螺杆铣床分体式链板排屑器及水箱的设计

□ 王长兴 □ 朱 凯

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1 设计背景

螺杆作为石油工业设备上常见的工业零件,有着广泛的应用。随着我国石油工业的长足发展,我国对各种型号的螺杆需求量逐年增加,进而增大了对螺杆铣床的需求量。为了满足不同用户的实际生产使用需求,对螺杆铣床排屑器及水箱的性能要求越来越高。排屑器及水箱作为螺杆铣床的重要组成部分,其性能的优劣直接影响到螺杆铣床对工件的加工精度。在加工过程中,为工件提供的冷却液和及时有效地将高温切屑排出,可以在一定程度上减少工件的热变形,有利于螺杆的加工,提高了螺杆的加工精度和准确度。笔者通过对排屑器及水箱的基本类型进行介绍,并对主要组成部分的结构进行选型分析,从实际出发,设计一种分体式链板排屑器及水箱,以满足使用需求达到最优效果。

2 排屑器基本类型

2.1 连接方式

按照排屑器与床身防护的连接方式可分为连体式排屑器与分体式排屑器。

(1) 连体式排屑器。连体式排屑器与车床的防护相连,加工时产生的切屑直接落入连体式排悄器中由其排出,切屑液由其过滤后重复使用,效率高,适用于切屑排量大、整体性强的螺杆铣床。缺点是由于螺杆铣床的结构导致安装、拆卸维护不方便。

(2) 分体式排屑器。分体式排屑器及水箱与螺杆铣床的防护分体安装,加工时产生的切屑落在螺杆铣床上,由重力作用滑入分布式排屑器中由其排出,设备灵活可移动。缺点是底部空间小,排屑器及水箱的高度受限,排屑量小,容易造成切屑的堆积。

2.2 排屑方式

按照排屑器排屑方式的不同可分为螺旋式、刮板式和链板式。

(1) 螺旋式排屑器。螺旋式排屑器的工作原理为,通过旋转的叶片对切屑进行螺旋输送,适用于颗粒状、马蹄状、块状的切屑。

(2) 刮板式排屑器。刮板式排屑器的工作原理为,驱动电机驱动链轮链条,在刮板的作用下,切削沿其运动方向完成输送,刮板式排屑器适用于各种形状的切屑。

(3) 链板式排屑器。链板式排屑器的工作原理为,在链板上安装等距离的小刮板,切削落在链板上,通过小刮板的作用下完成输送。其特点是排屑效率高,适用于小颗粒、马蹄状、块状、丝状的切屑。

3 水箱冷却泵基本原理

水箱是工件加工时的重要冷却装备。通常情况下与排屑器设计为一体。为了防止切屑回流至冷却泵中,在排屑器和水箱之间加有过滤装置,冷却液通过冷却泵的作用喷淋于工件上,对加工中的工件、切屑和刀具进行降温,有效地提高了螺杆的加工精度,延长了刀具的使用寿命。喷淋后的冷却液通过排液器回流至水箱中完成循环,喷淋的流速越大,降温的作用就越明显。通常采用高扬程的水泵。冷却泵和其它液下泵一样,电机位于泵的上方,通过两半连接块直接与冷却泵连接。进液口在泵体锥底部直接抽吸液体,出口在上方。冷却泵原理为:需要抽吸的机床冷却液由泵体的底部导流座进入冷却泵叶轮,在叶片高速旋转的动力下,扬程与吸力均有增大;冷却液进入导流器压力室后,速度减小,动能再转换为势能,最后压力冷却液经出水口排出,达到喷淋的效果。

4 分体式链板排屑器及水箱结构选型

通过对螺杆铣床的结构、加工螺杆时产生的切削大小、生产效率、排屑效率、过滤效果及制造成本等因素进行综合考虑,选用分体式链板排屑器及水箱,其组成部分如图1所示。

图1 分体式链板排屑器及水箱组成部分

5 结构设计

5.1 输送效率选择与输送量计算

当分体式链板排屑器及水箱采用小角度输送布置时,输送角为0°～15°,输送效率计算:

ηc=ηC

(1)

式中:ηc为小角度输送布置时的输送效率;η为输送效率;C为倾斜因数。

输送量计算:

Q0=3 600BHVη

(2)

式中:Q0为输送量;B为机槽高度;H为承载机槽高度;V为刮板链条速度。

计算所得的Q0必须满足:

Q0≥Qmax

(3)

式中:Qmax为实际最大输送量。

5.2 驱动电机选型

驱动电机选择三相异步电机,采用链条传动,可得电机功率为:

(4)

式中:P0为所需电机功率;K为电机功率备用因数,链板式排屑器取1.3～1.5;Fm为驱动轮圆周力;ηi为驱动装置传动功率。

ηi=η1η2

(5)

式中:η1为电机传动效率,为0.92～0.94;η2为链传动效率,为0.85～0.90。

5.3 链条选型

主要根据输送链条的最大张力来进行选取,必须满足:

Fr≤[F]

(6)

式中:F为链条最大张力;[F]为链条许用载荷;r为链条使用因数。

r=rvrlru

(7)

式中:rv为速度因数,当速度不大于0.32 m/s时,取1.0,当速度为0.32～0.5 m/s时,取1.2;rl为长度因数,当输送机长度不大于50 m时,取1.0,当输送机长度L0大于50 m时,取L0/50;ru为物料性能因数,对于一般块切屑,取1.0,对于颗粒较小的切屑,取1.1～1.2。

5.4 链条长度计算

链板链条类型选择滚动链条,长度计算:

Ls=C+2L

(8)

式中:Ls为链板链条长度;C为链条长度偏差值;一般取1.1倍链轮周长;L为输送距离。

5.5 水泵选型

为了保证螺杆的加工精度,螺杆加工中需要大量的切削液对加工工件进行降温,为了避免水泵的堵塞,回收的切削液在循环使用时,需安装过滤网保证水泵的安全工作。螺杆加工中对切削液需求量大,采用扬程大于4 m的三相水泵。

5.6 主轴轴承选型

主轴轴承主要依据尺寸精度、基本额定负荷、转速来进行选择。滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一,依靠主要部件间的滚动接触来支承转动零件。

在一般条件下工作的轴承,只要选择类型合适,易于安装、维护。排屑器在使用过程中容易造成轴承的磨损,应及时给予润滑措施。

5.7 链条滑道设计

链条滑道的设计直接影响到排屑器的运行效果,笔者采用上下轨双层滑道,使链条的运行更加平稳。滑道安装于机身侧壁,既提高了自身强度,又减少了切屑对链条的干涉。

5.8 机身及水箱设计

结合实际工况,设计机身的高度为220 mm,宽度为350 mm,机槽为多次折弯制成,既提高了自身强度,又节省了人力物力。在机身前部安装水箱,可防止切屑堵塞水泵,在连接处安装金属过滤网,保证水泵的正常运转。

5.9 其它辅助装置设计

张紧装置安装在排屑器及水箱的机头部分,通过调节丝杠带动驱动链轮的位置,进而达到张紧的作用。在机身头尾各安装两个吊装环,方便移动。装屑小车收集从排泄口排出的切屑,方便处理。

6 应用效果

排屑器及水箱故障率过高导致机床停机而造成用户的经济损失是一种非常常见的情况,造成排屑器及水箱的故障原因一般为使用不当或设计不合理,在运行过程中被卡死。针对这两种情况,设计优化和使用培训必不可少。排屑器及水箱作为收集和运输加工中的切屑、输送和回收冷却液的装置,是螺杆加工铣床的重要组成部分。在螺杆加工中需要大量的冷却液为毛坯料和加工刀具进行降温,排屑器及水箱的使用效果,直接影响了螺杆的加工精度及刀具的使用寿命,进而减少了因刀具损坏对螺杆加工产生的不合格率。通过对排屑器及水箱的优化设计,提高了排屑器及水箱的效率,解决了螺杆铣床在加工螺杆中因为排屑不及时和冷却效果不佳产生的精度问题。

7 结束语

合理的螺杆铣床排屑器及水箱设计,不仅需要扎实的理论基础,更要从实际出发,充分了解使用时的具体要求,从被加工螺杆的材料、实际的切屑量、切屑的大小形状、切削冷却液的多少、具体的工作环境及工况等方面因素,再结合螺杆铣床的自身结构,不断地进行改进优化,才能找到适合的机型。笔者重点通过对螺杆铣床排屑器及水箱的分类和结构介绍、影响其使用效果的多方面因素进行分析,最终采用分体式链板排屑器及水箱,得到满足使用需求的最优效果,解决了螺杆铣床在螺杆加工中因为排屑不及时及冷却效果不佳产生的精度问题,保证了螺杆的加工质量。