数控机床定点清洗刀具喷头的设计*

新余学院 机电工程学院 江西新余 338004

1 研究现状及发展趋势

在汽车发动机生产过程中,清洁度是评定汽车发动机质量的重要指标之一。清洁度不仅影响发动机的耐久性与可靠性,而且最终会影响汽车的使用寿命。缸盖是汽车发动机的重要部件之一,缸盖上的燃烧室分布着许多孔道，直接影响发动机的燃烧效率。缸盖上形状复杂、深且细小的水道孔，其内部的清洁度要求很高。复杂的交叉孔系,在加工中易积聚切屑,孔内的残余细小铝屑难以清除,缸盖水道孔清洁的好坏直接影响发动机的运行效率及使用寿命[1-2]。

传统发动机缸盖的清洗工艺是采用清洗机来实现的,尤其是缸体清洗机,其技术含量在各类发动机零部件清洗机中是最高的。主要清洗工艺流程为浪涌清洗、定点清洗、吹干、真空干燥。传统清洗工艺可以满足大部分清洗要求,但对于水道孔等一些形状不规则、细小而深的孔无法清洗到位。现有解决这类孔道清洗问题的措施是在加工中心上增加一把清洗刀具,对这类小而深的孔进行精确定位冲洗。目前清洗刀具只有一个出水口,但是缸盖上的每个燃烧室都有十个水道孔,这导致每次清洗的节拍过长，影响整台加工中心的节拍。为了改善加工生产节拍,提高小时工作量,优化清洗刀具成为一个具有研究价值的课题[3-5]。

2 参数合理设置

2.1 清洗压力设定

笔者所设计的数控机床定点清洗刀具喷头采用高压水流,冷却系统的冷却液经过滤纸的一级过滤被送至水箱,随后高压水泵抽出冷却液,再经过高压二级过滤,将冷却液通入主轴,然后分别通过各个喷水孔对缸盖上水道孔进行清洗。根据水道孔内铝屑的残存情况,将水流压力设为5 MPa,此时可以取得良好的清洗效果[6]。

2.2 过滤精度设定

通过主轴的冷却液设定三级过滤。一级过滤通过提升泵将机床的冷却液直接抽取到缝隙式过滤器过滤。二级过滤冷却液通过进料箱在过滤无纺布上流动,无纺布过滤后的冷却液在水箱里储存。三级过滤冷却液经过抽水泵至反冲洗过滤器过滤。最后由高压泵供给主轴,由刀具喷头对水道孔进行清洗。经过三级过滤,最终保证刀具喷头端的冷却液过滤精度达到设计要求30 μm。

3 刀柄结构

刀柄与刀具连接的部分可分为三种：液压刀柄、热胀式刀柄、侧固式刀柄。笔者设计的定点清洗刀具喷头是在德国格劳博加工中心主轴上使用，这一主轴采用凯斯乐标准主轴，凯斯乐主轴使用HSK拉刀爪机构。根据拉刀爪机构,刀具喷头加工时负载较低,考虑生产成本,采用HSK侧固式刀柄。这种刀柄内部设有水流通道,并与喷头主面上的喷水孔相贯通。

4 喷头结构

缸盖结构比较复杂,内表面分布水道、油道、进气管道和出气管道等。多数管道尺寸较大,经过清洗机清洗后完全可以达到清洁度要求。然而燃烧室周围的冷却水道孔尺寸细小且深度较深,宽度只有3 mm,深度为10 mm,清洗机对水道孔的清洗能力十分有限,笔者设计的定点清洗刀具喷头就是针对这一水道孔进行清洗。

笔者设计的定点清洗刀具喷头共有十个出水孔,一次可以清洗一个燃烧室面上所有的水道孔。为了保证在一次加工走刀过程中喷水孔能够以最高效率同时清洗冷却水道孔,喷水孔之间必须呈一定的角度。考虑到水道孔的分布情况,经过计算和试验,十个喷水孔中心间的角度设计为0°、22°、55°、125°、158°、180°、202°、235°、305°、338°,每孔中心距离喷头圆平面中心均为51 mm。

考虑高压冷却液通过刀具喷头时喷头内部所承受的压力，以及对喷水孔进行加工时的工艺,将与刀柄中水流通道相连通的喷水孔道设计成与水平面成50°连接,与喷头主面相连通的喷水孔垂直于喷头主面,方便加工。设有十个工艺孔,刀具喷头在进行清洗工作时需将工艺孔用堵头堵住。刀具喷头装配如图1所示[7-9]。

▲图1 刀具喷头装配

5 走刀路径

根据刀具喷头的设计,走刀路径相应确定为沿缸盖长度方向的直线，如图2所示。喷水孔经过的区域能够很好地覆盖冷却水道孔所在位置,既缩短了空行程,又可以实现有效清洗[10]。

▲图2 缸盖及走刀路径

6 结束语

针对缸盖水道孔位置较为集中分布、尺寸细小且深,不易清洗的难点,笔者设计了数控机床定点清洗刀具喷头,通过在喷头主面上设置十个相互形成一定角度的喷水孔，来实现对各水道孔的定点清洗,增强了清洗效果。在发动机加工工厂的实际应用过程中,这一新型刀具喷头使用后缸盖水道孔的清洗效果良好。改进加工走刀路径为直线,节省了加工走刀时间,提高了生产效率,减少了能耗。