弹性套夹具在薄壁气缸套加工中的应用

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弹性套夹具在薄壁气缸套加工中的应用
沧州均日机器有限公司   吴学民

概要：介绍了弹性套在薄壁气缸套加工中的应用，即把作用在弹性套上的局部夹紧力，通过具有一定刚性的弹性套的传递转变成使工件受力均匀的面夹紧，以减小工件在夹紧过程中的变形，保证工件具有较好的形状精度和位置精度。

弹性套是一种自定心夹具元件，在套类零件的加工过程中有着广泛的应用。弹性套夹具的原理是利用弹性套均匀弹性变形的方式，来消除定位尺寸偏差，以实现准确定心或对中进行定位和夹紧。
薄壁缸套是内燃机的核心零件之一，在我国汽车行业需量很大,但由于其壁薄、刚性差等特点，使得开发、生产难度大大提高。现在行业内应用较广泛的液塑类车夹具（部分厂家还外衬薄壁弹性套）和弹性套镗、珩磨夹具都是利用了弹性变形来定位和夹紧缸套来进行加工。由于夹具体的弹性变形是局部变形而不是整体形变，造成这种变形通过夹紧力复映到缸套体上，造成缸套的外圆和内孔圆柱度超差，影响缸套的制造质量。我们通过几年来的不断探索和实践并吸收了行业内一些厂家的经验，在应用弹性套夹具加工薄壁气缸套方面有一些心得，在这里做一约略介绍，以就教于大家。
一、弹性套在外圆车削中的应用。
在薄壁缸套的车削过程中，为了减少切削应力，根据工序分散的原则把外圆的车削分成了几道工序，其中最重要的是最后一道精车工序。该工序的任务有以下几点：a、获得图样规定的内外圆位置精度，即同轴度。b、获得具有较好圆柱度的外圆表面。c、获得理想的外圆工艺尺寸。d、获得规定尺寸的支承肩外圆。
对于a项任务来讲，经过自车后的塑料芯轴来定位缸套内孔车削外圆表面，完全能满足工件内外圆同轴度的工艺要求。但对于相同缸径不同批次的缸套加工来讲，为了保证夹具定位外圆的径向跳动保证在一定的精度范围内，就必须更换夹具的支承定位元件，即薄壁套筒。而薄壁套筒的制造成本较高，显然会增加缸套的成本。
对于b、c两项任务，显然靠薄壁套筒的弹性变形夹紧不能满足其工艺要求。原因是，薄壁套筒在夹紧工件时的弹性变形势必引起工件的径向弹性变形（图一），在车削过程完成并撤除夹紧力以后，工件的外圆就会出现波纹（图二），从而影响其外圆及内孔的圆柱度和尺寸精度，给后面的精磨外圆和珩磨内孔造成困难。而这种情况，则是我们力求避免的。
     
另外，薄壁套筒的夹紧变形量有一定的范围，对工件内孔的尺寸要求比较严格。否则，会造成工件在夹紧过程中破裂或因夹持力不足造成工件旋转。而这些，也是我们不希望发生的。
在薄壁套筒外衬开缝弹性套可以使以上问题得到有效地解决。弹性套的示意图如图三。弹性套的设计原理如下：当薄壁套筒处于松开状态时，弹性套由于自身的弹性而收缩并贴合在薄壁套筒的表面，此时装入被加工工件；当薄壁套筒在活塞的作用下膨胀时，通过弹性套的弹性变形而夹紧工件。在这里，薄壁套筒芯轴由于不直接起定位作用，因而安装于机床时可仅做一下粗略的找正，其径跳以不超过0.2mm为宜（这样提高了夹具的利用率），与松开状态下薄壁套筒的外圆成过渡配合的套筒套在薄壁套筒之上，两端打好定位销孔并装入定位销，自车套筒外圆与待加工工件的内孔尺寸一致。然后拆掉套筒并铣直缝，重新装在薄壁套筒上就可以使用了。

由于弹性套系自车成形，因而消除了机床主轴及套筒芯轴的径向跳动对工件定位外圆表面的影响；在活塞的作用下塑料套筒膨胀时，施加在弹性套上的径向力所造成的接触为线接触。由于弹性套具有一定的厚度和刚性（一般为5mm左右），这种夹紧力传递给弹性套使之外圆和工件的接触就变成了面接触。这样就不会产生图二那样的变形，消除了因直接夹紧所产生的波浪纹，使得薄壁缸套的内外圆形状精度即圆柱度大为改善。由于薄壁套筒作用在弹性套上的力使之产生的变形除作用在被加工件的内表面以外，还使弹性套的缝隙变大。这种变形对缸套内外圆的位置精度有一定影响，但非常小。据我们使用的经验，车削过的工件壁厚差稳定在0.015mm以内，完全满足工艺要求。弹性套可利用缸套的毛坯来加工，取材方便、加工容易且成本低廉。安装原理如图四。

二、弹性套在镗削中的应用。
镗孔是气缸套在珩磨前的一道半精加工工序，与铰削相比，可获得具有更好圆度的珩磨底孔。
对于薄壁气缸套的镗削，不同的工艺安排赋予了不同的工艺目的。有的是仅仅要求在此工序中获得具有符合工艺精度的珩磨底孔;有的还要求获得与定位外圆（即缸套外圆）较好的内孔同轴度。
在薄壁气缸套的镗削过程中,影响缸套内孔镗削圆度和内外圆同轴度的因素很多，如夹具定位孔和机床主轴的同轴度误差、机床主轴所存在的轴承间隙、工艺系统不均匀的力所造成的影响、工件组织软硬不均的影响等。其中夹具的影响是最主要的因素之一。
薄壁气缸套镗孔夹具的设计要求主要保证以下几点：装卸方便；定位、夹紧可靠；作用在定位外圆的夹紧力均匀。目前，行业内使用的薄壁缸套镗孔夹具种类很多，有刚性夹具、弹性套式夹具、橡胶套式夹具和液塑类夹具等，其使用效果也不尽相同。在这里，我们介绍一种经使用效果良好的弹性套夹具（见图五）。

该夹具由底座、夹具体、弹性套、调整锥环和压紧装置等五部分构成。其原理是：在作为定位、夹紧元件的弹性套外圆上有两个相同方向的锥面，与之对应，在夹具体上也设置了相同的内锥面（为方便加工和调整，夹具体中的下锥面分拆出一件锥环）。当弹性套中装入缸套后，在作用于弹性套上端面的压紧力的作用下，弹性套沿夹具体的内锥面下移，使开缝弹性套内孔收缩而抱紧缸套外圆，达到定位和夹紧的目的。该夹具操作使用方便、制造简单易行，作用于缸套外圆的夹紧力均匀。
该夹具在制造时需注意以下几点，其一是弹性套在加工时两外锥面与夹具体及调整环内锥面锥度要一致，夹具体内锥面和调整环定位孔同轴度要好，调整环外圆和内锥面同轴度要好，调整环的下端面要与其中心垂直且加工时要比设计尺寸厚0.5mm左右以便于调整。其二，在加工时弹性套内孔要预留0.5mm左右加工余量，然后在弹性套上按圆周均匀分布在两端各铣三道不贯通沟槽（至不通端15mm左右）。装配时，研磨弹性套外锥面和与之相应的内锥面（如果调整环内锥面和弹性套下锥面高度差较大，可以磨削调整环底面方式调整）使之接触面不小于75％以上。安装时，找正使夹具体内锥面与机床主轴同心，并在弹性套上端面施以预紧力后自镗弹性套内孔达工件外圆尺寸。
该夹具的特点是，由于弹性套内孔在自由状态下较缸套外圆要大，因而一是不会在装夹时划伤工件外圆表面，装卸也很方便。同时，由于夹紧力均匀，也不会引起缸套在夹紧过程中变形。
该夹具的压紧装置可根据各厂家的具体情况，设计成螺母式、气动或液压下拉式等方式，在此不再赘述。
这种类型夹具还可用于缸套的珩磨加工。
三、弹性套在珩磨中的应用。
除了上面介绍的弹性套镗夹具以外，弹性套还可与液塑、橡胶套类夹具配合用于缸套的内孔加工。下面介绍常用的两种。
1. 弹性套与液塑夹具的配合使用。除了上面介绍的弹性套夹具也可用于珩磨以外，在这里介绍一种液塑性弹性套夹具。这种夹具的原理和前面介绍的弹性套车夹具相同（见图六）。只是为了解决单开缝弹性套因收缩不便装入工件这一问题，改成了六条两端均布的不通缝结构。对于薄壁套筒与夹具本体的结合部采用间隙配合并以O形密封圈密封以防止塑料溢出，这样便于针对不同的缸套加工较为方便地更换不同的薄壁套筒。为了不使因薄壁套筒的径向压力使弹性套发生局部变形而影响缸套内孔素线的直线度，弹性套要有一定的刚性，根据我们的经验一般取厚度5mm为宜。这样，弹性套传递给缸套外圆的力就作用在整个工件外圆表面了。

使用时，找正薄壁套筒内孔与机床主轴同轴，装入弹性套并以压环挡住使之不得因取出工件时被带出。
该夹具虽然结构较复杂，但集定位与夹紧于夹具一体，使用方便，可靠。尤其突出的是，该夹具在用于双工位珩磨机加工时，可以模拟装机状态在夹紧时进行内孔的测量，也有效地避免了过去那种随行套夹具寿命短、可操作性差的缺陷。
同样的，该种夹具也可用于镗孔。只是在用于镗孔时，为了保证工件内外圆的同轴度，需自镗薄壁套筒。同时，弹性套的内外圆需一次装夹车成。
2.弹性套与气囊式夹具的配合使用。气囊式夹具在行业内应用较为广泛，一般用于湿式缸套的珩磨加工。在这里，我们介绍其在薄壁缸套加工中的应用。
弹性套与气囊式夹具的配合使用原理见图七。其原理与前述弹性套与液塑夹具的配合使用原理完全一样，弹性套也相同，采用的是柔性元件刚性夹紧，在此不再赘述。

不同的是，气囊在高压气体的作用下产生向夹具中心的径向力以抱紧工件。由于在珩磨过程中，珩磨头施加给工件的力既有径向压力又有轴向分力，故仅靠弹性套施给缸套的摩擦力克服缸套的轴向位移是不够的。因此，我们利用上部的压紧油缸给缸套的支承肩上端面施以轴向压力，以防止缸套被珩磨头带出。
该夹具不同于前述液塑夹具的是，作为兼有定位作用的弹性套在橡胶套中得不到较好的定位，所以该夹具不能用于缸套的精镗（若工艺安排先精镗后精车外圆以获得要求的壁厚差则又当别论）。但由于珩磨工序对工件定位的要求不如镗工序要求严格，所以完全适用。
设计和使用该夹具时要注意以下几点：气囊要清除飞边以避免影响密封。气囊内径设计时要考虑能适应相近机型缸套的加工。
以上介绍了弹性套在薄壁气缸套加工中的应用，其共同特点是：把作用在弹性套上的局部夹紧力，通过具有一定刚性的弹性套的传递转变成使工件受力均匀的面夹紧，以减小工件在夹紧过程中的变形，保证工件具有较好的形状精度和位置精度。
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附图：共三页。

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