金剛石涂層刀具前處理吹油裝置研制

趙 飛，徐 凱，徐 佩，吳 昊

（無錫職業技術學院 機械技術學院，無錫 214121）

0 引言

金剛石涂層刀具具有極高的硬度和耐磨性，可用于各種材料的精密加工。目前常見的金剛石涂層可分為兩種：類金剛石涂層（也稱為非晶金剛石涂層）和純金剛石涂層。類金剛石涂層是采用PVD工藝形成的一種碳膜，其厚度較薄，硬度低于純金剛石膜的硬度；純金剛石涂層則是采用CVD工藝形成的涂層，涂有純金剛石涂層的刀具壽命是普通硬質合金刀具的12倍以上。涂層的掉落是金剛石涂層刀具的一個嚴重問題，采用適當的預處理技術就有可能減輕金剛石涂層的掉落，提高刀具的使用壽命。

金剛石涂層刀具前處理吹油裝置的研制源于某刀具生產企業為適應“中國制造2025”及“工業4.0”而對現有的刀具生產線進行高效、環保、智能化改造的需求。改造前企業對刀具生產線上刀具表面殘留磨削液的清潔主要通過人工手動完成，存在以下缺點：1）企業需要使用大量清洗液對工件表面進行清洗，產生了較大排放污染；2）清除下來的磨削液，沒有進行有效的回收利用，不符合可持續發展理念；3）使用人工進行磨削液的清除，效率低下；4）泄露油污造成地面濕滑，易造成人員傷害。

為了改善刀具涂層剝落問題、同時為了克服以上企業生產中的缺點開展了吹油裝置的研制，目標是通過使用該吹油裝置實現刀具生產線上刀具表面的自動清潔，為后續進行金剛石涂層噴涂做好準備。

1 設計要求

企業提出的吹油裝置的主要設計要求有：

1）能有效的清除刀具表面的磨削液；

2）吹油裝置整體結構應具有穩定、簡單、經濟、易于保養的特點；

3）因實際工作環境的限制和企業的要求，吹油裝置的整體尺寸在不影響使用需求的條件下應該盡可能的小，長寬高尺寸應小于400mm×400mm×450mm；

4）所清潔刀具最大重量為：2kg；

5）清潔過程最大時長為：2Min；

6）主要清潔對象為六齒平面銑刀。

2 主要設計思路

通過調研現有的工件清潔裝置資料[1～5]，考慮到設備使用環境為工業現場，需要有抗干擾需求[6～12]，故選用PLC作為其控制器，使用步進電機和滾珠絲杠作為驅動執行機構，利用高壓氣體對刀具表面殘余的磨削液進行清除和收集；設計專用夾具，當刀具隨專用夾具上下運動且高壓氣體噴射工件時，仍能保持固定。

采用高壓氣體噴射的方式，對刀具表面的磨削液進行完全清除，不需要浪費清洗液對工件表面進行清洗，減少了污染，保護了環境。通過吹油裝置還可以對殘留在刀具上的磨削液進行回收利用，降低企業使用磨削液的成本。吹油裝置使用PLC控制步進電機與氣閥實現了自動化清除工件表面磨削液，提高了工作效率。

3 機械結構設計

吹油裝置主要由外殼組件、升降托架組件、內筒組件三大部分組成，如圖1所示。

圖1 吹油裝置機械結構設計方案

內筒上部四周分布多個噴氣孔用于對工件進行吹氣，清除表面的磨削液，底座下部的設計傾斜導流槽用于收集吹落的磨削液。

圖2 氣動系統原理圖

升降托架組件使工件做上下運動，主要組成包括：上下支撐座、聯軸器、滾珠絲桿、托架、托盤、電動機。托盤設計為花型卡爪式，可保證工件在高壓氣體噴射時，仍能保持固定不動。

吹油裝置清洗工件的工藝流程如下。

將托盤上升到內筒的上表面，暫停數秒，操作人員將工件放置在托盤上；電動機開啟，帶動滾珠絲杠向下運動，滾珠絲杠再帶動升降托架和工件向下運動，到達四周高壓噴氣口位置后，工件上下運動，可進行工件表面的清除工作。對于表面復雜程度不同的工件，可通過控制外殼高壓氣孔的噴射順序，采取多個氣口同時或依次噴射，高效去除工件表面磨削液，同時，磨削液進入到回收導流槽。清理工作完成后，滾珠絲杠反轉，并帶動升降托架組件和工件向上運動，升至內筒的上表面停止，由此，完成一個工件的除油清理工作。完成多個工件的清洗工作以后，回收由導流槽流出的磨削液。

吹油裝置設備氣動系統如圖2所示，控制對象主要為噴頭1～7，噴頭1～6為刀具毛坯零件四周清洗噴頭，而噴頭7為刀具毛坯零件內部清洗噴頭。閥3控制噴頭1、4，閥4控制噴頭2、5，閥5控制噴頭3、6，閥6控制噴頭7。噴頭1～7空氣噴速由節流閥7、8、9、10分別控制。

總體機械結構方案確定后，進行了步進電機、絲杠的選型和校核，并基于NX對各零部件進行了三維造型和裝配，如圖3所示。

圖3 吹油裝置機械結構三維建模

4 計算流體動力學仿真

采用有限容積法，對吹油裝置工作時氣體的分布狀況及工作效果進行仿真預測。

使用GAMBIT軟件建立了簡化計算模型并對其進行相應的網格劃分。其中，流體和固體部分單獨實施了網格劃分，其接觸曲面仍設定為普通接觸面；為提高計算精度，對工件周圍的計算區域進行了網格細化操作。為方便劃分網格，工件下部的吹氣通道移至上方，內部僅有一個氣口，仿真中，氣口的上下位置對內部的吹油效果無顯著影響。最后得到的三維計算模型如圖4所示，該模型的體網格共計8157691個。

根據吹油裝置的工作原理，最終參加計算的方程主要為：連續方程、動量方程、氣體狀態方程。

圖4 三維網格計算模型

利用FLUENT軟件對建立的網格模型進行仿真計算，可得到該模型的氣體分布矢量圖，如圖5所示。從圖5可以看出，內外部氣體到達工件表面的速度約為19～26m/s，環繞在工件周圍的氣體分布均勻，說明吹油裝置的噴氣口分布形式合理。

圖5 氣體分布矢量圖

5 吹油裝置PLC控制程序設計

考慮到空間尺寸的限制，選用尺寸小巧的松下FP0R型PLC控制35型步進電機和1004型滾珠絲杠，使用四個二位三通電磁閥控制中間吹氣噴嘴及圓周上均布的三組噴嘴（1、4；2、5；3、6）。步進升降絲杠采用脈沖+方向，使用3個NPN常開傳感器分別控制絲杠上限位、絲杠下限位及工件檢測。

吹油裝置的電氣原理圖如圖6所示。

圖6 吹油裝置電氣原理圖

PLC控制的基本方案如下。

1）按下啟動按鈕，吹油器托盤返回參考點，建立零點坐標。

2）延時0.5秒后，上升至指定位置。

3）零件放入吹油器托盤，經傳感器檢測到工件到位，進入自動程序。

4）零件下降至工作位置。

5）分成并列順序控制：

（1）吹氣孔吹氣，按一定順序開啟，時間控制；

（2）零件下降至下限位置，然后上升至上限位置，往復多次。

6）兩者完成后，停止吹氣。

7）步進電機驅動零件上升至待機位置。

PLC控制流程圖如圖7所示。

圖7 PLC控制流程圖

6 整機聯調

在實際硬件整機聯調前使用NX-MCD模塊對所設計的機械結構及PLC控制程序進行了聯合虛擬調試，從而顯著減少了現場調試的時間，并減少了重復開發成本。

樣機整機聯調的主要內容有：按下復位按鈕，觀察步進電機是否正常運作，是否可以準確的找到原點；按下啟動按鈕，看電機是否運行到上限位停止，放入物料，看電機是否運作，氣閥是否按設定順序啟動；在運動過程中按下停止按鈕，看整臺機器是否停止運作，再按下啟動按鈕看是否立即啟動。如果全都完成則機器正常，機器聯調成功。圖8為樣機調試圖。

圖8 樣機調試圖

7 結束語

應用數字化設計方法完成了吹油裝置的機械結構設計、內部噴氣流體動力學仿真、PLC控制程序設計，經虛擬樣機機電聯調后進行了實際樣機裝配調試。結果表明該吹油裝置可用于清潔2kg以下的刀具，清潔周期在2Min以內，達到了預期的效果，該吹油裝置能有效提升企業的生產效率并降低生產過程中對環境的污染。