汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王自振，張曉杰

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 國機(jī)中興，河南 鄭州 450007；2.鄭州大地機(jī)械制造有限公司 總經(jīng)辦，河南 鄭州 450007)

汽車用雙缸空氣壓縮機(jī)曲軸箱精度要求高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。合理確定其加工工藝,有利于減少項(xiàng)目投資,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,降低加工成本[1]。 汽車空壓機(jī)種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣,作為其主要零件的空壓機(jī)缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有多個(gè)異形面。汽車空壓機(jī)缸體由于外形復(fù)雜，曲面多，因此加工時(shí)定位不易找正、裝夾困難、效率低等問題長期存在。相關(guān)研究者曾從不同角度對(duì)夾具的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究，取得了一定成果，但在定位精度、適用范圍方面仍值得深入研究[2-3]。本文主要結(jié)合汽車空壓機(jī)種類多、形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)用于汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工的成組夾具設(shè)計(jì)和應(yīng)用問題進(jìn)行研究。

1 汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用夾具存在的問題

機(jī)床夾具可分為通用夾具、專用夾具、可調(diào)夾具、成組夾具和自動(dòng)線夾具五大類[4]。目前，汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工中常用圖1所示的可調(diào)夾具。

1.擺臂Ⅰ； 2.固定尾座；3.滑柱； 4.移動(dòng)定位法蘭；5.夾具底板； 6.工件； 7.固定定位法蘭； 8.支撐彎板；9.擺臂Ⅱ； 10.行程開關(guān)； 11.導(dǎo)柱； 12.壓板

汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用可調(diào)夾具由擺臂Ⅰ、固定尾座、滑柱、移動(dòng)定位法蘭、夾具底板、固定定位法蘭、支撐彎板、擺臂Ⅱ、行程開關(guān)、導(dǎo)柱、壓板等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，占用空間大，一次只能裝夾一個(gè)工件(即空壓機(jī)缸體)。

使用可調(diào)夾具，每次裝夾工件時(shí)，需要先將工件對(duì)準(zhǔn)固定定位法蘭，而后擺動(dòng)擺臂Ⅰ，驅(qū)動(dòng)滑柱從軸向頂緊工件，再擺動(dòng)擺臂Ⅱ，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)柱，進(jìn)而帶動(dòng)壓板壓緊缸體上表面，并通過行程開關(guān)檢測壓板是否移動(dòng)到位。顯然，工件裝夾操作復(fù)雜，輔助時(shí)間長，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。此外，固定定位法蘭、移動(dòng)定位法蘭與工件之間的間隙不易控制，間隙太小(即太緊)則不易裝夾，間隙太大(即太松)則裝夾后易造成缸體缸孔中心線與機(jī)床主軸中心線不平行，最終導(dǎo)致缸孔中心線與缸體上表面垂直度超差。

該夾具不僅結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且對(duì)自身的零件加工精度及熱處理要求十分嚴(yán)格，造價(jià)很高。雖然通過更換移動(dòng)定位法蘭、固定定位法蘭、壓板等零件，可以兼容部分規(guī)格的汽車空壓機(jī)缸體的加工，但如果缸體尺寸跨度大，外形結(jié)構(gòu)差別大，就需要重新設(shè)計(jì)和制作夾具。由于夾具的通用性和兼容性較差，更換零件品種時(shí)需要更換夾具，而通常珩磨加工的起始點(diǎn)又很難確定，造成夾具的更換費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不易調(diào)整。

有的廠家曾對(duì)汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用夾具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化，但總體來說，簡化前后的結(jié)構(gòu)大同小異，裝夾時(shí)間長、通用性差、換型麻煩的缺點(diǎn)在結(jié)構(gòu)簡化后依舊存在。

2 汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具的設(shè)計(jì)

針對(duì)汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用可調(diào)夾具存在的問題，本文基于長期探索，通過優(yōu)化可調(diào)夾具結(jié)構(gòu)、增設(shè)工藝安裝板和隨行壓緊機(jī)構(gòu)(包括壓圈和水圈),設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、兼容性好、加工精度容易掌握的成組夾具。圖2所示為所設(shè)計(jì)汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具。

1.伺服工作臺(tái)；2.通用底座；3.定位銷；4.固定螺釘；5.定位鍵；6.工藝安裝板；7.氣檢機(jī)構(gòu)；8.刀具；9.壓緊夾具；10.壓圈；11.水圈；12.機(jī)床主軸

汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具由通用底座、固定螺釘、定位鍵、工藝安裝板、氣檢機(jī)構(gòu)、壓圈、水圈等組成。該成組夾具根據(jù)所有需要加工工件的最大規(guī)格來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)構(gòu)簡單，容易加工制作。只要在制作時(shí)保證通用底座上、下面的平行度以及定位銷的精度即可。其通用底座安裝于伺服工作臺(tái)上，在其上表面安裝工藝安裝板。只要工藝安裝板在加工時(shí)能保證基準(zhǔn)孔與定位鍵的位置度，就可保證每次裝夾工件時(shí)工件基準(zhǔn)孔與主軸間距的一致性。使用該成組夾具時(shí)，首先將工件安裝于工藝安裝板上，再將工藝安裝板放置到成組夾具的通用底座上，啟動(dòng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)氣檢工件是否裝夾到位，如裝夾不到位則進(jìn)一步調(diào)整，如裝夾到位則自動(dòng)進(jìn)入加工程序。更換不同種類的工件時(shí)，只需更換工藝安裝板、壓圈和水圈即可。

與可調(diào)夾具相比，汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具具有下列優(yōu)勢：①結(jié)構(gòu)簡單，制造難度??；②零件種類很少；③檢測工件裝夾是否到位時(shí)，可調(diào)夾具使用的接近開關(guān)在有水和油的環(huán)境中容易損壞，有可能導(dǎo)致機(jī)床誤動(dòng)作；采用氣動(dòng)檢測方式的成組夾具不怕水、不怕油、壽命超長，可靠性高；④加工換型時(shí)，若零件差別太大，則可調(diào)夾具需要整體更換，調(diào)整難度大，換型時(shí)間長，對(duì)操作者的技術(shù)水平要求較高；而按最大工件規(guī)格設(shè)計(jì)的成組夾具,只需更換工藝安裝板、壓圈、水圈和刀具即可，夾具不需重新調(diào)整，換型時(shí)間短，且對(duì)操作者的技術(shù)水平要求較低；⑤加工換型時(shí)，可調(diào)夾具需調(diào)整工件基準(zhǔn)孔與主軸的間距，而成組夾具在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到工件基準(zhǔn)孔與主軸間距的一致性要求，故使用中不需再調(diào)整工件基準(zhǔn)孔與主軸的間距；⑥可調(diào)夾具安裝形式單一，單孔工件和雙孔工件不能共用，跨度大的工件不能加工；成組夾具既可用于雙孔工件加工，也可用于單孔工件加工，可將工件安裝在工藝安裝板的上面或下面，安裝形式靈活多樣，屬于萬能型夾具；⑦使用可調(diào)夾具時(shí)，只能等工件加工完成且在工作臺(tái)退出后才能裝卸工件；成組夾具采用可循環(huán)使用的工藝安裝板，可在機(jī)床加工一個(gè)工件的同時(shí)，將另一個(gè)工件預(yù)先安裝到工藝安裝板上而顯著節(jié)約輔助時(shí)間；⑧使用成組夾具時(shí)，加工所需輔助時(shí)間短，可顯著提高機(jī)床工作效率；⑨成組夾具造價(jià)是可調(diào)夾具的五分之一左右，不但造價(jià)低，而且制作周期短；⑩采用成組夾具加工汽車空壓機(jī)缸體缸孔時(shí)，通過工藝安裝板能模擬缸體的安裝狀態(tài)，克服安裝時(shí)的應(yīng)力變形，保證裝配后缸體的幾何精度，同時(shí)可顯著改善空壓機(jī)性能，減少串氣量，提高空壓機(jī)工作效率。

在設(shè)計(jì)汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具時(shí)，應(yīng)保證其工藝安裝板具有足夠的剛性?？赏ㄟ^計(jì)算求得工藝安裝板的理論厚度，也可通過模型仿真確定工藝安裝板的厚度，而后經(jīng)圓整即可。這里不再贅述其具體計(jì)算過程。在加工軸向力和夾具夾緊力的作用下，工藝安裝板的變形量不得超過0.03 mm。在設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)，其夾緊力應(yīng)能保證工件的牢固固定[5]。為保證加工的正常進(jìn)行，夾具的壓力在能克服刀具軸向力作用的情況下越小越好，以減小加工過程的工件變形。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，夾具的最小壓力應(yīng)為加工時(shí)刀具切削工件軸向力的1.2倍。

3 汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具的使用

在使用汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具的過程中，為獲得理想的使用效果和加工精度，定位鍵和工藝安裝板都要進(jìn)行定期檢測，及時(shí)更換，保護(hù)好安裝面并保持其清潔，不能磕傷碰傷。

表1 珩磨后缸孔直徑公差檢測結(jié)果 mm

表2 1號(hào)缸珩磨后缸孔表面粗糙度檢測結(jié)果

表3 20號(hào)缸珩磨后缸孔表面粗糙度檢測結(jié)果

表4 60號(hào)缸珩磨后缸孔表面粗糙度檢測結(jié)果

表5 200號(hào)缸珩磨后缸孔表面粗糙度檢測結(jié)果

從表1可看出，珩磨后缸孔直徑公差較穩(wěn)定，加工后尺寸一致性好。從表2-表5可看出，珩磨后缸孔表面粗糙度穩(wěn)定，完全能滿足加工技術(shù)要求。

此外，在實(shí)際加工過程中測得：兩個(gè)工件的上下料時(shí)間為40 s，平均每件為20 s(使用可調(diào)夾具時(shí)，每件的上下料時(shí)間約為80 s)，可節(jié)約輔助時(shí)間約60 s；單孔加工時(shí)間約為70 s，一次裝夾兩個(gè)雙孔工件，加工時(shí)間為280 s，輔助時(shí)間約為40 s。由此可算出，采用所設(shè)計(jì)汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用成組夾具后，平均每個(gè)工件的加工時(shí)間為180 s。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)汽車空壓機(jī)缸體缸孔加工用夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂、制作難度大的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種成組夾具，并就夾具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及應(yīng)注意事項(xiàng)給出了具體建議。所設(shè)計(jì)成組夾具運(yùn)用于某汽車空壓機(jī)制造企業(yè)的立式數(shù)控珩磨機(jī)上，工作穩(wěn)定可靠，單件平均輔助時(shí)間約為20 s，單孔加工時(shí)間約為70 s，無論生產(chǎn)節(jié)拍還是加工精度，均能滿足加工技術(shù)要求。該夾具也可應(yīng)用于其他類似零件的加工中，對(duì)于解決異形零件內(nèi)孔加工問題具有一定的參考價(jià)值。