机车内燃机气缸盖的数控加工

1、 摘 要气缸盖是发动机系统的关键零件，其结构复杂，加工难度大，在很大程度上决定了产品的性能和生产周期。加工中心是一种高效的生产设备，要发挥其作用，除了要提高管理水平、合理配置人员、做好生产准备等工作以外，还要做好数控加工工艺。本文对气缸盖的数控加工工艺和数控编程进行了深入的研究。本文以内燃机气缸盖为研究对象，根据数控加工工艺设计的总体内容，进行气缸盖的工艺分析，给出气缸盖的加工工艺路线、数控加工工序以及工步的划分、加工中心的选择、刀具和夹具的选择。孔隙繁多是气缸盖的特点。本文结合钻削用量三要素及数控加工中心的特点，发现机床主要技术参数不是制约加工中心加工的约束条件。通过建立以钻头稳定性、扭矩和

2、机床功率等为约束条件，提出了一种简便实用的钻削用量计算方法，此方法可为实际生产中钻削用量确实定提供参考。本文主要介绍了气缸盖加工的三道主要工序的加工内容、夹具及定位方式、工步划分和加工方法，这三道工序为铣侧面和进气道面，加工周边孔；加工顶面孔，铣排气道面；加工底面孔。本文最后基于MasterCAM平台，对气缸盖数控编程进行研究。针对气缸盖加工工艺的特点，主要采用钻削的方法对气缸盖的外外表进行加工。通过基准的制定、轨迹的创立、加工参数确实定等，编制出了数控加工程序，得到了走刀轨迹和加工仿真过程。最后通过后置处理生成了数控加工代码。关键词：气缸盖；数控加工工艺；钻削用量；数控编程目 录第一章绪论第

3、二章气缸盖数控加工工艺的总体设计工的优缺点工的适应性采用数控加工的特点工内容的分析及确定件图以及确定加工内容总体加工工序的划分量与刀具耐用度的关系量三要素件心上钻削用量的计算举例本章小结第三章气缸盖主要加工工序设计备的选择选择选择的主要加工内容准的选择与定位误差的分析加工方法的选择以及工步划分的原那么面孔，铣排气道面的主要加工内容准的选择与定位误差的分析步的加工方法选择本章小结第四章气缸盖关键加工工序设计及其加工精度分析的加工内容案确实定及夹紧力的计算法的选择底孔和导管底孔加工工艺底孔和导管底孔的精度要求序质量的因素削用量的选择方法量的计算具的结构设计具的受力分析具变形的有限元分析本章小结第五

4、章气缸盖数控加工程序编制5.1 MasterCAM的工艺过程工过程真本章小结结论参考文献附录A铣侧面和进气道面，加工周边孔的详细工步附录B加工顶面孔的详细工步附录C加工底面孔的详细工步附录D加工顶面孔，铣排气道面数控程序代码致谢第一章 绪论由于铁路机车运输事业的不断开展，对铁路机车的性能也提出了更高要求。气缸盖处在内燃机的心脏是内燃机的核心部件，它在气缸体上部封闭燃烧室并与活塞顶部一起形成燃烧室。气缸盖是内燃机零件中结构较为复杂的箱体零件，也是关键件，其精度要求高，加工工艺复杂，且加工质量直接影响发动机整体性能。结构复杂、孔系繁多是气缸盖加工的特点，长期以来都是国内外内燃机制造行业研究的重点难

5、点。随着机车内燃机技术的飞速开展，现代气缸盖的结构也越来越复杂，而且先进的内燃机越来越多地倾向于采用多气门机构这使得气缸盖加工变得越来越困难鉴于数控机床在现代制造业中起着越来越重要的作用，随着自动编程系统的开展，如Pro/E，UG，Master CAM等软件的普及应用，数控机床编程工作越来越简化。为保证零件加工质量，除了数控机床自身的精度外，还与数控加工中的工艺措施密切相关。在应用数控机床进行机械零件加工时,如何结合机床特性和零件特点充分考虑加工工艺问题,并巧妙应用编程方法、技巧,优化数控加工的工艺和编程,对保证和提高数控机床的加工质量有着重要的意义。因此，在用数控机床进行机械零件加工时，要充

6、分考虑工艺问题对零件加工质量的影响。本课题针对大连机车车辆16V265型内燃机气缸盖，在急需国产化的情况下对其进行数控加工工艺的研究及数控编程。从国外进口气缸盖，一是价格较高，消耗大量财力；二是供给不及时，周期太长，影响机车的正常装配。故使该型号的气缸盖国产化有着十分重要的意义，不仅可以节约资金，而且还可以消化吸收国外的先进经验，为我国生产出性能更好的气缸盖打下牢固的根底，同时也对民族工业的开展起到推动作用。综上所述，对机车内燃机气缸盖的数控加工工艺研究的意义如下：随着计算机数控 CNC 机床，特别是加工中心的开展，为工序集中创造了条件。在加工中心上，一次装夹可以加工以前要多台设备、多道工序才

7、能加工完成的内容，有时甚至一次装夹就可以完成全部加工内容，加工出合格的产品。数控加工工艺是指在CNC机床上加工零件的工艺，它与普通机床的零件加工工艺最大不同之处，在于加工顺序、刀具路径、切削参数等规定的特别详细。因为缸盖上的加工孔很多，应用软件编程不需要计算孔位的坐标，可以直接从零件三维模型上得到坐标数据，更重要的是采用软件编程可实现加工过程的仿真，能够保证所编制的加工程序准确无误，一次试切成功。使用软件编程代替手工编程是加工技术的开展方向，它不仅能够减轻编程人员的劳动强度，提高编程质量，而且应该考虑产品设计在不断更新，以后会遇到手工编程无法解决的复杂零件编程问题，只能用软件编程解决，所以说使

8、用软件编程是数控加工的开展趋势。数控加工技术是20世纪40年代后为适应加工复杂外形零件而开展起来的一种自动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。1952年世界上第一台数控机床三坐标立式铣床问世，它可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕，国外十分重视数控加工技术的研究。日本自70年代起便把许多精力投入到数控加工技术的开发和应用上，并取得了巨大的经济效益。近年来由于国际市场的竞争日益剧烈，工业兴旺国家纷纷投入巨资开展数控加工技术，并取得了丰硕的研究成果。我国数控加工技术方面的研究工作自“七五以来取得了一大批研究成果。在数控加工自动化工艺设计方面，我国研究人员从零件特征信息的获取、

9、表达、输入到多工艺方案的设计与决策等各方面开展了大量的研究工作。目前，主要在曲面造型、刀位规划、刀位仿真、干预检查等方面取得了较多的成果。自主开发了一批软件系统，其中有些系统已接近国际先进水平，投入市场并在生产中发挥了重大作用。虽然我国的数控加工技术有了较大的开展，但与世界先进水平相比仍有很大差异。一方面国内还没有比较成熟、功能全、适应性强的数控加工系统。另一方面表现在应用水平落后，不仅绝大多数生产厂家主要依靠国外引进软件进行复杂曲面的多坐标数控加工，而且还表现在数控加工的效率低，加工外表质量差等方面。近年来，数控技术涉及到各个领域，其中应用最广泛，效率最高的地方在一些大型企业，如汽车，航空航

10、天，国防军工的重要部门领域。例如叶轮制造就应用了数控加工最前沿局部。国外许多家公司已开始采用四轴侧铣来加工非可展直纹面叶片的整体叶轮。其中世界上最著名的美国NREC公司提供的资料上就介绍了该公司生产的软件5就能够完成为叶轮的四轴侧铣数控加工而生成数控代码的工作。在该软件中采用了三项美国专利来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题。用数控编程进行的处理工作可防止理论切削误差。同时，软件中针对各种不同的叶轮形式还设计了切削路径的模板，可以直接生成刀具轨迹，然后根据具体情况再进行调整，这样可以大大的节约编程时间提高效率目前，我国已有越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标NC加工成型的方法加工叶轮，尤其

11、是国防工业中所用的关键叶轮，如火箭发动机的转子、风扇、飞机发动机的涡轮等。目前都已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床。气缸盖属于钻、镗、铰、攻螺纹及铣削加工联合进行的典型箱体零件，且其孔系相互位置度要求较高，从提高效率保证质量上考虑，国内外气缸盖先进制造企业在加工设备上均采用了功能较为齐全的数控加工中心，气缸盖加工中最大的难点是气门座底孔与导管底孔的加工。如何保证气门座底孔与导管底孔的高精度要求是国内外在气缸盖先进制造上的主要研究方向。一般国外公司例如美国GE公司、德国Housberg公司和日本日野公司均采用了加工中心先加工气门座底孔和导管

12、底孔，最后用专用机床对气门座底孔和导管底孔进行复合加工，这样保证了气门座底孔和导管底孔很高的同轴度精度要求。在国内一些工厂中，加工工序和国外的公司根本一致，也逐步采用了国外的加工方法和设备，这样在气门座底孔和导管底孔的同轴度精度上与国外的产品根本上是一致的。如前所述，铁路运输行业的开展对铁路机车的性能要求越来越高，对气缸盖的制造精度也提出了更高要求，但由于国内目前铁路机车产品的多元化及新产品开发力度的不断加大，铁路内燃机车事实上无法像汽车行业一样组织有效的大批量生产模式。所以，目前铁路内燃机车气缸盖气门座底孔和导管底孔加工存在以下主要问题12：加工振动影响外表质量和刀具寿命以及较高同轴度和跳动

13、精度要求难以保证等，严重制约了国内气缸盖制造水平的提高，同时在用加工中心对如气缸盖这类复杂零件进行加工时，普遍对数控加工切削参数的选择研究缺乏，随意性较大，存在着加工效率低、制造本钱高等问题。因此，如何结合实际情况，应用现有装备对机车内燃机气缸盖的数控加工工艺及数控编程进行分析研究来提升气缸盖制造水平，提高加工效率以及降低生产本钱。对国内铁路机车制造行业而言是一个非常迫切需要研究的课题。本课题重点研究如何利用机车厂现有设备，对气缸盖进行数控加工工艺规划及在加工中心上编制数控程序，以便提高气缸盖的加工质量与效率，主要研究内容如下： 1 根据零件图纸的技术和精度要求，按照加工工艺理论原那么及车间现

14、有设备条件，制定缸盖零件的机械加工工艺过程。 2 编制一套完善的缸盖加工工艺过程卡和工序卡，其中主要工作内容包括：加工中心的工序内容较多，需要合理安排数控加工工序以及工步的划分。通过确定加工余量，计算出各工序工步的加工尺寸及公差。提出一种简便实用的钻削用量计算方法。对气缸盖主要加工工序，按加工要求提出工艺准备方案，包括设计各工序的定位夹紧方式和定位误差分析以及加工设备的选择、使用的刀具等。 3 首先对加工底面孔工序进行夹紧力的计算分析，其次对气缸盖气门座底孔和导管底孔的加工工艺进行了分析研究，设计了最后精加工时所选用的复合镗刀结构，并对镗刀刀杆的受力和变形进行了有限元分析计算，提出了改良方案，

15、保证其加工精度要求。 4 采用软件编程方法编制数控加工程序，通过编程和程序调试，输出合理的数控加工程序。数控加工工艺技术是一门实践性极强的现场技术，工艺的好坏直接导致零件加工的质量和效率，数控工艺是NC加工程序编制的依据。本文通过研究比照进行优化处理从而取得较为合理的数控加工工艺和数控加工程序。第二章气缸盖数控加工工艺的总体设计工的优缺点 1 数控加工的优点自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度数控加工过程是按输入程序自动完成的，一般情况下，操作者只要在机床旁边观察和监控机床的运行情况，此外，再做一些装卸零件、更换刀具和零件尺寸抽检的工作。当然，数控机床操作者的脑力劳动强度相应增高，要处理许

16、多普通机床很少见的数学问题、微电子问题、信息问题、自动控制技术应用问题等。加工零件一致性好、质量稳定由于数控机床本身的定位精度和重复定位精度都很高，很容易保证零件的一致性，也大大减少了通用机床加工中人为造成的失误，故数控加工不但可以保证零件获得较高的加工精度，而且质量稳定，也便于对加工过程进行质量控制。一般来说，只要工艺设计和程序正确合理，再加上按操作规程精心操作，就可以实现长期稳定生产。生产效率较高由于数控加工时能在一次装夹中加工出很多待加工的部位，既省去了通用机床加工时原有的不少中间工序如划线、检验等，也大大缩短了生产准备时间。因为数控加工的零件形状及尺寸的一致性好，一般只进行首件检验和加

17、工中间抽检即可。此外，数控加工出的零件也为后续工序如装配等带来了许多方便。便于产品研制由于数控加工一般不需要很复杂的工艺装备，就可以通过编制程序把形状复杂和精度要求较高的零件加工出来，故当设计更改时，也很容易用更改程序的方法作相应更改，一般不需要重新设计制造工装。所以，数控加工能大大缩短产品研制周期，给新产品的研制开发、产品的改良、改型提供了捷径。便于实现计算机辅助制造计算机辅助设计与制造己成为航空航天、汽车、船舶及各种机械工业实现现代化的必由之路。而将用计算机辅助设计出来的产品图纸及数据变为实际产品的最有效途径，就是采取计算机辅助制造技术直接制造出零件。数控机床及其加工技术正是计算机辅助制造

18、系统的根底。 2 数控加工的缺点加工本钱一般较高主要原因是设备费用高及首次加工准备周期较长。数控机床的价格一般是相同规格的同类通用机床的好几倍。此外，其零配件价格较高，维修本钱也高。再加上与其配套的编程用计算机、及其外部配套设备等，使加工本钱大大高于通用机床。只适宜于占机械加工总量70%80%的多品种、小批量或中批量生产。由于数控加工对象一般为较复杂零件，又往往采用工序相对集中的工艺方法，在一次定位安装中加工出许多待加工面，势必将工序时间拉长。尽管目前在数控机床的设计制造方面做出了很大努力如：多轴化、自动交换工作台与柔性加工单元等，但与专用多工位组合机床或自动机形成的生产线相比，在生产规模与生

19、产效率方面仍有很大差距。加工中难以调整由于数控机床是按程序运行自动加工的，一般很难在加工过程中进行适时的人工调整，即使可以作局部调整，其可调范围也不大。维修困难数控机床是技术密集型的机电产品，增加了微电子维修方面的困难，一般均需要配备技术素质较高的维修人员与较好的维修装备。工的适应性这里所指的适应性是广义的，不是指某个具体机床适应加工什么零件。根据数控加工的优缺点和国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为以下三类： 1 较适应类在通用机床上加工时极易受人为因素如：情绪波动、体力强弱、技术水平上下等干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；在通用机床上加工必须制造复杂的专用

20、工装的零件；需要屡次更改设计后才能定型的零件；在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；在通用机床上加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。这类零件在首先分析其可能性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。 2 最适应类形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；用数学模型描述的复杂曲线和曲面轮廓零件；具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；必须在一次装夹中合并完成铣、镗、铰或攻丝等多工序的零件。对于上述零件，可以先不要过多的去考虑生产效率与经济上是否合理，而应首先考虑能不能把它们加

21、工出来，要着重考虑可能性问题。只要有可能，都应把对其进行数控加工作为优选方案。 3 不适应类生产批量大的零件当然不排除其中个别工序用数控机床加工；装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；必须用特定的工艺装备协调加工的零件。因为上述零件采用数控机床加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，更有可能弄巧成拙或得不偿失，故此类零件一般不作为数控加工的选择对象。采用数控加工的特点气缸盖是内燃机零件中结构较为复杂的箱体零件，也是关键件，其加工精度要求高，加工工艺复杂，且加工质量直接影响发动机整体性能。气缸盖属于钻、镗、铰、攻

22、螺纹及铣削加工联合进行的典型箱体零件，且其孔系相互位置度要求较高，而且具有难测量的特点，必须在一次装夹中合并完成钻、镗、铰或攻丝等多工序的零件。从提高效率保证质量上考虑，国内外气缸盖先进制造企业在加工设备上均采用了功能较为齐全的数控加工中心。因为只有选择数控加工的方法才能保证气缸盖根本的位置精度要求、同轴度要求，同时在数控加工中数控机床本身具有很高的定位精度和重复定位精度的能力，很容易保证零件的一致性。故气缸盖采用数控加工不但可以保证零件获得较高的加工精度，而且质量稳定，也便于对加工过程实行质量控制。工内容的分析及确定中选择并决定某个零件进行数控加工后，并不等于要完成所有的加工内容，可能只是其

23、中的一局部进行数控加工，因此必须对零件图纸进行仔细的工艺分析，选择那些最适宜、最需要数控加工的内容和工序。在选择并做出决定时，应结合本单位的实际，立足于解决关键难题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势，防止把数控机床降格为通用机床使用。选择时，一般可按以下顺序考虑： 1 通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容。 2 通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容。 3 通用机床加工效率低，人工手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕能力的根底上进行选择。一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合经济效益等方面都会得到明显提高。相比之下，以下一些加工

24、内容不宜采用数控加工： 1 需要通过较长时间占机调整的加工内容，如：以毛坯的粗基准定位来加工第一精基准的工序等。 2 必须按专用工装协调的孔及其它加工内容。主要原因是采集编程用的数据有困难，协调效果不一定理想。 3 按某些特定的制造依据如：样板、样件等加工的型面轮廓。主要原因是取数据难，易与检验依据产生矛盾，增加编程难度。 4 不能在一次安装中加工完成的其它零星部位，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工。此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量，生产周期，工序间周转情况等等。本课题所研究的气缸盖属于多孔系、多加工面的典型箱体类零件。通过以上分析可知，在气缸盖加工中，有三道

25、工序必须采用数控加工，这三道工序组成了气缸盖加工的根本内容，即：铣侧面和进气道面，加工周边孔；加工顶面孔，铣排气道面以及加工底面孔。因此保证各孔的位置精度和同轴度以及孔的高加工精度显得特别重要，同时在侧面加工及顶面加工中有几个与平面成一定角度的孔，这也需要才用数控加工才能保证孔的加工要求，以及简化夹具的设计问题。在侧面加工中，由于是四个面在同一个工序中依次进行加工，保证定位精度显得尤其重要。只有这样才能保证气缸盖的加工精度要求和提高气缸盖的生产效率。件图以及确定加工内容随着内燃机发动机技术的飞速开展，现代气缸盖的结构也越来越复杂，而且先进的内燃机越来越多地倾向于采用多气门机构这使得气缸盖加工变

26、得越来越困难。气缸盖是内燃机零件中结构较为复杂的箱体零件，也是关键件，其精度要求高，加工工艺复杂，且加工质量直接影响发动机整体性能。本文所研究的气缸盖具体结构如图2.1所示。 Structure schematic diagram of the cylinder cover当一个气缸盖的毛坯铸造完成之后，除划线确定加工余量之外，首先的加工内容是加工气缸盖的顶底面，来确定加工基准，平面加工完成之后才能加工各个孔。从气缸盖结构图中可以看到，面与孔加工是该气缸盖加工的主要内容，其中孔的加工占据了该气缸盖加工的大局部内容。如图2.1左侧图看到的是气缸盖的顶面，顶面孔中加工的难点是处于气缸盖中心的中心孔

27、，它是一个阶梯孔，而且加工精度要求也很高，其次是在顶面上加工精度要求较高的就是气门导管底孔，最后是处在与顶面成82的斜孔。这三类孔构成了气缸盖顶面的主要内容；如图2.1右侧图所示为气缸盖的底面，在底面上孔的类型比较单一，最主要的就是进气门孔和排气门孔的加工，该孔的加工不仅是底面加工的难点，也是整个气缸盖加工的重点之一。除此之外，气缸盖加工就剩下缸体的四个侧面了，在侧面加工的孔中首先要先加工各个平面，在侧面中有进气道面和排气道面，以及与进气道面成30角的小斜面，该斜面上有一个阶梯孔，其余的孔都是一些比较简单的孔，在此不做过多的说明。总体加工工序的划分气缸盖是典型的箱体类零件，其要求加工的内容很多

28、，特别是孔加工很多，零件加工外表形状也是多种多样。气缸盖同时也是内燃机中结构复杂、加工精度要求较高的关键零部件，现代的加工工艺与方法大都集中在加工中心上进行加工。由于数控加工工序一般均穿插于零件加工的整个工艺过程中间，因此在工艺路线设计中一定要全面考虑，瞻前顾后，使之与整个工艺过程协调吻合。在数控工艺路线设计中主要应注意以下几个问题： 1 数控加工工序的设计数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、加工用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹都具体确定下来，为编制加工程序做好充分准备。根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按以下方法进行：以一次安装加工作为一道工序。这种方法

29、适合于加工内容不多的工件，加工完成后就能到达待检状态。以同一把刀具加工的内容划分工序。有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如：控制系统的限制主要是内存容量，机床连续工作时间的限制如一道工序在一个工作日内结束等。此外，程序太长会增加出错率，并给检索带来困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。以加工部位划分工序。对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部位分成几个局部，如内形、外形、曲面或平面等。综上所述在分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，机床的功能，零件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。什么零件宜采用工序集中的原

30、那么还是采用工序分散的原那么，也要根据实际情况来确定，但一定要力求合理。 2 顺序的安排顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要来考虑，重点是工件的刚性不被破坏。顺序安排一般应按以下原那么进行：上道工序的加工内容不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。先进行内腔加工工序，后进行外形加工工序。以相同定位、加紧方式或同一把刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重复定位次数，换刀次数与挪动压板的次数。在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。 3 工序划分的要点粗精分开对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生的变形而需要

31、进行校形，故一般来说凡要进行粗、精加工的都要将工序分开。假设零件的全部外表均由数控机床加工，工序的划分一般按先粗加工，后半精加工，最后精加工，依次分开进行；即粗加工全部完成之后再进行半精加工、精加工。粗加工时可快速切除大局部余量，再依次精加工各个外表，这样可提高生产效率，又可保证零件的加工精度和外表粗糙度。而对于某一加工外表，那么应按粗加工半精加工精加工顺序完成。对于一些位置精度要求较高加工外表，可采用前者；而对于一些尺寸精度要求较高者，考虑到零件的刚度、变形及尺寸精度等因素，建议采用后者。尤其是对于精度要求较高的加工外表，在粗、精加工工序之间，零件最好搁置一段时间，使粗加工后零件的变形得到较

32、为充分的恢复，再进行精加工，这样有利于提高加工精度。一般情况下，精加工余量以留0.20.6mm为宜。精铣时应尽量采用顺铣方式，以保证零件外表质量。此外，在可能条件下，尽量在普通机床或其他机床上对零件进行粗加工，以减轻数控机床的负荷和保证加工精度。一次定位对于一些在加工中易因重复定位而产生误差的零件，应采用一次定位的方式按顺序进行换刀作业。例如：加工箱体类零件的各轴线孔系，可依次连续加工完成同一轴线上的各孔，以提高孔系的同轴度及位置公差，然后再加工其他坐标位置的孔，确保孔系的位置精度。根据零件特征，尽可能减少装夹次数。在一次装夹中，尽可能完成较多的加工外表，减少辅助时间，提高数控加工的生产效率。

33、先面后孔通常，可按零件加工部位划分工序，一般先加工简单的几何形状，后加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，后加工精度要求较高的部位；先加工平面，后加工孔。例如：铣平面镗孔复合加工，可按先铣平面后镗孔顺序进行。因为铣削时切削力较大,零件易变形，待其恢复变形后再镗孔，有利于保证孔的加工精度。其次，先镗孔再铣平面，孔口就会产生毛刺、飞边，影响孔的装配。减少换刀在数控加工中，应尽可能按刀具进入加工位置的顺序集中刀具，即在不影响加工精度的前提下，减少换刀次数，减少空行程，节省辅助时间。零件在一次装夹中，尽可能使用同一把刀具完成较多的加工外表。当一把刀具完成加工的所有部位后，尽可能为下道工序作些预加工

34、。例如：使用小钻头为大孔预钻位置孔或划位置痕，或用前道工序的刀具为后道工序先进行粗加工,然后换刀后完成精加工或加工其他部位。对于一些不重要的部位，尽可能使用同一把刀具完成同一个工位的多道工序加工。 4 数控加工工序与普通工序的衔接数控工序前后一般都穿插有其它普通工序，假设衔接的不好就容易产生矛盾，最好的方法是相互建立状态要求，如：要不要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等。目的是到达相互满足需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。要对本课题进行设计，先要清楚整个气缸盖的加工工艺路线，搞清本课题的工序位置，从而得到相应的加工数据。

35、本文通过数控加工工艺分析，根据数控加工工艺设计及工序划分原那么，以及考虑到加工效率、机床选用、夹具设计、走刀路线等因素现将气缸盖总体加工内容分为以下加工工序，具体加工工艺过程如图2.2是气缸盖加工工艺的全过程。 Processing route of the cylinder cover由于气缸盖的结构特点就是孔隙繁多，在加工中，钻削加工占据了加工过程中的大局部加工内容。在切削加工中，切削用量选用得合理与否，直接影响到加工质量、生产本钱和生产效率。切削用量选用合理，能够充分发挥机床和刀具的性能，选择不当那么会造成大量的浪费。切削用量的选择原那么是：在能够到达零件的加工精度要求的前题下，并在工艺

36、系统强度和刚性允许条件下，充分利用机床功率和发挥刀具切削性能，选取一组最大的切削用量，以获得较高生产率和降低加工本钱，这组最大的削用量称之为“合理切削用量。在现代的机械加工中，加工中心的应用范围越来越广，它相对与传统机床有着非常大的优势，大功率、大范围切削速度、高进给量等等机床性能是普通机床无法比较的。加工中心具有工艺范围广，加工内容多等特点。因此在加工中心上选择和计算切削用量时，已不能再按原来的传统机床的切削用量选取，原有切削用量已不能满足加工中心高效的应用范围。目前，合理的切削用量方法有经验估计法、分析计算法、查表确定法，这些方法虽然简便易行，但精度和效率不高。本文采取分析、查表和计算相结

37、合确实定方法。提出了一种简洁实用的钻削计算方法，此方法可为生产实际中大量的钻削用量计算提供简便计算参考。量与刀具耐用度的关系刀具耐用度T与切削用量之间的关系主要与工件、刀具材料的性质有关。在目前的研究水平上还无法得到关于刀具耐用度与切削速度、进给量之间关系的精确数学描述，一般通过试验建立刀具耐用度的经验公式。对某一零件的加工，当刀具材料、几何参数已定，那么对刀具耐用度发生影响的就是切削用量了。它们之间的关系可通过实验方法得到。对钻削b0.637GPa钢料，进给量f0.2mm/r，使用切削液时，以实验方法建立的钻削用量与钻头耐用度的关系为：说明钻削用量中v、f、ap 钻头直径d0之半 对钻头耐用

38、度的影响并不相同。其规律v最大，f次之， ap最小。即先尽量选取大的切削深度ap，其次尽量选大的进给量f，最后根据合理的钻头耐用度T，选用合理的切削速度v。在钻削加工中，刀具材料是最重要的因素，研制和选用先进的刀具材料是提高钻削加工效率最有效的手段之一。此外改良刀具结构、优化切削条件和采用新的切削方法也是提高加工效率的有效途径。切削条件包括机床设备、切削用量和切削液等，随着研究的不断深入，加工中心钻削加工的效率一定会越来越高。量三要素 1 钻削深度钻实心孔时，即钻头直径的一半，即：钻头直径d0一般已由设计或工艺尺寸所决定，尽可能一次钻出所要求的孔的尺寸。因为大的直径，钻头刀体大，有利于传热和切

39、削液注入，排屑也较容易，从而减小钻头磨损。对较大的孔，当机床动力缺乏，或工件、夹具刚性较差，才选取先钻孔再扩孔的工艺。此时预制孔的直径可取被钻孔直径的0.50.7倍。在刀具性能允许的情况下，加工中心最大可钻80mm孔，通用加工中心可加工直径3550mm的孔，这主要和机床的型号以及机床参数的大小有关。在般使用条件下， d035mm以下的孔都是一次钻成的 2 进给量进给量f mm/r 是钻头每转转，沿进给方向移动的距离。钻头直径确定后，就应在允许的条件下尽量选取大的进给量f。为了防止钻头因扭矩过大而发生剪切破坏，最大进给量f可从钻头的临界破坏扭矩来计算。钻削扭矩M不得超过钻头的临界破坏扭矩MC，即

40、：实验证实，切削速度提高10%，耐用度将下降一半。但随着刀具材料以及刀具制造业的开展，刀具耐用度T的寿命和耐磨损时间越来越长，因此钻削速度也变得越来越大。为了实现加工中心高效高速加工，在加工中心上一般都选用耐用度较高的刀具。例如在加工中心上，用硬质合金的锥柄麻花钻头加工可锻铸铁，刀具直径在2040mm时，钻速最高可到达60m/min。本章小结本章首先简要介绍了数控加工的优缺点及适应性以及气缸盖数控加工工艺设计的过程，包括零件图纸的数控工艺性分析和数控加工内容的分析及确定。以及介绍了气缸盖的加工内容和总体加工工序的划分。最后通过对钻削用量三要素及数控加工中心特点的分析，发现机床主要技术参数已不是

41、制约加工中心加工的约束条件。通过建立以钻头稳定性、扭矩和机床功率等为约束条件，提出了一种简便实用的钻削用量计算方法。最后，给出了钻削加工实例的计算结果。此方法可为实际生产中钻削用量确实定提供参考。第三章气缸盖主要加工工序设计在上述气缸盖的各工序中，有三道工序非常重要，这三道工序组成了气缸盖加工的根本内容，即：铣侧面和进气道面，加工周边孔；加工顶面孔，铣排气道面以及加工底面孔。其中加工底面孔为关键工序，在第四章进行详细分析，下面对前两道工序进行分析和设计。备的选择加工中心的类型分为以下五类：立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心、五轴加工中心和虚轴加工中心。其中，立式加工中心和卧式加工中心是

42、生产中常用的。由于气缸盖本身就是多加工面、多孔系的箱体类零件，而且气缸盖的外形又有多出不规那么的地方，从工件的结构特点及加工内容方面考虑，选用数控铣削加工中心。这样，在保证了加工连续性的同时也很好的提高了加工效率，降低了本钱。数控机床的类型选好后就要选定机床的型号。首先要明确所要加工产品的技术要求和工艺标准，根据工艺流程和生产节拍的需要确定数控机床的类型。数控机床的种类繁多，只有选定正确的类型才能让数控机床发挥最正确作用，取得最正确性价比。具体的类型那么根据零件的外形尺寸和具体的加工要求进行选取，详细过程为：根据气缸盖的长和宽来估算夹具底座的尺寸，再由夹具底座的大小来选定加工中心工作台的尺寸。

43、工作台选定后还要看加工中心的各轴行程是否满足对工件的加工要求。假设是行程小了，就要改换机床的型号，反之那么可以初步确定机床型号了。当然还要考虑主轴转速、刀具库容量等问题。在以上条件全都满足的情况下，方可最终选定机床型号。在加工侧面和进气道面这一工序中，气缸盖所需要加工的各侧面平面与平面类零件的特点相吻合，并且第四加工面里的55斜面的连接曲面又有曲面类零件的特点。在加工顶面孔和排气道面这一工序中，通过对零件图的分析得知，本工序加工内容有10类孔和一个斜面，其中包括一类2个斜孔。他们分别需要镗削、铣削、钻削加工。假设选用立式加工中心，从工件摆放原那么来说较合理，定位精度容易保证。但夹具设计很麻烦，

44、需设计直孔加工，斜孔加工，斜面加工三种状态的夹具，且中间需要停车，编写三段数控程序。如此一来与三个工序相比无太大区别。由于在加工侧面和进气道面以及顶面孔和排气道面这两道工序中，都涉及到转位面的加工。综合以上分析，考虑到夹具和定位设计简便性，选用卧式加工中心更适合加工此类零件。可以利用工作台的转度将斜孔、斜面转换成“直孔、“垂直面，实现一次装夹，加工完成所有工序内容。所以最终选定机床的类型为：卧式数控铣削加工中心，其优点在于：它不但可以加工各种具有平面轮廓和立体曲面的零件，还可以进行钻、扩、铰、镗孔和攻螺纹等加工。在满足了加工要求的同时，也很好的保证了气缸盖的成品质量。考虑到气缸盖所要加工的平面

45、及各孔系均处在三维空间范围内，气缸盖外形尺寸为：589436240mm。为了在满足工件的加工内容要求的同时使机床得到充分的利用，考虑到加工中心选用原那么及生产效率的需要，选用带转台的卧式加工中心沈阳机床集团生产的BW80HS高速卧式加工中心。在底面加工这一工序中，分析零件图可知，此工序没有平面加工的内容，都是孔加工内容，包括钻、扩、铰及镗孔加工。都是加工垂直孔，在立式加工中心上加工有利于工件定位，而且立式加工中心的定位精度高于卧式加工中心的。再从机床本钱上考虑，立式加工中心的价格一般是卧式加工中心的一半。所以本工序的机床选择立式加工中心。再根据零件的外型尺寸，长为550mm，宽为440mm，选

46、择加工中心工作台的尺寸。所选沈阳机床厂生产的VMC系列立式加工中心。选择在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和己加工外表质量、刀具消耗和加工本钱。金属切削时，刀具切削局部直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度。也就是说，刀具切削局部是在高温、高压及剧烈摩擦的条件下工作的。因此，刀具材料应具备以下根本性能：硬度和耐磨性刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。强度和韧性刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。耐热性刀具材料的耐热性要

47、好，能承受高的切削温度，具有良好的抗氧化能力。工艺性能和经济性刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削性能等而且要追求高的性能价格比。为了适应数控加工高速、高效和自动化程度高的特点，保证优质、高效的完成数控加工任务，数控加工对刀具材料提出了比传统加工更高的要求，它不仅要求刀具耐磨、寿命长、可靠性好、精度高、刚性好，而且要求刀具尺寸稳定、安装调整方便等具体要求如下：刀具材料应具有高的可靠性数控加工要求刀具应具有很高的可靠性，并且要求刀具寿命长、切削性能稳定、质量一致性好、重复精度高。如果刀具可靠性差，将会增加换刀次数和时间，降低生产率，这将使数控加工失去意义，甚至产生废品、损坏机床

48、，甚至造成人身伤亡。在选择数控加工工具时，除要考虑刀具材料本身的可靠性外，还要考虑刀具的结构和夹固的可靠性。为了提高生产效率，现在的数控机床向着高速度、高刚性和大功率开展。切削速度的增大，往往会导致切削温度的急剧升高。因此，要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击强，同时还要求刀具材料具有很高的高温力学性能，如高温强度、高温硬度、高温韧性等。数控刀具应具有高的精度由于在数控加工中，被加工零件要求在一次装夹后完成其加工精度，因此，要求刀具借助专用的对刀装置或对刀仪，调整到所要求的尺寸精度后，再安装到机床上使用。这样就要求刀具的制造精度要高。尤其在使用可转位结构的刀具时，刀片的尺寸公差

49、、刀片转位后刀尖空间尺寸的重复精度，都有严格的精度要求。数控刀具应能实现快速更换数控刀具应能与数控机床快速、准确的结合和脱开，并能适应机械手和机器人的操作，并且要求刀具互换性好、更换迅速、尺寸调整方便、安装可靠，以减少因更换刀具而造成的停顿时间。刀具的尺寸调整应能借助于对刀仪在机外进行预调，以减少换刀调整的停机时间。数控刀具应系列化、标准化和通用化数控刀具应能系列化、标准化和通用化，尽量减少刀具规格，以利于数控编程和便于刀具管理，降低加工本钱，提高生产率。应建立刀具准备单元，进行集中管理，负责刀具的保管、维护、预调、配置等工作。数控刀具应尽量采用机夹可转位刀具由于机夹可转位刀具能满足耐用、稳定

50、、易调和可换等要求，目前，在数控机床以及加工中心等设备上，广泛采用机夹可转位刀具结构。机夹可转位刀具在数量上到达整个数控刀具的30%40%。数控刀具应采用多功能复合刀具及专用刀具为了充分发挥数控机床的技术优势，提高加工效率，对复杂零件加工要求在一次装夹中进行多工序的集中加工，并淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，是提高数控机床效率、加快产品开发的有效途径。为此，对数控刀具提出了多功能复合刀具的新要求，要求一种刀具能完成零件不同工序的加工，减少换刀次数，节省换刀时间，减少刀具的数量和库存量，便于刀具管理。如多功能车刀和铣刀、撞铣刀、钻铣刀、钻扩刀、扩铰刀、扩键刀等，使原来需要多道

51、工序、几种刀具才能完成的工序，在一道工序中，由一把刀具完成，以提高生产效率，保证加工精度，而且明显减少了刀具数量。数控刀具应能可靠的断屑和卷屑为了保证生产稳定进行，数控加工对切屑处理有更高的要求。切削塑性材料时切屑的折断与卷曲，常常是决定数控加工能否顺利进行的重要因素.因此，数控刀具必须具有很好的断屑、卷屑和排屑性能。要求切屑不能缠绕在刀具或工件上、切屑不影响工件的已加工外表、不阻碍冷却浇注效果。数控刀具一般都采用了一定的断屑措施如可靠的断屑槽型、断屑台和断屑器等，以便可靠的断屑或卷屑。零件的机械加工是靠刀具与工件相互作用来完成的。刀具材料主要地决定了刀具的性能和寿命。刀具材料随加工技术的开展

52、而开展，由碳素工具钢到金刚石，陶瓷，立方氮化硼等，但在工厂中考虑到生产的本钱，用得最多的还是高速钢和硬质合金。高速钢是和碳素工具钢切削速度可以相对较高，而硬质合金具有良好的热硬性，在很高转速、很热的切削条件下，仍能保持很高的硬度。高速机床上多采用硬质合金刀具。所以在本文中，除了在某些工步中采用特殊的复合刀具外，其它工序均优先采用硬质合金刀具。选择数控编程前，一定要根据加工零件的形状特点和精度要求，考虑零件的装夹方法。在选取定位夹紧方案时，应考虑如何提高数控机床的工作效率和降低操作者的劳动强度，同时也便于加工程序的编制。设计的工装夹具应力求以最少的装夹次数完成所有外表的加工，以减少装夹误差，充分

53、发挥数控机床的功能。一般情况下，尽可能选用组合夹具，通用化和标准化夹具。特别是在数控铣床、加工中心等机床上加工批量不大、形状复杂的零件时，使用的工装夹具更应具有通用性，以缩短零件加工的生产准备时间，减少制造费用，设计出的夹具应装夹方便、快速、定位准确、可靠。数控加工的特点对夹具提出了两个根本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定。二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，主要考虑以下几点：当零件的批量小时，尽量采用组合夹具、可调式夹具及其他通用夹具。当小批或成批生产时才考虑采用专用夹具，但应力求结构简单。夹具定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀。装卸零件要方便可靠，以缩短

54、准备时间，有条件时，批量较大的零件应采用气动或液压夹具，多工位夹具。的主要加工内容本道工序是气缸盖侧面及周边孔的加工，首先要清楚气缸盖结构与加工的特点，从而深入的了解气缸盖侧面及周边孔的加工工艺要求。 Machining content of the cylinder covers side图3.1是气缸盖的平面图及四个侧面的加工内容，从图中可看出气缸盖属于多孔系、多加工面的典型箱体类零件。各侧面中的平面的加工等级为Ra6.3，粗铣后即可满足要求，加工精度容易保证。但由于是四个面在同一个工序中依次进行加工，保证定位精度显得尤其重要。在图示的30斜面上要进行孔的加工，保证其转动后与中心孔的位置精

55、度是本工序的一个重点难点。第四加工面上有一个与加工面垂直且与定位面成55角的一斜面，与之相连的还有一个R25.4的圆弧面。在每一个侧面上都有孔的加工要求，尤其是在第一和第三加工面上分别有两个36、加工精度为IT7的工艺孔，如何对其进行加工，保证它们的精度要求与加工质量是工序的又一重点难点。另外，第二加工面上的直径为11.11、深136mm的孔也是工序中值得注意的一点。除了以上在加工时应特别注意的面和孔外，从第一加工面到第四加工面要加工的孔还有以下的加工内容：2个21深10mm的阶梯孔，6个45的倒角，11个10.2的孔，4个R2.00的圆角，1个4的中心孔，1个22.5的孔，1个20的孔，1个

56、27的孔，1个40的孔。准的选择与定位误差的分析 1 定位基准的选择由于喷油气孔在上道工序中已加工，可作为本工序的定位基准，喷油气孔是气缸盖的设计基准亦是装配基准和测量基准，为防止基准不重合而产生的误差，选择喷油气孔为定位基准，即遵循“基准重合的原那么。由于喷油气孔在后面的加工工艺里还有较高的精度要求，所以在留出加工余量的前提下，由前面工序粗车得到的喷油气孔孔径为56。通过与固定定位销的配合可以限制两个自由度。定位面那么选择喷油气孔所在平面顶面。此时的顶面经过精车后，已经能到达定位精度要求，定位面可限制三个自由度。具体而言，即选那么56喷油气孔及顶面作为气缸盖侧面及周边孔加工工艺的工艺基准，如

57、图3.2所示。 Location mode为了使气缸盖的装夹实现完全定位，到达加工工艺的要求，需要以底面上的一条基准线在前面划线工序中已画出进行找正。因此选择在工件的第三加工面图3.1所示的两侧下方各安装一个可调支承装置，如图3.3所示，来调整气缸盖的位置，到达了完全定位。 Schematic diagram of adjustable device 2 定位误差的分析工件定位后还要对其定位精度进行相应的分析，在确定工件的工艺基准进行选取时已经对顶面的定位精度进行了说明。通过两可调支承对工件的调节也能保证沿轴线转动的误差，到达精度要求。要保证喷油气孔的定位精度，重点那么是如何选择定位销与喷油气孔的配合公差。定位销与喷油气孔之间的配合采用基孔制，由于加工时工件与定位销要经常的装卸，定位销与喷油气孔采取间隙配合。考虑到定位精度的问题，所以在配合公差方面选择H7/g6的配合，此配合使孔和轴的配合在满足装配要求的同时到达间隙的最小值，从而使因配合引起的尺寸误差到达最小。由于喷油气孔的位置精度只影响与它直接关联的尺寸精度，而与喷油气孔有直接关联的尺寸大局部是标注到各个侧面