1、活塞加工及金屬模設計中南大學 2009屆畢業“論文”設計題 目: 活塞加工及金屬模設計 學 院： 鐵道學院 專 業： 機械設計及自動化 姓 名： 班 級： 指導教師： 設計地點： 中南大學 起止日期： 2011年1月20日2011年5月5日 45 目 錄l 摘要 4l abstract 5l 第一章 活塞的結構 61.1活塞的結構 6 1.2活塞的主體構成 71.21頂部 71.22環槽部. 81.23裙部 81.24活塞銷座 81.3活塞的結構特點 9 1.4活塞的技術要求 10l 第二章 活塞的加工設計 112.1鋁合金活塞的加工工序 112.2活塞的裙部加工 122.3活塞銷孔加工 12

2、2.4活塞的檢驗 142.41活塞的終檢項目 142.42裙部直徑和橢圓度的檢驗 152.43銷孔與裙部中心偏移量的檢驗 152.44銷孔與裙部中心線垂直度的檢驗 152.45銷孔直徑檢驗 152.46環槽上、下表面的平面度誤差 152.47活塞上、下邊緣及環岸、活塞環之間的關系 16l 第三章 活塞的鑄造方式 173.1鑄造方式的比較 173.2鋁合金的鑄造方式 18l 第四章 金屬型的設計及制造 194.1冒口的設計 194.11冒口的形式與種類 194.12冒口尺寸的確定 204.2澆注系統的設計 214.3金屬型分型面的選擇 234.4金屬型的結構設計 24l 第五章 金屬型型芯和型腔

3、的設計 285.1型腔的設計 295.2型芯的設計 32 5.3活塞模具制作的其他方法 33 全文總結 34 致謝 35參考文獻 36 摘 要汽車發動機的活塞是發動機中的主要配件之一，它與活塞環、活塞銷等零件組成活塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃氣作用力并通過活塞銷和連桿把動力傳給曲軸，以完成內燃發動機的工作過程。油氣燃燒所產生的熱由活塞的頂部所吸收，并傳至氣缸壁，而燃燒后氣體膨脹所產生的力量也必須經由活塞來吸收，活塞會把燃燒氣體壓力及慣性力經由連桿傳到曲軸上，利用連桿的作用將活塞的線性往復運動轉換曲軸的旋轉運動。活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉，活塞頂部還是燃

4、燒室的組成部分?；钊诟邷?、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作?；钊跉飧變纫院芨叩乃俣韧鶑瓦\動,且速度在不斷地變化,這就產生了很大的慣性力,使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會產生變形并加速磨損，還會產生附加載荷和熱應力，同時受到燃氣的化學腐蝕作用?，F代的活塞設計主要有鑄造和鍛造兩種，而鑄造又比鍛造簡單便宜，但卻不及鍛造活塞能承受較大的熱度和壓力。由于活塞與活塞環都必須在高溫、高壓、高速及臨界潤滑的狀態下工作，因此長期以來，發動機設計者都為提供一個最佳的設計而不斷努力，進而可以從活塞方面來提高引擎的性能。關鍵詞：活塞 氣缸蓋 燃燒室 曲軸 慣性力 附加載荷 abstract

5、the piston of car motor is one of the main accessorieses in the motor, it and the piston wreath, piston sell etc. the spare parts constitute a piston set and cover with air cylinder etc. constitute combustion room together, bear gas function the dint also sell through a piston and connect the pole p

6、ass motive song stalk to complete inside the work process of ran motor.the oil annoys the combustion produces of hot from the coping of piston absorb, and spread to air cylinder wall, and combustion empress the strength produced by air inflation have to also absorb through the piston, the piston wil

7、l chase combustion air pressure and inertial dint through connect the pole spread to song stalk up, make use of connect the function of pole exercise the line back and forth of piston to convert revolving of song stalk sport.the effect of piston bears air pressure, and sell to pass to connect a pole

8、 to order about song stalk to revolve through a piston, constituting of the piston a coping still a combustion room part.piston under the condition that heat, high pressure, high speed, lubricate bad work.the piston is exercised with very high speed back and forth in the air cylinder, and speed at c

9、onstantly variety, this produced very greatly inertial dint and made the piston been subjected to very big of the affixture carry a lotus.the piston is under this bad condition work, will produce to transform and accelerate to wear away, also produce affixture to carry lotus and heat in response to

10、the dint, be subjected to chemistry of the gas corrosion function in the meantime.modern of the piston design to mainly have the foundry and forging 2 kinds, but cast again than forging simple cheapness, but cannot compare with forging piston can bear bigger heat and pressure.piston and piston wreat

11、hs have to work under the appearance of the heat, high pressure and high speed and the critical lubrication, therefore for long time, the motor designs all continuously make great effort for providing a best design, then can raise the function of engine from the piston.key words: piston the air cyli

12、nder covers burnable room song stalk inertial dint additional carry a lotus第一章活塞的結構1.1活塞的結構汽車發動機的活塞是發動機中的主要配件之一，它與活塞環、活塞銷等零件組成活塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃氣作用力并通過活塞銷和連桿把動力傳給曲軸，以完成內燃發動機的工作過程。油氣燃燒所產生的熱由活塞的頂部所吸收，并傳至氣缸壁，而燃燒后氣體膨脹所產生的力量也必須經由活塞來吸收，活塞會把燃燒氣體壓力及慣性力經由連桿傳到曲軸上，利用連桿的作用將活塞的線性往復運動轉換曲軸的旋轉運動。 活塞的功用是承受氣體壓力，并通過

13、活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉，活塞頂部還是燃燒室的組成部分。 活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2500k以上，因此，受熱嚴重，而散熱條件 又很差，所以活塞工作時溫度很高，頂部高達600700k,且溫度分布很不均勻.活塞頂部承受氣體壓力很大,特別是做功行程壓力最大,汽油機高達35mpa,柴油機高達69mpa，這就使得活塞產生沖擊，并承受側壓力的作用。活塞在氣缸內以很高的速度（812m/s）往復運動,且速度在不斷地變化,這就產生了很大的慣性力,使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會產生變形并加速磨損，還會產生附加載荷和熱應力，同時受

14、到燃氣的化學腐蝕作用?，F代的活塞設計主要有鑄造和鍛造兩種，而鑄造又比鍛造簡單便宜，但卻不及鍛造活塞能承受較大的熱度和壓力。通常在設計鍛造活塞時，都會同時利用改變活塞頂部的形狀來達到提高壓縮比的目的，但問題是選擇鍛造活塞時 多少的壓縮比才是適當的。以汽油引擎來說，壓縮比超過 12.5:1 時燃燒效率就不容易再提升。利用活塞頂部的形狀改變來提高壓縮比時，隨著壓縮比的提高會使氣缸頂部燃燒室的空間變小，活塞頂部的銳角和凸出都可能導致爆震的發生。對高壓縮比活塞來說，由于必須保留氣門做功所需的空間，因此會在活塞頂部切出氣門邊緣形狀的凹槽。如果沒有這個凹槽，當活塞到達上死點時可能就會打到氣門，因此高壓縮比活

15、塞對氣門動作精確度的要求是非常嚴格 的。凹槽的大小也必須隨著凸輪軸及氣門搖臂的改裝而改變。不銹鋼及特殊合金的活塞環已廣泛應用在賽車及改裝套件市場，這些特殊設計的合金活塞環可以在活塞往上行時釋放壓力，但在往下爆發行程時卻能保持密閉的狀態以維持壓力。這種活塞環雖然貴，但是卻能有效地提高 引擎效率。由于活塞與活塞環都必須在高溫、高壓、高速及臨界潤滑的狀態下工作，因此長期以來，發動機設計者都為提供一個最佳的設計而不斷努力，進而可以從活塞方面來提高引擎的性能。1.2活塞的主體組成根據活塞的作用，活塞可分為頂部、環槽部、裙部和活塞銷座四部分。 1.21頂部頂部是燃燒室的組成部分，用來承受氣體壓力。頂部是指

16、活塞頂端和環槽部分?；钊敹送耆Q于燃燒室的要求。汽油機活塞的頂部形狀有以下幾種。（1） 平頂 受熱面積小，廣泛采用。頂端采用平頂或接近平頂設計有利于活 塞減少與高溫氣體的接觸面積，使應力分布均勻。多數汽油機采用平頂活塞， 如圖 61（a）所示。 （2） 凹頂 高壓縮比發動機為了防止碰撞氣門，也可用凹坑的深度來調整壓縮比。有些發動機（例如直噴式柴油機和新型的缸內噴注汽油機）為了混合氣形成的需要，提高燃燒效率，將爆燃減少到最小程度，需要活塞頂端具有較復雜的形狀，設有一定深度的凹坑作為燃燒室的一部分，如圖61（b）所示。 （3） 凸頂 凸頂與半球形燃燒室配用，如圖61（c）所示。1.22.環槽部

17、環槽部用以安裝活塞環?；钊h的作用是密封，包括防止漏氣的氣環和防止機油進入燃燒室的油環，其結構如圖62所示。圖62 活塞環的結構1.23.裙部裙部的作用是盡量使活塞在往復運動中保持垂直，是活塞的導向部分，為活塞運動導向和承受側壓力?；钊共康男螤顦O有講究，尤其是像轎車一類的輕型乘用車，設計者從發動機的結構和性能出發，常在活塞裙部上動腦筋，以使發動機結構緊湊、運行平穩。裙部外表面粗車、精車的余量不能太大。粗車刀痕太深將導致精車時切向抗力發生周期性變化，刀痕難以清除而使表面存在臺階；精車余量太大或精車時切屑排除不暢，也會使表面存在臺階或各種雜亂痕跡，特別是在裙部最下方，情況更為嚴重。精車時，橢圓長

18、軸的偏離必須控制在一定范圍內。長軸數據在垂直于銷孔軸線的方向上量取。如果因為加工而引起長軸與銷孔不垂直，會出現長軸值小于圖紙尺寸，在活塞分組時誤差值大。必須指出，橢圓長軸偏離和銷孔偏心是有區別：前者為加工的橢圓長軸離開圖紙橢圓長軸規定位置，加工橢圓長軸軸線可以通過活塞軸線或不通過活塞軸線，是加工不當引起的；而后者指銷孔軸線偏離活塞軸線，是改善活塞工作條件的需要，且生產規定偏離量一般取0.71。全裙式裙部為一薄壁圓筒。半拖板式裙部是將非承壓面的裙部去掉一部分，以減少質量和防止碰到曲軸，見圖63。拖板式裙部是將非承壓面的裙部全部去掉,見圖 64。 1.24. 活塞銷座活塞銷座用以安裝活塞銷。在銷座

19、孔兩端有卡環槽，用以安裝卡環。有的汽油機上，活塞銷孔中心線是偏離活塞中心線平面的，向做功行程中受主側壓力的一方偏移了12mm。這種結構可使活塞在從壓縮行程到做功行程中較為柔和地從壓向氣缸的一面過渡到壓向氣缸的另一面，以減小敲缸的聲音。在安裝時，這種活塞銷偏置的方向不能裝反，否則換向敲擊力會增大，使裙部受損。圖 63 半拖板式活塞 圖 64 拖板式活塞1.3.活塞的結構特點1.31恒范鋼片為了減小鋁合金活塞裙部的熱膨脹量，有些汽油機活塞在活塞裙部或銷座內嵌入鋼片。由于恒范鋼為含鎳33%36%的低碳鐵鎳合金，其膨脹系數僅為鋁合金的1/10，而銷座通過恒范鋼片與裙部相連，牽制了裙部的熱膨脹變形量?；?/p>

20、塞在沿高度方向上的溫度很不均勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。1.32預先做成橢圓形為了使裙部兩側承受氣體壓力并與氣缸保持小而安全的間隙，要求活塞在工作時具有正確的圓柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷座孔部分的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外，裙部承受氣體側壓力的作用，導致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大。這樣，如果活塞冷態時裙部為圓形，那么工作時活塞就會變成橢圓形，使活塞與氣缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在氣缸內卡住，發動機就

21、無法正常工作。因此，在加工時預先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向，這樣活塞工作時趨近正圓。1.4.活塞的技術要求由于活塞處于一個高速、高壓和高溫的惡劣工作環境，又要考慮到發動機的運行平穩及耐用，因此要求活塞也必須要有足夠的強度和剛度，導熱性好，耐熱性高，膨脹系數?。ǔ叽缂靶螤钭兓。鄬γ芏刃。ㄖ亓枯p），耐磨及耐腐蝕，還要成本低。由于有些要求互相矛盾，很難找到一個能夠完全滿足各項要求的活塞材料?，F代發動機的活塞普遍用鋁合金制造，因為鋁合金材料具有密度小、導熱性好的突出優點，但同時又有膨脹系數比較大，高溫強度比較差的缺點，這些缺點只能通過合理的結構設計以滿

22、足使用要求。所以，汽車發動機的質量優劣，不但要看采用的材料，同時也要看設計的合理性。對活塞的技術要求如下。（1）裙部外圓 活塞裙部外圓與鋼套壁要求精密配合，裙部外圓的尺寸在裙部橢圓長軸方向上測量，其尺寸公差等級為it6it5。 （2）活塞銷孔 銷孔直徑的尺寸精度一般在it6以上,其圓度公差為1.5m左右。銷孔中心線與頂面的距離直接影響發動機的壓縮比，所以必須要求一定的精度，其尺寸公差等級為it8。 (3) 活塞重量 為保證發動機運轉平穩,同一臺發動機的活塞,其相互間的重量差不得大于0.08n第二章活塞的加工設計2.1鋁合金活塞的加工工序活塞是比較復雜和精密的零件。加工時通常選擇活塞頭部內腔和內

23、止口為粗基 準，裙部,底面和內止口為大多數工序的精基準，有時還要用外圓表面、銷孔及頂面作為精基準和定位基準。由于以內腔圓面作為粗基準來直接加工內口不方便，故第1工序先安排以內腔圓面為粗基準來粗車外圓面，第2 工序則以外圓 表面和頂面內壁定位，加工內止口和裙部底面，這樣可保證外圓表面和內腔之間的壁厚的均勻性及頂面的壁厚，并為后面的工序準備好定位基準。另外，內止口在夾具的短圓柱銷上定位時，為了保證最小間隙和提高定位精度，以保證以后各工序加工表面之間的位置精度和加工余量的均勻性等，要求內止口孔徑要達到2級，活塞加工的工藝過程見表61。在這個過程中，最重要的是活塞裙部的加工和活塞銷孔的加工，下面就對這

24、兩個方面進行分析。2.2.活塞的裙部加工活塞的裙部橢圓加工已經逐步有車削取代磨削。 早期活塞裙部大多數采用單橢圓，即沿整個裙部高度上橢圓度不變。橢圓度沿活塞裙部高度方向變化的活塞稱為變橢圓活塞。除了橢圓度變化外，由于 裙部上端溫度高、膨脹量大，所以活塞在制造時應使活塞裙部上端尺寸小于下端尺寸，就是說橢圓度為下小上大，而直徑為下大上小。就直徑變化規律來說，以前裙部母線多采用直線，即裙部是一個橢圓錐面。從發展趨勢來看，目 前裙部母線已較多地采用折線或曲線，而曲線則大多數采用拋物線。 由于裙部橢圓和直徑變化是相互獨立的，因此，裙部橢圓加工機床應該能夠分別獨立調整裙部不同截面上的直徑尺寸及橢圓度的變化

25、。 車削橢圓活塞主要有兩種方法：用凸輪杠桿機構的活塞車床加工； 采 用 套車法車床加工。2.3.活塞銷孔加工 鋁合金活塞的毛坯預先鑄有銷孔，鑄出的孔帶有錐度，不宜用來夾緊活塞，否則會壓壞銷孔。 活塞銷孔的加工是活塞加工的主要工序。由于活塞銷孔的技術要求非常高，一般都用高精度的金剛鏜床進行加工。金剛鏜床的特點是切削速度高、切削面積小、加工精度高。為了保證活塞銷孔的尺寸、形狀和位置精度，金剛鏜床的主軸回轉精度要求很高，鏜頭一般都采用靜壓軸承。加工時，活塞以止口的內圓及端面定位，限制5個自由度。在圓周方向用尾座中的長菱形銷插入待加工銷孔中定位以消除轉動自由度，然后在活塞頂面上夾緊。此種定位方法由于存

26、在基準不重合誤差，勢必要提高止口端面到銷孔中心線的尺寸加工要求。如果采用肩面、頂面及銷孔定位加工活塞銷孔的方案，可以直接獲得銷孔中心線至頂面的距離，與前一種裝夾方式比較，更容易保證加工精度。鋁合金活塞銷孔精鏜后，孔的尺寸公差等級可達it5,表面粗糙度ra可達0.4m,由于活塞銷孔的表面粗糙度ra要求為0.1m,高速精鏜后仍然達不到要求。為降低活塞銷孔的表面粗糙度，生產上要采用下面兩種方法。1. 脈沖滾壓脈沖滾壓過程實質上是許多小滾針在被加工表面上進行間斷沖擊和滾壓 。由于滾針對孔壁變形做的功較小，塑性變形深度不大，僅起到將表面微觀不平壓光的作用。正因為這樣，脈沖滾壓不會引起工件的宏觀變形，所以

27、它特別適合于對于強度低、剛性差的零件進行光整加工。脈沖滾壓的質量取決于滾壓前的表面質量、滾壓過盈和滾針沖擊加工表面的次數。由于脈沖滾壓僅改善微觀表面的不平度，因此，孔的尺寸精度及形位公差均需要在滾壓前的工序中加以保證。過盈量是脈沖滾壓的重要工藝參數。過盈量過小則不能壓光微觀表面不平，起不到降低表面粗糙度的作用。過盈量太大則產生過度的塑性變形，使工件表面產生疏松、膠皮現象，表面粗糙度反而惡化。過盈量的大小由實驗確定。在主軸轉速一定的條件下，滾針對工件表面的沖擊次數取決于滾針數及軸向進給量。滾針數量多、軸向進給量小，則沖擊次數多。滾針數量和滾壓工具轉速決定了沖擊頻率。一般沖擊頻率在100hz左右,

28、進給量則以0.250.5mm/r為佳。最初，隨著滾針對工件孔的沖擊數增加，表面粗糙度也 逐漸變小。當沖擊次數過多時，由于塑性變形過度而產生金屬疲勞，表面粗糙度反而變大。2. 鏡面鏜削鏜削活塞銷孔。工件的尺寸穩定、形狀誤差小，表面粗糙度完全滿足要求，可以穩定的得到質量符合要求的銷孔。在鏡面鏜刀端部中心孔上加 工有錐管螺孔，螺孔部分開有軸向槽，擰動螺塞可使錐管螺紋張開，從而可精確調節鏜刀直徑，兩鏜刀刃應該與回轉中心線嚴格對稱，兩塊硬質合金刀片的前后刀面都應研磨到表面粗糙度ra小于0.25m。鏡面鏜削與脈沖滾壓加工相比較,鏡面鏜削對孔的預加工要求可以低一些。鏡面鏜刀由于結構原因，尺寸較小的孔加工較難

29、掌握，但有的工廠已在生產中成功地使用14mm鏡面鏜刀。2.4.活塞的檢驗2.41. 活塞的終檢項目活塞的技術要求很高，為了保證達到規定的技術條件，在每個重要加工工序之后，一般都安排有中間檢驗工序。終加工之后，還要進行一次較全面的最終檢驗。外觀檢查，其中包括不得有與毛坯鑄造有關的缺陷，如裂縫、蜂窩孔、夾渣及疏松等。加工表面不得有由于加工不善及運輸過程所造成的刻痕、毛刺、尖角和碰傷等。銷孔尺寸及銷孔的形狀和位置誤差檢查，銷孔尺寸在終檢是按尺寸大小進行分組，并用不同顏色油漆標記不同的尺寸組別。上述項目要百分之百進行檢驗。此外，還需要按重量分組，其重量差不大于+0.04n和不小于-0.04n。如果活塞

30、加工工藝中安排有專門工序，對不符合規定重量的活塞，可在裙部止口內圓上切去部分金屬。以下項目只對一部分工件進行檢驗；銷孔對裙部中心線的偏移量；銷孔中心線與裙部中心線的垂直度；銷孔中心線至頂面的距離。2.42. 裙部直徑和橢圓度的檢驗活塞裙部徑向尺寸一般用千分表進行檢驗。標準檢驗樣件置于工作臺上 ，調整千分表讀數值，使表針指向零位，校準后即可對工件進行測量。與銷孔垂直的方向上有裙部的最大直徑，即橢圓的長軸方向，該尺寸也即是圖紙上標注的裙部直徑。在銷孔中心線方向上測得的直徑是橢圓的短半軸，長短半軸之差即為活塞的橢圓度。裙部尺寸按裙部直徑，即橢圓長軸尺寸進行分組。由于鋁合金活塞的線脹系數較大，當室溫從

31、6c 升高到35c 時,直徑為1000mm的鋁合金活塞裙部直徑變化量可達0.025mm,因此,測量裙部尺寸時,一般應在恒溫室內進行。若不在恒溫室內測量，必須將數據按溫度修正。否則，由于溫度影響可能使測量分組的尺寸不正確，甚至發生把過小的活塞認為是合格品，而把部分本來合格的活塞誤判為尺寸過大。2.43.銷孔與裙部中心線偏移量的檢驗在銷孔中插入芯軸，將芯軸兩端與安裝在底座上的兩垂直芯軸靠緊，沿芯軸移動活塞并從百分表上讀出最大讀數a然后將活塞連同芯軸繞垂直軸轉過180,用同樣的方法讀出另一個最大讀數b,(a-b)/2即為活塞銷孔對裙部中心線的偏移量。2.44. 銷孔與裙部中心線垂直度的檢驗不少工廠采

32、用的檢驗方法是在銷孔中插入檢驗芯，并以活塞加工時的基準面（裙部端面或頂面）作為檢驗基準安放在平板上，用百分表測量芯軸兩端的高度，若測量結果兩端高度差為c兩測點之間的距離為l,則c就為l長 上銷孔中心線與裙部中心線的垂直度偏差。顯然，這種測量方法所得的結果包括了銷孔中心線與裙部中心線的垂直度誤差、銷孔中心線與基準面的平行度誤差、基準面與裙部中心線的垂直度誤差。因此，采用這樣的檢驗方法，無疑會提高零件的加工要求，但是，也有可能將實際上合格的產品誤判為廢品。2.45. 銷孔直徑檢驗銷孔直徑在終檢時必須按尺寸分組，由于組間尺寸差僅為2.5m，一般常 用的測量器具都不能滿足要求，生產中常用氣動量儀。用氣

33、動量儀測量活塞銷孔的裝置共有兩個錐形管，分別與空氣塞規的兩組噴嘴相連，并由兩組噴嘴分別測出兩段銷孔的尺寸。使用空氣塞規，不但可以精確測出銷孔的直徑，還可測出銷孔圓柱度誤差。若沿銷孔軸向活動活塞，并在各截面上移動活塞，將測得的結果投影到與銷孔垂直的平面內，然后建立內外包容同心圓，兩個同心圓半徑之差即可近似認為是銷孔的圓柱度誤差。2.46. 環槽上、下表面的平面度誤差在精車環槽切刀切入槽底時，會出現切削力驟然增大（是切入槽底之前的4 倍以上），有一個分力使拖板突然向上抬起，削弱了拖板在運動方向抵抗變形的能力，另一個分力在拖板上作用。這兩種力的反作用力通過活塞進一步作用到機床主軸和尾架頂尖套筒上，引

34、起工藝系統突然產生很大的彈性形變，導致環槽側面產生平面度誤差。另外，活塞定位基準與定位元素之間、機床主軸與軸承之間、尾架套筒與尾架孔之間存在間隙，加上精車前粗加工的環槽底面與活塞精定位之間存在不同軸誤差而造成的切削余量不均勻，都會使切削力突然增大，使工藝系統在產生形變的同時又產生振動。這樣，只能在生產中將環槽上、下表面的平面度誤差控制在0.007mm以內 (環槽圓周范圍內)。為了進一步提高環槽質量，最好將高精度的平面度通過精密的測定儀器測量，并將其數據放大幾千倍記錄在坐標紙上進行放大。2.47. 活塞、下邊緣及環岸、活塞環之間的關系汽車柴油機用的高負荷鋁活塞，其環槽上、下邊緣及環岸與活塞環配合

35、不良，也容易竄氣、竄油。因此在加工環槽上、下邊緣及環岸形狀時，應考慮與之配合的活塞環形狀和活塞竄氣、竄油部位。經驗表明：使用過的活塞，環槽上平面磨損慢，下平面磨損快，因此形成不等腰梯形，產生竄氣、竄油，使環槽、環岸表面產生積炭。當積炭清除后檢驗環槽時，可見第1、2道氣環槽下邊緣已磨成圓角。這就表明，環槽下邊緣倒角或有圓角狀況，會使竄氣、竄油增加。如果將其下邊緣做成尖角，則活塞表面被污染狀況會大大改善。其次，如增壓發動機活塞，將其環槽上邊緣與活塞環接觸曲線對齊，下邊緣是向內凹，第1、2道活塞環下棱角為尖角，上棱角進行倒圓或倒斜邊，對避免竄氣、竄油均會收到良好效果。 環槽側面與活塞軸線的垂直度誤差

36、、環槽寬與機床主軸軸心線平行度誤差在專用機床上切削環槽，當機床出現刀臺的垂直下定位面與拖板運動方向不平行和拖板的運動方向與機床主軸軸線不垂直，都會同時產生環槽側面與活塞軸線的垂直度誤差和環槽寬度誤差超差。例如，拖板的運動方向和機床主軸軸線垂直，且活塞軸線與機床主軸軸線重合，但刀臺的垂直定位面與拖板運動方向不平行，這樣，切刀的兩個副刃就與拖板臺飛刀運動方向不平行，其傾斜角為a。分兩種情況：一種是刀臺垂直 定位面向下傾斜，造成環面槽的槽口寬、槽底窄，以及一個環槽側面與活塞軸線垂直，另一個側面不垂直且向下傾斜；另一種是刀臺垂直于主軸軸線的定位面向上傾斜，造成刀架垂直定位面和拖板運動方向不平行。又如活

37、塞軸線與機床主軸軸線重合，且刀臺的垂直定位面與拖板的運動方向平行，而拖板的運動方向與機床主軸線不垂直，這樣，切刀的兩個副刀刃也就與機床主軸軸線不垂直。這時，切刀切出的環槽側面與活塞軸線不垂直，環槽上、下側面均同時向下或同時向上傾斜。通過以上情況的測量可知，在調整刀臺的垂直定位面和拖板運動方向的平行度以及拖板的運動方向和機床主軸軸線的垂直度時，對環槽上、下表面傾斜必須加以限制。環槽上、下表面的傾斜量通?？刂圃?.08/25(mm)的范圍內。在檢驗時，將活塞頭部朝下放在平板上，在環槽中塞入相應的測試塞板，用千分表測量塞板在25mm長度內的高度變化量。測量應在圓周的不同位置進行兩次以上，一般在銷孔一

38、側傾斜量較小。第三章活塞的鑄造方式3.1鑄造方式的比較關于活塞的制造方法前面也略提及，主要為鑄造。鑄造的種類很多，如何選取最合適的鑄造方式是關鍵，以下對幾種鑄造方式進行比較分析。1.砂型它適用于鑄造各種合金，但只適用于進行小批量的生產，而且表面粗糙度值過大。2.熔模鑄造適用于碳鋼、合金、有色金屬，但是適用于小于25kg的復雜鑄件。3. 低壓鑄造適用于有色金屬、中小鑄件，有時達數噸，適用于大批生產，對高要求的鋁、鎂合金都可以鑄造。4. 壓力鑄造適用于有色金屬、中小鑄件，但難以鑄造內凹復雜的鑄件，也適用于大批量的生產。5.離心鑄造適用于鑄鋼、鑄鐵、銅合金、中小件，最大達數噸，適用于中、大批量的生產

39、。6.擠壓鑄造適用于有色金屬、鑄鋼、鑄鐵、30kg以下的小件，大批量的生產，主要用 于生產輕合金的薄板形鑄件?，F在有的活塞也用此種方法鑄造。7. 金屬型鑄造適用于各種鑄造合金、中小件，有時達數噸，大批量生產，適用于高要 求的鋁、 鎂合金。綜合上述，可知鑄造鋁合金只有低壓鑄造、金屬型鑄造和擠壓鑄造適用 ，但是低壓鑄造成本過高，而且本設計活塞的要求不是很高，而低壓鑄造比金屬型鑄造的過程復雜。另一方面擠壓鑄造（又稱液態模鍛）主要應用于直徑在200mm以上的大活塞,在個大、壁厚、用鋁多、凝固慢和相對批量較少的情況下，對于本設計的活塞不太適合。所以本設計采用金屬型鑄造。金屬型鑄造工藝有許多優點，但它是在

40、高溫下工作的，如果單純用手工操作，體力勞動繁重，條件惡劣，不但生產率低，而且其優點也不能充分發揮。如果采用機械化或自動化生產，這一工藝的優點就得以體現了。金屬型鑄造機由開合型機構、抽芯機構、頂出鑄件機構、傳動機構等部分組成。按照所需要的動力，金屬型鑄造機大致可分為手動金屬型鑄造機 、氣動金屬型鑄造機、液壓傳動金屬型鑄造機三類。3.2.鋁合金的鑄造方式由以上分析可知，鋁合金活塞的主要鑄造方式是采用金屬型鑄造。金屬型鑄造是將液體金屬用澆注法澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。由于鑄型是用金屬鑄成，可以反復使用多次(幾百次到幾千次),故又有永久型鑄造之稱.金屬型鑄造在技術上與經濟上有許多優點和不

41、足之處.優點是:(1)金屬型鑄件的力學性能比砂型高。如鋁合金鑄件，其抗拉強度平均可提高約25%，屈服強度平均提高約20%，這是由于鑄件在凝固時冷卻速度高的結果。由于 同樣原因，鑄件表層結晶組織細密，形成“鑄造硬殼”，鑄件的抗蝕性能和硬度亦顯著提高。（2）鑄件的精度和表面粗糙度比砂型好，而且質量和尺寸穩定。如金屬型產生的鑄件，其精度平均為7級，而砂型鑄件平均只能達到8級。（3）鑄件的工藝收縮率高，液體金屬消耗量減少，一般為15%30%(4) 不用型砂或少用型砂,一般可節約造型材料80%100%；相應減少型砂處理和運輸設備，降低了車間粉塵含量，減輕環境污染，改善了勞動條件。此外，金屬型鑄造的生產效

42、率高，使鑄件產生缺陷的原因減少，工序簡單，易實現機械化和自動化。其不足之處是：（1）金屬型制造成本高。（2）金屬型不透氣，鑄件在其中冷速大，而且無退讓性，易造成鑄件澆不足、開裂或鑄鐵件白口等缺陷，因此對用金屬型生產的鑄件要有選擇。（3）金屬型鑄造時，鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度、鑄件在鑄型中停留的時間，以及所用的涂料等鑄造工藝對鑄件的質量影響甚為敏感，故要求嚴格控制。金屬型鑄造目前所能生產的鑄件，在重量和形狀方面還有一定的限制，如對黑色金屬只能是形狀簡單的鑄件；鑄件的重量不可太大；壁厚也有限制，較小的鑄件壁厚無法鑄出。在決定采用金屬型鑄造時，必須綜合考慮下列各因素：鑄件形狀和重量大

43、小必須合適，要有足夠的批量；金屬型的制造周期比木模的制作周期長，因此，對試件產品必須要有充裕的時間。第四章金屬型的設計及制造4.1冒口的設計金屬型鑄造同砂型鑄造一樣，設置冒口的主要目的就是補縮。避免鑄件出現縮孔與縮松等缺陷。金屬型鑄造冒口位置的確定，仍可以使用砂型鑄 造時常用的結晶等溫法及內切圓法，找出鑄件上可能產生縮孔的熱節部位 ，在熱節處設置冒口，如圖65所示。4.11冒口的形式與種類金屬型冒口可以根據具體的情況設計成不同的形式與結構，按是否與大氣 直接相通，可以分為明冒口與暗冒口， 按位置的高低可分為頂冒口與側冒口， 具體形式的特點見表62圖65金屬型鑄造模型圖4.12 冒口尺寸的確定冒

44、口的尺寸大小可按熱節圓的直徑來確定，一般情況下參考下列公式即：明冒口： d=(1.21.5)d暗冒口: d=(1.22)d式中,d為冒口根部直徑,mm; d 為鑄件熱節圓直徑,mm。熱節圓直徑大、補縮條件好的情況下，冒口尺寸取下限；熱節圓直徑小或補縮條件差的情況下，冒口尺寸取上限。當鑄件熱節所處的高度不大，而水平尺寸較大，要求冒口有橫向補縮作用時，計算公式為d=(24)d。冒口高度計算參考公式如下。頂冒口：h=(0.81.5)d側冒口: h=(23)d暗冒口: h=(1.22)d式中, h為冒口高度,mm；d為冒口根部直徑，mm。冒口高度太低，補縮效果不好；太高則金屬消耗多，并可能引起內澆道過

45、熱。直徑較大的冒口，在補縮條件好的情況下，高度取下限。冒口的直徑不宜過小也不宜過大，太大的冒口會使鑄件靠冒口處產生縮松，當冒口的位置與鑄件分不清時，應設計冒口切割線。在活塞冒口的設計中結合以上經驗，再根據活塞自身的特點，將冒口設置成為暗冒口，并根據公式進行了尺寸計算。4.2澆注系統的設計金屬型的澆注系統由澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道等部分組成。小型鑄件的金屬型一般不設澆口杯，有時為了澆注方便，直澆道上部加大。直澆道斷面最好是圓的，這樣可以避免熱量的散失和氣體的卷入，垂直直澆道由于金屬液對底部的沖擊比較大，所以高度一般不超過150mm,斜澆道的高度一般不超過250mm。橫澆道起緩沖、穩流和擋渣

46、的作用，并將金屬液分配給內澆道，但是金屬型往往受分型面的限制，除水平分型外，有的澆注系統不設橫澆道，內澆道的大小、形狀與位置直接影響鑄件的質量， 設計內澆道時應考慮鑄型熱量的分布、合金液在型腔中流動平穩、操作方便等因素。從熱分析的角度考慮，內澆道的寬度與厚度比應大于3,比例越大熱分析越均勻。從工藝簡單的角度來考慮，內澆道盡量開在分型面上。在設計活塞的澆注系統時就充分的考慮到這些要求，以使工藝簡單化，盡量符合現代生產的要求。根據金屬型鑄造的某些特點，在設計澆注系統時須注意下面幾點：首先 ，金屬型澆注速度大，超過砂型約20%；其次，在液體金屬充型時，型 腔里的氣體要能順利排除，其流向應盡可能與液流

47、方向一致，順利地將氣體擠向冒口或出氣冒口；此外，應注意使液體金屬在充型時流動平穩，不產生渦流，不沖擊型壁或型芯，更不可產生飛濺。金屬型的澆注系統一般分為頂注式 、底注式和側注式三種。1. 頂注式鑄件溫度分布較合理，有利于順序凝固，可減少金屬液的消耗，但金屬液流動不平穩，易進渣，鑄件高時易沖擊型腔底部和型芯。若用于澆注鋁合金件，一般只適用于鑄件高度小于100mm的簡單件。2. 底注式金屬液流動較平穩，有利于排氣，但溫度分布不合理，不利于鑄件順序凝固。3. 側注式兼有上述兩種的優點，金屬液流動平穩，便于集渣、排氣等，但金屬液消耗大，澆口清理工作量大。金屬型澆注系統的結構與砂型鑄造基本相似，但由于金

48、屬型壁不透氣，導熱能力強，因此要求澆注系統結構能有利于降低金屬液流速，流動平穩，減少其對型壁的沖刷，除應保證型腔內氣體有充裕的時間排除外，還應保證在充型過程中不得產生噴濺。如澆注鋁合金時，直澆道可作成斜彎澆道或者蛇行澆道。澆道的尺寸既要保證鑄件質量，又要求金屬液消耗量和鑄件清理工作量最小。要做到這些，一般可用計算或憑經驗確定，然后再經過生產驗證，就可得出較合理的尺寸。關于澆注系統最小截面積的計算，可以利用砂型鑄造中的計算公式，由于金屬型鑄件比砂型鑄件冷卻快，根據經驗，澆注時間一般比砂型減少20%40%, 使金屬液在型腔內快速上升。由于澆注的合金不同，澆注系統的尺寸也有區別。在這里，我們采用鋁合

49、金活塞常采用的澆注方式：側注式。 因為第一次設計澆注系統，對其本身還有很多不了解的地方，所以就沒有采用斜彎 澆道或者蛇行澆道，而采用了直澆道，以使設計得到簡化。4.3.金屬型分型面的選擇分型面形式一般有垂直、水平和綜合分型（垂直、水平混合分型或曲面分型）三種。在選擇分型方案時，必須從多方面比較，從而找出最合理的方案。選擇分型面的原則如下。（1）為簡化金屬型結構，提高鑄件精度，對形狀較簡單的鑄件最好都布置在半型內，或大部分布置在半型內。（2）分型面數目應盡量少，保證鑄件外形美觀，鑄件出型和下芯方便。（3）選擇的分型面應保證設置澆冒口方便，金屬液充型時流動平穩，有利于型腔里的氣體排出。（4）分型面

50、不得選在加工基準面上。（5）盡量避免曲面分型，減少拆卸及活塊數量，因曲面分型及采用活塊不僅使金屬型制造復雜，壽命縮短，而且降低生產率。1 金屬型的主要結構形式及應用金屬型的主要結構形式及應用，見表63。根據活塞零件的結構形式,本次設計中選擇對開式金屬模,這既方便取模,又符合現代生產的要求。4.4.金屬型的結構設計（1）金屬型壁厚的確定 金屬型的壁厚是綜合考慮金屬型強度、剛度 、質量及對鑄件的冷卻速度來決定的。由于影響因素太多，現在還沒有一個可靠的計算方法來確定不同條件下最適合的金屬型壁厚，可查閱鑄模手冊里介紹的經驗數據。（2）型體與底座的設計 型體、底座的三維設計圖分別如圖66,圖6-7所示。

51、圖 66 型體模型圖圖 67 底座模型圖金屬型型腔尺寸的計算，除了鑄件公稱尺寸及偏差外，還應考慮合金從固相線冷卻到室溫的收縮，涂料和金屬型材料從室溫升至預熱澆注溫度的膨脹率。其計算公式為：ax=ap+apk+ ax式中，ax為型腔尺寸，mm；ap鑄件的平均尺寸，mm；k為綜合收縮率，%；為涂料厚度，mm；ax為型腔尺寸制造公差，mm。綜合收縮率k包括鑄件的收縮率和金屬型的膨脹率。小型鑄件金屬型設計是k值常取1%，涂料的厚度每邊為0.10.3mm，鑄件凹處取正值，凸處取負值，金屬型型腔尺寸制造公差ax按鑄模手冊選取。（3）型芯的設計 金屬型芯的特點如下。 采用金屬型芯時鑄件的冷卻速度快，鑄件的結

52、晶組織細致、均勻。 鑄件尺寸穩定、表面粗糙度低。 減少了制造砂芯或殼芯的工藝裝備和工序。 內腔復雜的鑄件可與砂芯或殼芯同時采用，否則會增加金屬型芯的復雜性，給制造和澆注帶來困難，甚至無法取出型芯。金屬芯的設計原則如下。不影響零件使用和外觀的情況下，應按鑄件圖給出足夠的鑄造斜度。對留有加工余量的鑄造表面，其鑄造斜度可適當放大，以利于型芯的抽拔。 型芯的定位要很準確，導向要可靠，保證型芯移動時不產生歪斜，以 免拉傷鑄件。金屬芯的定位長度，不僅與型芯直徑大小有關，而且與型 芯工作面深度（與金屬液接觸部分）型芯固定形式等多種因素有關，如 果是活動型芯， 則型芯的定位長度就較長些。 在能方便抽拔型芯的情況下，應盡量減少型芯的數量。這樣可以簡化 操作，提高鑄件的質量。 型芯的結構應考慮制造與加工的方便。 圓形金屬芯的直徑在 50mm以上時，應制成空心，壁厚取1220mm，大型金屬芯壁厚按金屬型的壁厚來計算。 組合金屬芯，當鑄件內形阻礙型芯取出時，金屬芯可以制造成順序抽拔形。3.金屬型的排氣系統設計金屬型設計中一定要注意排氣系統的設計，因制作金屬芯的材料本身不透氣，排氣系統