高速柴油机干式气缸套精镗夹具的设计.pdf

文章编号:100320794(2005)1120101202高速柴油机干式气缸套精镗夹具的设计高自成,徐学林(中南林学院,长沙410004)摘要:气缸套是柴油机的重要零件,精镗是干式气缸套生产过程中的一道重要工序,突破精镗夹具的传统设计思想,采用内压式弹性胀套设计了新型的精镗夹具,阐明了该夹具的设计原理和方法。关键词:干式气缸套；精镗；夹具中图号:TK42312文献标识码:A1问题的提出柴油机气缸套是决定发动机性能和寿命的主要零件之一,其加工质量直接影响到发动机的功效和性能。通常水冷式柴油机的气缸套有干式和湿式2种类型,图1为湿式气缸套的零件草图,图2为干式气缸套的零件草图,从图中可以看到它们在结构上的区别,通常湿式气缸套的壁厚大于5mm,而干式气缸套的厚度一般不大于3mm(如扬州4102气缸套只有2.5mm),这种厚度的差别导致它们在加工工艺和工装上的很大不同。而且干式气缸套的加工精度和表面粗糙度更高,精镗(精铰)是缸套内孔加工的一道重要工序,它在一定程度上决定着产品的加工质量。因此,湿式气缸套的内孔加工夹具是不能用来加工干式气缸套。图1湿式气缸套图2干式气缸套Fig.1ThewettypeofFig.2Thedrytypeofcylinderjacketcylinderjacket2原理及结构分析由机械原理可知:任何一个刚体在空间直角坐标系中均有6个自由度,要使刚体在空间完全定位,则必须限制刚体的6个自由度,因为待加工面为内孔,对于图1所示的水冷式气缸套可以采用端面加外圆的定位方式,采用图3的夹具结构即能满足要求。对于图2所示的干式气缸套因为外圆壁很薄,若采用端面加外圆的定位方式则可能导致端面压溃、崩边,在加工过程中,产生较大的变形,如圆度、圆柱度误差,难以保证加工质量。因此干式气缸套夹具采用图4所示的结构,气缸套通过内压式胀套来夹紧,内压式胀套在缸套的头部和裙部夹紧缸套,胀套的夹紧力来源于上下顶圈对它的作用,液压或气压活塞推动下顶圈向上运动,弹性胀套向内挤压产生夹紧力,夹紧气缸套,完成精镗加工。活塞下行时放松下顶圈,依靠弹性胀套的弹力回复放松,松开缸套,胀套两端采用圆锥面定位精度高,而夹紧力分布在缸套外圆两端,夹紧稳定可靠。缸套上部凸肩与上顶圈接触,进行轴向定位,同时也利于安装。图3湿式缸套精铰夹具Fig.3Clampapparatusforprecisereamingofthewettypeofcylinderjacket11缸盖21缸体31活塞41立柱51底座图4干式气缸套精镗夹具Fig.3Clampapparatusforpreciseboringofthedrytypeofcylinderjacket11上顶圈21弹性胀套31夹具体41下顶圈51活塞61缸体3设计计算方法和过程3.1切削力的计算由机械制造工程学可知,金属加工的切削力计算的指数形式的经验公式如下Fc=CFcaXFcspfYFcvnFccKFc(1)Fp=CFpaXFpspfYFpvnFpcKFp(2)Ff=CFfaXFfspfYFfvnFfcKFf(3)1012005年第11期煤矿机械式中Fc,Fp,Ff切削力、背向力和进给力；CFc,CFp,CFf取决于工件材料和切削条件的系数；XFc,YFc,nFc,XFp,YFp,nFp,XFf,YFf,nFf背吃刀量asp、进给量f和切削速度vc的指数；KFc,KFp,KFf各种因素对3个切削分力的修正系数。对于精镗工序,针对不同的产品型号和工艺要求,在选定了吃刀量、进给量和切削速度之后,通过查表,即可得到上述有关系数,代入上述公式中,可求出3个方向上的切削力。3.2夹紧力的计算在干式气缸套的加工过程中,精镗工序的夹紧力必须保持在合理的范围,夹紧力过大,会使缸套在加工过程中产生较大的变形,加工完后取出的薄壁缸套达不到加工要求,夹紧力过小,则气缸套打滑,使加工无法进行。(1)切削力和轴向力合力的计算切削力和轴向力作用在与被加工圆柱面相切的平面内,设其合力为F,则F=F2c+F2f。(2)受力模型图5为胀套的上端受力模型图,图中F1为缸套对胀套的作用力(即为胀套对缸套的夹紧力),F2为顶圈给胀套的作用力,F3为胀套受到的下端给上部的内力,至于背刀力Fp,因为它的方向是沿径向分布的,在加工时Fp相当于缸套给胀套一个反作用力,至于胀套由于受到顶圈的作用力而产生对顶圈的弹力,由于胀套变形很少,所以可以忽略,这样加工时,胀套对缸套的压力的合力为F1-Fp。要使加工顺利进行,则气缸套与胀套的摩擦力必须大于切削力和进给力的合力,即(F1-Fp)fF(f为静摩擦因数),亦即F1(F-Fp)/f。F1即为胀套对气缸套的夹紧力。图5胀套局部受力模型图Fig.5Thepartialofthejacketswelledupforcedmodeldiagram(3)下顶圈对活塞作用力的计算同样由图5的模型可知:在确定了胀套的锥角后,F1、F2、F3的方向就确定了,由前述公式已知F1的大小,由力的平衡方程可得F3的大小,进而可以确定在夹紧时活塞对下顶圈的作用力,最后根据液压或气压传动原理,可计算出缸体活塞的尺寸。3.3胀套的结构为了防止在夹具释放后,胀套产生自锁,选择了适当的胀套锥角,由摩擦理论可知,自锁角=arctanf,所以胀套两端的锥角2,通常取夹具两端圆锥的锥角为60,这样既防止了自锁,又给安装夹具和生产时安装缸套带来方便,另外考虑到胀套开槽的条数和深度对于夹具的影响,可以知道:槽数多、深度大,夹紧力在缸套周围分布越均匀,对加工质量也容易保证,但槽数太多也会引起夹持刚性不足。因此在胀套的两端各开了8条槽(见图6),槽深保持在适当的范围(5060mm),此外,为了保证胀套足够的弹性,胀套开槽部位的内壁厚度为45mm。图6弹性胀套结构视图Fig.6Thejacketswelledupstructure4结语上述夹具具有体积小、重量轻、高效快捷等优点,安装调试方便,不仅适用于自动化加工,也适用于自动化的测量；对于各种干式气缸套通过改变顶圈和胀套内孔尺寸,可以适用于多种型号的气缸套加工,具有广泛的适应性。此外,对于湿式气缸套来说,稍加改动胀套的尺寸也是适用的。参考文献:1孙恒.机械原理(第四版)M.北京:高等教育出版社,1999.2王杰,李方信,肖素梅.机械制造工程学M.北京:北京邮电大学出版社,2002.3哈尔滨工业大学力学教研室.理论力学(第五版)M.北京:高等教育出版社,1999.作者简介:高自成(1968-),湖南长沙人,中南林学院机械设计及理论专业硕士研究生,方向为机械CAPP.收稿日期:2005205223TheDesignofClampApparatusforPreciseBoringoftheDryTypeofCylinderJacketoftheHigh-speedDieselEngineGAOZi-cheng,XUXue-lin(CentralSouthForestryUniversity,Changsha410004,China)Abstract:Thecylinderjacketisanimportantpartofthedieselengine.Thepreciseboringisadecisiveprocessintheproductionofcylinderjacketinthisarticle.Anewtypeofclampapparatushasbeendesigned,itbreaksthoughthetradi2tionaldesigningconception,ainternalcompressionflexiblejacketswelledupisadoptedinthisty