柴油机活塞燃烧室的网络化数控加工实现方案

邱兆义 熊峰 张明武

（中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

数控加工手段很好地解决了机械制造中常规加工技术难度大、复杂型面零件的加工难题。本文以某船用柴油机活塞燃烧室的曲面加工实例，从零件的装夹方式、数控程序的编制、数控程序的网络化传输等方面详细介绍了活塞燃烧室曲面的网络化数控加工的实现方案，从而解决了传统的靠模仿形加工质量差、效率低的难题。

2 活塞燃烧室的结构及加工工艺分析

某船用柴油机活塞的零件结构简图如图 1：其燃烧室部分是由R120和R240两段圆弧组成的复合光滑曲线围绕中心轴线旋转 360°形成的曲面体，并在端口倒角R5，加工要求的表面粗糙度为 Ra1.25。

图1 某船用柴油机活塞结构简图

燃烧室的结构属于双曲面拟合回转体的加工类型，其常规加工方式是在普通车床上利用靠模进行仿形加工，但加工后的表面粗糙度很难达到要求，一般加工后需要人工打磨处理，加工效率低，质量不稳定。

通过对活塞结构分析及燃烧室的结构特点，完全可以充分利用数控车床以及网络 DNC技术来实现燃烧室的网络化数控加工。

3 装夹方式的实现

由于活塞燃烧室要求加工的部分在活塞的端部，活塞长度 505，加工时悬臂较长，端部加工时受力较大，并且活塞的外圆裙部已经经过精加工，表面不允许有任何的伤痕，因此在燃烧室装夹加工时设计了必要的专用装夹工具。装夹时采用止口盘和端面定位，一个专用拉杆和受力筒通过活塞的销孔和车床的主轴将活塞拉紧，具体装夹方式如图2所示：

图2 活塞装夹简图

装夹时，先将止口盘用三爪卡盘夹紧，止口盘的台阶面在装夹后经过二次加工，以保证与车床主轴的同轴度，然后将活塞装在止口盘上，活塞内孔与止口盘的台阶面的配合间隙保证在0.05 mm以内，同时用拉杆借助受力筒将活塞拉紧，利用受力筒与活塞的销孔受力来保证活塞安装的夹紧力。这样既活塞加工过程中既能保证与车床主轴的同轴度，又能保证得到较大的夹紧力而不损伤活塞裙部表面，防止切削力产生的振动。

4 数控程序的编制

对于曲面体的数控加工程序的编制，手工编程比较困难，一般要借助数控编程软件来实现自动编程，编程的准确度高，编程快，易于实现。本文采用CAXA数控车XP编程软件来实现活塞燃烧室的曲面体数控加工程序的编制，其编制的过程如下：

（a）绘图造型：绘制车削加工零件活塞燃烧室的轮廓图形时，因为车削为回转曲面体加工，所以造型只需半视的二维图，造型后的轮廓如图3。

（b）粗车内轮廓：通过“加工”菜单下的“轮廓粗车”命令调出“粗车参数表”，如图4。

通过“粗车参数表”分别设置加工参数、进退刀方式、切削用量、轮廓车刀等，然后通过轮廓拾取和毛坯拾取，生成加工轨迹并可对其进行仿真。

图3 燃烧室的半视二维轮廓图

图4 粗车参数表

（c）精车内轮廓：同粗车方法一样，通过“加工”菜单下的“轮廓精车”命令调出“精车参数表”（精车参数表内的参数与粗车参数表内的参数一样），分别设置好各个相关的加工参数，生成精车加工轨迹。

（d）数控G代码生成：根据当前加工机床类型的数控系统配置要求，选择好对应的数控机床，机床的参数设置见图5所示。

每种机床的数控系统要求的程序头、换刀、程序尾等参数是不同的，要根据具体的数控系统来设置，这是数控程序能否被机床识别的必要条件。一旦选择好机床，就可把已经生成的粗车加工轨迹和精车加工轨迹利用“代码生成”命令分别转化成G代码数据文件，即CNC数控程序。

通过上述步骤可以快速的实现活塞燃烧室粗车和精车的数控程序编制。

5 数控程序的网络化传输

为了实现数控程序的传输，目前应用最广泛的是基于以太网的网络建立计算机和机床的联网传输方案。

图5 机床类型设置

5.1 网络结构的构建

本文构建的网络结构是基于 CAXA网络DNC基础上的以太网网络传输方案，其网络结构拓扑形式如图6所示：

图6 DNC局域网络拓扑结构图

该网络拓扑结构以TCP／IP和以太网为网络构架，通过CanHigher公司的NC601A智能终端将计算机和机床连接到局域网络，实现计算机和机床的数据共享。NC601A智能终端采用高性能的专用处理器，采用8芯串口插座RJ-45与通信网络电缆相连，可将 RS232串口的数据转换成TCP／IP协议平台上的10M／100M以太网数据，从而解决 RS232串口的通讯距离和通讯速率均比较低的问题。

5.2 CAXA网络DNC通信模块的参数设置

在网络结构建好，数控程序传输前必须要设置好通信参数，否则，数控程序是无法传输。通信参数的设置包括以下两个方面：

（a）机床端参数设置

根据机床的数控系统设置对应的机床通信参数，对本文中活塞燃烧室的加工来说，采用的是FANUC Oi-T数控系统的CK7525数控车床，在机床端其参数设置主要是I/O通道和波特率两个参数，其它参数按照默认值即可。I/O通道是实际机床连接的I/O通道号，设置为1，波特率设置为19200 bps/s。

（b）DNC软件端的通信参数设置

打开CAXA网络DNC软件，通过“添加机床”命令打开“机床参数设置”对话框，按照对话框中的所要填写参数的要求，比如：基本信息、发送参数、接受参数、自动应答参数等，结合机床端参数的设置，对软件通信参数进行一一对应设置，并确保参数设置的一致性。

5.3 数控程序的传输

当完成数控机床和通信软件的参数设置后，通过 DNC软件和机床之间 QV应答的方式就可以很方便地实现数控程序的传输。比如活塞燃烧室加工的数控程序名为“o1234.cut”，机床作为终端设备，通过服务器请求发送“o1234.cut”G代码的指令，DNC软件端接到请求后，通过“发送”命令，就将计算机内的该数控程序文件发送到机床，机床接受后就可以实现数控加工。

6 结论

通过对某船用活塞生产加工中的切实应用，基于CAXA数控车编程软件和CAXA网络DNC构架的网络结构实现了活塞燃烧室的数控编程和网络化数控加工，较好的满足了设计图样的曲面体尺寸加工要求和表面粗糙度要求，大大提高了加工质量和加工效率。

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[1]CAXA数控车XP用户指南. www.caxa.com.

[2]CAXA网络DNC V2006用户手册. www.caxa.com.

[3]华茂发主编. 数控机床加工工艺[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

[4]陈宏钧主编. 机械加工工艺设计员手册[M]. 北京:机械工业出版社, 2009.1.

[5]季照平, 邱玉琴. 基于 CAXA-DNC 的机床数据通信[J]. 装备制造技术, 2007, (3):75～77.