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摘要：实际生产中，数控机床内部及各角落切屑通常较难清理，为解决这一难题，设计并制作一种机床切屑清理机解决这一问题。本设计其工作原理与气动抛光机类似。采用高压空气为动力，驱动叶片式气动马达带动一个可更换的刷头，对机床不同部位如工作台，机床内壁、外壳和操作面板进行有效清理，同时设计有自动刹车装置，安全可靠，对于机床内部角落也可以增加加长杆，提高工作距离。通过实践验证满足使用要求，解决了生产实际问题。
关键词：清理机;数控机床;气动马达;自动刹车;车间应用
0 引言
随着时代的发展，数控机床在制造业的应用越来越广泛，数控机床已成为学校实训教学和企业生产所常见的必要的设备。对于数控加工机床，零件的切削加工，刀具及工件的冷却都会造成机床内部大量的切屑、油污等，并且一些角落、侧边、机床内壁等部位很难清理。特别是乳化液冷，如果清理不及时、不彻底，很容易造成机械部件生锈，影响机床工作甚至是整体的使用寿命。结合实际生产需求，非常需要一种可以方便清理油污和切屑的设备。
1 国内外机床切屑清理工具现状
对一些企业、学校参观调研及交流，目前对于数控机床的清理，主要以使用毛刷、气枪为主，对于较难清理的厚重切屑配合使用铲子等，但在实际使用中存在很多问题，如清理不彻底、造成二次污染等。一些大型企业，也有使用切屑吸尘器进行切屑清理切屑的，但是吸尘器体积大，操作不便，价格昂贵，不适合在学校和普通中小企业车间的使用。
结合实际情况，设计一种数控机床切屑清理机，在工作原理和结构上借鉴气动抛光机（如图1），通过车间使用的压缩空气驱动气动马达带动刷头旋转，达到清理切屑的目的。气动抛光机的技术目前已经相当的成熟，可以直接借用它的设计经验，这样就在研究和制作上可以少走很多弯路，同时也为产品在实际应用上提供很好的实践经验参考。
2 切屑清理机的具体设计
总体设计借鉴气动抛光机，其动力来源为压缩空气，同时根据实际需要分以下几部分：清理机工作时由机床自带压缩空气提供动力，驱动马达叶轮旋转，从而作为气动执行元件。为完成不同位置切屑的清理，将刷头与清洁器之间为可更换的螺纹连接，并使用左旋螺纹连接，保证工作时不会松动。为调整刷头转速，在其气源接口阀后串联一个节流阀，从而实现无极变速。对于工作台较长及内部角落的清理，设计时将清理机的连接阀口端部附带一根加长金属气管。为了防止刷头上的液体飞溅对机床或操作者的二次污染，将刷头的外周包裹上一圈橡膠软壳，使用时随着按压而紧贴在机床上，防止液体飞溅。在使用结束时为防止高速旋转的毛刷头误伤操作者，设计一个自动抱死的刹车装置，只有在打开高压气体开关时才会使刷头自由旋转，只需松开开关，刷头立即停止转动。
典型部件自动刹车系统的设计：自动刹车系统是本次设计中的创新点之一，由于空间有限，故设计必须十分紧凑。它主要由刹车片7，左、右刹车柄2、6，橡胶片3，锥形滑杆4，圆形弹簧1等组成。可以实现类似步进电动机的功能，即通过打开气阀开关的同时刹车柄松开刹车片，使马达旋转，当松开开关时，刹车柄收紧，抱死刹车片，使马达停止转动，从而使整体动作停止，从而保证了使用后及时停止，避免高速旋转的刷头的意外擦伤。如图2所示。
按下清理工具气阀开关时，会同时按下锥形滑杆4，锥形滑杆4下行时和左右刹车柄2、6的斜面接触并产生相对滑动，使左右刹车柄2、6向两侧撑开，这时橡胶片3与刹车片7分离，不再有摩擦力作用，刹车片即可自由转动，叶片式马达的偏心轴与刹车片7通过螺纹和键槽连接，可实现同时转动和停止。当松开气阀开关时，锥形滑杆4也将会松开，在弹簧1的作用下使左右刹车柄2、6收紧，此时在斜面分力作用下，锥形滑杆4将向上移动，橡胶片3抱紧刹车片7，在摩擦力的作用下使其减速直至停止。这样即可实现在使用清理工具时，刷头是可以自由旋转的，使用结束后刹车起作用，使刷头停止旋转，保证使用安全。
3 切屑清理机主要零部件的制作
数控机床切屑清理机在经过了前期设计、三维建模、运动仿真验证效果，能够实现设计初想要实现的功能。在此基础上进行零件的拆画，主要考虑各零件之间的配合关系，合理制定零件加工方法及工艺，既能满足使用要求，也考虑了实际制作的成本等问题。零件的加工制作决定了清理工具后续的装配效果和运行的稳定性及运行的精度，是从设计图到产品的非常重要的一个过程。主要加工部件见表1所示。
3.1 叶片式马达主要部件的加工
叶片式马达的主要结构包括定子、转子、上、下密封盖和偏心轴。作为运动部件，也是核心部件，其制作精度直接影响到整个机构的工作情况。它们都是回转体，所以用数控车床先加工外形，再使用数控加工中心进行铣削，打孔等。由于组成本装置部件较多，本文选择定子和上密封盖这两个典型零件进行工艺分析和加工工序的描述。
定子是叶片式马达的最重要的部件，其余的部件都是以它为基准进行装配，所以在加工时一定要保证它的加工精度，如图3为定子。工件外形为圆柱形，内部一个偏心孔，侧面有阶梯孔及斜孔，一般的数控车床，加工中心就可以完成加工。加工时所选用的毛坯为Ф60×30的2A12材料。先在数控车床上进行外形及偏心孔的加工，保证尺寸精度，在加工中心上完成R12.5圆弧及Ф3销孔，侧面Ф6孔端面Ф2孔的加工，注意孔的贯通，这里工作时会有气体流通，孔的加工位置很重要。
定子的加工工艺如表2所示。
上、下密封盖安装在定子的上、下两端，密封盖的外侧均安装有轴承，内侧铣有圆弧的进气槽，压缩空气从定子的进气孔进入圆弧的气槽，将转子上的叶片推出，形成若干个密封的工作容积，这样马达就能转动。由于上、下密封盖外形类似，所以只简单的介绍上密封盖的工艺，如图4为上密封盖。
上密封盖加工工艺分析，首先在车床上加工阶梯轴外圆，保证两个外圆尺寸Ф50和Ф32，厚度3和7，内孔Ф26，通孔Ф10，切断，保证厚度，完成后在数控加工中心上打Ф4孔和铣键槽。工件外形为圆形，车削、铣削均可使用三爪卡盘装夹，圆弧进气槽需要有Ф1立铣刀铣削，注意加工时切削参数的选择即可。 3.2 刹车部件的制作
自动刹车部件主要考虑到在实际使用中，可能会遇到突发情况，当有突发情况发生后能够迅速有效的停止清理工具，有效保护操作者。自动刹车部件主要由刹车仓、刹车片、左右刹车柄及橡胶片组成。这里只对刹车仓和刹车柄这两个典型的零件的加工过程和工装夹具进行分析。
刹车仓是整个刹车部件的承载体，位于清理器的顶部，左右刹车柄和锥形滑杆安装在刹车仓内，保证它们相对滑动时的刚性和运动准确，图5为刹车仓。
左右刹车柄是两个半圆环，左右对称。其外侧是放圆形弹簧的球型槽，内侧粘有橡胶片可抱住刹车片使其在摩擦力的作用下停止转动，图6为左刹车片。
刹车柄外形为半环形，加工比较简单，主要解决的是装夹问题。制作时先在车床上做出环状的毛坯，然后去除1/3，余下部分的铣削在加工中心上完成。通用夹具如平口钳无法直接装夹此工件，需先做一套专用夹具。如图7为所设计的夹具，它由夹具本体、圆弧压板、螺钉组成。使用时先将夹具本体装夹在平口钳上，再将工件安装在本体上的圆弧槽内，工件外形圆弧与夹具本体凹形圆弧面贴合定位，再用圆弧压板压紧，圆弧压板下表面与工件贴合处经过加工，能够贴近内圆表面，增加夹具与工件之间的摩擦力，保证夹紧的可靠性。
按照设计图纸，完成所有零件的加工，检验合格后进行装配、调试。装配好的清理机在机床上进行了使用验证，末端接口处可以直接连接加工中心的气管作为动力，手持清理机很方便的进行机床工作台、内壁、导轨等处的切屑、油污的清理，方便实用。如图8所示，实际使用检验其使用效果。
4 应用与推广
数控机床切屑清理机的设计制作，借鉴气动抛光机原理，经过了对其结构分析改造，标准件选择、部件的加工以及装配和调试等工作，完成了整个装置的设计并进行了制作，通过实践检验其实用性，能够满足日常使用。本设计从日常生产实际需求出发，解决了实际问题，同时兼顾实用性、经济性、使用的便捷性，解决了实际问题。
在应用推广方面现在已经在作者所在单位使用，起到很好的效果，为了进行推广，让其他院校实训车间或者中小型的加工企业能够使用到这款方便实用，经济可靠的产品，现在正在积极推广，同时本设计申请了实用新型专利，获得授权，正在申请发明专利，希望在学校、工厂及其他场合能够得到推广和应用。
参考文献：
[1]王丽威.基于单横拉杆的四轴机械联动转向机构研究[J].煤矿机械，2020，41（02）：53-56.
[2]高重庆，冯元科，牟海阔，等.基于PLC控制的修饰线气动抛光机自動化改造[J].汽车实用技术，2019（11）：195-197.
[3]汪凯，叶友东，周哲波.基于ADAMS的摆动抛光磨头动态特性仿真研究[J].机械传动，2017，41（08）：23-27.
[4]田继涛，黄晓华，张言中，等.基于SolidWorks的盾构机刀具参数化设计[J].煤矿机械，2019，40（11）：186-188.
[5]王云平，刘永财，赵金鹏.基于数控机床自动排屑过滤系统的技术研究[J].制造技术与机床，2020（05）：136-139.
[6]李世文，张翔宇，王力强.基于人工智能的机械设计制造及其自动化实践[J].内燃机与配件，2020（02）：231-232.
关键词：清理机;数控机床;气动马达;自动刹车;车间应用
0 引言
随着时代的发展，数控机床在制造业的应用越来越广泛，数控机床已成为学校实训教学和企业生产所常见的必要的设备。对于数控加工机床，零件的切削加工，刀具及工件的冷却都会造成机床内部大量的切屑、油污等，并且一些角落、侧边、机床内壁等部位很难清理。特别是乳化液冷，如果清理不及时、不彻底，很容易造成机械部件生锈，影响机床工作甚至是整体的使用寿命。结合实际生产需求，非常需要一种可以方便清理油污和切屑的设备。
1 国内外机床切屑清理工具现状
对一些企业、学校参观调研及交流，目前对于数控机床的清理，主要以使用毛刷、气枪为主，对于较难清理的厚重切屑配合使用铲子等，但在实际使用中存在很多问题，如清理不彻底、造成二次污染等。一些大型企业，也有使用切屑吸尘器进行切屑清理切屑的，但是吸尘器体积大，操作不便，价格昂贵，不适合在学校和普通中小企业车间的使用。
结合实际情况，设计一种数控机床切屑清理机，在工作原理和结构上借鉴气动抛光机（如图1），通过车间使用的压缩空气驱动气动马达带动刷头旋转，达到清理切屑的目的。气动抛光机的技术目前已经相当的成熟，可以直接借用它的设计经验，这样就在研究和制作上可以少走很多弯路，同时也为产品在实际应用上提供很好的实践经验参考。
2 切屑清理机的具体设计
总体设计借鉴气动抛光机，其动力来源为压缩空气，同时根据实际需要分以下几部分：清理机工作时由机床自带压缩空气提供动力，驱动马达叶轮旋转，从而作为气动执行元件。为完成不同位置切屑的清理，将刷头与清洁器之间为可更换的螺纹连接，并使用左旋螺纹连接，保证工作时不会松动。为调整刷头转速，在其气源接口阀后串联一个节流阀，从而实现无极变速。对于工作台较长及内部角落的清理，设计时将清理机的连接阀口端部附带一根加长金属气管。为了防止刷头上的液体飞溅对机床或操作者的二次污染，将刷头的外周包裹上一圈橡膠软壳，使用时随着按压而紧贴在机床上，防止液体飞溅。在使用结束时为防止高速旋转的毛刷头误伤操作者，设计一个自动抱死的刹车装置，只有在打开高压气体开关时才会使刷头自由旋转，只需松开开关，刷头立即停止转动。
典型部件自动刹车系统的设计：自动刹车系统是本次设计中的创新点之一，由于空间有限，故设计必须十分紧凑。它主要由刹车片7，左、右刹车柄2、6，橡胶片3，锥形滑杆4，圆形弹簧1等组成。可以实现类似步进电动机的功能，即通过打开气阀开关的同时刹车柄松开刹车片，使马达旋转，当松开开关时，刹车柄收紧，抱死刹车片，使马达停止转动，从而使整体动作停止，从而保证了使用后及时停止，避免高速旋转的刷头的意外擦伤。如图2所示。
按下清理工具气阀开关时，会同时按下锥形滑杆4，锥形滑杆4下行时和左右刹车柄2、6的斜面接触并产生相对滑动，使左右刹车柄2、6向两侧撑开，这时橡胶片3与刹车片7分离，不再有摩擦力作用，刹车片即可自由转动，叶片式马达的偏心轴与刹车片7通过螺纹和键槽连接，可实现同时转动和停止。当松开气阀开关时，锥形滑杆4也将会松开，在弹簧1的作用下使左右刹车柄2、6收紧，此时在斜面分力作用下，锥形滑杆4将向上移动，橡胶片3抱紧刹车片7，在摩擦力的作用下使其减速直至停止。这样即可实现在使用清理工具时，刷头是可以自由旋转的，使用结束后刹车起作用，使刷头停止旋转，保证使用安全。
3 切屑清理机主要零部件的制作
数控机床切屑清理机在经过了前期设计、三维建模、运动仿真验证效果，能够实现设计初想要实现的功能。在此基础上进行零件的拆画，主要考虑各零件之间的配合关系，合理制定零件加工方法及工艺，既能满足使用要求，也考虑了实际制作的成本等问题。零件的加工制作决定了清理工具后续的装配效果和运行的稳定性及运行的精度，是从设计图到产品的非常重要的一个过程。主要加工部件见表1所示。
3.1 叶片式马达主要部件的加工
叶片式马达的主要结构包括定子、转子、上、下密封盖和偏心轴。作为运动部件，也是核心部件，其制作精度直接影响到整个机构的工作情况。它们都是回转体，所以用数控车床先加工外形，再使用数控加工中心进行铣削，打孔等。由于组成本装置部件较多，本文选择定子和上密封盖这两个典型零件进行工艺分析和加工工序的描述。
定子是叶片式马达的最重要的部件，其余的部件都是以它为基准进行装配，所以在加工时一定要保证它的加工精度，如图3为定子。工件外形为圆柱形，内部一个偏心孔，侧面有阶梯孔及斜孔，一般的数控车床，加工中心就可以完成加工。加工时所选用的毛坯为Ф60×30的2A12材料。先在数控车床上进行外形及偏心孔的加工，保证尺寸精度，在加工中心上完成R12.5圆弧及Ф3销孔，侧面Ф6孔端面Ф2孔的加工，注意孔的贯通，这里工作时会有气体流通，孔的加工位置很重要。
定子的加工工艺如表2所示。
上、下密封盖安装在定子的上、下两端，密封盖的外侧均安装有轴承，内侧铣有圆弧的进气槽，压缩空气从定子的进气孔进入圆弧的气槽，将转子上的叶片推出，形成若干个密封的工作容积，这样马达就能转动。由于上、下密封盖外形类似，所以只简单的介绍上密封盖的工艺，如图4为上密封盖。
上密封盖加工工艺分析，首先在车床上加工阶梯轴外圆，保证两个外圆尺寸Ф50和Ф32，厚度3和7，内孔Ф26，通孔Ф10，切断，保证厚度，完成后在数控加工中心上打Ф4孔和铣键槽。工件外形为圆形，车削、铣削均可使用三爪卡盘装夹，圆弧进气槽需要有Ф1立铣刀铣削，注意加工时切削参数的选择即可。 3.2 刹车部件的制作
自动刹车部件主要考虑到在实际使用中，可能会遇到突发情况，当有突发情况发生后能够迅速有效的停止清理工具，有效保护操作者。自动刹车部件主要由刹车仓、刹车片、左右刹车柄及橡胶片组成。这里只对刹车仓和刹车柄这两个典型的零件的加工过程和工装夹具进行分析。
刹车仓是整个刹车部件的承载体，位于清理器的顶部，左右刹车柄和锥形滑杆安装在刹车仓内，保证它们相对滑动时的刚性和运动准确，图5为刹车仓。
左右刹车柄是两个半圆环，左右对称。其外侧是放圆形弹簧的球型槽，内侧粘有橡胶片可抱住刹车片使其在摩擦力的作用下停止转动，图6为左刹车片。
刹车柄外形为半环形，加工比较简单，主要解决的是装夹问题。制作时先在车床上做出环状的毛坯，然后去除1/3，余下部分的铣削在加工中心上完成。通用夹具如平口钳无法直接装夹此工件，需先做一套专用夹具。如图7为所设计的夹具，它由夹具本体、圆弧压板、螺钉组成。使用时先将夹具本体装夹在平口钳上，再将工件安装在本体上的圆弧槽内，工件外形圆弧与夹具本体凹形圆弧面贴合定位，再用圆弧压板压紧，圆弧压板下表面与工件贴合处经过加工，能够贴近内圆表面，增加夹具与工件之间的摩擦力，保证夹紧的可靠性。
按照设计图纸，完成所有零件的加工，检验合格后进行装配、调试。装配好的清理机在机床上进行了使用验证，末端接口处可以直接连接加工中心的气管作为动力，手持清理机很方便的进行机床工作台、内壁、导轨等处的切屑、油污的清理，方便实用。如图8所示，实际使用检验其使用效果。
4 应用与推广
数控机床切屑清理机的设计制作，借鉴气动抛光机原理，经过了对其结构分析改造，标准件选择、部件的加工以及装配和调试等工作，完成了整个装置的设计并进行了制作，通过实践检验其实用性，能够满足日常使用。本设计从日常生产实际需求出发，解决了实际问题，同时兼顾实用性、经济性、使用的便捷性，解决了实际问题。
在应用推广方面现在已经在作者所在单位使用，起到很好的效果，为了进行推广，让其他院校实训车间或者中小型的加工企业能够使用到这款方便实用，经济可靠的产品，现在正在积极推广，同时本设计申请了实用新型专利，获得授权，正在申请发明专利，希望在学校、工厂及其他场合能够得到推广和应用。
参考文献：
[1]王丽威.基于单横拉杆的四轴机械联动转向机构研究[J].煤矿机械，2020，41（02）：53-56.
[2]高重庆，冯元科，牟海阔，等.基于PLC控制的修饰线气动抛光机自動化改造[J].汽车实用技术，2019（11）：195-197.
[3]汪凯，叶友东，周哲波.基于ADAMS的摆动抛光磨头动态特性仿真研究[J].机械传动，2017，41（08）：23-27.
[4]田继涛，黄晓华，张言中，等.基于SolidWorks的盾构机刀具参数化设计[J].煤矿机械，2019，40（11）：186-188.
[5]王云平，刘永财，赵金鹏.基于数控机床自动排屑过滤系统的技术研究[J].制造技术与机床，2020（05）：136-139.
[6]李世文，张翔宇，王力强.基于人工智能的机械设计制造及其自动化实践[J].内燃机与配件，2020（02）：231-232.