數(shù)控加工技術(shù)水平提高策略研究及其與機(jī)車(chē)內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋工作精確度的相關(guān)性分析

梁偉杰

肇慶市技師學(xué)院 廣東省肇慶市 526060

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高。位于發(fā)動(dòng)機(jī)中心位置的汽缸頭是發(fā)動(dòng)機(jī)的中心部分，它將發(fā)動(dòng)機(jī)的上部和活塞的頂部密封起來(lái)。汽缸頭是發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的重要部件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)精度和制造工藝的要求比較高；而加工的好壞對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響。由于數(shù)控機(jī)床在當(dāng)今制造業(yè)中的地位日益突出，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，由于應(yīng)用范 圍 廣，如Pro/E、UG、MasterCAM等，大大簡(jiǎn)化了數(shù)控加工程序的編制。為保證工件的加工質(zhì)量，既要保證機(jī)床自身的精度，又要綜合考慮各種工藝措施。利用CNC進(jìn)行機(jī)械零件的加工，必須綜合考慮其特性，采用編程技術(shù)和技術(shù)對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化，以確保和提高數(shù)控加工質(zhì)量。

1 數(shù)控加工的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性

1.1 數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)

1.1.1 自動(dòng)化水平高，能降低勞動(dòng)者的勞動(dòng)能力

CNC加工由輸入程序?qū)崿F(xiàn)，操作人員通常只需在機(jī)器旁觀察并監(jiān)視機(jī)器的工作；還要進(jìn)行一些裝卸、更換刀具和零件的檢驗(yàn)。當(dāng)然，數(shù)控機(jī)床操作員的腦力勞動(dòng)也會(huì)隨之增加，他們要解決很多數(shù)學(xué)、微電子、信息等問(wèn)題，這些問(wèn)題在普通的機(jī)床上是不常見(jiàn)的；自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用等。

1.1.2 零件一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定

由于數(shù)控機(jī)床自身具有高精度的定位和反復(fù)定位，使其易于實(shí)現(xiàn)部件的一致性，同時(shí)也極大地降低了在一般機(jī)床加工過(guò)程中的人工誤差，因此，數(shù)控加工不僅能使工件得到高精度的加工；同時(shí)，它的品質(zhì)也很好地保證了生產(chǎn)的質(zhì)量。一般而言，通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)和程序，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，可以達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定產(chǎn)量[2]。

1.1.3 提高產(chǎn)量

由于在一次裝夾過(guò)程中，可以將大量零件在一次裝夾中完成，從而避免了許多傳統(tǒng)的劃線、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)，從而大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備的時(shí)間。由于數(shù)控機(jī)床的外形和尺寸一致性較好，通常僅對(duì)第一批和加工過(guò)程進(jìn)行檢查。另外，通過(guò)CNC加工得到的部件，也為以后的生產(chǎn)（例如組裝）提供了很多便利。

1.1.4 方便開(kāi)發(fā)

由于數(shù)控機(jī)床通常無(wú)需特別復(fù)雜的工藝設(shè)備，可以利用編程程序?qū)哂懈呔群透咄庑蔚墓ぜM(jìn)行加工，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)變更時(shí)，也可以采用修改的方式進(jìn)行相應(yīng)的修改；通常不需要對(duì)模具進(jìn)行再設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。因此，數(shù)控技術(shù)可以極大地縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，為開(kāi)發(fā)和改進(jìn)產(chǎn)品提供一條快捷的途徑。

1.2 數(shù)控加工的不足之處

1.2.1 總體上處理費(fèi)用更高

其主要原因是：設(shè)備成本高，前期準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。通常，同類(lèi)型的普通機(jī)床，CNC的成本要高出幾倍。另外，它的零部件價(jià)格很高，維護(hù)費(fèi)用也很高。此外，編程計(jì)算機(jī)及其配套的配套設(shè)備，使得其制造成本比一般的機(jī)床要高得多。

1.2.2 僅適合于多品種、小批量或中等規(guī)模的加工

因?yàn)閿?shù)控加工的對(duì)象通常是比較復(fù)雜的零件，且工序相對(duì)集中的工藝方法，一次定位裝置中加工出許多待加工面，勢(shì)必將工序時(shí)間拉長(zhǎng)。雖然近年來(lái)對(duì)數(shù)控機(jī)床（例如：多軸化、自動(dòng)交換、柔性加工等）進(jìn)行了大量的研究，但其生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效率還存在著較大的差距[3]。

1.2.3 加工過(guò)程中的調(diào)節(jié)困難

由于CNC是按照程序進(jìn)行自動(dòng)加工的，所以通常難以及時(shí)地進(jìn)行手工調(diào)節(jié)，即使能進(jìn)行局部調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍也不大。

1.2.4 維護(hù)的問(wèn)題

數(shù)控機(jī)床是一種技術(shù)含量很高的機(jī)械設(shè)備，給微電子設(shè)備的維護(hù)帶來(lái)了一定的難度，通常都要求具有高技術(shù)水平的維修人員和良好的設(shè)備。

2 鉆削用量的研究

由于缸體結(jié)構(gòu)的特殊性，其內(nèi)部空穴眾多，因此，鉆進(jìn)工藝占到了整個(gè)加工工藝的主要內(nèi)容。在加工過(guò)程中，刀具的選用與加工質(zhì)量、成本和生產(chǎn)效率有很大的關(guān)系。合理的切削用量可以充分利用刀具和刀具的性能，但若切削量不當(dāng)，則會(huì)造成大量的浪費(fèi)。切削用量的選取應(yīng)遵循：既要保證工件的加工精度，又要滿足加工體系的剛度和強(qiáng)度。使機(jī)床的動(dòng)力和切削性能得到最大限度的優(yōu)化；為了提高生產(chǎn)效率，減少加工費(fèi)用，這一系列的最大削減量被稱(chēng)為“合理的切削量”[4]。目前，機(jī)床的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，其優(yōu)勢(shì)是功率大；它具有高的切割速度和較大的進(jìn)給能力，比普通的機(jī)械加工設(shè)備要好得多。其特點(diǎn)是：具有多種處理方式和豐富的加工內(nèi)容。因此，在選擇和計(jì)算加工中心的切削量時(shí)，不能根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)床的切削量來(lái)決定，而原有的切削用量已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)數(shù)控加工中心的高效使用。

2.1 鉆削用量三要素

2.1.1 鉆削深度

圖1中d0—鉆頭直徑；ap—鉆削深度；f—進(jìn)給量；L—鉆頭進(jìn)給工作行程；B—孔深。鉆頭的直徑通常是根據(jù)設(shè)計(jì)或者加工的大小來(lái)確定的。由于直徑大，鉆頭的刃身大，有利于換熱，便于切削液的注入，便于排屑，減少了鉆頭的磨損。對(duì)于大孔，在機(jī)床功率不足或工件和夾具剛性差時(shí)，采用了先鉆后擴(kuò)孔的方法。這時(shí)，預(yù)制孔的直徑宜為0.5～0.7倍。在刀具性能允許時(shí)，可鉆80mm的鉆孔，一般加工中心可加工35～50mm的孔眼，這與機(jī)床的型號(hào)和尺寸有很大關(guān)系。在正常工作情況下，d0≤35mm的鉆孔均為一次鉆孔。

圖1 鉆削示意圖

2.2 進(jìn)給量

進(jìn)給量f是在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，在進(jìn)給方向上的運(yùn)動(dòng)。在確定了鉆頭直徑后，要盡可能地選擇最大的進(jìn)給速度f(wàn)。

為避免鉆頭在力矩作用下產(chǎn)生剪切失效，根據(jù)鉆頭的極限失效力矩，最大進(jìn)給速度 fmax。鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩M不能超出鉆頭的臨界失效轉(zhuǎn)矩Mc，也就是：M≤Mc（N×m）

扭矩計(jì)算公式為M=Cmd0Zmfymkm：可得到進(jìn)給量的約束方程式：

此時(shí)計(jì)算進(jìn)給量為最大進(jìn)給量，為保證鉆頭有效加工，要乘一個(gè)安全系數(shù)（k=0.3—0.5）。此外，為保證鉆削的穩(wěn)定性，鉆頭最大進(jìn)給量要參照鉆孔深度的修正系數(shù)，鉆孔長(zhǎng)徑比修正系數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔長(zhǎng)徑比修正系數(shù)

因此，進(jìn)給量f=f1×k×k1

2.3 鉆削速度

經(jīng)測(cè)試，切削速率提高10%，使用壽命減少一半。然而，隨著工具材質(zhì)的進(jìn)步，切削工具的耐磨性能和耐磨性能得到了改善，鉆井速度也相應(yīng)增加。為了達(dá)到高效率和高速度的加工中心，一般使用高耐磨的工具。例如，在數(shù)控機(jī)床上，使用硬質(zhì)圓錐柄式鉆機(jī)，切割可鍛鑄鐵，其切削半徑為20-40mm時(shí)，其鉆速可達(dá)60m/min。

3 氣缸蓋數(shù)控加工程序

3.1 Pro/NC的工藝過(guò)程

Pro/NC可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的整個(gè)生產(chǎn)流程。它的工作原理是：通過(guò)對(duì)加工模塊的圖形進(jìn)行編輯，將設(shè)計(jì)的工件的幾何圖形輸入到電腦中，生成相應(yīng)的零件的圖形文檔，再由CNC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)刀具軌跡的加工；通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)各結(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，形成刀位資料，再進(jìn)行相應(yīng)的后處理，實(shí)現(xiàn)NC加工程序的自動(dòng)生成；并能實(shí)時(shí)顯示刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。Pro/NC的處理過(guò)程：首先要構(gòu)建生產(chǎn)模式。傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式包括一個(gè)設(shè)計(jì)模式（參考模式）和一個(gè)工件轉(zhuǎn)換。產(chǎn)品可以被包括在生產(chǎn)模式中，或者沒(méi)有。在加工時(shí)，若含有工件，可以在加工時(shí)對(duì)其進(jìn)行物料移除，即在動(dòng)態(tài)模擬中存在“過(guò)切”現(xiàn)象。其次是建立一個(gè)資料庫(kù)。這個(gè)資料庫(kù)包括工具，工具，夾具配置，地址參數(shù)等。這一步是任選的。如果您不希望事先創(chuàng)建所有的數(shù)據(jù)庫(kù)，您可以直接進(jìn)行處理，并在您確實(shí)需要的時(shí)候?qū)ι厦嫣岬降捻?xiàng)目進(jìn)行定義。定義一種由下列因素組成的作業(yè)：作業(yè)名稱(chēng)、機(jī)床、CL輸出座標(biāo)、作業(yè)說(shuō)明、作業(yè)參數(shù)；FROM和HOME點(diǎn)。其中，機(jī)器和座標(biāo)系統(tǒng)的確定是第一位的，其它的設(shè)置是可選的。創(chuàng)建 NC序列。每個(gè)NC序列包含一組與操作無(wú)關(guān)但需要獲得適當(dāng)NC輸出的特定的后置加工命令。該系統(tǒng)可根據(jù)NC序列類(lèi)型、切削幾何、加工工藝參數(shù)等自動(dòng)生成刀具軌跡。NC生成工具資料、工具表、作業(yè)報(bào)表；通過(guò)NC-Check，可以對(duì)加工后的刀具軌跡進(jìn)行檢測(cè)，在不符合要求的情況下，可以對(duì) NC工藝進(jìn)行及時(shí)的校正；在數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程中，采用NC.Post進(jìn)行數(shù)控后處理，生成數(shù)控程序，為數(shù)控機(jī)床提供加工數(shù)據(jù)[6]。

3.2 數(shù)控加工工藝

在Pro/E數(shù)控加工中，機(jī)床設(shè)置，刀具設(shè)置，夾具設(shè)置噴嘴和操作設(shè)置都是數(shù)控加工Pro/NC中的一種。

3.2.1 基礎(chǔ)工作內(nèi)容

從加工頂部和銑削排氣管的步驟，簡(jiǎn)單地介紹一下工作機(jī)床的安裝和實(shí)際加工的情況類(lèi)似，數(shù)控加工ProJE的加工需要根據(jù)工件的特性，選擇適合的機(jī)床，例如數(shù)控，數(shù)控銑等。在“機(jī)床設(shè)置”里，可以設(shè)置機(jī)床名稱(chēng)、機(jī)床類(lèi)型、軸數(shù)等等。該工藝在加工設(shè)備上已經(jīng)選擇了帶有回轉(zhuǎn)臺(tái)的水平加工中心，這時(shí)可設(shè)定“主軸”，“進(jìn)給量”和“行程”等主要參數(shù)。但是，在安裝好了機(jī)器之后，下一個(gè)更重要的工作就是安裝工具[7]。

3.2.2 刀具設(shè)定

是指在刀具設(shè)定對(duì)話框中，將選定的刀具類(lèi)型、尺寸型號(hào)、材料等，在刀具設(shè)定對(duì)話框中模擬出相似的刀具形狀；在工具設(shè)定對(duì)話方塊的左邊，包含“刀具表”，它定義了一個(gè)描述工具名稱(chēng)和它的類(lèi)型，右邊的主要是現(xiàn)在的工具名稱(chēng)，類(lèi)型，材料和單位。有各種工具可供選擇，如端銑刀、球頭銑刀、鉆孔刀、鉸刀、攻絲、組合刀等等。

3.2.3 固定裝置

該夾具設(shè)定包括創(chuàng)建、修改和刪除夾具，其中包括該動(dòng)作所定義的夾具名稱(chēng)，以及在清單方塊中顯示目前活動(dòng)的設(shè)定名稱(chēng)。在數(shù)控加工Pro/NC中，為節(jié)約時(shí)間和使用方便，不需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)定。但是，為了能夠在加工模擬過(guò)程中，觀察到刀具與夾具是否發(fā)生碰撞或誤加工。在程序編制過(guò)程中，通常會(huì)對(duì)夾具進(jìn)行簡(jiǎn)單的組裝[8]。

3.2.4 設(shè)定工件的坐標(biāo)系統(tǒng)

工件的坐標(biāo)系統(tǒng)的起點(diǎn)又稱(chēng)為“加工零點(diǎn)”。所有的刀具軌跡數(shù)據(jù)均與加工零點(diǎn)相關(guān)。在選擇加工零點(diǎn)時(shí)，可以將其放置在已加工的工件或與工件定位參考具有固定的尺寸關(guān)聯(lián)的夾具上。在工件的位置上，可以很容易地將工件的大小轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系數(shù)值。它的選擇有以下幾點(diǎn)：

①很容易找到。②易于編制。③刀位精度低。④方便、可靠地進(jìn)行加工。

在銑削時(shí)，一般把零點(diǎn)放在工件的外型表面或中間。在進(jìn)行車(chē)削時(shí)，一般將工件的左、右端面設(shè)置為加工零點(diǎn)。在該工藝中，工件的坐標(biāo)系位于工件的上表面的中心孔上。該方法能很容易地實(shí)現(xiàn)鉆孔的深度和加工零點(diǎn)的設(shè)置。在工件的不同加工部位設(shè)置倒刀面，每一處完成后，都要將刀片從一處橫向移動(dòng)至另一處，然后進(jìn)行下一次切割。在一個(gè)與工件一定水平位置的刀刃上的倒刀面叫做回刀面。刀面可為平面或曲面。通過(guò)對(duì)刀片進(jìn)行退刀，可以防止刀片刮傷及切削多余的工件，確保產(chǎn)品的加工質(zhì)量。在這個(gè)過(guò)程中，所有的退刀面都是沿著數(shù)控加工Z軸的方向設(shè)置，這個(gè)距離不宜過(guò)大，通常選擇10-20數(shù)控加工為好，這樣會(huì)使刀片的退刀時(shí)間和效率都會(huì)下降[9]。

3.2.5 設(shè)定數(shù)控加工NC順序

NC順序通常在機(jī)床、刀具、夾具等操作設(shè)定完畢后才能進(jìn)行設(shè)定。NC順序的設(shè)定是由操作員制定的加工計(jì)劃，也是刀具路徑自動(dòng)產(chǎn)生的依據(jù)。在數(shù)控加工Pro/NC中，由于不同的加工設(shè)備和工藝，其數(shù)控加工NC順序設(shè)定項(xiàng)的變化是不一樣的，每個(gè)數(shù)控加工NT程序設(shè)定項(xiàng)所需要的工刀具路徑參數(shù)和使用條件也是不一樣的。所以，要想得到理想的刀位軌跡，必須選用合適的工藝方法和設(shè)定數(shù)控加工NC順序。經(jīng)過(guò)上述步驟的基礎(chǔ)設(shè)定，可以設(shè)定數(shù)控加工NC順序，選取加工方式進(jìn)行數(shù)控加工NC加工。在數(shù)控加工NC加工過(guò)程中，數(shù)控加工NC加工工藝參數(shù)的選擇要依據(jù)數(shù)控加工類(lèi)型、加工速度和進(jìn)給量來(lái)確定；生產(chǎn)環(huán)境的變化等等。該工藝除了對(duì)排氣管表面進(jìn)行銑削外，還可以根據(jù)孔的名稱(chēng)、刀具、參數(shù)等設(shè)定特定的加工工藝。最后，通過(guò)“生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定”對(duì)話框，輸入切削量參數(shù)（過(guò)程計(jì)算時(shí)的結(jié)果），“高級(jí)”選項(xiàng)包含了若干參數(shù)，以優(yōu)化切割路徑，從而使刀具路徑更加合理和高效，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的數(shù)控加工序。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)CNC加工工藝及氣缸蓋加工工藝特點(diǎn)的分析，給出了氣缸蓋加工工藝的工藝路線及CNC加工工藝的劃分，討論了幾個(gè)關(guān)鍵工藝的加工工藝。并對(duì)其加工工藝步驟進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)其加工工藝進(jìn)行了細(xì)致的計(jì)算；同時(shí)，還對(duì)閥座的底部的精度進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)對(duì)復(fù)合鉆頭的受力分析，確定了最終精加工中所選擇的組合刀片，從而達(dá)到了加工精度的目的。