XIAOZHONGMING

随着制造业的迅速发展, 充分发挥加工中心设备的优势, 高效率、高精度地完成柴油机机体的加工, 已成为柴油机制造厂一家普遍关注的问题。本文在调研国内部分柴油机制造厂家机体加工设备的基础上, 根据柴油机机体的结构特点, 对其数控加工中相关问题的解决措施进行探讨, 以便为同类问题的解决提供参考。
  
      1 、加工中心的选型
  
      在选用加工中心设备时, 除了要考虑定位精度、重复定位精度, 导轨形式、换刀时间、换刀机构等方面, 还应结合机体的结构特点考虑以下几个方面:

      ( l) 机体属箱体类零件, 孔系繁多, 需要完成铣、镗、钻、铰等工序的加工, 且外形较大, 所以应选用规格较大的卧式加工中心, 具体规格以工件的外形尺寸和待加工的
工序内容来决定所选加工中心的工作台和x、Y、z 三个方向的行程范围。
  
      ( 2) 机体孔系分布很广, 要达到高效率完成多面孔系的加三厂, 加工中心选用三轴加一回转轴为经济选择, 且刀库容量要选用大于40 为自, 便于多类孔系在一道工序加
工中不需中间换刀即可完成。
  
      ( 3 )在选择机床主电机的功率时, 要考虑所加工机体的材质大多为铸铁薄壁类零件, 孔系的粗加工需高速切削进给要求, 以及铰孔、攻螺纹的低速大扭矩的要求。一
般情况下选用中高速( 转速为6000r/min左右) 的加工中心比较经济适用。


  
     ( 4 )除此之外, 还要考虑机床需配有先进的在线自动测量系统和自动检测装置, 只有这样才能进行工件的在线定位找正、尺寸精度测量、误差补偿、刀具状态的检测等。
  
      2、工艺方案的确定
  
      （1）做好数控加工与传统加工的衔接使用加工中心对机体进行全部数控加工时, 由于机体结构复杂, 所需刀具、夹具较多, 加工周期长, 加工中心程序的编制在数据处理时一
也有相当的难度。而传统加工正好可以弥补这一缺陷, 它需要一次性投资成本较低, 生产准备周期较短, 要求工艺人员和操作工人的技术水平相对较低, 所以在加工中心设备不足、万能设备还大量存在、高素质的技术人员还相对缺少的情况下, 对于大余量切削的粗加干工序, 可在万能设备上采用传统的加工方法来完成。如果有一定数量的成熟机体加工专机, 可利用其进行部分工序的批量生产。如利用端面铣床加工机体两端的大平面, 卧式多头钻床一次走刀完成机体一个平面上要求不高的钻孔工序, 利用深孔专机一次快速进给完成位置精度容易保证的深孔等, 从而减轻加工中心设备的工作负荷。
  
      但是高效率、高精度是加工中心的最主要特点, 对于工序集中的部位, 更能体现其优越性。在各项条件具备的情况下, 对于机体大多数部位的加工还是要优先选用加工中心进行加工, 如机体的缸孔、主轴孔、凸轮轴孔、平衡轴孔等; 机体上装主轴承盖上的定位销孔( 其孔径和孔距坐标尺寸要求高, 同时还要求孔距尺寸精度一致), 采用加工中心正好可发挥其加工精度高且质量稳定的特点,使同批零件加工质量具有一致性; 机体各个而上的孔系比较集中, 且分布较多, 采用加工中心在一道工序中加工, 可充分利用加工中心自动换刀而无需中断加工过程的特点, 充分发挥加下中心的高效性。
  
      ( 2 )合理地安排工艺流程
  
      在加工中心上加工时, 要尽可能一次完成机体多方向部位的加工。当选用四轴卧式加工中心( x、y、z 轴和一回转轴）加工机体时, 可采用在一道工序中使零件一个端面朝下安装, 一次完成零件四个方向的多面孔系加工的工艺方法, 对于立卧两用加工中心可采用瓦个方向的多面孔系在一道工序中加工完成的工艺方法。另外, 还要充分发挥加工中心丝杠传动准确的特点, 采用一次装夹完成有相关联尺寸要求的孔系加工, 保证孔距尺寸要求。这样可减少辅助时间和工艺装备的数量, 也可提高加工精度和加土效率。
  
      3、 夹具的设计
  
      机体在加工中心上加工所需夹具的设计除了满足定位准确、夹紧可靠、操作及维修方便要求外, 还应根据柴油机机体的特点考虑以下几方面:
  
      (1 )柴油机机体体积大, 所用夹具的体积也要比普通零件的体积大, 且在加工中心上加工且切削力较大, 所以要求夹具在各方面的综合性能要好, 这就意味着其夹具成本较高, 而对于一个柴油机机体制造厂家来讲, 大都生产系列产品, 所以对于同一系列的机体, 应设计成通用可调夹具, 完成系列机型同类部位的加工, 以减少夹具投资的成本。

      ( 2) 对于一次安装进行不同方向的多面及多孔系加工, 为保证夹具及零件加工的刚性, 夹具可设计成立式框架、镂空式结构等。

      ( 3) 当结构尺寸较大的V 型机体的缸孔和与之有相关联尺一寸要求的顶杆孔的粗、精加工都安排在卧式加工中心( X、Y、Z 和一回转轴)上一道工序进行加工时, 因切削力很大, 为保证零件加工时定位的稳定性和夹具的刚性, 此工序的夹具最好设计成卧式回转式夹具结构, 便于一次装夹完成两类孔系的加工, 同时编制加工中心程序,使夹具的回转靠程序来控制, 以提高加工时的自动化程度。

      ( 4) 无论设计何种结构的夹具, 在设计时都要处理好夹具与机床、零件与夹具之间的尺寸关系, 以便于加工时处理编程零点和机床零点的关系; 对于在安装和拆卸零件时有不同位置的定位和夹紧部件, 要配有限位装置, 同时对相关零件的设计应进行运动干涉的检查, 以确保设计尺寸正确。
  


      4 、刀具的选用
  
      加工中心设备能否充分发挥其高效作用, 进行高速度的强力切削, 刀具的选用至关重要。选择刀具时, 除考虑加工中心设备最大刀径、刀重、最大容刀数目因素外,还要根据机体的材质、加工精度的要求、加工部位对机体质量的影响程度等因素进行刀具的选用, 具体如下:
   
      ( l) 在有限资金的情况下, 对使用频率高的简单刀具, 如能对多处进行预钻孔、同时能倒角的中心钻, 可优先选用进口的带涂层的整体硬质合金刀具。对于加工精度要求不高使用频率低的普通刀具可选用标准刀具或厂内自制非标刀具, 以减少一次性的投资。

      ( 2) 考虑加工经济性的同时, 还要考虑众多孔所用刀具尺寸的“兼顾性” 。对于具有良好切削性能的进口刀具,可以采用适当加大切削余量的方法, 以减少刀具数量。

      ( 3 ) 因机体孔系中有不少阶梯孔, 要求有不同的倒角, 有些阶梯孔还有高的同轴度要求, 为此合理地选用复合刀具, 可大大提高加工效率和加工精度。

      ( 4) 对于深孔(如深油孔) 加工, 在选用刀具时可选用螺旋槽内冷带涂层( 含8%钻) 的高速钢、高强度耐磨的深孔麻花钻, 也可选用带内冷和涂层的枪钻。利用枪钻进行深孔加工, 表面精度和直线度高, 可作为首选考虑; 对于主轴孔、平衡轴孔等大直径的深孔镗削加工, 镗杆长径比L/T > 4 时需采用能消振的刀杆(刀杆内有钨金属加阻尼液)和锁刀组成的刀具进行加工。
  
      ( 5) 对于关键尺寸如机体的缸孔, 要选用专用刀具。但因其孔径大, 刀具价格贵, 且缸孔的加工精度直接影响机体的性能, 所以在选用刀具时应粗、精分开, 提高加工
精度,同时延长刀具的使用寿命。
  


       5 、加工中心程序的编制


     在机体加工中心程序的编制时, 除了遵循常规的加工中心程序编制原则外, 还要根据机体的结构特点、采取相应的措施解决好以下几个问题。( l) 多次运用固定循环指令, 多次调用子程序。针对机体孔系多的特点根据机床数控系统的特点,对于孔径、深度不同的同类型孔系, 在加工时可多次调用全程子程序( 可被任何程序调用的子程序)或多次运用固定循环指令, 实现简单的参数化编程; 进行相同孔的加工时,当相同孔多, 且加工工步较多时, 可编制专用子程序, 在主程序中多次调用。其优点: 一是可以大大缩短程序的编制时间, 减少程序的长度, 从而减少程序占用的空间; 二是由于程序缩短, 比较容易发现和改正程序中存在的问题; 三是在调用全程子程序时, 在程序执行的过程中, 如果遇到意外问题, 可以在排除故障后, 从发生故障的语句处开始加工, 而不用从整个程序的开始处重新加工。
  
      ( 2) 正确处理加工数据。
  
     由于机体结构繁杂, 在进行孔的数据处理时, 考虑不周就容易把坐标位置、深度弄错、弄混或漏加工。为避免这种情况, 最好采取C A D 软件按1 : l 绘制零件图形, 然后查取各孔坐标相对基点的坐标值进行程序的数据处理, 以提高数据的可靠性和准确性, 同时也减少了手工的繁琐计算。
  
     ( 3) 合理选取加工路线。对于孔距要求高的加卜, 要坚持“ 先精后短”的原则。如对于孔距要求高的孔系加工,为避免因传动间隙造成的定位误差, 提高定位精度,要做到各孔刀具的定位方向一定, 在需要反向移动定位加工时, 可采用先反向移动超过定位点一段距离, 再正向移动趋近定位点, 使先动量不参与定位运动, 利用系统的反向间隙自动补偿功能对传动链各环节间隙补偿后再进行高精度孔的定位加工。对于孔距和孔精度要求不高的孔, 要坚持“ 最短加工路线”的原则, 但同时在切人点和切出点的选择上要考虑夹具上的零部件是否干涉的问题。
  
     ( 4 )小直径的深孔加工方法。最经济最容易实施的加工方法是采用零件不动, 靠刀具的旋转和轴向进给进行深孔的加工。其具体的加工方法是: 先对加工部位进行浅孔的加工,孔径要求符合最终孔径的要求, 利用已加工的浅孔作为导向孔代替导向机构, 再进行深孔加工。同时还要根据所使用的刀具类型, 结合刀具特点、机体的材质、孔的深度进行冷却液压力、进给速率、主轴转速等参数的合理选取。当利用麻花钻进行加工时要采用往复排屑并配有一定压力的冷却液进行冷却的加工方案; 当利用枪钻加工时, 要按孔径的大小确定切削进给率, 按孔径的大小和机床系统的性能确定冷却液的压力, 按加工材料选取切削速度, 采用高转速、低进给量、一次进给完成孔的加工。


     ( 5) 高精度大直径缸孔的加工方法。考虑采用大余量的铣削粗加工, 最后进行幢孔精加工, 并利用撞削来保证孔的尺寸精度和同轴度精度。在进行孔的铣削时, 要考虑进行刀具半径补偿以简化数据处理量, 同时根据切削理论的分析, 采用顺铣加工, 更有利于刀具寿命的延长。对于镗削加工, 要考虑退刀时有一个安全距离的偏移量, 以避免破坏已加工的表而。
  
     ( 6) 刀具切削参数的选取方法及原则。①根据刀具商提供的刀具参数进行选取, 但在选取时要考虑到对其进行修正, 主要从工件材料硬度、刀具寿命、加工条件、机床工况、夹具刚度方面进行修正。②对不同厂商的刀具采用类比法进行选取。对十进口刀具、国内专业厂家生产的刀具和自制刀具, 在选取丰轴转速和切削进给速率时, 其值应依次降低; ③利用数控加工软件( 如U G )或系统中自带的切削参数数据库, 根据机体的材质、硬度、加工的部位、加工的类型进行选取; 也可根据具体情况建立自已的切削参数数据库, 便于以后工作中应用。
  
     以上几种方法, 无论那一种, 都应以在正常情况下加工一个零件过程不出现断刀、刀钝、中间过程换刀、加工孔径不圆、有啸叫声、机床振动大等现象为原则进行选取。复合刀具的切削参数选取, 如高速钢阶梯钻,要采用阶梯钻的小直径来确定进给量, 用阶梯钻的大直径来确定转速, 再利用公式进行数据处理, 计算机床系统所要求输人的参数( 如卞轴转速
和切削进给速率等)。
  
     (7 )换刀时数据的处理。在自动换刀时, 要注意避免刀具碰撞, 还要避免因没有及时得到刀尖崩断的信息及时换刀而导致坏刀进人下一次的循环使用。为此, 可采用以下方法解决: 在进行换刀前, 以机床零点编程, 并使刀具长度数据处于无效状态。对于较长刀具, 可使装刀具主轴移至最大行程处; 对于较短刀具, 也可使其接近最大行程处, 而不需进行繁多的数据计算即可保证换刀时不发生刀具碰撞的问题, 因刀具返回时进给速度大, 此方法也不会对加工效率有大的影响; 同时, 在完成只作的刀具返回刀库前要调用刀具崩断的检测子程序进行刀其的检测, 以便于提示操作人员对已损坏的刀具及时更换, 从而保证刀库中的所有刀具总处于完好状态。用以卜方法, 不仅提高了编程效率, 又提高了数据的准确性, 同时也达到了相应的目的。
     
       6 、结束语
  
     本文所述内容已应用于高速柴油机机体数控加工的生产中, 并取得了良好的效果, 它适用于国内大多数柴油机制造厂家对机体数控加工相关问题所应采取的解决措施, 部分内容也可供其它类型零件数控加工时参考。