數控加工技術水平提高策略研究及其與機車內燃機氣缸蓋工作精確度的相關性分析

梁偉杰

肇慶市技師學院 廣東省肇慶市 526060

隨著我國鐵路運輸行業的快速發展，對其性能的要求也越來越高。位于發動機中心位置的汽缸頭是發動機的中心部分，它將發動機的上部和活塞的頂部密封起來。汽缸頭是發動機部件中的重要部件，結構比較復雜，對精度和制造工藝的要求比較高；而加工的好壞對整個發動機的性能有很大的影響。由于數控機床在當今制造業中的地位日益突出，隨著計算機輔助設計的不斷發展，由于應用范 圍 廣，如Pro/E、UG、MasterCAM等，大大簡化了數控加工程序的編制。為保證工件的加工質量，既要保證機床自身的精度，又要綜合考慮各種工藝措施。利用CNC進行機械零件的加工，必須綜合考慮其特性，采用編程技術和技術對數控加工程序進行優化，以確保和提高數控加工質量。

1 數控加工的優缺點及適應性

1.1 數控加工的優點

1.1.1 自動化水平高，能降低勞動者的勞動能力

CNC加工由輸入程序實現，操作人員通常只需在機器旁觀察并監視機器的工作；還要進行一些裝卸、更換刀具和零件的檢驗。當然，數控機床操作員的腦力勞動也會隨之增加，他們要解決很多數學、微電子、信息等問題，這些問題在普通的機床上是不常見的；自動化技術的應用等。

1.1.2 零件一致性好，質量穩定

由于數控機床自身具有高精度的定位和反復定位，使其易于實現部件的一致性，同時也極大地降低了在一般機床加工過程中的人工誤差，因此，數控加工不僅能使工件得到高精度的加工；同時，它的品質也很好地保證了生產的質量。一般而言，通過合理的工藝設計和程序，嚴格按照操作規程進行操作，可以達到長時間的穩定產量[2]。

1.1.3 提高產量

由于在一次裝夾過程中，可以將大量零件在一次裝夾中完成，從而避免了許多傳統的劃線、檢驗等環節，從而大大縮短了生產準備的時間。由于數控機床的外形和尺寸一致性較好，通常僅對第一批和加工過程進行檢查。另外，通過CNC加工得到的部件，也為以后的生產（例如組裝）提供了很多便利。

1.1.4 方便開發

由于數控機床通常無需特別復雜的工藝設備，可以利用編程程序對具有高精度和高外形的工件進行加工，因此在進行設計變更時，也可以采用修改的方式進行相應的修改；通常不需要對模具進行再設計和生產。因此，數控技術可以極大地縮短產品的開發周期，為開發和改進產品提供一條快捷的途徑。

1.2 數控加工的不足之處

1.2.1 總體上處理費用更高

其主要原因是：設備成本高，前期準備時間長。通常，同類型的普通機床，CNC的成本要高出幾倍。另外，它的零部件價格很高，維護費用也很高。此外，編程計算機及其配套的配套設備，使得其制造成本比一般的機床要高得多。

1.2.2 僅適合于多品種、小批量或中等規模的加工

因為數控加工的對象通常是比較復雜的零件，且工序相對集中的工藝方法，一次定位裝置中加工出許多待加工面，勢必將工序時間拉長。雖然近年來對數控機床（例如：多軸化、自動交換、柔性加工等）進行了大量的研究，但其生產規模和生產效率還存在著較大的差距[3]。

1.2.3 加工過程中的調節困難

由于CNC是按照程序進行自動加工的，所以通常難以及時地進行手工調節，即使能進行局部調節，其調節范圍也不大。

1.2.4 維護的問題

數控機床是一種技術含量很高的機械設備，給微電子設備的維護帶來了一定的難度，通常都要求具有高技術水平的維修人員和良好的設備。

2 鉆削用量的研究

由于缸體結構的特殊性，其內部空穴眾多，因此，鉆進工藝占到了整個加工工藝的主要內容。在加工過程中，刀具的選用與加工質量、成本和生產效率有很大的關系。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，則會造成大量的浪費。切削用量的選取應遵循：既要保證工件的加工精度，又要滿足加工體系的剛度和強度。使機床的動力和切削性能得到最大限度的優化；為了提高生產效率，減少加工費用，這一系列的最大削減量被稱為“合理的切削量”[4]。目前，機床的應用范圍日益擴大，其優勢是功率大；它具有高的切割速度和較大的進給能力，比普通的機械加工設備要好得多。其特點是：具有多種處理方式和豐富的加工內容。因此，在選擇和計算加工中心的切削量時，不能根據傳統機床的切削量來決定，而原有的切削用量已經無法適應數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—進給量；L—鉆頭進給工作行程；B—孔深。鉆頭的直徑通常是根據設計或者加工的大小來確定的。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。對于大孔，在機床功率不足或工件和夾具剛性差時，采用了先鉆后擴孔的方法。這時，預制孔的直徑宜為0.5～0.7倍。在刀具性能允許時，可鉆80mm的鉆孔，一般加工中心可加工35～50mm的孔眼，這與機床的型號和尺寸有很大關系。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 進給量

進給量f是在不轉動的情況下，在進給方向上的運動。在確定了鉆頭直徑后，要盡可能地選擇最大的進給速度f。

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

扭矩計算公式為M=Cmd0Zmfymkm：可得到進給量的約束方程式：

此時計算進給量為最大進給量，為保證鉆頭有效加工，要乘一個安全系數（k=0.3—0.5）。此外，為保證鉆削的穩定性，鉆頭最大進給量要參照鉆孔深度的修正系數，鉆孔長徑比修正系數如表1所示。

表1 鉆孔長徑比修正系數

因此，進給量f=f1×k×k1

2.3 鉆削速度

經測試，切削速率提高10%，使用壽命減少一半。然而，隨著工具材質的進步，切削工具的耐磨性能和耐磨性能得到了改善，鉆井速度也相應增加。為了達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，在數控機床上，使用硬質圓錐柄式鉆機，切割可鍛鑄鐵，其切削半徑為20-40mm時，其鉆速可達60m/min。

3 氣缸蓋數控加工程序

3.1 Pro/NC的工藝過程

Pro/NC可以實現數控加工的整個生產流程。它的工作原理是：通過對加工模塊的圖形進行編輯，將設計的工件的幾何圖形輸入到電腦中，生成相應的零件的圖形文檔，再由CNC程序實現對刀具軌跡的加工；通過計算機對各結點進行計算，并進行數學運算，形成刀位資料，再進行相應的后處理，實現NC加工程序的自動生成；并能實時顯示刀具的運動軌跡[5]。Pro/NC的處理過程：首先要構建生產模式。傳統的生產模式包括一個設計模式（參考模式）和一個工件轉換。產品可以被包括在生產模式中，或者沒有。在加工時，若含有工件，可以在加工時對其進行物料移除，即在動態模擬中存在“過切”現象。其次是建立一個資料庫。這個資料庫包括工具，工具，夾具配置，地址參數等。這一步是任選的。如果您不希望事先創建所有的數據庫，您可以直接進行處理，并在您確實需要的時候對上面提到的項目進行定義。定義一種由下列因素組成的作業：作業名稱、機床、CL輸出座標、作業說明、作業參數；FROM和HOME點。其中，機器和座標系統的確定是第一位的，其它的設置是可選的。創建 NC序列。每個NC序列包含一組與操作無關但需要獲得適當NC輸出的特定的后置加工命令。該系統可根據NC序列類型、切削幾何、加工工藝參數等自動生成刀具軌跡。NC生成工具資料、工具表、作業報表；通過NC-Check，可以對加工后的刀具軌跡進行檢測，在不符合要求的情況下，可以對 NC工藝進行及時的校正；在數控機床的加工過程中，采用NC.Post進行數控后處理，生成數控程序，為數控機床提供加工數據[6]。

3.2 數控加工工藝

在Pro/E數控加工中，機床設置，刀具設置，夾具設置噴嘴和操作設置都是數控加工Pro/NC中的一種。

3.2.1 基礎工作內容

從加工頂部和銑削排氣管的步驟，簡單地介紹一下工作機床的安裝和實際加工的情況類似，數控加工ProJE的加工需要根據工件的特性，選擇適合的機床，例如數控，數控銑等。在“機床設置”里，可以設置機床名稱、機床類型、軸數等等。該工藝在加工設備上已經選擇了帶有回轉臺的水平加工中心，這時可設定“主軸”，“進給量”和“行程”等主要參數。但是，在安裝好了機器之后，下一個更重要的工作就是安裝工具[7]。

3.2.2 刀具設定

是指在刀具設定對話框中，將選定的刀具類型、尺寸型號、材料等，在刀具設定對話框中模擬出相似的刀具形狀；在工具設定對話方塊的左邊，包含“刀具表”，它定義了一個描述工具名稱和它的類型，右邊的主要是現在的工具名稱，類型，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

該夾具設定包括創建、修改和刪除夾具，其中包括該動作所定義的夾具名稱，以及在清單方塊中顯示目前活動的設定名稱。在數控加工Pro/NC中，為節約時間和使用方便，不需要對其進行設定。但是，為了能夠在加工模擬過程中，觀察到刀具與夾具是否發生碰撞或誤加工。在程序編制過程中，通常會對夾具進行簡單的組裝[8]。

3.2.4 設定工件的坐標系統

工件的坐標系統的起點又稱為“加工零點”。所有的刀具軌跡數據均與加工零點相關。在選擇加工零點時，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聯的夾具上。在工件的位置上，可以很容易地將工件的大小轉化為坐標系數值。它的選擇有以下幾點：

①很容易找到。②易于編制。③刀位精度低。④方便、可靠地進行加工。

在銑削時，一般把零點放在工件的外型表面或中間。在進行車削時，一般將工件的左、右端面設置為加工零點。在該工藝中，工件的坐標系位于工件的上表面的中心孔上。該方法能很容易地實現鉆孔的深度和加工零點的設置。在工件的不同加工部位設置倒刀面，每一處完成后，都要將刀片從一處橫向移動至另一處，然后進行下一次切割。在一個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。通過對刀片進行退刀，可以防止刀片刮傷及切削多余的工件，確保產品的加工質量。在這個過程中，所有的退刀面都是沿著數控加工Z軸的方向設置，這個距離不宜過大，通常選擇10-20數控加工為好，這樣會使刀片的退刀時間和效率都會下降[9]。

3.2.5 設定數控加工NC順序

NC順序通常在機床、刀具、夾具等操作設定完畢后才能進行設定。NC順序的設定是由操作員制定的加工計劃，也是刀具路徑自動產生的依據。在數控加工Pro/NC中，由于不同的加工設備和工藝，其數控加工NC順序設定項的變化是不一樣的，每個數控加工NT程序設定項所需要的工刀具路徑參數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定數控加工NC順序。經過上述步驟的基礎設定，可以設定數控加工NC順序，選取加工方式進行數控加工NC加工。在數控加工NC加工過程中，數控加工NC加工工藝參數的選擇要依據數控加工類型、加工速度和進給量來確定；生產環境的變化等等。該工藝除了對排氣管表面進行銑削外，還可以根據孔的名稱、刀具、參數等設定特定的加工工藝。最后，通過“生產參數設定”對話框，輸入切削量參數（過程計算時的結果），“高級”選項包含了若干參數，以優化切割路徑，從而使刀具路徑更加合理和高效，從而實現一個完整的數控加工序。

4 結語

本文通過對CNC加工工藝及氣缸蓋加工工藝特點的分析，給出了氣缸蓋加工工藝的工藝路線及CNC加工工藝的劃分，討論了幾個關鍵工藝的加工工藝。并對其加工工藝步驟進行了詳細的闡述，并對其加工工藝進行了細致的計算；同時，還對閥座的底部的精度進行了計算。通過對復合鉆頭的受力分析，確定了最終精加工中所選擇的組合刀片，從而達到了加工精度的目的。