活塞式壓縮機氣缸加工工藝優化研究

中圖分類號：TG512；TG506.1 文獻標志碼：A 文章編號:1003-5168（2025)16-0050-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.010

Research on Machining Process Optimization of Piston Compressor Cyl. inder

ZHENGZhifuYUXinhua (Quzhou Secondary TechnicalSchool，Quzhou 324OOO，China)

Abstract: [Purposes]Aiming at the problems of low output，high cost and unstable quality in the production process of piston-type air compressor cylinders machined by CNC lathes with manual fixtures，the existing equipment and processes were optimized to reduce machining time and tool consumption，thus increasing the team's productivity.[Methods] The existing waste 1O-inch hydraulic chuck in the production workshop was modified by adding movable sliders and replaceable positioning sleeves to enhance its versatility.At the same time，a composite tool holder was designed to avoid tool-changing errors and improve the turning strength of the tools.[Findings] The results show that the improved scheme based on the hydraulic fixture and composite tool reduced the machining time from 340 s to 195 s.The tool cost was reduced by 1/3，and the single-piece clamping time was shortened from 60 s to 15 s.The production output per shift increased by nearly1.5 times，and the scrap rate dropped from 0.800% to 0.003% .[Conclusions] The improved machining method not only shortens the machining time and reduces workers' labor intensity，but also significantly improves the equipment utilization rate and production quality.

Keywords: piston-type air compressor cylinder; machining process optimization; fixture improvement; tool modification; economic benefits

0 引言

在廣泛應用的容積式壓縮機中，氣缸是活塞式空壓機的重要部件之一，其加工質量直接影響整機的性能和可靠性。隨著全球制造業智能化轉型加速，我國空壓機市場規模已突破800億元，但氣缸加工效率一直成為制約行業發展的關鍵因素。據中國壓縮機協會統計，傳統加工方式導致約 15% 的產能損失。伴隨著現代工業對壓縮機性能要求的不斷提高，優化氣缸加工工藝成為提升活塞式壓縮機整體品質的關鍵環節。同時，要增強其耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能，降低設備的運行成本和維護頻率，提高生產效率和經濟效益，就必須提高氣缸的加工精度和表面質量，而優化其加工工藝是不可或缺的方法。實踐中，在使用高精度加工材料HT200時，機床磨損較為嚴重。如何在保證加工精度和穩定性的同時降低成本，一直是制造業亟待解決的問題。通過對現有氣缸加工工藝進行分析，本研究發現手動夾具夾持加工方式不僅效率低下，而且工人勞動強度大，成本高昂。衢州市某中型壓縮機企業年產10萬件氣缸的生產線數據顯示，傳統工藝導致年刀具損耗達120萬元，設備利用率僅在 60% 左右。因此，本研究提出一種基于液壓夾具和自制刀具的解決方案，旨在通過技術創新，優化氣缸的加工工藝過程，將廢舊液壓卡盤改造為新型液壓夾具，并設計自制復合刀具，實現氣缸加工效率的大幅提升，保障穩定的加工質量。

1國內外研究現狀和發展趨勢

國內在活塞式壓縮機氣缸加工工藝優化方面已經取得了一定的成果[2-4]。萬傳廣等[5]針對RK270型柴油機曲軸箱氣缸孔加工過程中的高精度、高加工難度等情況，從工件裝夾、刀具選用、數控編程及加工表面冷卻等環節進行優化分析，提出更加高效的氣缸孔加工工藝。在材料選擇和表面處理方面，采用先進的涂層技術和新型合金材料，增強了氣缸的綜合機械性能。這些對傳統加工工藝的改進，提高了氣缸內表面的粗糙度和尺寸精度。研究表明，超聲輔助車削技術可使鏡面級表面光潔度降低至 0.4μm ，相比于傳統工藝提升了40% 。同時，許多企業和科研機構通過技術創新和實踐經驗積累，不斷改進加工方法和設備。在數控加工技術的應用上，國內企業已經能夠實現高精度的氣缸加工，通過優化刀具路徑和加工參數，提高了加工效率和質量。2022年沈陽機床廠研發的智能補償系統，可將熱變形誤差控制在 5μm 內。

國外在活塞式壓縮機氣缸加工工藝優化方面一直處于領先地位。德國博世公司2023年推出的第五代智能夾具系統，采用應變片實時監測夾緊力，將裝夾誤差降低至 ±2μm 。許多發達國家的企業和研究機構投入大量資源進行相關研究，不斷探索新的加工技術和方法。例如，在精密加工方面，國外已經廣泛應用激光覆膜、超精密加工技術和納米加工技術，能夠實現極高精度和表面質量的氣缸加工。日本THK公司開發的納米級定位系統，重復定位精度達到 0.1μm 。同時，在加工設備的自動化和智能化方面也取得了顯著進展，通過采用先進的傳感器和控制系統，實現了加工過程的實時監測和自動調整。美國哈挺機床最新款車削中心集成了人工智能算法，實現了切削參數的自動優化，使加工效率提升 25% 。此外，綠色制造理念正深刻影響著加工工藝發展。歐盟2022年頒布的《可持續制造指令》要求加工能耗降低 20% ，這對傳統工藝提出新挑戰。綜上所述，本研究采用的設備利舊方案，與當前循環經濟理念高度契合。

2現有工藝存在問題、解決方案及優化后效益分析

2.1現有工藝裝備存在問題

氣缸是活塞式空壓機機頭五大構件中的主要構件之一，該五大構件包括曲軸箱、曲軸、氣缸、活塞及連桿。氣缸是空氣壓縮的主要工作件，材質主要為HT200，實物如圖1所示。HT200材料硬度達180～220HB ，抗拉強度為 200MPa ，其高硅含量特性 (2.8%～3.2% 加劇了刀具磨損。針對高精度加工件HT200材質的氣缸加工造成機床磨損較快問題，本研究結合文獻9-2，并充分利用廠區現有設備，將夾具系統改進為液壓夾具夾持加工方式，如圖2所示。

對某生產線連續30天的生產數據分析顯示，傳統工藝單班 (8h) 平均產出僅85件，設備綜合效率為 58.4% ，其中裝夾時間占比達 21% ，換刀時間占9% 。刀具異常損耗導致的停機時間占總停機時間的 37% 。

2.2 夾具設計及刀具優化

首先，將手動夾緊方式優化為液壓驅動。基于車間現有資源，選用廢舊10寸液壓卡盤為主體結構，掏空其內部進行改造，并增設直徑為 350mm 的外底板。內部加裝活動滑塊，采用 42CrMo 調質處理，表面滲氮硬度達 850HV ，配合間隙控制在0.02～0.03mm 。為增加夾具的通用性，在底板加裝可更換式定位套。同時，采用拉桿式夾板夾緊方式替換原先手動螺桿的手動夾緊機構，如圖3所示。

圖1活塞式空壓機氣缸實物

圖2手動夾持簡易夾具

0.01mm 內。

其次，進行加工刀具改制。氣缸類工件內孔加工直徑超過 100mm ，深度達 100～200mm ，對設備及刀具的強度要求較高。此次改進采用普通四工位平床身老舊車床，其刀塔較為陳舊，換刀重復定位精度誤差較大，內孔工序加工精度為 ±0.015mm □加工工序為：端面車削 $$ 內孔粗車 $$ 內孔精車(需要3把車刀）。為降低刀塔重復定位誤差，經分析后采用如圖4所示的自制復合刀桿，既可避免換刀誤差，又能通過增大刀桿直徑提高刀具車削強度。

圖4刀具及刀桿改進后實物

1.端面車刀；2.內孔粗車刀；3.內孔精車刀；4.刀桿主體。

tG 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1.卡盤外殼主體；2.液壓拉桿過渡盤；3.活動拉盤；4.花盤底板；5.拉桿導向套；6.定位套；7.等高柱;8.壓板；9.拉桿；10.加工件氣缸。(a)三維設計爆炸圖

復合刀具創新設計要點：一是采用階梯式刀體結構，刀桿直徑由原 25mm 增至 40mm ，抗彎剛度提升至4.1倍；二是引用差異化涂層技術，粗車刀采用TiAIN涂層(厚度 3μm ），精車刀采用金剛石涂層（厚度 1.5μm ；三是增加自適應排屑槽，前角 12^° 到8^° 漸變設計，兼顧切削力與排屑效率。

2.3 優化后工藝與夾具效益分析

研究成果已投入實際生產。根據工件切削試驗數據(見表1、表2)，工藝優化效果顯著。通過工序重組，將原有7道加工工序整合為4道，分別是端面車削 + 內孔粗車、內孔精車 + 倒角、外圓車削 + 溝槽加工、在線檢測等復合工序，累計工序轉換時間由 23min 縮短至 9min ，工藝路線壓縮 42.8% 。優化工藝與傳統工藝的切削力對比曲線如圖5所示。

圖3優化夾具設計圖及實物圖

新型液壓夾具關鍵技術創新點：一是模塊化定位套設計，采用 H7/g6 配合公差，實現不同規格氣缸的快速切換，換型時間由 45min 縮短至 8min ；二是雙油路壓力補償系統，主油路壓力 12MPa 確保夾持剛性，輔助油路 3MPa 實現精密微調；三是采用自對中機構，三點式均壓機構將偏心誤差控制在

表1工藝優化前后關鍵指標對比

表2切削過程穩定性分析

圖5加工過程切削力對比曲線

經三坐標測量儀檢測，關鍵尺寸 $\\Phi _ { ? } 1 0 0 \\mathrm { H } 7 ?$ 孔的圓柱度由 0.018mm 提升至 0.008mm ，表面波紋度降低 62% 。產品綜合性能提升得到大幅提升，驗證效果見表3。通過改進車刀和刀桿結構，減少了換刀次數，避免了機床本身的刀塔重復定位誤差帶來的加工誤差，且節省換刀時間近 20s 。1號刀和2號刀相互交換使用也使刀具費用降低了1/3，加工用時較改進前的340s降低了 42.65% 。手動改制液壓夾具后，單件裝夾時間僅為原先60s的 25% ，極大提高了設備的使用效率，同時降低了工人的勞動強度。

表3產品綜合性能提升驗證

3結論

改進后的活塞式空壓機氣缸加工工藝已在生產中得到驗證，顯著提高了加工精度和效率，同時降低了包括刀具節約在內的生產成本、零件的廢品率和操作人員的勞動強度。未來，將圍繞加裝力覺傳感器實現自適應切削，開發數字孿生系統進行虛擬調試等方向進行二次智能化技術改進，以期將加工效率再提升 30% 。

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