金恒林，羅仕安

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所工程設(shè)計(jì)中心，四川 成都 610036)

薄板零件數(shù)控銑削加工時(shí)使用傳統(tǒng)加工工藝及虎鉗等通用夾具是造成零件變形的主要原因[1]，而采用真空吸盤輔助裝夾可以有效解決薄板加工變形的問題[2]。薄板類零件數(shù)控銑削加工時(shí)采用真空吸盤不僅能夠促進(jìn)生產(chǎn)成本的降低，而且能夠有效提高零件的加工質(zhì)量與效率[3]。目前數(shù)控銑削加工所使用的真空吸盤還存在一些不足，其中亟待解決的是自動(dòng)化應(yīng)用故障率高和吸附安全隱患問題。更換零件和加工過程中會(huì)有切屑和切削液被吸入真空吸附裝置，廢液的累積將引起真空吸附裝置吸附壓力不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)故障，需要人工定期清理、維護(hù)，因此迫切需要解決真空吸附裝置自動(dòng)化應(yīng)用中存在的問題。

通過自動(dòng)過濾裝置防止切屑和切削液被吸入真空吸附裝置，既能保障真空吸附裝置穩(wěn)定和可靠，又能實(shí)現(xiàn)真空吸附裝置自動(dòng)化應(yīng)用。目前，過濾空氣中水和雜質(zhì)的過濾裝置如壓縮空氣干燥罐、空氣油水分離器、空氣過濾器等已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但這些產(chǎn)品的功能僅限于過濾和儲(chǔ)存，需要操作人員定期排液和清理、更換濾芯，不能滿足自動(dòng)化應(yīng)用的需求，因此需要設(shè)計(jì)一種能夠在數(shù)控銑削加工環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的自動(dòng)過濾裝置。

1 過濾罐設(shè)計(jì)

1.1 功能特點(diǎn)

在更換加工零件時(shí)，切屑和切削液會(huì)進(jìn)入真空吸盤吸附區(qū)域，再次啟動(dòng)真空吸附裝置加工零件時(shí)，切屑和切削液就會(huì)被吸入真空吸附裝置，細(xì)小的切屑和具有腐蝕性的切削液會(huì)造成真空吸附裝置自動(dòng)控制器件故障和真空泵故障，切削液累積較多時(shí)就會(huì)導(dǎo)致吸附壓力不穩(wěn)定，存在安全隱患，而且需要人工清理。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種用于自動(dòng)真空吸附裝置的過濾罐。

真空吸附裝置包括通用真空吸盤和真空泵，過濾罐安裝于兩者之間，其應(yīng)具有以下功能：1)實(shí)現(xiàn)真空吸盤吸附區(qū)域的空氣、切屑和切削液自動(dòng)分離；2)廢液的臨時(shí)儲(chǔ)存；3)工作過程中能自密封，停機(jī)后自動(dòng)排放廢液。

1.2 自動(dòng)過濾罐詳細(xì)設(shè)計(jì)

1)過濾罐容積計(jì)算。

過濾罐容積V罐根據(jù)吸盤殘留切削液量設(shè)計(jì)。真空吸盤通常為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示，凸起為支撐塊，用于支撐被加工零件，更換零件時(shí)切削液流入凹槽內(nèi)，再次啟動(dòng)真空吸附裝置時(shí)流入凹槽的切削液會(huì)被吸進(jìn)過濾罐，因此理論上過濾罐容積必須大于吸盤凹槽容積。凹槽為吸附區(qū)域，同時(shí)也作為密封條安裝槽，安裝槽長(zhǎng)寬均設(shè)計(jì)與密封條直徑d相等，即σ=d；凹槽深度τ通常為密封條直徑的0.9倍，吸附時(shí)密封圈有0.1d壓縮量，以保證密封性能[4]，即τ=0.9d。

圖1 吸盤及其表面結(jié)構(gòu)圖

凹槽容積V：

V=(n1×σ×L+n2×σ×W-n1×n2×σ2)×τ

(1)

式中：n1為寬度方向溝槽數(shù)；W為吸盤寬度；n2為長(zhǎng)度方向溝槽數(shù)；L為吸盤長(zhǎng)度。

設(shè)定過濾罐安全系數(shù)為2，即罐內(nèi)廢液深度不能超過罐體高度的1/2，因此：

V罐=2V=2(n1×σ×L+n2×σ×W-n1×n2×σ2)×τ

(2)

2)過濾罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

過濾罐只有兩種狀態(tài)，一種是吸附加工過程中自密封狀態(tài)，另外一種是停機(jī)后自動(dòng)排液狀態(tài)。過濾罐設(shè)計(jì)成直徑為φ罐的圓筒，罐體設(shè)計(jì)有觀察窗，方便觀察罐內(nèi)廢液液位。

過濾罐利用切屑和切削液自身重力實(shí)現(xiàn)真空吸盤吸附區(qū)域的空氣、切屑和切削液自動(dòng)分離，如圖2所示，過濾罐體頂部設(shè)計(jì)有進(jìn)、出口，空氣、切屑、切削液同時(shí)經(jīng)過入口進(jìn)入過濾罐體時(shí)，切屑和切削液由于重力作用落到過濾罐底部，空氣通過出口被真空泵抽走，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離；過濾罐體下方是帶有排液口的蓋板，排液口數(shù)量及排液口直徑根據(jù)罐內(nèi)廢液量設(shè)計(jì)，以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成排液。過濾出的廢液和切屑將儲(chǔ)存于罐內(nèi)。

圖2 過濾罐結(jié)構(gòu)圖

3)過濾罐自密封設(shè)計(jì)。

由于過濾罐是安裝在數(shù)控機(jī)床內(nèi)，過濾的是切屑和切削液混合物，若主動(dòng)控制排液口開合需要控制電路、電磁閥等電子元件，數(shù)控加工過程中的切屑會(huì)造成閥卡死，且切削液會(huì)腐蝕電子元件，而采用圖2所示自適應(yīng)密封墊密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。過濾罐的工作原理：工作時(shí)罐內(nèi)抽真空到大約-90 kPa，此時(shí)罐內(nèi)與罐外存在90 kPa壓力差，在大氣壓作用下密封墊被吸附在密封罐底面，自動(dòng)封住排液口，真空度越高密封墊貼合越緊密，密封效果越好，即使有切屑黏在密封墊表面，由于密封墊為橡膠材質(zhì)，有一定彈性，因此在大氣壓作用下仍然可以與排液口貼合緊密，保證密封效果。

運(yùn)用ANSYS仿真分析密封墊的形變量，指導(dǎo)密封墊設(shè)計(jì)。工作狀態(tài)下密封罐內(nèi)的壓力為-90 kPa，排液口由4個(gè)直徑為10 mm的孔組成，要求密封墊形變量為0.1 mm≤ε≤0.5 mm。若密封墊形變過大將有疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)，也有被吸入罐內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)，造成真空吸附裝置失效，帶來安全隱患；若密封墊剛度過大，則切屑會(huì)導(dǎo)致密封墊與排液口不能良好貼合，存在泄漏隱患。

邊界條件設(shè)定如圖3所示：密封墊為4個(gè)尺寸為20 mm×30 mm硅橡膠條，其彈性模量E=7.84 MPa，泊松比ν=0.47，密度為980 kg/m3；罐內(nèi)壓力為90 kPa，排液口直徑為10 mm。

圖3 工作吸附受力狀態(tài)

密封墊厚度為2 mm時(shí)，工作狀態(tài)下的密封墊應(yīng)力和形變量ε仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 密封墊2 mm工作吸附狀態(tài)仿真結(jié)果圖

同樣邊界條件下對(duì)密封墊厚度為3 mm和4 mm時(shí)進(jìn)行仿真分析。3種厚度密封墊工作狀態(tài)下的形變量ε仿真結(jié)果見表1。

表1 吸附狀態(tài)橡膠密封墊形變量 單位：mm

由仿真結(jié)果可以看出，排液口孔徑為10 mm，橡膠密封墊厚度分別為2 mm、3 mm、4 mm時(shí)密封墊的形變量均滿足使用要求，但厚度為4 mm時(shí)硅橡膠密封墊剛度偏大，因此密封墊厚度為2～3 mm比較適合。若排液口孔徑增大，可將密封墊適當(dāng)加厚，反之則減薄。

4)過濾罐自動(dòng)排液設(shè)計(jì)。

若采用主動(dòng)排液需要設(shè)計(jì)控制電路、使用泵等，存在可靠性和安全隱患，且成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而采用圖2所示密封墊結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)合適剛度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排液，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。自動(dòng)排液工作原理：停機(jī)后罐內(nèi)壓力恢復(fù)至與大氣壓相等，切屑和切削液受到重力作用，對(duì)密封墊施加壓力P液，而且廢液越多壓力越大，密封墊形變量越大，排液速度越快，且排液口數(shù)量越多、孔徑越大排液越快；切屑在廢液底部，優(yōu)先隨廢液排出，自動(dòng)排液結(jié)束后切屑不會(huì)在密封墊表面殘留，消除切屑對(duì)密封墊自密封的影響。

要求密封墊變形后0.1 mm≤ε≤ 0.5 mm，且罐內(nèi)廢液深度達(dá)到H=5 mm時(shí)ε≥0.1 mm，即可正常自動(dòng)排液，因?yàn)樾巫兞喀胚^小切屑和切削液不能順利排出，為了保證再次工作時(shí)密封墊能夠自動(dòng)被吸附至過排液口端面，要求密封墊形變量ε≤0. 5 mm。

每個(gè)排液口與密封墊都形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力如圖5所示，密封墊受自身重力G和廢液壓力P液作用，可通過疊加載荷形變量計(jì)算出ε，均布載荷q為密封墊自身單位體積重力[5]。

圖5 密封墊受力分析圖

停機(jī)排液狀態(tài)下仿真邊界條件的設(shè)定如圖6所示。

圖6 停機(jī)排液受力狀態(tài)

密封墊厚度為2 mm時(shí)，停機(jī)排液狀態(tài)下密封墊受力和形變量ε仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 密封墊2 mm停機(jī)排液狀態(tài)仿真結(jié)果圖

同樣邊界條件下對(duì)密封墊厚度分別為3 mm和4 mm進(jìn)行仿真分析。3種厚度密封墊在停機(jī)排液狀態(tài)下的形變量見表2。

表2 排液狀態(tài)橡膠密封墊形變量 單位：mm

由仿真結(jié)果可以看出，停機(jī)排液時(shí)，在排液口孔徑為10 mm，橡膠密封墊厚度分別3 mm、4 mm時(shí)密封墊的形變量滿足使用要求，而2 mm厚度的密封墊偏軟，存在不能自密封的風(fēng)險(xiǎn)，因此厚度3～4 mm的密封墊比較適合。若排液口與螺栓距離增大，則形變量ε會(huì)增加，密封墊應(yīng)適當(dāng)加厚，反之可減薄。

綜上所述，密封墊設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)30 mm×寬20 mm、排液孔直徑為10 mm、厚度為3 mm時(shí),既能滿足自密封要求，也能滿足自動(dòng)排液要求。

2 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的過濾罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低，解決了切屑和切削液被吸入真空吸附裝置導(dǎo)致真空吸附裝置自動(dòng)控制器件失效和真空泵損壞等問題，避免切削液累積較多時(shí)存在吸附壓力不穩(wěn)定等安全隱患，且實(shí)現(xiàn)了切屑和切削液的自動(dòng)排放，無需人工清理，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為真空吸附裝置的自動(dòng)化解決了關(guān)鍵技術(shù)難題。

本文主要從理論角度設(shè)計(jì)切屑和切削液過濾罐體積以及自密封結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該考慮可能存在零件表面平面度不夠?qū)е碌拿芊獠涣?、加工過程中切削液會(huì)持續(xù)被吸入過濾罐的情況，必要時(shí)過濾罐體積應(yīng)適當(dāng)增加，只有保證過濾罐容積足夠時(shí)才能實(shí)行24 h無人值守加工。本文的分析只針對(duì)一種材料屬性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)材料屬性具體分析計(jì)算密封墊尺寸。后續(xù)將通過試驗(yàn)方法對(duì)切屑和切削液過濾罐的過濾效果進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。