轉首先要克服主軸自身重力，其次克服切斷阻力，在該裝置方案中，因其非金屬材料質輕柔軟，刀具受力非常小，計算時可以忽略不計，只要考慮主軸空載功率即可。要計算主軸空載功率先對主軸結構總體質量進程預估，對主軸與電動機傳動方式進行初步選型等一系列設計。

接下來詳細研究主軸結構的設計，該裝置結構簡單，只需帶動旋轉刀片做旋轉運動，工作期間不受軸向力，由于轉速不是很高，支撐的關鍵零件軸承選擇深溝球軸承即可。軸承大小根據主軸內孔大小確定。主軸的內孔大小是根據斷屑裝置入口處大小決定，一般入口直徑大于φ40 mm效果較好。因其轉速不是很高,軸承潤滑選擇油脂潤滑即可，考慮該部分使用工況，在選擇軸承時直接選擇帶密封結構軸承，可降低機床維護成本。軸承跨距大于3倍的軸承內孔直徑,支撐效果較佳。

軸承初選完成后進行帶輪設計，從上述受力粗略分析來看，該部分受力不大，屬于輕型系列設計，在電動機與刀片安裝主軸傳動方式上選擇較為容易且成本較低的結構即可。這里推薦同步帶傳動，主要考慮到結構簡單易造、設計靈活、便于操作。傳動方式選定后，需設計帶輪相關參數。如果按常規(guī)設計，就從電動機功率開始設計，從而推導出滿足功率傳遞的帶輪大小，但現(xiàn)在不知道所需電動機功率，無法直接計算。這種情況可采用預估法進行設計，等待全部結構設計完成后再進行逆向校核。對于這類斷屑裝置，可以根據具體結構大小確定帶輪直徑尺寸。結合以上分析及現(xiàn)有數據，可進行初步計算，舉例說明如下：假設刀片安裝主軸旋轉系統(tǒng)質量M=3 kg,帶輪直徑D=80 mm，電動機與主軸傳動比按1：1計算，安全系數選取1.5，重力加速度g=9.8 m/s2,軸承摩擦因數按F=0.1，可利用經驗公式（2）估算主軸所需轉矩T。計算原理為：作用在帶輪外徑上垂直于直徑的力等于克服組件旋轉的重力，在旋轉過程中由于存在軸承內部的摩擦力，所以需要用重力乘以軸承的摩擦因數，可得主軸系統(tǒng)旋轉的驅動力，用這個力再乘以帶輪半徑的力臂，從而得出刀片安裝主軸旋轉轉矩。為設計簡便，這里設計電動機與刀片安裝主軸之間傳動比采用了1：1，所以刀片安裝主軸所需驅動轉矩也為驅動電動機轉矩。已知電動機轉矩，即可利用轉矩與功率關系式算出電動機功率。

主軸所需轉矩計算公式為

將式（2）代入數值得T=1.5×3×9.8×0.1×0.08/2=0.176 N·m。

轉矩與功率關系公式為

將式（3）代入數值得P=0.176×1000/9550=0.018 kW。

得到電動機功率后，可以參照《機械設計手冊》中機械傳動部分對以上初選數值進行校核計算，對于薄弱環(huán)節(jié)進行修復加強，整個過程要注意傳動效率及安全系數的合理選擇。

通過以上基本計算，根據刀具運動軌跡及驅動方式，初步設計一個切斷裝置結構（如圖4），該結構是采用一個普通電動機11驅動主同步帶輪10，經同步帶7驅動從動同步帶輪6，帶動主軸5機構旋轉，主軸5帶動與其固定在一起的旋轉刀具3進行圓周切斷動作。為更好地保證長屑在吸力的作用下進入切斷裝置，建議在固定刀具的前端設計一個喇叭狀的吸屑口1，便于起初長屑端頭進入斷屑裝置，起導向作用。另一方面在主軸后端設計一個與吸屑管相連的后法蘭9，保證短屑的密封性傳送。值得注意的是，在機構材質選擇上，為避免質量過大影響刀架車削效果，建議采用鋁合金之類的輕質材料制作，效果會更佳。

圖4 切斷裝置結構圖

4 結語

隨著越來越多的非金屬材料被應用于高端精密零件，機械加工工藝已成為其成品加工的首選工藝，機械加工所產生的大量廢屑處理是一大難題，這種斷屑裝置在我公司數控車床上已大量應用，為用戶解決了多種斷屑問題。鑒于該結構的實用性強，可參照應用于其他機械加工設備上，實現(xiàn)加工廢屑的及時粉碎處理回收，具有較大的推廣價值。