數(shù)控加工技術(shù)在活塞頭制造中的應(yīng)用

0 引言

　　活塞頭是大型船用柴油機(jī)關(guān)鍵零部件之一，具有精度要求高，形狀復(fù)雜，可靠性要求高的特點(diǎn)，采用普通的加工技術(shù)生產(chǎn)活塞頭，通常難以滿足精度和形狀的要求，而數(shù)控加工技術(shù)能較好地達(dá)到活塞頭加工的要求。

1 采用數(shù)控加工技術(shù)制造活塞頭的必要性

　　（1）活塞頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的頂部燃燒室和內(nèi)、外冷卻腔曲面是有多個(gè)回轉(zhuǎn)曲面組成。活塞頭頂部燃燒室的表面粗糙度要求在Ra值1.6 μm以下，同時(shí)內(nèi)、外冷卻腔曲面的表面粗糙度也有較高要求，常規(guī)加工方式是在普通車(chē)床上利用靠模進(jìn)行仿形加工，靠模是由工人根據(jù)圖紙銼磨而成，加工后的粗糙度很難達(dá)到要求。

原因是：

　　1）普通車(chē)床的加工精度不高，一般為Ra值≥3.2 μm；

　　2）加工靠模的技術(shù)落后，造成靠模本身存在著尺寸誤差；

　　3）每個(gè)工人在操作經(jīng)驗(yàn)方面都存在著差異。一般活塞頭加工后需要人工打磨處理，加工效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，外觀不美觀。采用數(shù)控加工技術(shù)后，解決了傳統(tǒng)的用靠模仿形加工質(zhì)量差、效率低、工作量大的難題，為公司節(jié)約了成本。

　　（2）活塞頭上半部的外圓是由具有斜度的錐面組成。采用普通車(chē)床加工時(shí)，需要操作人員多次精確地調(diào)整刀及刀架的角度，加工起來(lái)非常繁瑣，且不易保證加工后的錐面角度的統(tǒng)一性。采用數(shù)控加工技術(shù)，利用數(shù)控機(jī)床的加工特性，只要操作人員按照編寫(xiě)的數(shù)控程序輸入到操作面板中，數(shù)控機(jī)床便能夠根據(jù)指令的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行加工，而且加工精度和加工效率都非常高，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

　　（3） 活塞頭的主螺孔和裙部螺孔，數(shù)量多，加工精度要求高。采用普通鉆床時(shí)，通常是先將鉆孔模板做好，操作工人鉆孔時(shí)將鉆孔模板固定在活塞頭底面，找出定位孔，然后根據(jù)模板，定出所有孔位，孔鉆好后再攻牙。這樣的不足之處是：

　　1）鉆孔模板制作繁瑣，造成材料和人工的浪費(fèi)；

　　2）鉆孔模板本身容易產(chǎn)生累計(jì)誤差，工人操作時(shí)，定位孔找的不正或稍微失誤就鉆深了，都會(huì)造成不合格品；

　　3）活塞頭機(jī)型變化頻繁，每一機(jī)型都要對(duì)應(yīng)一款鉆孔模板，為公司造成巨大浪費(fèi)。采用數(shù)控加工技術(shù)后，完全解決了以上問(wèn)題，并且活塞頭的主螺孔和裙部螺孔大多是沿圓周均勻分布的，利用宏程序來(lái)加工，將大大提高工作效率和加工質(zhì)量。

　　總之，在以上這些方面中，采用數(shù)控技術(shù)后，數(shù)控機(jī)床具有的曲面連續(xù)加工、重復(fù)定位、加工精度高和加工質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)將得到充分發(fā)揮，同時(shí)采用數(shù)控加工技術(shù)后，職工數(shù)量雖然減少了，但是生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量均獲得了顯著提升，生產(chǎn)成本也得到了有效控制。

2 數(shù)控加工技術(shù)在活塞頭制造中的實(shí)例應(yīng)用

　　隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，公司的業(yè)務(wù)也日漸擴(kuò)大，至今，公司先后購(gòu)買(mǎi)了數(shù)控車(chē)床3臺(tái)（型號(hào)CKJ61100、CAK6763、CA5116）、數(shù)控鉆床1臺(tái)（型號(hào)ZK5150A），考慮到加工的經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率，主要對(duì)活塞頭的頂部燃燒室、內(nèi)、外冷卻腔室、主螺孔和裙部螺孔的鉆孔加工工藝采用了數(shù)控加工技術(shù)。由于篇幅有限，本文主要講述具有代表性的S60ME-C活塞頭的頂部燃燒室和主螺孔 （內(nèi)孔）的數(shù)控精加工過(guò)程。

　　2.1 使用數(shù)控臥車(chē)精車(chē)活塞頭的頂部燃燒室

　　2.1.1零件概況

　　船用柴油機(jī)零部件活塞頭S60ME-C，材料為S17MoS，熱處理硬度為HB219～220，活塞頭頂部燃燒室，精車(chē)工序圖如圖1所示。

圖1 活塞頭頂部燃燒室精車(chē)工序圖

　　2.1.2數(shù)控車(chē)床的選用選用安陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的數(shù)控臥車(chē)，型號(hào)為CKJ61100，機(jī)床主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)床主要參數(shù)

　　2.1.3分析頂部燃燒室結(jié)構(gòu)，編制數(shù)控加工程序?yàn)榱吮阌趯?duì)刀，R9圓弧先不加工，保留一個(gè)平臺(tái)。由于是精車(chē)，加工余量少（約為0.5 mm），每 次 進(jìn) 給 量 是0.25 mm， 使 用 一 把 圓 弧 尖 刀（R0.5）循環(huán)加工兩次就完成了。選用絕對(duì)坐標(biāo)系編程，取活塞頭頂部中心點(diǎn)為工件原點(diǎn)，即X=0，Y=0，Z=0。數(shù)控加工程序如下：

　　N10 G92 X600 Z100
　　N15 G90G95
　　N20 G97 S200 T0101
　　N25 M03 M08
　　N35 G00 X598 Z2
　　N40 G00 Z-17
　　N45 G01 X576.08 F60
　　N50 G03 X399.34 Z-30 R80
　　N55 G01 X347.44
　　N60 G03 X314.18 Z-28.25 R80
　　N65 G01 X95.64 Z-5.03
　　N70 G02 X0 Z0 R230
　　N80 M09 M30

　　2.1.4 數(shù)控加工過(guò)程

　　操作工人將編制好的數(shù)控程序輸入車(chē)床的控制面板，利用空運(yùn)轉(zhuǎn)或模擬檢驗(yàn)程序的正確性。然后將工件夾緊，校正，對(duì)刀，就可以實(shí)施加工了。由于活塞頭頂部燃燒室形狀精度要求高，要求工人在加工過(guò)程中要靈活運(yùn)用刀尖半徑補(bǔ)償（G41 G42）指令。

　　2.1.5 產(chǎn)品數(shù)控加工后的檢驗(yàn)效果

　　采用數(shù)控機(jī)床加工完成的活塞頭，精度可以達(dá)到Ra1.6，用標(biāo)準(zhǔn)樣板檢驗(yàn)，尺寸完全控制在±0.02 mm范圍，并且全部一致，曲線形狀非常吻合，表面粗糙度完全符合圖紙要求Ra1.6。利用數(shù)控機(jī)床的加工特性，只要加工人員按照預(yù)定的指令來(lái)輸入各種參數(shù)，數(shù)控機(jī)床便能夠根據(jù)指令的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行加工，而且加工精度和加工效率都非常高，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

　　2.2 使用數(shù)控鉆床加工主螺孔

　　2.2.1零件概況

　　活塞頭底部主螺栓孔工序圖如圖2所示。

圖2 活塞關(guān)底部主螺孔鉆孔工序圖

　　2.2.2 數(shù)控鉆床的選用

　　選用桂林正菱第二機(jī)床有限公司生產(chǎn)的數(shù)控立式鉆床，型號(hào)為ZK5150A，最大鉆孔直徑為50 mm，數(shù)控系統(tǒng)是廣州數(shù)控GSK983M。

　　2.2.3分析主螺孔分布特征，編制數(shù)控加工程序，由圖可見(jiàn)，12只主螺孔沿圓周呈均勻分布，起始孔與X軸呈15°夾角，相鄰孔呈30°夾角。與XOY平面垂直的軸為 Z。選用直徑為21 mm的鉆頭，選用絕對(duì)坐標(biāo)系，取活塞頭底平面中心點(diǎn)為工件原點(diǎn)，即X=0，Y=0，Z=0，小數(shù)點(diǎn)編程，程序編制如下：

　　N10 G0 G90 G54 L0;
　　N20 S800 M3;
　　N25 M08;
　　N30 Z10. F20.;
　　N40 G81 R-57. Z-134. ;
　　N50 G65 P0000 X0 Y0 R170 A15. H12.;
　　N60 G80;
　　N70 G0 Z10.;
　　N80 M09;
　　N90 M5;

　　在正式鉆孔前，為了安全，先進(jìn)行孔定位，定位用的數(shù)控程序與鉆孔程序相同，只是進(jìn)刀量不同，改為0.20 mm就可以了。

　　螺孔采用數(shù)控鉆床加工，使工作簡(jiǎn)單化，不但提高了工作效率，還節(jié)約了成本。由于活塞頭系列產(chǎn)品的工藝類(lèi)似，可以建立活塞頭加工的標(biāo)準(zhǔn)程序格式，對(duì)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、加工程序的編制以及加工質(zhì)量的可靠性保證，具有較大的意義。

3 結(jié)果分析

　　根據(jù)以上兩個(gè)加工實(shí)例，列表分析活塞頭采用數(shù)控加工與普通車(chē)床加工的差異，見(jiàn)表2。

表2 活塞頭的頂部燃燒室與主螺孔采用數(shù)控加工同普通加工的差異

4 結(jié)語(yǔ)

　　從數(shù)控技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的效果來(lái)看，活塞頭的加工質(zhì)量有了保證，產(chǎn)品制造周期大大縮短，生產(chǎn)效率有了明顯提高，加工成本也顯著降低。因此，發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)是提高活塞頭加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效途徑。同時(shí)采用數(shù)控加工技術(shù)解決了工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題；對(duì)整個(gè)加工過(guò)程可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于及時(shí)解決錯(cuò)誤；用智能化加工，有效地把繁瑣的加工工序簡(jiǎn)單化。所以活塞頭加工工藝過(guò)程中要大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)。

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