數控機床定點清洗刀具噴頭的設計*

新余學院 機電工程學院 江西新余 338004

1 研究現狀及發展趨勢

在汽車發動機生產過程中,清潔度是評定汽車發動機質量的重要指標之一。清潔度不僅影響發動機的耐久性與可靠性,而且最終會影響汽車的使用壽命。缸蓋是汽車發動機的重要部件之一,缸蓋上的燃燒室分布著許多孔道，直接影響發動機的燃燒效率。缸蓋上形狀復雜、深且細小的水道孔，其內部的清潔度要求很高。復雜的交叉孔系,在加工中易積聚切屑,孔內的殘余細小鋁屑難以清除,缸蓋水道孔清潔的好壞直接影響發動機的運行效率及使用壽命[1-2]。

傳統發動機缸蓋的清洗工藝是采用清洗機來實現的,尤其是缸體清洗機,其技術含量在各類發動機零部件清洗機中是最高的。主要清洗工藝流程為浪涌清洗、定點清洗、吹干、真空干燥。傳統清洗工藝可以滿足大部分清洗要求,但對于水道孔等一些形狀不規則、細小而深的孔無法清洗到位。現有解決這類孔道清洗問題的措施是在加工中心上增加一把清洗刀具,對這類小而深的孔進行精確定位沖洗。目前清洗刀具只有一個出水口,但是缸蓋上的每個燃燒室都有十個水道孔,這導致每次清洗的節拍過長，影響整臺加工中心的節拍。為了改善加工生產節拍,提高小時工作量,優化清洗刀具成為一個具有研究價值的課題[3-5]。

2 參數合理設置

2.1 清洗壓力設定

筆者所設計的數控機床定點清洗刀具噴頭采用高壓水流,冷卻系統的冷卻液經過濾紙的一級過濾被送至水箱,隨后高壓水泵抽出冷卻液,再經過高壓二級過濾,將冷卻液通入主軸,然后分別通過各個噴水孔對缸蓋上水道孔進行清洗。根據水道孔內鋁屑的殘存情況,將水流壓力設為5 MPa,此時可以取得良好的清洗效果[6]。

2.2 過濾精度設定

通過主軸的冷卻液設定三級過濾。一級過濾通過提升泵將機床的冷卻液直接抽取到縫隙式過濾器過濾。二級過濾冷卻液通過進料箱在過濾無紡布上流動,無紡布過濾后的冷卻液在水箱里儲存。三級過濾冷卻液經過抽水泵至反沖洗過濾器過濾。最后由高壓泵供給主軸,由刀具噴頭對水道孔進行清洗。經過三級過濾,最終保證刀具噴頭端的冷卻液過濾精度達到設計要求30 μm。

3 刀柄結構

刀柄與刀具連接的部分可分為三種：液壓刀柄、熱脹式刀柄、側固式刀柄。筆者設計的定點清洗刀具噴頭是在德國格勞博加工中心主軸上使用，這一主軸采用凱斯樂標準主軸，凱斯樂主軸使用HSK拉刀爪機構。根據拉刀爪機構,刀具噴頭加工時負載較低,考慮生產成本,采用HSK側固式刀柄。這種刀柄內部設有水流通道,并與噴頭主面上的噴水孔相貫通。

4 噴頭結構

缸蓋結構比較復雜,內表面分布水道、油道、進氣管道和出氣管道等。多數管道尺寸較大,經過清洗機清洗后完全可以達到清潔度要求。然而燃燒室周圍的冷卻水道孔尺寸細小且深度較深,寬度只有3 mm,深度為10 mm,清洗機對水道孔的清洗能力十分有限,筆者設計的定點清洗刀具噴頭就是針對這一水道孔進行清洗。

筆者設計的定點清洗刀具噴頭共有十個出水孔,一次可以清洗一個燃燒室面上所有的水道孔。為了保證在一次加工走刀過程中噴水孔能夠以最高效率同時清洗冷卻水道孔,噴水孔之間必須呈一定的角度。考慮到水道孔的分布情況,經過計算和試驗,十個噴水孔中心間的角度設計為0°、22°、55°、125°、158°、180°、202°、235°、305°、338°,每孔中心距離噴頭圓平面中心均為51 mm。

考慮高壓冷卻液通過刀具噴頭時噴頭內部所承受的壓力，以及對噴水孔進行加工時的工藝,將與刀柄中水流通道相連通的噴水孔道設計成與水平面成50°連接,與噴頭主面相連通的噴水孔垂直于噴頭主面,方便加工。設有十個工藝孔,刀具噴頭在進行清洗工作時需將工藝孔用堵頭堵住。刀具噴頭裝配如圖1所示[7-9]。

▲圖1 刀具噴頭裝配

5 走刀路徑

根據刀具噴頭的設計,走刀路徑相應確定為沿缸蓋長度方向的直線，如圖2所示。噴水孔經過的區域能夠很好地覆蓋冷卻水道孔所在位置,既縮短了空行程,又可以實現有效清洗[10]。

▲圖2 缸蓋及走刀路徑

6 結束語

針對缸蓋水道孔位置較為集中分布、尺寸細小且深,不易清洗的難點,筆者設計了數控機床定點清洗刀具噴頭,通過在噴頭主面上設置十個相互形成一定角度的噴水孔，來實現對各水道孔的定點清洗,增強了清洗效果。在發動機加工工廠的實際應用過程中,這一新型刀具噴頭使用后缸蓋水道孔的清洗效果良好。改進加工走刀路徑為直線,節省了加工走刀時間,提高了生產效率,減少了能耗。