柴油機活塞燃燒室的網絡化數控加工實現方案

邱兆義 熊峰 張明武

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

數控加工手段很好地解決了機械制造中常規加工技術難度大、復雜型面零件的加工難題。本文以某船用柴油機活塞燃燒室的曲面加工實例，從零件的裝夾方式、數控程序的編制、數控程序的網絡化傳輸等方面詳細介紹了活塞燃燒室曲面的網絡化數控加工的實現方案，從而解決了傳統的靠模仿形加工質量差、效率低的難題。

2 活塞燃燒室的結構及加工工藝分析

某船用柴油機活塞的零件結構簡圖如圖 1：其燃燒室部分是由R120和R240兩段圓弧組成的復合光滑曲線圍繞中心軸線旋轉 360°形成的曲面體，并在端口倒角R5，加工要求的表面粗糙度為 Ra1.25。

圖1 某船用柴油機活塞結構簡圖

燃燒室的結構屬于雙曲面擬合回轉體的加工類型，其常規加工方式是在普通車床上利用靠模進行仿形加工，但加工后的表面粗糙度很難達到要求，一般加工后需要人工打磨處理，加工效率低，質量不穩定。

通過對活塞結構分析及燃燒室的結構特點，完全可以充分利用數控車床以及網絡 DNC技術來實現燃燒室的網絡化數控加工。

3 裝夾方式的實現

由于活塞燃燒室要求加工的部分在活塞的端部，活塞長度 505，加工時懸臂較長，端部加工時受力較大，并且活塞的外圓裙部已經經過精加工，表面不允許有任何的傷痕，因此在燃燒室裝夾加工時設計了必要的專用裝夾工具。裝夾時采用止口盤和端面定位，一個專用拉桿和受力筒通過活塞的銷孔和車床的主軸將活塞拉緊，具體裝夾方式如圖2所示：

圖2 活塞裝夾簡圖

裝夾時，先將止口盤用三爪卡盤夾緊，止口盤的臺階面在裝夾后經過二次加工，以保證與車床主軸的同軸度，然后將活塞裝在止口盤上，活塞內孔與止口盤的臺階面的配合間隙保證在0.05 mm以內，同時用拉桿借助受力筒將活塞拉緊，利用受力筒與活塞的銷孔受力來保證活塞安裝的夾緊力。這樣既活塞加工過程中既能保證與車床主軸的同軸度，又能保證得到較大的夾緊力而不損傷活塞裙部表面，防止切削力產生的振動。

4 數控程序的編制

對于曲面體的數控加工程序的編制，手工編程比較困難，一般要借助數控編程軟件來實現自動編程，編程的準確度高，編程快，易于實現。本文采用CAXA數控車XP編程軟件來實現活塞燃燒室的曲面體數控加工程序的編制，其編制的過程如下：

（a）繪圖造型：繪制車削加工零件活塞燃燒室的輪廓圖形時，因為車削為回轉曲面體加工，所以造型只需半視的二維圖，造型后的輪廓如圖3。

（b）粗車內輪廓：通過“加工”菜單下的“輪廓粗車”命令調出“粗車參數表”，如圖4。

通過“粗車參數表”分別設置加工參數、進退刀方式、切削用量、輪廓車刀等，然后通過輪廓拾取和毛坯拾取，生成加工軌跡并可對其進行仿真。

圖3 燃燒室的半視二維輪廓圖

圖4 粗車參數表

（c）精車內輪廓：同粗車方法一樣，通過“加工”菜單下的“輪廓精車”命令調出“精車參數表”（精車參數表內的參數與粗車參數表內的參數一樣），分別設置好各個相關的加工參數，生成精車加工軌跡。

（d）數控G代碼生成：根據當前加工機床類型的數控系統配置要求，選擇好對應的數控機床，機床的參數設置見圖5所示。

每種機床的數控系統要求的程序頭、換刀、程序尾等參數是不同的，要根據具體的數控系統來設置，這是數控程序能否被機床識別的必要條件。一旦選擇好機床，就可把已經生成的粗車加工軌跡和精車加工軌跡利用“代碼生成”命令分別轉化成G代碼數據文件，即CNC數控程序。

通過上述步驟可以快速的實現活塞燃燒室粗車和精車的數控程序編制。

5 數控程序的網絡化傳輸

為了實現數控程序的傳輸，目前應用最廣泛的是基于以太網的網絡建立計算機和機床的聯網傳輸方案。

圖5 機床類型設置

5.1 網絡結構的構建

本文構建的網絡結構是基于 CAXA網絡DNC基礎上的以太網網絡傳輸方案，其網絡結構拓撲形式如圖6所示：

圖6 DNC局域網絡拓撲結構圖

該網絡拓撲結構以TCP／IP和以太網為網絡構架，通過CanHigher公司的NC601A智能終端將計算機和機床連接到局域網絡，實現計算機和機床的數據共享。NC601A智能終端采用高性能的專用處理器，采用8芯串口插座RJ-45與通信網絡電纜相連，可將 RS232串口的數據轉換成TCP／IP協議平臺上的10M／100M以太網數據，從而解決 RS232串口的通訊距離和通訊速率均比較低的問題。

5.2 CAXA網絡DNC通信模塊的參數設置

在網絡結構建好，數控程序傳輸前必須要設置好通信參數，否則，數控程序是無法傳輸。通信參數的設置包括以下兩個方面：

（a）機床端參數設置

根據機床的數控系統設置對應的機床通信參數，對本文中活塞燃燒室的加工來說，采用的是FANUC Oi-T數控系統的CK7525數控車床，在機床端其參數設置主要是I/O通道和波特率兩個參數，其它參數按照默認值即可。I/O通道是實際機床連接的I/O通道號，設置為1，波特率設置為19200 bps/s。

（b）DNC軟件端的通信參數設置

打開CAXA網絡DNC軟件，通過“添加機床”命令打開“機床參數設置”對話框，按照對話框中的所要填寫參數的要求，比如：基本信息、發送參數、接受參數、自動應答參數等，結合機床端參數的設置，對軟件通信參數進行一一對應設置，并確保參數設置的一致性。

5.3 數控程序的傳輸

當完成數控機床和通信軟件的參數設置后，通過 DNC軟件和機床之間 QV應答的方式就可以很方便地實現數控程序的傳輸。比如活塞燃燒室加工的數控程序名為“o1234.cut”，機床作為終端設備，通過服務器請求發送“o1234.cut”G代碼的指令，DNC軟件端接到請求后，通過“發送”命令，就將計算機內的該數控程序文件發送到機床，機床接受后就可以實現數控加工。

6 結論

通過對某船用活塞生產加工中的切實應用，基于CAXA數控車編程軟件和CAXA網絡DNC構架的網絡結構實現了活塞燃燒室的數控編程和網絡化數控加工，較好的滿足了設計圖樣的曲面體尺寸加工要求和表面粗糙度要求，大大提高了加工質量和加工效率。

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[1]CAXA數控車XP用戶指南. www.caxa.com.

[2]CAXA網絡DNC V2006用戶手冊. www.caxa.com.

[3]華茂發主編. 數控機床加工工藝[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[4]陳宏鈞主編. 機械加工工藝設計員手冊[M]. 北京:機械工業出版社, 2009.1.

[5]季照平, 邱玉琴. 基于 CAXA-DNC 的機床數據通信[J]. 裝備制造技術, 2007, (3):75～77.