汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具的设计与应用

王自振，张晓杰

(1.机械工业第六设计研究院有限公司 国机中兴，河南 郑州 450007；2.郑州大地机械制造有限公司 总经办，河南 郑州 450007)

汽车用双缸空气压缩机曲轴箱精度要求高,结构复杂。合理确定其加工工艺,有利于减少项目投资,提高产品质量和生产效率,降低加工成本[1]。 汽车空压机种类繁多，结构多样,作为其主要零件的空压机缸体结构复杂，具有多个异形面。汽车空压机缸体由于外形复杂，曲面多，因此加工时定位不易找正、装夹困难、效率低等问题长期存在。相关研究者曾从不同角度对夹具的设计问题进行研究，取得了一定成果，但在定位精度、适用范围方面仍值得深入研究[2-3]。本文主要结合汽车空压机种类多、形状复杂等特点，对用于汽车空压机缸体缸孔加工的成组夹具设计和应用问题进行研究。

1 汽车空压机缸体缸孔加工用夹具存在的问题

机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调夹具、成组夹具和自动线夹具五大类[4]。目前，汽车空压机缸体缸孔加工中常用图1所示的可调夹具。

1.摆臂Ⅰ； 2.固定尾座；3.滑柱； 4.移动定位法兰；5.夹具底板； 6.工件； 7.固定定位法兰； 8.支撑弯板；9.摆臂Ⅱ； 10.行程开关； 11.导柱； 12.压板

汽车空压机缸体缸孔加工用可调夹具由摆臂Ⅰ、固定尾座、滑柱、移动定位法兰、夹具底板、固定定位法兰、支撑弯板、摆臂Ⅱ、行程开关、导柱、压板等组成，结构复杂，尺寸较大，占用空间大，一次只能装夹一个工件(即空压机缸体)。

使用可调夹具，每次装夹工件时，需要先将工件对准固定定位法兰，而后摆动摆臂Ⅰ，驱动滑柱从轴向顶紧工件，再摆动摆臂Ⅱ，驱动导柱，进而带动压板压紧缸体上表面，并通过行程开关检测压板是否移动到位。显然，工件装夹操作复杂，辅助时间长，既费时又费力。此外，固定定位法兰、移动定位法兰与工件之间的间隙不易控制，间隙太小(即太紧)则不易装夹，间隙太大(即太松)则装夹后易造成缸体缸孔中心线与机床主轴中心线不平行，最终导致缸孔中心线与缸体上表面垂直度超差。

该夹具不仅结构十分复杂，而且对自身的零件加工精度及热处理要求十分严格，造价很高。虽然通过更换移动定位法兰、固定定位法兰、压板等零件，可以兼容部分规格的汽车空压机缸体的加工，但如果缸体尺寸跨度大，外形结构差别大，就需要重新设计和制作夹具。由于夹具的通用性和兼容性较差，更换零件品种时需要更换夹具，而通常珩磨加工的起始点又很难确定，造成夹具的更换费时费力，且不易调整。

有的厂家曾对汽车空压机缸体缸孔加工用夹具进行了结构简化，但总体来说，简化前后的结构大同小异，装夹时间长、通用性差、换型麻烦的缺点在结构简化后依旧存在。

2 汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具的设计

针对汽车空压机缸体缸孔加工用可调夹具存在的问题，本文基于长期探索，通过优化可调夹具结构、增设工艺安装板和随行压紧机构(包括压圈和水圈),设计了一种结构简单、兼容性好、加工精度容易掌握的成组夹具。图2所示为所设计汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具。

1.伺服工作台；2.通用底座；3.定位销；4.固定螺钉；5.定位键；6.工艺安装板；7.气检机构；8.刀具；9.压紧夹具；10.压圈；11.水圈；12.机床主轴

汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具由通用底座、固定螺钉、定位键、工艺安装板、气检机构、压圈、水圈等组成。该成组夹具根据所有需要加工工件的最大规格来设计结构尺寸，结构简单，容易加工制作。只要在制作时保证通用底座上、下面的平行度以及定位销的精度即可。其通用底座安装于伺服工作台上，在其上表面安装工艺安装板。只要工艺安装板在加工时能保证基准孔与定位键的位置度，就可保证每次装夹工件时工件基准孔与主轴间距的一致性。使用该成组夹具时，首先将工件安装于工艺安装板上，再将工艺安装板放置到成组夹具的通用底座上，启动机床，数控机床自动气检工件是否装夹到位，如装夹不到位则进一步调整，如装夹到位则自动进入加工程序。更换不同种类的工件时，只需更换工艺安装板、压圈和水圈即可。

与可调夹具相比，汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具具有下列优势：①结构简单，制造难度小；②零件种类很少；③检测工件装夹是否到位时，可调夹具使用的接近开关在有水和油的环境中容易损坏，有可能导致机床误动作；采用气动检测方式的成组夹具不怕水、不怕油、寿命超长，可靠性高；④加工换型时，若零件差别太大，则可调夹具需要整体更换，调整难度大，换型时间长，对操作者的技术水平要求较高；而按最大工件规格设计的成组夹具,只需更换工艺安装板、压圈、水圈和刀具即可，夹具不需重新调整，换型时间短，且对操作者的技术水平要求较低；⑤加工换型时，可调夹具需调整工件基准孔与主轴的间距，而成组夹具在设计时已经考虑到工件基准孔与主轴间距的一致性要求，故使用中不需再调整工件基准孔与主轴的间距；⑥可调夹具安装形式单一，单孔工件和双孔工件不能共用，跨度大的工件不能加工；成组夹具既可用于双孔工件加工，也可用于单孔工件加工，可将工件安装在工艺安装板的上面或下面，安装形式灵活多样，属于万能型夹具；⑦使用可调夹具时，只能等工件加工完成且在工作台退出后才能装卸工件；成组夹具采用可循环使用的工艺安装板，可在机床加工一个工件的同时，将另一个工件预先安装到工艺安装板上而显著节约辅助时间；⑧使用成组夹具时，加工所需辅助时间短，可显著提高机床工作效率；⑨成组夹具造价是可调夹具的五分之一左右，不但造价低，而且制作周期短；⑩采用成组夹具加工汽车空压机缸体缸孔时，通过工艺安装板能模拟缸体的安装状态，克服安装时的应力变形，保证装配后缸体的几何精度，同时可显著改善空压机性能，减少串气量，提高空压机工作效率。

在设计汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具时，应保证其工艺安装板具有足够的刚性。可通过计算求得工艺安装板的理论厚度，也可通过模型仿真确定工艺安装板的厚度，而后经圆整即可。这里不再赘述其具体计算过程。在加工轴向力和夹具夹紧力的作用下，工艺安装板的变形量不得超过0.03 mm。在设计夹紧机构时，其夹紧力应能保证工件的牢固固定[5]。为保证加工的正常进行，夹具的压力在能克服刀具轴向力作用的情况下越小越好，以减小加工过程的工件变形。根据经验，夹具的最小压力应为加工时刀具切削工件轴向力的1.2倍。

3 汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具的使用

在使用汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具的过程中，为获得理想的使用效果和加工精度，定位键和工艺安装板都要进行定期检测，及时更换，保护好安装面并保持其清洁，不能磕伤碰伤。

表1 珩磨后缸孔直径公差检测结果 mm

表2 1号缸珩磨后缸孔表面粗糙度检测结果

表3 20号缸珩磨后缸孔表面粗糙度检测结果

表4 60号缸珩磨后缸孔表面粗糙度检测结果

表5 200号缸珩磨后缸孔表面粗糙度检测结果

从表1可看出，珩磨后缸孔直径公差较稳定，加工后尺寸一致性好。从表2-表5可看出，珩磨后缸孔表面粗糙度稳定，完全能满足加工技术要求。

此外，在实际加工过程中测得：两个工件的上下料时间为40 s，平均每件为20 s(使用可调夹具时，每件的上下料时间约为80 s)，可节约辅助时间约60 s；单孔加工时间约为70 s，一次装夹两个双孔工件，加工时间为280 s，辅助时间约为40 s。由此可算出，采用所设计汽车空压机缸体缸孔加工用成组夹具后，平均每个工件的加工时间为180 s。

4 结 语

本文针对汽车空压机缸体缸孔加工用夹具结构复杂、造价高昂、制作难度大的现状，设计了一种成组夹具，并就夹具设计的重点及应注意事项给出了具体建议。所设计成组夹具运用于某汽车空压机制造企业的立式数控珩磨机上，工作稳定可靠，单件平均辅助时间约为20 s，单孔加工时间约为70 s，无论生产节拍还是加工精度，均能满足加工技术要求。该夹具也可应用于其他类似零件的加工中，对于解决异形零件内孔加工问题具有一定的参考价值。