梁偉杰

肇慶市技師學(xué)院 廣東省肇慶市 526060

隨著我國鐵路運輸行業(yè)的快速發(fā)展，對其性能的要求也越來越高。位于發(fā)動機(jī)中心位置的汽缸頭是發(fā)動機(jī)的中心部分，它將發(fā)動機(jī)的上部和活塞的頂部密封起來。汽缸頭是發(fā)動機(jī)部件中的重要部件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(fā)動機(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，隨著計算機(jī)輔助設(shè)計的不斷發(fā)展，由于應(yīng)用范 圍 廣，如Pro/E、UG、MasterCAM等，大大簡化了數(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)缺點及適應(yīng)性

1.1 數(shù)控加工的優(yōu)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?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。當(dāng)然，數(shù)控機(jī)床操作員的腦力勞動也會隨之增加，他們要解決很多數(shù)學(xué)、微電子、信息等問題，這些問題在普通的機(jī)床上是不常見的；自動化技術(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，使其易于實現(xiàn)部件的一致性，同時也極大地降低了在一般機(jī)床加工過程中的人工誤差，因此，數(shù)控加工不僅能使工件得到高精度的加工；同時，它的品質(zhì)也很好地保證了生產(chǎn)的質(zhì)量。一般而言，通過合理的工藝設(shè)計和程序，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，可以達(dá)到長時間的穩(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、檢驗等環(huán)節(jié)，從而大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備的時間。由于數(shù)控機(jī)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(jìn)行檢查。另外，通過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 方便開發(fā)

由于數(shù)控機(jī)床通常無需特別復(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)計變更時，也可以采用修改的方式進(jìn)行相應(yīng)的修改；通常不需要對模具進(jìn)行再設(shè)計和生產(chǎn)。因此，數(shù)控技術(shù)可以極大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，為開發(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 總體上處理費用更高

其主要原因是：設(shè)備成本高，前期準(zhǔn)備時間長。通常，同類型的普通機(jī)床，CNC的成本要高出幾倍。另外，它的零部件價格很高，維護(hù)費用也很高。此外，編程計算機(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

因為數(shù)控加工的對象通常是比較復(fù)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(shù)控機(jī)床（例如：多軸化、自動交換、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 加工過程中的調(diào)節(jié)困難

由于CNC是按照程序進(jìn)行自動加工的，所以通常難以及時地進(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)工藝占到了整個加工工藝的主要內(nèi)容。在加工過程中，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)，則會造成大量的浪費。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，減少加工費用，這一系列的最大削減量被稱為“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，在選擇和計算加工中心的切削量時，不能根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)床的切削量來決定，而原有的切削用量已經(jīng)無法適應(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(jī)床功率不足或工件和夾具剛性差時，采用了先鉆后擴(kuò)孔的方法。這時，預(yù)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(jī)床的型號和尺寸有很大關(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)動的情況下，在進(jìn)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(jìn)給速度f。

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）

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

此時計算進(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)，鉆孔長徑比修正系數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔長徑比修正系數(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，其鉆速可達(dá)60m/min。

3 氣缸蓋數(shù)控加工程序

3.1 Pro/NC的工藝過程

Pro/NC可以實現(xiàn)數(shù)控加工的整個生產(chǎn)流程。它的工作原理是：通過對加工模塊的圖形進(jìn)行編輯，將設(shè)計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)對刀具軌跡的加工；通過計算機(jī)對各結(jié)點進(jìn)行計算，并進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，形成刀位資料，再進(jìn)行相應(yīng)的后處理，實現(xiàn)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(gòu)建生產(chǎn)模式。傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式包括一個設(shè)計模式（參考模式）和一個工件轉(zhuǎn)換。產(chǎn)品可以被包括在生產(chǎn)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(jìn)行物料移除，即在動態(tài)模擬中存在“過切”現(xiàn)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(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，您可以直接進(jìn)行處理，并在您確實需要的時候?qū)ι厦嫣岬降捻椖窟M(jìn)行定義。定義一種由下列因素組成的作業(yè)：作業(yè)名稱、機(jī)床、CL輸出座標(biāo)、作業(yè)說明、作業(yè)參數(shù)；FROM和HOME點。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NC序列包含一組與操作無關(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序列類型、切削幾何、加工工藝參數(shù)等自動生成刀具軌跡。NC生成工具資料、工具表、作業(yè)報表；通過NC-Check，可以對加工后的刀具軌跡進(jìn)行檢測，在不符合要求的情況下，可以對 NC工藝進(jìn)行及時的校正；在數(shù)控機(jī)床的加工過程中，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，簡單地介紹一下工作機(jī)床的安裝和實際加工的情況類似，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、機(jī)床類型、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)臺的水平加工中心，這時可設(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)定對話框中，將選定的刀具類型、尺寸型號、材料等，在刀具設(shè)定對話框中模擬出相似的刀具形狀；在工具設(shè)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(xiàn)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(shè)定包括創(chuàng)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(shè)定名稱。在數(shù)控加工Pro/NC中，為節(jié)約時間和使用方便，不需要對其進(jìn)行設(shè)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(fā)生碰撞或誤加工。在程序編制過程中，通常會對夾具進(jìn)行簡單的組裝[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)的起點又稱為“加工零點”。所有的刀具軌跡數(shù)據(jù)均與加工零點相關(guān)。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(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：

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，一般把零點放在工件的外型表面或中間。在進(jìn)行車削時，一般將工件的左、右端面設(shè)置為加工零點。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現(xiàn)鉆孔的深度和加工零點的設(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至另一處，然后進(jìn)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(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。在這個過程中，所有的退刀面都是沿著數(shù)控加工Z軸的方向設(shè)置，這個距離不宜過大，通常選擇10-20數(shù)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(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劃，也是刀具路徑自動產(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)定項的變化是不一樣的，每個數(shù)控加工NT程序設(shè)定項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)控加工類型、加工速度和進(jìn)給量來確定；生產(chǎn)環(huán)境的變化等等。該工藝除了對排氣管表面進(jìn)行銑削外，還可以根據(jù)孔的名稱、刀具、參數(shù)等設(shè)定特定的加工工藝。最后，通過“生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定”對話框，輸入切削量參數(shù)（過程計算時的結(jié)果），“高級”選項包含了若干參數(shù)，以優(yōu)化切割路徑，從而使刀具路徑更加合理和高效，從而實現(xiàn)一個完整的數(shù)控加工序。

4 結(jié)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(guān)鍵工藝的加工工藝。并對其加工工藝步驟進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對其加工工藝進(jìn)行了細(xì)致的計算；同時，還對閥座的底部的精度進(jìn)行了計算。通過對復(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。