发动机箱体零件加工的定位与夹紧

发动机箱体零件加工的定位与夹紧
发动机缸体、缸盖等零件的加工中，其定位面、定位孔的选取，夹具定位销、支承面、夹紧点的设定等工艺非常重要，国外一些机床制造商在这方面已经有了很多新的突破与创新。

缸体、缸盖是发动机五大件中的重要零件，加工精度要求高、工艺复杂是其加工过程中的主要特点，而加工中的定位面、定位孔，夹具的定位销、支承面、夹紧点等则是整个零件在加工过程中的重要组成部分，它们在各自的位置上起着重要的作用。

销孔的尺寸设定、支承面的形状确定、夹紧装置的设计等其合理与否对这些箱体零件的输送、到位、夹紧、离开及加工尺寸的Cpk值能力保证等都起着决定性的作用。

目前，国外机床制造商在设计箱体零件加工的工艺时，在设备选用和夹具的设计上与我们传统的工艺有所不同，在很多方面均有了新的突破与创新。

工件定位面
在切削加工中，箱体零件的定位面有两种：毛坯零件浇铸面、毛坯零件切削加工面。

箱体毛坯零件一般采用熔模或砂模浇铸而成，毛坯的初始定位基准到型腔之间的相互位置尺寸较稳定准确。

以毛坯零件的浇铸面作为工件加工定位面，当夹具采用合适的定位支承面时，一般能满足产品零件图的相关位置尺寸对毛坯基准的尺寸要求。

采用毛坯来定位时，一般多采用六点限制其自由度。

而毛坯经过初始切削后，一般采用“一面两销”来定位，其定位面由1个大平面或2 4个错落的小平面组成。

毛坯切削加工面以错落小面组成夹紧定位面时，由于零件外形的局限性，定位面往往不能采用一个大平面（如缸体的两侧面），加工时只能采用夹具的对应支承面的高低变化来达到加工时的支承夹紧平衡，完成加工箱体零件其余五个面上的面、孔加工内容。

最理想的工件定位是以三点来确定一个面，但有时往往这三个支承点会形成一个直角三角形，很难达到等腰三角形的理想形状。

零件加工时虽然有一个大平面，但大平面很难确定三点定位，如汽缸体的油底壳面，由于中间是轴承孔带，夹紧设计中很难建立理想的三点来支承一个面。

一般情况下，人们也许会认为加工面只要用一把平面铣刀加工后，其加工面就是一个平面，但实际上，由于加工中，铣刀的起始、结束位置在受力上的差异、主轴精度的高低、加工材料的弹性变形存在局部差异等，加工面的平面度及平面纵横直线度均会有一定的误差。

如果以四点来定位一个面，往往会导致定位时，有其中一点是有间隙的，即“三点硬，一点浮”。

在夹紧过程中，夹紧的浮点以对角形式出现，一会此点硬而对角点浮，一会此点浮而对角点硬，造成加工中的部分尺寸出现不同程度的变化。

为此，国外机床制造商目前在缸体底平面（油底壳面）定位时，粗加工采用四点定位，因为加工尺寸的公差值相对大一些，一般易满足加工尺寸要求；而精加工则采用三点定位，表面看还是四点定位，实际上有两点是
通过桥式的夹具结构确定另一点，达到油底壳面四点均无间隙，使检测压力达到要求。

粗、精加工的另外一种定位方式也是四点定位，但是采用的方式是三点硬，一点采用辅助支撑来达到定位大平面的效果。

切削加工中，还是同一零件，在同一台设备上，用同一牌号的铣刀盘切削加工，如果大平面的平面度不好，往往加工中的每一个零件几乎都是同一种状态，即大平面的高点永远是高点，低点永远是低点，而当桥式结构与辅助支撑支承其底平面时，其余加工尺寸的趋势也就能达到同一趋势，保证加工尺寸的稳定性。

夹具定位支承面
定位支承面的设计合理与否，直接影响到零件的夹紧及测量数据的结果是否正确。

目前国外机床制造商在设备的定位支承面上，由原先简单的定位块（麻将块）→定位块带气孔检测孔→定位块由气孔检测孔变成冷却液孔，根据流量与压力来达到检测与冲洗的双功能作用（图1）的改进过程，以此检测功能来验证零件是否已经到位。

在加工过程中起到夹具夹紧前的防错作用及清除定位块上的切屑作用，保证加工零件相对定位面的尺寸准确稳定。

在支承面的面积上目前由比较大（麻将块大小）的支承面渐渐趋向于12mm×12mm或直径12mm左右的尺寸，以此降低定位时在支承面上的切屑存在频度。

当以已加工面来定位时，定位支承面一般采用带有检测孔（气孔或冷却液孔）的定位平面来支承定位。

但在以毛坯浇铸面定位时，夹具定位支承面宜选择无检测孔的大圆弧球面。

用毛坯定位夹紧时的压力，将毛坯的粗糙表面凸点挤压持平，这样可减少CMM（三座标）测量中的误差。

如果采用有气孔检测或冷却液孔的支承面，当毛坯定位面受到夹具夹紧时，支承面上的检测孔周围与毛坯面发生挤压，而检测孔位置的小直径平面还是原粗糙毛坯面。

当CMM测量探头打点时，一旦难以打到支承面的挤压位置，很可能直接打到检测孔位置。

这样往往最后导致CMM测量数据难以真实反映机床的实际加工尺寸能力。

在某排量的缸盖OP10设备预验收时，工件以毛坯面定位，由于夹具的支承面结构不同，导致测量结果的完全不同。

带有检测孔支承面加工的零件，其加工内容与毛坯基准的相关尺寸难以满足加工产品的能力要求。

后通过改变支承面的形式，支承面上不用检测孔，毛坯面定位的零件在夹具支承面那大圆弧球面的挤压下，在测量中使测量基准与定位基准达到重合，
CMM测量时的探头打点达到准确位置。

通过加工验证最后完全达到零件相关加工尺寸的Cpk能力的技术要求（如图2、3）。

工件定位孔的尺寸
箱体零件的定位孔，有输送定位孔、加工工艺定位孔和装配定位孔。

前两孔在加工中起到工件输送、工件定位的作用。

定位孔尺寸设定的大小，直接关系到箱体零件的尺寸加工精度，对工件装夹是否方便、刀具寿命的高低等等有着相关因果。

发动机箱体类零件的输送与加工定位一般多采用一面两销来定位，这是最普通实用的传统定位方式。

它可限制工件的六个自由度，定位稳定可靠。

但随着发动机制造技术的不断提高，产品的加工精度要求提高及工件在专机线上输送的速度加快，从而产生一对相冲突的矛盾：在零件加工定位时，工件定位孔的孔径与定位销的配合间隙越小越好，而零件在专机线上进出定位销输送时及工件在加工工位装卸过程中，定位孔的尺寸与定位销的尺寸配合间隙越大越方便，对输送来说输送杆上升下降，零件进出定位销能达到进出自如。

定位销孔的尺寸设定大小，各有利弊。

定位孔大：
a. 工件输送到加工工位，工件进入定位销方便；
b. 工件离开工位定位销顺畅；
c. 加工铰刀制造精度要求下降；
d. 铰刀的使用寿命提高；
e. 与定位销孔相关的加工位置尺寸变化大。

定位孔小：
a. 工件输送中与工位定位销位置要求高，工件不易轻易到位；
b. 工件离开定位销时易翻缸；
c. 铰刀制造精度高；
d. 铰刀使用寿命低；
e. 与销孔相关的加工位置尺寸精度高。

如发动机缸体的加工工艺定位孔的制造尺寸一般取直径16+0.021mm，最大0.021mm的销孔尺寸变化一般能满足加工中的各种技术要求，但碰到特殊情况也会造成其它新的不符要求。

国外目前对箱体零件的销孔尺寸设计上，有放大的实例。

如某缸体在专机线上加工，其加工定位销孔及输送定位孔均为同一对孔，其孔径尺寸为直径16+0.043mm，与常见的直径
16+0.021mm有明显的差异。

定位夹紧的变化
销孔孔径的变化，传统的夹紧方式加工，必定会出现加工尺寸精度上的差异。

在专机线加工或CNC加工中心加工，前者两孔一般采用两把刀具，后者两孔使用一把刀具。

CNC加工，用一把刀具加工两只定位孔，其孔径几乎一样，定位时没有两孔之间的转向误差，只有销子与销孔的配合间隙造成的转向误差。

而专机加工，刀具的选择上，当只要满足加工要求时，例直径16+0.043mm销孔为例，从工艺上说一把刀具加工尺寸为直径16mm，另一把刀具加工尺寸为?16.043mm，均属满足条件。

但最大偏差量为0.043mm，即两孔之间会产生转向误差。

如何满足输送装卸方便，又能达到加工精度要求？
目前国外多家机床制造商在精加工中多采用新的夹紧方式来提高零件的尺寸加工精度。

如美国INGERSOLL、德国GROB等，在精加工夹具的夹紧点设计上，除了垂直方向的压紧力外，侧面还加了一个侧压力（如图4）。

这样完全消除了定位销孔尺寸偏大对零件加工尺寸精度下降的风险，并且保证了箱体零件孔与孔之间的相互位置尺寸精度。

定位夹紧的效果
某缸体为例，其两销孔孔距为370±0.05mm，直径16+0.043mm的定位销孔，圆柱销尺寸为直径15.993 直径15.988mm，当夹具没有侧面压紧力时，两销孔的转向误差最大值为：39.58″。

当采用侧面加一侧压力时，从图5、图6可知，两种夹紧方式都有定位误差，但是转向误差就不一样了。

没有侧面的夹紧力，定位时可能会出现最大值的转向误差；而采用侧面夹紧力以后，当两只定位孔尺寸相同时，转向误差几乎为零。

而同样以直径16+0.043mm的定位销孔为例，当夹具采用侧面压紧力时，如果在CNC上加工，铰刀使用同一把铰刀，加工孔径几乎相等，这时定位销孔之间的转向误差几乎为零。

当在专机线上加工时，铰刀直径采用配对控制上线使用，其差值控制在0.005mm内，那么两定位销孔之间的转向误差最大值也只有2.78″。

从侧面加一侧压力后，最有效的是消除了定位销孔的一侧的侧面间隙，消除了加工中的转向误差，提高了零件的加工精度。

侧面加夹紧力与不加侧压力，其转向误差，一种几乎是恒定的，是最小值；另一种是动态的，可能出现最大值，也可能为零。

故产品的Cp值明显不一样。

要保证专机线的加工精度和CNC的加工精度相似，需做好以下两项工作：
□ 刀具直径配对上线，差值控制在0.005mm内；保证两孔的直径大小；
□ 维修在调换定位销时配对一起调，保证尺寸的基本一致性。

工件夹紧定位时，采用侧面加压紧力，这时在定位销孔相同尺寸，或者尺寸比较大时，对产品零件的切削加工，提高产品加工的尺寸精度是非常好的设计思路，实用而可靠。

定位销
定位销的作用即起到定位、工件进出导向。

在CNC上加工箱体零件，目前机床制造商在设计夹具时，为了减少夹具的转轴数量，在保证加工零件的尺寸要求的前提下，采用工件在垂直面上定位。

当操作工将工件送入夹具上时，这时如果定位销是短定位销，那么工件往往难以预定在夹具上。

当定位销以零件的通孔为导向时，机床制造商多采用长定位销（阶梯轴）以保证工件的预定位。

它既保证加工中的定位效果，又起到工件的预定位作用。

目前，国外机床制造商，在定位销的设计上，常采用长短结合的思路来控制定位，以减少过定位。

在有些旋转工位多利用长销，以长销对旋转零件的特殊定位效果来减少旋转中的夹具
辅助装置。

定位销的另一普及，即定位销使用气孔检测装置（图7），在加工过程中，定位销断掉时即刻报警，起到减少废品的作用。

结语
发动机箱体零件随着发动机的产品技术不断提高，产品加工零件的尺寸控制也须相应提高,故要达到产品的加工要求，零件的定位夹紧装置方式也在不断创新。

通过定位夹紧精度的提高，从而达到加工尺寸精度的提高。

采用最低成本，达到最高要求，这是箱体零件加工中的夹具设计目的与宗旨。