推荐-——立式数控加工中心—排屑机构设计 精品

济南大学

毕业设计题目立式数控加工中心—排屑机构设计

专业机械设计制造及其自动化

班级

学生

学号

指导教师

二〇一〇年六月八日

摘要

本文是关于立式数控加工中心—排屑机构设计的说明书.该排屑装置可以完成对切屑的收集、运输、及进一步的处理功能。

排屑装置以滚动链轮牵引钢制运输送链板在箱体中运转，加工过程中的切屑落到链带上，由链带运送到加工中心外落入到积屑箱。

本设计根据新的需求采用复合原理将链板排屑装置和刮板排屑装置的优点相结合，在普通链板排屑装置的基础上安装刮板,形成一种非常实用的新型排屑装置，从而杜绝了通链板排屑装置将粘附在链板上的碎屑带回排屑体内腔的现象。细节方面本设计对链板结构加以改进在两端增加滚轮并在箱体内设置滑道以解决切屑的承载问题。并且设计了独立的滑动轴承座和安装垫板来实现输送链板条和带轮的张紧。本装置有较好的功能结构及较底的成本将具有良好的市场前景。

关键词：排屑；复合型；滑动；张紧

ABSTRACT

This article is a manual about the design of the organization of removing scrap ,this organization is part of the vertical machining center. Device of removing scrap can be used for the collection, transportation, and further processing.

Device of removing scrap work in the box through scroll wheel dragging the transporting steel plate .the scraps which processed fell chain belt, transported out of the machine by a chain belt and fall into the litter box.

Under the new requirements of the pounding design principle , we bines the advantages of device of closing out resectional scrap of the chain plate Chip and scraper device, install craper device in themon chain which is based on the device of closing out resectional scrap of the chain plate,then form a very useful new chip removal device.Thus eliminate the the Chip-board phenomenon of the body cavity through munication chain plate and chain Chip device which adhere to the debris back .Details of the design improve the structure of the chain plate and increase in both ends of the wheel and set the slide of chip load. And design a separate sliding bearing and mounting pad to achieve the conveyor slats and the tension pulley. This device functions are better than the end of the cost structure and will have good market prospects.

Key words：Chip; pound; slide; tension

目录

1前言

1.1数控加工中心的发展及排屑装置的作用

1.1.1数控加工中心的发展

自从进入二十一世纪以来，随着科技的快速发展数控技术得到了进一步的发展。数控加工中心取代旧加工中心已经变为一种不可逆转的趋势。许多企业从自身生存和发展的需要, 购置了适应性强、加工质量好、生产效率高、工人劳动强度低的数控加工中心。

1.1.2数控加工中心的发展趋势

（1）智能化

智能化虽然不是一个新兴名词，但“数控加工中心的智能化”依然处于研究起步阶段，还没有确切的内容和概念。专家曾对智能化做了一个形象比喻，说智能化的加工中心只需要一个人和一条狗，人的主要作用是照顾狗，狗的主要作用是防止人去乱动加工中心。在论坛上，Mazak公司的山琦高嗣先生对“数控加工中心的智能化”从7 个方面进行了阐述，即智能化主轴监控功能、智能化热位移补偿功能、智能化维护监控功能、智能化振动防止功能、智能化防止干涉功能、语音导航功能、智能化平衡失调检测功能。这些功能技术，就加工中心本身需求而言，是值得国内加工中心企业

去研究、应用的[]1

。

（2）复合化

一台加工中心就是一个加工厂的理念早被人们接受，一次装夹完全加工的技术已经得到应用，在立式加工中心加工中心上集成车削功能的加工中心也已问世。相信，针对用户的多样化需求研发多功能复合加工中心和专用复合加工中心将是未来立式加工中心技术竞争的制高点。

（3）精密化

制造业精度越来越高，也要求加工中心精度更高。因此，立式加工中心也会向高精度方向发展。

（4）高速度高效率

速度和效率并未发展至极值，因此，立式加工中心依然会向更高速度更高效率方向发展。

（5）绿色加工中心、安全环保

安全环保、节能减排，既是人类生存生活的需要，也是工业化进程中技术发展之必须面对的问题。所以，各国通过立法、标准等措施设置贸易壁垒，因此，未来对加

工中心产品的要求将更高。这既是必然的技术发展方向，也将是未来竞争制胜的重要的技术指标。

1.1.3排屑装置在数控加工中的作用

数控加工中心的出现和发展，使机械加工的效率大大提高，在单位时间内数控加工中心的金属切削量大大高于普通加工中心，而工件上的多余金属在变成切屑后所占的空间将成倍加大。这些切屑堆占加工区域，如果不及时排除，必将会覆盖或缠绕在工件和刀具上，使自动加工无法继续进行。此外，灼热的切屑向加工中心或工件散发的热量，会使加工中心或工件产生变形，影响加工精度。因此，迅速而有效地排除切屑，对数控加工中心加工而言是十分重要的，而排屑装置正是完成这项工作的一种数控加工中心的必备附属装置。排屑装置的主要作用是将切屑从加工区域排出数控加工

中心之外[]2

。

1.2典型数控加工中心排屑装置

排屑装置是一种具有独立功能的附件，它的工作可靠性和自动化程度随着数控加工中心技术的发展而不断提高，并逐步趋向标准化和系列化，由专业工厂生产。数控加工中心排屑装置的结构和工作形式应根据加工中心的种类、规格、工件的材质和使用的切削液种类等来选择。

图1.1平板链式排屑装置

1.2.1平板链式排屑装置

该装置以滚动链轮牵引钢制平板链带在封闭箱中运转，加工中的切屑落到链带

上，经过提升将废屑中的切削液分离出来，切屑排出加工中心，落人存屑箱。这种装置主要用于收集和输送各种卷状、团状、条状、块状切屑，广泛应用于各类数控加工中心、加工中心和柔性生产线等自动化程度高的加工中心。

图1.2刮板式排屑装置

1.2.2刮板式排屑装置

该装置传动原理与平板链式的基本相同，只是链板不同，它带有刮板。刮板两边装有特制滚轮链条，刮屑板的高度及间距可随机设计，有效排屑宽度多样化，因而传动平稳，结构紧凑，强度好，工作效率高。这种装置常用于输送各种材料的短小切屑，尤其是在处理磨削加工中的砂粒、磨粒以及汽车行业中的铝屑效果比较好，排屑能力较强，可用于数控加工中心、加工中心、磨床和自动线，应用广泛。因其负载大。

1.2.3螺旋式排屑装置

该装置是采用电动机经减速装置驱动安装在沟槽中的一根长螺旋杆进行驱动的。数控加工中心螺旋杆转动时，沟槽中的切屑即由螺旋杆推动连续向前运动，最终排人切屑收集箱。它主要用于输送金属、非金属材料的粉末状、颗粒状和较短的切屑。这种装置占据空间小，安装使用方便，传动环节少，故障率极低，尤其适于排屑空隙狭小的场合。

1.2.4磁性板式排屑装置

本装置是利用永磁材料的强磁场的磁力吸引铁磁材料的切屑，在不锈钢板上滑动达到收集和输送切屑的目的(不适用大于100 mm长卷切屑和团状切屑)，数控加工中心广泛应用在加工铁磁材料的各种机械加工工序的加工中心和自动线，也是水冷却和油冷却加工加工中心切削液处理系统中分离铁磁材料切屑的重要排屑装置.

1.2.5磁性辊式排屑装置

磁性辊式排屑机是利用磁辊的转动，摇臂钻床将切屑逐级在每个磁辊间传动，以达到输送切屑的目的。

1.3链板、刮板复合型排屑装置的优点

链板、刮板复合型排屑装置是一种使用范围较广并且结构简单的排屑装置，是一种较为受大众欢迎的排屑装置。

1.3.1使用范围广范

目前，数控加工中心、数控加工中心、专用加工中心等常用机械加工设备最广泛使用的自动排屑装置是普通链板排屑装置与普通刮板排屑装置，特别是在中低档数控

加工中心上使用这两种排屑装置更为普遍[]4

。

普通链板排屑装置的特点：主要适用于卷状、团状、条状、块状切屑，它属于机械连续输送装置，其工作区域在链条的上行区，具有排屑效率较高，输送范围选择性大，并能减轻操作者的劳动强度的优点。但它对颗粒状、细小的切屑排屑效率不高，切屑很容易通过链板之间及排屑装置的运动部件和固定部件之间的间隙进入排屑装置主体的内腔。同时，对于带状、团状切屑极易回带到排屑装置主体的内腔，形成积屑死区，造成排屑装置堵塞，用户必须定期清理排屑装置体内腔积屑。如果无法定期清理，或者受使用环境限制而无法清理的场合，很可能会影响排屑装置的可靠性，最终会导致排屑装置的损坏。

普通刮板排屑装置的特点：适用于金属和非金属材质的颗粒状碎屑，它属于机械断续推动装置。其工作区域在链条的下行区，与普通链板排屑装置相比排屑效率不高，但在排屑装置整体区域没有积屑死区。

由于上述两种普通排屑装置的特点，结合了两者优点的链板、刮板复合型排屑装置具有更广泛的使用空间和用户范围。

1.3.2结构简单

链板排屑装置和刮板排屑装置在外形和几何尺寸上相近，但功能却完全不同。在普通链板排屑装置的基础上，安装刮板，就能形成一种非常实用的新型排装置.将刮板固定在链钣排屑装置的链板上，链板在上行区执行正常的运屑功能，将大量的切屑由链板输送到加工中心外部，形成一种排屑装置与外界的输出循环。同时，在下行区的复合刮板将渗漏在排屑装置体内腔底部的少数残留积屑刮到排屑装置的上行区，使得排屑装置内腔底部积屑得到及时清理。排屑刮屑共用一条传动链，实现了自动清理的功能，结构简单易于生产和操作。

2 总体设计方案

2.1设计课题

要求：查阅数控加工中心相关的资料，了解数控加工中心的工作原理，对典型立式数控加工中心的结构进行比较，提出本次设计的总体方案。了解排屑机构的类型、工作原理，并对数控加工中心排屑机构设计进行详细设计。

具体参数如下：

加工中心的加工范围为800×500×600，

主轴输出功率10KW，

采用BT40标准刀柄。

根据以上给定的要求与具体参数可了解到本设计的排屑装置所配合的是一架小型的数控加工中心。

本设计的排屑装置需要具有两个主要功能是对切屑的收集输送与切屑液的过滤收集。由于常用的小型数控加工中心配都有独立的切屑液槽，所以本设计主要的设计方向为对切屑的收集运输。

2.2设计的功能与其具体方案的选择

对于本设计的排屑装置来说，至少需要两个最为主要的功能，分别是对切屑的收集输送与切屑液的过滤收集。而要实现所需要的功能就要通过许多不同的分工能与其对应的结构去联合组成一个整体。只有通过这个整体才能完成设计要求的功能。

2.2.1动力

作为一个功能齐全的装置想要运转首先必须要有动力源。常用的原动件有很多种，汽油机、柴油机是最为常见的燃油类的原动件，但对于本设计的排屑装置来说根本用不到那么大功率的动力元件，而且本设计的装置是数控加工中心的附属装置，与主体的数控加工中心采用异种的能源实在是舍近求远，给加工制造带来了很大的麻烦。一般的数控加工中心的生产环境都是在工厂车间里的，如果每台加工中心都配有一台使用燃油机的排屑装置，那么排屑装置所产生的废气将会是车间工人的噩梦。

本设计根据实际情况采用了以电为能源的电动机，它具有无污染、工作较安静、效率较高等优势。因此，它更为适合设计的需求。

2.2.2传动功能

在有了动力后当然是要把动力传递出去，工作机大都要靠原动机共给一定形式的能量才能工作，并且很少把原动机和工作机直接连接起来的。本设计也同样如此，主要是因为两点，一是电动机的转速与设计所需要的传送速度不相符合需要进行减速。

二是为了工作安全和维护的方便。本设计采用了带传动和链传动两种不同类型的传递动力的方式。

（1）带传动

带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）和传动带。带传动具有结构简单、传动较平稳、价格低廉和缓冲吸受振动等特点。并且选择带传动是对排屑装置的主要原动件的保护。在装置超负荷工作时带传动将会打

[]9。

滑使得电机不会因为超载而损坏。使机装置具有高的可靠性

（2）链传动

链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮（小链轮和大链轮）组成。通过链轮轮齿与链条节的啮合来传递运动和动力。

与摩擦型的带传动相比，链传动无弹性打滑和整体打滑现象，因此保持准确的平均传动比较高；又因链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向力小；链条采用金属材料制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑；同时，链传动能在高温和潮湿的环境中工作。，传动效率比

与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本也低。在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便得多。

链传动的主要缺点是：只能实现平行轴间的同向传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜用在载荷变化过大、高速和急速反向的传动中。

链传动主要用在要求工作可靠性高，两轴距离较远的，低速重载，工作环境恶劣的，不宜采用其他传动方式的场合。

2.2.3收集功能

在排屑装置中输送通道有其宽度，但是这个宽度与实际的需要收集宽度相比一般是要小一些的。一来对于切屑的收集功能就达不到要求了，但是如果把输送通道的宽度改大的话不仅会大量的浪费材料更会对整台装置的传动的稳定性产生影响。

为了节省材料和空间，参照漏斗的原理在箱体的上罩上设置一个集料口。集料口的形状为了方便制造和更好的高效收集切屑设计成长方形。

2.2.4过滤切屑液功能

在切屑的输送过程中有一个提升的过程，这个过程中切屑液通过提升就已经过滤了。过滤后的切屑液通过箱体的漏液孔直接流出箱体。

3具体机构的设计与计算

3.1电机的选择

本设计对电机的要求不是很高，参照现在常用的小型数控加工中心链板式排屑装置ZLLB210型号所使用的电机，电机的的功率要求为0.2—0.4 （kw ）。根据功率的基本要求查《简明机械零件手册》选择了YS 系列三向异步电机。

电机的基本参数为：

机座 71

铁芯 1

极数 4

功率 0.25()kw

电流 0.83(A)

转速 1400(r/min)

效率 67%

功率因数 0.68

额定转矩 2.2

额定电流 6.0(A)（最大转矩）

噪声 65 (Bb)

以上参数可以了解到这款电机工作效率较高有效的避免了噪声过大的问题[]7。

3.2带传动

3.2.1带型的选择

本设计选用的是平带传动方式，现下应用较为广泛的两种带传动为三角带与平带传动。三角带具有较高的传动效率与较高的传动比，但是它的制作成本较平带高且使用寿命较短容易损坏。本设计所需要的传动效率与精度都不是很高且考虑到使用寿命的问题本设计最终选用了平带传动

3.2.2带轮的尺寸计算

（1）小带轮（D1）尺寸计算

3

11)13501100(1n p D →= （3.1）

1p —传递功率(kw ) 1n －小带轮转速(r/min )

()mm D 01.7694.611400/25.0)13501100(13

→=→=

因为本设计对传动精度要求不高，所以根据设计要求尽量选择国家标准D1就确定为63（mm ）

[]

7。

（2）带传动传动比的确定

2

1

n n i =

（3.2）

M －落屑质量（kg/min ）参考ZLLB210型号排屑装置 Z －链轮的有效齿数

2n －大带轮的转速（r/min ）

p －链的节距(mm )

6

b －链板宽度（mm ）

h －链板的高度（mm ）

()min /98010

155.1911.385.815

)/(962r h b p Z M n ≈????=

???= （3.3）

42.1980

1400212≈==

n n i

（3）小带轮（D2）尺寸计算

()ε-?=112D i D （3.4）

i －传动比

ε－滑动率，取0.01－0.02

()[]6.877.8602.001.016342.12→=→-?=D

因为本设计对传动精度要求不高，所以根据设计要求尽量选择国家标准D1就确定为90（mm ）。 3.2.3带轮的其他相关计算

（1）带速计算

max 1

160000

v n D v ≤=

π （3.5）

1D －小带轮直径（mm ）

1n －小带轮的转速（r/min ）

()max min /61.460000

1400

6314.3v r v ≤=??=

（2）中心距计算

()21min 5.1D D a += （3.6）

1D －小带轮直径（mm ） 2D －小带轮直径（mm ）

()()mm a 5.22990635.1min =+=

（3）平带宽度与平带胶布层数计算

()()mm c c c P P b 202

1001== （3.7）

参数查设计手册可得并且胶布层数是根据D1查设计手册得到的是3层

[]7。

（4）小带轮包角计算

()a D D 1213.57180-??-?≈α （3.8）

1D －小带轮直径（mm ）

2D －小带轮直径（mm ）

a － 中心距(mm )

()?≈-??-?≈4.145.22963903.571801α

3.3链传动

在数控加工中心的加工范围中大部分都是金属，如果采用其他的传送方式的话是很难经得起磨损的。根据设计要求选择了输送用平顶链和配套链轮。

3.3.1平顶链的选择

根据设计的需要在这里选择了国家标准GB/T 4140－93 C30S 型平顶链

3.3.2链轮的计算

（1）分度圆直径计算

Z

p d ?=180sin （3.9）

p －节距（mm ）

Z －有效齿数

()mm d 47.1055

.8180sin 1.38=?=

（2）齿顶圆最大直径计算

35.6180cos

max +??=Z

d d （3.10） d －分度圆直径（mm ）

Z －有效齿数

()mm d 7.10435.65

.8180cos 47.105max =+??=

（3）齿根圆直径计算

1

d d d f -= （3.11）

d －分度圆直径（mm ）

1d －铰圈外径（mm ）

()mm d f 34.9213.1347.105=-=

因为本设计对传动精度要求不高，所以根据设计要求尽量选择国家标准链轮就确定为C30S －8.5 GB/T 4140－93。

3.4张紧机构的设计

3.4.1链传动的张紧设计

本设计中链传动是一个主要的传输功能，链传动功能的一个必要的附属要求就是有其独立的张紧机构，在本设计中根据设计要求自主设计了一个滑动型张紧机构。其中主要零件就是滑动轴承座。

图3.1 滑动轴承座

（1）受力分析

滑动轴承座在设计中起到了承载轴的作用，在张紧机构中轴主要受到轴向力的作用且方向是水平向右的，由于滑动轴承座是承载轴的作用，所以其受力的情况与轴是基本相同的。

（2）解决方案分析

根据受力分析可以了解到滑动轴承座的空间自由度为6，张紧机构最后希望得到的结果是在完成张紧后排屑装置可以稳定的工作。在本设计中采用的是滑槽设计，滑动轴承座在上下、左右方向上的自由度都被限制住了，只剩下前后方向上的滑动没有限制，但在这个方向上滑动轴承座只受到方向向右的力，所以就需要有一个装置来限制这个方向的移动，本设计设计了调位挡板来完成这项工作。使用螺栓座与螺母的拧紧程度来确定调位挡板的位置，调位挡板与滑动轴承座相互挤紧完成张紧工作。

图3.2 调位挡板

（3）尺寸确定

滑动轴承座尺寸是根据轴以及其相关配套的轴承尺寸来最终确定的。最终轴承的宽度确定为30（mm）。

图3.3 轴承座侧

调位挡板尺寸是根据滑动轴承座尺寸以及调位挡板相关配套螺栓座的位置尺寸确定的。

滑槽的长度确定是十分重要的一环，由于本设计中选用的平顶链的铰链间隙e=0.41且上下对称的板链数N=68所以最终确定滑槽长度为

21l l L += （3.12）

1l —许用滑槽长度（mm ）

2l —备用滑槽长度（mm ）

()mm L 603030=+=

3.4.2带传动的张紧设计

带传动在本设计中主要起传递动力作用，在本设计中采用了滑动式的张紧机构。

（1）受力分析

由于链传动的张紧机构已经采用了滑动轴的方案。如果在带传动的张紧机构上也采用同样的方式，那么输送链的两个轴就都采用了滑动式了，这样一来两边的张紧机构就都要承受双倍的力，这样对于排屑装置的安全平稳的工作十分不利。所以最终本设计把张紧机构设置在了电机轴上。

（2）解决方案分析

根据受力分析本设计把带传动张紧机构的位置确定在了电机轴上。

在电机轴上共有三种张紧方式，分别为水平方向、竖直方向与斜向的张紧。竖直方向与斜向的张紧在实际的实现上都有太大的难度，滑槽的设计制造太过困难。更为重要的是采用这两种方式会使电机的传动效率降低。

本设计最终选用了水平方向的滑动张紧，为了节省空间采用了向前滑动的张紧方式。如果使电机直接在滑槽内滑动，那么电机工作的稳定性就无法保障了，所以本设计使用了第三者安装垫板来协调电机的滑动。

图3.4 安装垫板

本设计把电机安装在安装垫板上并且把滑槽也设计在了安装垫板上，这样既节省了设计所占用的空间并且也使得电机的工作稳定性得到了很好的保障。

3.5输送链板的设计

3.5.1问题的来源

在设计中输送链板选取的是国家标准，但在后续的设计过程中遇到了一些问题。

（1）平顶链两侧没有任何的阻挡措施，当切屑过多时就会导致切屑从两边掉入

到排屑装置内部，长久以后必会导致装置的损坏[]14

。

（2）平顶链上部是一个平面。当切屑掉落到平顶链上后由于没有任何阻挡措施，在斜向上输送时切屑都会向下掉落切屑将无法输送。

（3）平顶链主要起承载切屑的作用，它的重量只能够由两端的轴来承担。这样的结构使得轴的载荷过大。对于装置的使用寿命是一大损害。

（4）平顶链在输送过程中要有两次的变向，需要有结构辅助完成。

3.5.2侧挡屑板的设计

首先，侧挡屑板是绝对不能影响平顶链的运动过程的。每一个平顶链都要搭配两个侧挡屑板。开始时的设计为长方体形状，但考虑到其形状对于材料是一种浪费并且

对于平顶链的运行也有干扰所以放弃了。最后采用了圆角的形状来设计侧挡板。

图3.5 链板条侧

侧挡屑板采用内外相互挤紧的方式使其在轴销的径向没有大的相对的跳动，但是内外侧挡屑板之间还是需要一定的间隙的，否则两者必定在运行的过程中不断的发生摩擦，不仅仅是会导致工作效率的大大降低更有可能导致整条链的锁死与损坏。根据现在常用的小型数控加工中心所产生的切屑中的团屑的高度一般在8－12（mm）。本设计在保有一定的余量的原则下把侧挡屑板的高度定制为15（mm）。而且要注意的一点是侧挡屑板的长度不能过长，否则就会导致两个平顶链的侧挡屑板与轴销之间发生相互碰状，最终导致整个平顶链条的卡死或断裂。

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