内燃机活塞机械加工工艺及其夹具设计(编辑修改稿)

内燃机活塞机械加工工艺及其夹具设计(编辑修改稿)内容摘要：

活塞零件的工艺过程中，我们必须保证其各部分的加工精度和与连接部件 的装配精度，其主要技术要求如下： 1）裙部外圆要求与汽缸精密配合，尺寸公差为 6 级精度等级，表面粗糙度。 2）为了使活塞销工作时能在空中自由转动，活塞销孔尺寸公差为 6 级以上精度、表面粗糙度 、圆度公差 、孔的圆柱度公差 mm。 3）为了使活塞销和销孔受力均匀，减少不均匀摩擦，活塞销孔对裙部轴线必须垂直，在 100 mm 长度上公差为 ，对称度为 mm。 4）销孔轴线到顶面距离为 56，上下偏差为 + mm， mm。 5）为使活 塞环能随气缸套孔径大小而自由地涨缩，环槽的宽度尺寸、表面粗糙度及对裙部外圆轴线的位置也有较高的要求。 经过以上对发动机活塞零件的加工工艺分析，结合平时老师的讲解及书本知识，本次毕业设计将圆满完成。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 活塞结构特点 5 2 活塞结构特点 活塞的工作环境及承受的作用力 活塞在气缸内工作时，混合气在燃烧室内燃烧时产生的温度超过 700摄氏度；活塞高速运动时其加速度达到 20xx0～ 60000m/s；四冲程发动机工作时活塞顶部中心温度在 250 摄氏度左右，二冲程发动机则为 300 到 350 摄氏度。 由此可见，活塞是在一个 高温的环境中工作。 在发动机汽缸内，活塞在一部分工作循环压缩气体，而在另一部分工作循环，汽缸内的混合气体燃烧膨胀，活塞承受高温气体压力，并把压力通过活塞销、连杆传给曲轴。 可见活塞是在高温高压下作长时间变负荷的往复运动，活塞的结构就要适应这样的工作条件。 活塞的结构特点 活塞顶面用于承受高温气体的压力 ,在活塞外圆表面上有三个环槽，离顶面最远的一个环槽是油环槽，槽 内装有油环 ， 将气缸壁上多余的润滑油刮去，第一环为气环槽 ，用于安装气环，密封燃烧工质，第二环为扭曲环。 活塞环上部分称为头部，其余部分称为活塞裙 部。 活塞采用 ZL101 铝铜合金材料锻造，它由顶部、头部、裙部三部分组成。 头部呈圆锥体，裙部呈椭圆，顶部为 ω 形；头部有三道环槽，上面两道安装气环，下面一道安装油环；油环底部分布着两排回油孔，油槽下面还有一排油孔；活塞头部从上至下呈圆锥体，裙部呈椭圆，内腔复杂，壁厚较均匀。 图 21 活塞简图 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 活塞结构特点 6 如图所示， 平面 1称为活塞的顶面，它承受气体的压力，并受到高温气体的直接作用。 两个环行的槽 2 称为环槽，其中靠近顶点的二个环槽称为气体槽，在气体槽中放置有弹性的活塞环，用以密封活塞顶面以上的燃烧室；离顶面最远的一个环 槽称为油环槽，在油环槽中放置油环（或称刮油环），它把飞溅到气缸套内壁上的多余的润滑油刮去，使油从油环槽的小孔 3中流回曲轴箱。 包括顶面和环槽在内的部分 4称为活塞头部。 其余部分 5称为活塞裙部，在活塞工作过程中起导向作用。 活塞中间的贯穿孔 6称为活塞销孔，活塞孔的两端有锁环槽。 图中之 7 是一个短圆柱面和圆锥面的组合，通常称为止口。 它是专为加工活塞而设置的辅助基准面，在结构上和功能上没有作用。 活塞在工作过程中易产生受力变形和热变形 .如图 22 所示 ,活塞的曲顶面受到汽缸内气体压力的作用 ,产生弹性变形 .由于活塞裙部在圆周 方向刚性不同 ,在销孔轴线方向的弹性变形量比垂直于该方向的弹性变形量大 ,使活塞裙部在受力后变成椭圆。 另一方面 ,活塞顶部与高温气体接触 ,热量通过活塞顶部传到活塞裙部 ,温度升高产生热变形。 由于活塞裙部圆周上金属分布不均匀，销孔轴线方向金属厚，热膨胀量大；垂直于销孔轴线发向热膨胀量小。 从而使活塞裙部由于热变成椭圆，如图 22的虚线所示。 图 22 活塞在工作中的变形 所以无论是受力变形或热变形都使原来的圆柱形的裙部变成椭圆形，椭圆的长轴在活塞的销孔的轴心线方向上。 这样，比然使活塞与汽缸的间隙不均匀地减少甚至消 失，以至于发生强烈的磨损甚至咬住。 为了补偿上述变形，由活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上，并在活塞裙部的销孔附近铸出两块凹吭，增加裙部与汽缸内壁的间隙。 椭圆度的大小随活塞的型号不同。 在活塞上，椭圆的长轴和短轴要控制在离圆位置 5176。 以内，相互位置误差在 5176。 以内。 此外，活塞工作时，顶面和高温气体直接接触，热量由头部传到裙部，头部攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 活塞结构特点 7 温度高，热膨胀量大；裙部温度低，热膨胀量小。 为了补偿这种不均匀的热变形，把活塞头部的外径设计的比裙部小，同时活塞裙部也设计成上小下大的锥形。 活塞裙部的锥度 是 ～。 为了减少向裙部传导的热量，在活塞（主要是高速内燃机用活塞）上铣有横槽，以减少向下传热的面积。 在活塞上还铣有纵向槽（ 稍斜）以增加活塞裙部的弹性（横向槽也有类似作用）。 为了活塞的气密性和耐磨性，增加其寿命，在气环槽下镶嵌一高镍铸铁环。 使铸铁的热膨胀系数更接近 ZL101，以便满足零件要求。 活塞销孔内装活塞销与连杆小头孔相连接。 为了使活塞销的磨损均匀，在工作温度下，应使活塞销在活塞孔及连杆小头衬套孔中能自由转动，即所谓“浮动式”活塞销。 为了避免活塞销在工作过程中轴向窜动，在锁环槽中装有 锁环。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 活塞的工艺规程的制订 8 3 活塞的工艺规程的制订 机械加工工艺过程的基本概念 工艺就是制造产品的方法。 机械加工工艺过程一般是指在生产过程中，通过机械加工改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为半成品或成品的过程，它有如下组成部分： 工序、工步和工作行程 工序是指一个人（或一组）工人，在一台机床（或者一个工作地点），对同一个（或者同时对几个）工件所连续完成的那一部分工艺过程。 工步是在加工表面不变，加工工具不变，切削用量不变的条件下所连续完成的那一部分工序。 工作行程是加工工具在加工表面 上切削一次所完成的工步部分。 安装与工位 安装：工件经一次装夹后所完成的那一部分工序。 工位：工件在机床上所占据的每一个位置上所完成的那一部分工序。 制订机械加工工艺规程的原始资料及活塞的工艺分析 产品的零件图 (见图纸 ) 产品验收的质量标准 活塞的技术要求已由国家科委制定了国家标准，对各部分的尺寸公关、形状和位置公差以及表面粗糙度均有详细的规定，现采用 JB3931— 85标准说明如下： (1) 活塞裙部外圆要求与气缸很精密的配合，因此裙部外圆尺寸公差一般为IT6， 对于高速内燃机要达 IT5。 为了减少机械加工的困难，将活塞裙部和气缸套孔径的制造公差放大三倍，装配时将活塞按裙部尺寸分为三组，气缸套按孔径尺寸分成三组，对相应的组的进行装配，以保证达到要求的间隙。 裙部的椭圆度和锥度公差在分组尺寸公差范围内。 裙部外圆粗糙度 Ra≤ m。 (2) 对于浮动式活塞销孔，为了使活塞在工作过程中能在孔中自由转动，销孔尺寸公差 IT6 级以上。 为了减少机械加工工作量，活塞销孔和活塞销的装配也采用分组装配法，当销孔内圆表面粗糙度 Ra≤0. 16。 (3) 活塞销孔的位置公差要求如下： a. 销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比，影响发动机的效率，对于此活塞 这一距离为 56177。 mm。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 活塞的工艺规程的制订 9 b. 销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度过影响活塞销、销孔及连杆的受力情况。 垂直度误差过大将使活塞销、销孔及连杆单侧受力，活塞在气缸中倾斜，加剧磨损，垂直度在 100mm 长度上为。 c. 销孔轴心线在裙部轴心线的对称度误差也会引起不均匀磨损，对称度公差为。 (4) 为了使活塞 环能随气缸孔径大小的变化而自由地胀缩，对活塞环槽作下列规定： a. 活塞环平面母线对裙部轴线的垂直度 ，且在 25mm长度上为。 b. 活塞环槽平面对裙部轴线圆跳动 为。 c．环 槽 宽度尺寸公差为 ～ Ra≤ m。 (5) 为了保证发动机运转平稳，同一发动机各活塞的重量不应相差很大，重量差不得大于 名义重量的 ％。 活塞按重量分组装配。 产品的生产纲领和生产类型 生产纲领是企业在计划期内应当生产的包括备品和废品在内的年产量。 可按下式计算 : )1( βα  QnN 式中： N —— 零件的年生产纲领（件／年）； Q—— 产品的年产量（台／年）； n—— 每台产品中，该零件的数量（件／台）； %a —— 备品率； %b —— 废品率； 根据零件易磨损和损坏的程度， 备品率定为 3%5%，现取 4%； 此 活塞属于机械零件，一般废品率取 1%。 故 N ＝ 6 179。 1 179。 （ 1+4%+1%） ＝ （万 件） 生产类型是企业生产专业化程度的分类，一般分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型。 其中成批生产又可以分为大批生产、中批生产和小批生产。 根据《机械制造工艺设计简明手册》中查得：本产品属于轻型机械，且生产纲领为 万台，远远大于 5 万台，所以 此 活塞的生产属于大量生产。 结合活塞加工 JB393185标准其工 艺过程的主要特点为 : (1) 工件具有互换性 ,装配采用分组选择装配法。 (2) 铸件广泛采用金属模机器造型高生产率毛坯制造方法，毛坯精度高，加工余量小。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 活塞的工艺规程的制订 10 (3) 广泛采用高生产率的专用机床及自动机床，按流水线形式排列。 (4) 广泛采用高生产率刀具、夹具和量具。 (5) 对操作工人的技术要求较低，对调整工人的技术要求较高。 (6) 必须制定详细的工艺规程。 活塞的材料及毛坯制造 铸造铝合金按化学成分可分为：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。 材料选择 采用高碳合金工具钢整体淬火的 活塞，在工作中和钎杆接触的平面不变形，不易产生裂纹，而采用低碳合金钢渗碳淬火的活塞，在工作中和钎杆接触的平面易产生变形（平面凹陷）和裂纹，如果裂纹扩大，就会产生断裂使活塞报废。 在高速柴油机中，为了减少往复直线运动部分的惯性作用 ,都采用了铜硅铝合金作为活塞材料。 在低速、重负荷、低级燃料的发动机中，有时用铸铁作为活塞材料。 在汽车工业中很少用铸铁活塞。 铜硅铝合金比铸铁具有下列优点 : (1) 导热性好 ,使活塞顶面的温度降低较快，可以提高发动机的压缩比，又不至于引起混合气体的自燃，因而可以提高发动机的功率； (2) 重量轻 ,惯性力小； (3) 可切削性好。 但它也有一些缺点 : a. 材料的价格比较贵； b. 热膨胀系数大 ,约为铸铁的两倍； c. 机械强度及耐磨性较差。 但总的来说 ,铝合金的优点超过缺点，所以在高速内燃机中都用它。 而且耐磨性方面可以通过镶嵌一高镍铸铁环来提高其气密性和耐磨性，增加其寿命。 毛坯的选择 选择毛坯应考虑的因素： (1） 零件力学性能的要求 相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其力学性能有所不同。 铸铁件的强度，离心浇注、压力浇注的铸件，金属型浇注的铸件，砂型浇注的铸件依次递减。 (2） 零件的结构形状和外轮廓尺寸 形状较简单、壁厚均匀的毛坯可采用金属型铸造。 (3） 生产纲领和批量 生产纲领大时宜采用高精度与高生产率的毛坯制造方法。 (4） 现场生产条件和发展 应经过技术经济分析和论证。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 活塞的工艺规程的制订 11 从生产批量来看，此零件属于大批量生产，宜采用精度和生产率高的毛坯制造方法，以减少材料消耗和机械加工工作量。 可考虑用金属铸造、熔模铸造、模锻、精锻等方法获得毛坯；从零件的结构来看，由于此零件属于外形较复杂的小型零件，而且它的壁厚不算薄。 故可以考虑采用压铸、金属铸造、熔模铸造等精密铸造方法。 同时可以 减少切削加工或不进行切削加工；从毛坯的制造方法来看，铸铝和铸铜等有色金属材料适合用铸造方法获得毛坯；从铸铝件的力学性能来看，可采用金属型铸造的铸件、金属型浇注的铸件、砂型浇注的铸件，且强度依次递减 ,毛坯质量依次降低。 综上所述，该活塞零件的材料选用 ZL101，该材料的成分及性能见表 3－ 1，毛坯采用金属型铸造。 用金属型铸型，在重力下浇注成型。 对铝合金铸件有细化组织的作用，生产率高，无粉尘，但是设备费用高，手工操作时，劳动条件差。 铸件表面的粗糙度 ～ ，结晶细，加工余量小。 适用于成批大量的生产。