1、畢業設計（論文）題 目汽車發動機活塞加工工藝及其夾具設計 系 （院）自動化系專 業機械設計制造及其自動化班 級2008級1班學生姓名學 號指導教師季德生職 稱講 師二一二年六月二十日獨 創 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計(論文)，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。據我所知，除文中已經注明引用的內容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名: 二一一年 月 日畢業設計（論文）使用授權聲明本人完全了解濱州學院關于收集、保存、

2、使用畢業設計（論文）的規定。本人愿意按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版，同意學校保存學位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數字化或其它復制手段保存設計（論文）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統，公布設計（論文）的部分或全部內容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規定）作者簽名: 二一一年 月 濱州學院本科畢業設計（論文）汽車發動機活塞加工工藝及夾具設計摘 要提高產量、降低成本、準時交付、快速響應，使產品快速占領市場，已經越來越成為現在制造業中企業所追求的目標。現在敏捷制造、快速原型制造、快速模具工裝制造技術已經成為內燃機零件工業特別是活塞行業競爭的

3、焦點。因此，針對各種內燃機活塞機械加工工藝過程的廣泛探索，從而縮短或簡化工藝流程、提高產品質量、降低生產制造成本也變得越來越重要。本畢業設計論文通對分析活塞加工技術的發展、活塞的結構特點、活塞各個工作面的加工特征及其工作環境，確定了活塞的加工過程及加工方案，其中主要包括：材料的選用、毛坯制造工藝、加工基準的選擇、各道工工序切削用量及其加工余量的確定和工序安排等。并且進一步設計了活塞加工過程中用到的一套典型的夾具，精鏜銷孔夾具設計，其主要內容包括：定位方案與夾緊方案的設計、夾具的工作原理以及在夾具設計過程中應該注意的問題。并分析論證其可行性。關鍵詞：活塞，工藝分析，加工工藝，工藝重組，夾具設計A

4、utomobile Engine Piston Processing Technology and Fixture DesignAbstractTo increase production, reduce the cost and on time delivery, the fast response, make the product to quickly capture the market, already more and more be in manufacturing enterprises now pursuit of the goal. Now agile manufactur

5、e, rapid prototyping manufacturing, and rapid tooling tooling manufacturing technology has become internal combustion engine parts industry especially piston the focus of competition in the industry. Therefore, to various kinds of internal combustion engine piston mechanical processing process widel

6、y exploration, so as to shorten or simplified process flow, improve product quality, reduce production cost is also becoming more and more important. This paper analysis the graduation design of the piston processing technology development, the structure characteristics of the piston, piston each wo

7、rk face processing characteristics and working environment, determined the machining process of the piston and the processing plan, which mainly includes: the material selection, casting technology of manufacturing, processing, each word choice benchmark work process and its processing cutting amoun

8、t admittance determine and process arrangement. And further the piston design used in machining process of a typical fixture, fine boring pin hole fixture design, the main content includes: positioning scheme and clamping fixture design, the working principle and process of the fixture design should

9、 be paid attention to. And analyzes its feasibility.Key words: the pistons, process analysis and processing technology, process reorganization, fixture designI目 錄第一章 緒論11.1 活塞加工工藝過程分析11.2 本課題主要內容2第二章 活塞的結構特點及其工作環境22.1 活塞作用22.2活塞工作環境及性能要求22.3活塞結構3第三章 活塞加工工藝分析53.1活塞加工工藝特點53.2活塞加工特征分析63.2.1活塞頂部加工特征63.2

10、.2活塞頭部加工特征73.3.3活塞裙部加工特征7第四章 活塞加工工藝規程的制訂84.1活塞材料及毛坯制造84.1.1活塞材料選擇84.1.2毛坯選擇94.1.3鑄造斜度94.1.4鑄造圓角104.1.5確定機械加工余量104.1.6毛坯的制造方法及工藝確定104.2定位基準的選擇104.2.1粗基準的選擇104.2.2精基準的選擇114.3活塞加工工藝制訂114.3.1加工方法的確定124.3.2活塞加工階段劃分134.3.3加工工序安排及工藝規程制訂144.3.4加工余量的確定15第五章 精鏜銷孔夾具設計155.1活塞銷孔夾具定位及誤差分析155.1.1活塞銷孔定位方式及定位元件155.1

11、.2定位誤差分析與計算165.2工件的夾緊裝置的設計175.2.1 夾具裝置的組成175.2.2夾緊力的確定175.3對定裝置205.4標準間的選用205.5夾具體的設計205.5.1夾具體的毛坯結構205.5.2夾具體外形尺寸的確定215.5.3夾具體排屑結構215.6精鏜銷孔夾具工作原理21結論23參考文獻24致謝25第一章 緒論制造業是國民經濟的支柱產業，其發展程度體現了一個國家科學技術和生產力的發展水平。近年來我國國民經濟增長迅速，社會購買力不斷提升，汽車工業更是呈現了前所未有的發展勢頭。2009年中國汽車產銷量突破1300萬輛，2010年更是突破了1800萬輛，當今，中國已成為世界最

12、主要的汽車產銷大國之一。汽車市場的持續增長為汽車零部件制造業提供了廣闊的市場空間和難得的發展機遇。在汽車當中，活塞相當于汽車的“心臟”，它在運行過程中它承受交變的機械負荷同時又承受熱負荷，是發動機中工作條件最為惡劣的零部件之一，是影響發動機性能指標和平均無故障使用壽命的較為薄弱的零件，同時也是最為關鍵的零部件之一。隨著汽車整車對發動機的動力性、經濟性、環保性以及可靠性要求越來越嚴格，如何實現活塞生產中的高產量、低成本、高標準、準時交付、快速響應以及使產品快速占領市場等要求，已經越來越成為現在制造業中企業所追求的目標。因此，針對各種內燃機活塞機械加工工藝過程的廣泛探索從而縮短或簡化工藝流程、提高

13、產品質量、降低制造成本尤為顯得重要。本文通過對活塞從設計到生產過程的分析，通過對活塞的各種加工特征、加工方法、加工要求、定位以及夾緊方式進行分析研究，確定了活塞的加工過程及加工方案，其中主要包括：材料的選用、毛坯制造工藝、加工基準的選擇、各道工工序切削用量及其加工余量的確定和工序安排等。并且進一步設計了活塞加工過程中用到的一套典型的夾具，精鏜銷孔夾具設計，其主要內容包括：定位方案與夾緊方案的設計、夾具的工作原理以及在夾具設計過程中應該注意的問題。1.1 活塞加工工藝過程分析內燃機活塞制造技術在我國已有四十多年的發展，已經具有一定的基礎， 近年來通過不斷的技術改造和技術合作，活塞制造技術發展很快

14、，活塞產品質量不斷提高，并且，新產品的比重逐漸加大。但是，內燃機活塞機械加工工藝過程還是存在一定的差別，并且活塞類型和加工要求也有較大差別。現在國內大多數活塞生產企業多采用專用機床和改裝的普通車床、專用工裝和夾具組成的單機流水線的加工方式生產。流水線設備排列為一機一序或一機多序，流程較長。典型的活塞加工工藝過程如：粗車外圓平頂面車止口、打中心孔粗鏜銷孔半精車外圓、頂面粗、精切環槽精車外圓、頂面精車燃燒室精鏜銷孔車卡環槽檢驗。上述加工工藝過程以止口、中心孔作為精基準，以活塞頭部外圓、活塞裙部、銷孔表面以及活塞頂面等為主要加工面，燃燒室、氣門坑等為次要加工面。這種傳統工藝過程的主要優勢有以下幾點：

15、第一，一次裝夾可車削外圓、活塞頂面和環槽等工作面，加工方便；第二，沿活塞軸向夾緊可進行多刀切削。同時，這種傳統加工工藝過程也存在一下幾方面主要問題：第一，以活塞止口為工藝基準，加工流程較長；第二，環槽的位置精度低；第三，采用軸向夾緊，該夾緊方式對活塞的加工精度，特別是對薄壁活塞裙部外圓的加工精度會產生較大的影響。1.2 本課題主要內容活塞的加工工藝過程是本設計的重點內容，在設計過程中，必須嚴格地選擇毛坯、制訂工藝規程、確定加工余量，并計算工藝尺寸、分析定位誤差等，此外，為了與實際生產相吻合，還必須對加工設備、切削用量等進行選擇和設計，此階段內容較多，所涉及的范圍也比較廣，為了使設計更為合理，必

16、須廣泛查閱相關書籍，是設計更為合理和使用。 為使工件定位更加準確，夾緊更為快速，安裝找正更為方便，從而提高生產效率，降低工人勞動強度，提高零件加工精度，夾具設計要采用專用夾具。在夾具設計過程中，統一采用以端面和止口為主要定位面來進行加工。以前未學過夾具的設計和計算。因此工作量大大地增加，只有通過在實習過程中對夾具的感性認識和夾具設計參考書以及夾具圖冊來進行設計和計算。所以，夾具的設計是整個設計的重點，也是一個難點。第二章 活塞的結構特點及其工作環境2.1 活塞作用活塞連桿組主要有活塞、活塞環、活塞銷和連桿等零件組成。活塞的主要作用是與汽缸蓋、氣缸共同構成燃燒室，將做功行程所承受的燃氣壓力通過活

17、塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉。2.2活塞工作環境及性能要求發動機工作時，由于活塞頂部直接與高溫燃氣接觸，燃氣的最高溫度可達2500K以上，因此活塞的溫度也很高，因高溫時材料的力學性能降低，甚至發生高溫蠕變。當頂部溫度超過640K700K時還會產生熱裂現象。第一環槽超過80K500K時，就會造成活塞環粘結。活塞溫度高且往復變速運動，潤滑困難，所以極易磨損。在進氣時活塞又接觸到冷的可燃氣體，造成溫度不均勻，產生的熱應力容易使活塞變形和活塞頂表面開裂。因此要求活塞具有：(1) 足夠的強度、剛度和韌性；(2) 良好的導熱性和極小的熱膨脹性；(3) 很小的重量，以保持很小的慣性力；(4) 良好的潤滑性和耐

18、磨性，以提高壽命。現代汽車發動機不論是汽油機還是柴油機都廣泛采用鋁合金活塞，只在極少數發動機上采用鑄鐵或耐熱鋼活塞。目前鋁合金活塞多用含硅12%左右的共晶鋁硅合金和含硅18%23%的過共晶鋁硅合金制造，外加鎳、銅和鎂，以提高熱穩定性和高溫機械性能。含硅量越高，材料的膨脹系數越小，耐磨性愈好，但制造工藝較差。富康轎車的活塞材料為共晶鋁硅合金，桑塔納轎車的活塞材料則采用Si-Cu-Mg過共晶鋁硅合金。柴油機因其活塞承受高熱、高機械負荷，故也有采用合金鑄鐵和耐熱鋼作為活塞材料。2.3活塞結構活塞由頂部、頭部和裙部三部分組成，其基本結構如圖2-1所示。 1頂部 2頭部 3活塞銷孔 4裙部 5氣環槽 6

19、油孔 7油環槽 8銷座 圖2-1 活塞的基本結構活塞頂部是燃燒室的組成部分，其形狀與選用的燃燒室形式有關。主要有平頂、凹頂和凸頂等幾種形式。汽油機活塞頂多為平頂，以使燃燒室結構緊湊，散熱面積小，制造工藝簡單。但高壓縮比、多氣門的現代發動機，為了滿足燃燒室的要求也有略微凸起或凹下的形狀，以及為了避免活塞與氣門碰撞而制成凹坑。而柴油機活塞頂常制成各種凹坑。活塞頭部是指活塞環槽以上的部分。活塞頭部主要作用有以下三點：第一，承受燃氣壓力并傳給連桿；第二，與活塞環一起實現氣缸的密封；第三，將活塞頂部吸收的熱量通過活塞環傳到氣缸壁上。在活塞頭部切有幾道環槽，用以安裝活塞環。汽油機一般有23道環槽，上面的1

20、2道環槽用來安裝氣環，下面的一道用來安裝油環。在油環底部鉆有若干徑向小孔，以使油環汽缸壁上刮下的多余機油經此流回油殼底。活塞環槽的磨損是影響活塞使用壽命的重要因素。再熱負荷較高的發動機中，活塞的第一道環槽溫度較高，磨損嚴重。為保護加強活塞環槽，常在第一道環槽處鑲嵌耐熱護圈。在熱負荷很高的直噴式柴油機燃燒室喉口處均鑲嵌耐熱護圈，以保護喉口不因過熱而開裂。采用奧氏體或高錳奧氏體鑄鐵護圈，可使環槽的壽命提高310倍。活塞裙部是指活塞頭部一下的部分。其作用：一是為活塞在氣缸內作往復運動導向，二是承受側壓力。發動機工作時，在缸內燃氣壓力的作用下，活塞會發生彎曲變形，活塞后熱后，在活塞銷座處的膨脹量大于其

21、他各處，同時活塞在側壓力的作用下也會產生擠壓變形。為使活塞在氣缸內正常工作，不至于卡死或引起局部磨損，在各種工況下活塞與氣缸壁間都能保持均勻的間隙，常在冷狀態下將活塞做成橢圓形，其長軸垂直于活塞銷座孔軸線。為減少銷座附近的熱變形量，有的活塞將銷座附近的裙部外表面制成下陷0.5mm1.0mm。現代汽車發動機的活塞均為橢圓裙。除此之外，活塞沿軸線方向溫度和質量分布也不均勻，導致各斷面熱膨脹量上大下小。一次，需把活塞制成上大下小的圓錐形或桶形。為了減少活塞裙部的熱膨脹量，有的汽油機活塞在活塞銷座中鑲鑄有熱膨脹系數低的恒范鋼片，由于恒范鋼片與活塞裙部相連，且恒范鋼片的熱膨脹系數只有鋁合金的1/10左右

22、，因此當溫度升高時，在恒范鋼片牽制下，裙部在活塞銷孔軸線方向的熱膨脹量很小。活塞裙部采用上述措施后，與氣缸壁之間的冷態裝配間隙可減小，是指不產生“冷敲熱拉”現象。為改善鋁合金活塞的磨合性，可對活塞裙部表面涂以保護層。汽油機的活塞裙部外表面鍍錫，柴油機的住鋁活塞的裙部外表面磷化，對于鍛鋁活塞外表面涂石墨。活塞銷孔的中心線一般位于活塞中心線的平面內。但有些高速發動機，將活塞銷座向承受做功行程側壓力的一面偏移1mm2mm，其目的是為了減輕活塞在越過上止點時因側壓力的瞬時換向而產生的“敲缸”現象，從而減小發動機運行噪聲，改善發動機工作的平順性。第三章 活塞加工工藝分析3.1活塞加工工藝特點活塞主要表面

23、尺寸和各表面間的相互位置精度要求較高；在加工后還要求保證塞裙部及頂部的壁厚均勻。上述特點和要求，使得活塞機械加工比較困難，其加工工藝特點主要有以下幾方面： 第一，活塞壁薄，徑向剛度差，如果按一般回轉體零件加工，在夾緊力和切削力作用下很容易變形，從而影響加工精度，因此在制訂加工工藝及選擇加工設備時，應同時注意夾壓點位置及活塞裝夾方式的選用。 第二，活塞的加工面較多，加工較為復雜，它不僅對各加工面尺寸精度要求較高，而且對各個加工面間的相互位置精度要求也較高。因此，在制定加工工藝時，應正確選擇定位基準面，以減少因定位基準選用不當或定位基準變換所引起的加工誤差。同時，在選用加工設備時，應盡量選用多刀或

24、多工位加工機床，以減少裝夾次數，來減小裝夾過程中所帶來的加工誤差。 第三，孔尺寸及形狀精度要求很高，粗糙度要求低。第四，薄、剛性較差，如果切削力過大會引起活塞變形，從而影響加工精度，因此，在加工時，應選擇較小的進刀量和較高的轉速。同時，重要加工面如活塞頂面、裙部外圓、活塞銷孔的精加工要放在最后進行。3.2活塞加工特征分析3.2.1活塞頂部加工特征 活塞頂部是燃燒室的組成部分因而制成不同的形狀，主要有平頂、凹頂、和凸頂幾種形式，部分活塞還具有氣門坑及其開口等結構。因此，活塞頂部加工特征一般包括：燃燒室、活塞頂面、氣門坑、氣門坑開口等。 活塞頂面與止口的平行度一般為0.015mm，其粗糙度要求一般

25、為Ral1.63.2um，在加工過程中一般要經過粗加工和精加工來完成，粗加工的加工余量一般為1mm，精加工的加工余量一般為0.4mm。從活塞頂面到活塞銷孔中心線的距離稱為壓縮高，該距離影響發動機的壓縮比，在精加工活塞頂面時需要保證活塞的壓縮高。燃燒室多為回轉體形狀，其素線由方向、半徑不同的圓弧與直線圓滑連接而成，燃燒室精加工時需要保證燃燒室的粗糙度一般為Ra3.2um。活塞毛坯一般是鑄造而成，鑄造時一般鑄造有燃燒室凹坑，燃燒室加工同樣需要經過粗加工和精加工兩次加工完成，燃燒室粗加工的加工余量一般為1mm，精加工的加工余量一般為0.4mm，與頂面基本相同。對于個別的活塞毛坯為平頂的鑄造件，燃燒室

26、加工需經過粗加工、半精加工和精加工三次加工才能完成，因此在進行工藝分析時需要判斷是否鑄造有凹坑。而氣門坑及其開口由于余量較小一般一次加工至成品尺寸。 根據頂面與燃燒室的加工特征及其定位方式，一般采用車削加工，而氣門坑及其開口一般采用銑削加工。3.2.2活塞頭部加工特征 活塞頭部主要有2-4道環槽及環槽之間的環岸、槽側油帶、第一環槽至頂部的火力岸組成。因此，其加工特征主要是鐵、鋁環槽的加工及環岸、火力岸外圓的加工，有時在環槽底部或槽側油帶部位還有通向內腔的徑向回油孔。鐵環槽為距離頂部最近的環槽，承受的燃氣溫度最高、沖擊力也最大。基于這一原因，該環槽一般為兩槽，并具有一定的斜度，以便于與密封環更好

27、地接觸，避免高壓燃氣串到裙部。鐵環槽傾斜側面的加工具有波紋度要求，其基準直徑、粗糙度都有一定的要求，且高鎳鑄鐵由于具有“粘性”加工特征，加工一般至少需要粗加工、精加工兩次加工完成，粗加工加工出鐵環及環槽形狀并為精加工留出0.30.5mm余量。鋁環槽槽側為直槽，對槽側的粗糙度、槽側與活塞中心線的垂直度、槽側的直線度以及槽側的平面度等都有較高的加工要求，而且鋁環槽的加工余量比較大、容易加工變形，因此一般至少分為粗、精兩次加工來完成，粗加工加工出形狀，給精加工留下0.10.2mm的余量。由于加工鑄鐵環槽時產生較大的切削力和熱量，容易引起鋁環槽的形狀誤差和變形，因此需要把鋁環槽的加工放在鐵環槽精加工之

28、后進行。3.3.3活塞裙部加工特征活塞裙部是自環槽部分的油環槽下端面起至活塞底的部分，它用作引導活塞在氣缸內運動和承受側壓力。受活塞結構的影響，為保證熱態下活塞裙部的圓筒形狀，以便能夠與氣缸很好地貼合，不至于被卡住或拉傷，需要將活塞裙部的徑向外形設計加工為橢圓形狀，其長軸在垂直于銷座孔中心線平面內，短軸在銷座孔中心線平面內，且橢圓度在不同的軸向位置是變化的；而活塞長軸軸向輪廓設計加工為上小下大、到底部再小的中凸形狀，這種外圓形狀稱為中凸變橢圓。在活塞裙部下端及內腔部位還需要加工出止口作為后續工序的定位基準。活塞裙部外圓粗糙度一般要求1.63.2um，且外圓對加工紋理有特殊要求，基于外圓特殊的形

29、狀和表面紋理要求，需要經過粗加工、半精加工、精加工三次加工才能達到技術要求，總加工余量一般在2mm左右；活塞止口粗糙度一般要求1.63.2um，總加工余量一般在1 mm左右，因此經過粗、精兩次加工可以達到技術要求。3.3.4活塞銷座孔加工特征活塞銷座將作用在活塞頂部的氣體力經過活塞銷傳給連桿。銷座常用加強筋與活塞內壁相連，以提高強度。為減少銷座上側的壓力，常把銷座鑄造成一些特殊形狀，其中楔形銷座是最常見的一種形式。活塞在工作時銷座孔內側受到活塞銷的反復沖擊，為防止活塞該處應力集中及疲勞損壞，常將該處設計為喇叭口形狀，因其加工實現起來較困難，稱為異形銷孔。活塞銷孔不僅本身尺寸精度與相互位置精度要

30、求較高，而且粗糙度要求較低，一般為0.40.8um。銷座孔內有安放彈性卡簧的卡簧槽，為安裝方便，銷孔內、外側常加工出較大的內、外口倒角。基于以上加工特征，活塞銷孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工才能達到技術要求。為防止銷孔變形，精加工一般安排在工序的最后面完成。有些活塞為增加銷孔的儲油作用，還加工成橢圓形狀，稱為減壓腔，有時還需要在銷座上加工油孔。第四章 活塞加工工藝規程的制訂4.1活塞材料及毛坯制造鑄造鋁合金按其化學成分一般可分為：鋁銅合金、鋁鋅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金等。4.1.1活塞材料選擇 活塞材料一般按其工作條件來確定，汽車活塞一般很少用鑄鐵活塞，一般只有在重負荷、

31、低速、低級燃料的發動機中用鑄鐵材料活塞，對于高速發動機要求活塞要具有很小的重量，來保持很小的慣性力，所以此類活塞多采用銅硅鋁合金材料。與鑄鐵材料相比銅硅鋁合金材料主要由以下優點：(1) 導熱性良好,能夠使活塞頂面的溫度快速降低，提高發動機的壓縮比，并且 使混合氣體不會產生自燃，從而提高發動機的功率；(2) 重量輕,工作時慣性力矩小，運行平穩；(3) 可切削性較好。但是銅硅鋁合金也有一些缺點，其主要缺點如下：(1) 與鑄鐵相比鋁合金價格較貴；(2) 鋁合金的熱膨脹系數大，受熱變形大；(3) 鋁合金的耐磨性以及強度和剛度與鑄鐵相比都較差。總的來說，鋁合金的優點更多，更適合用來做活塞材料。并且，其耐

32、磨性差的缺點可以通過鑲嵌高鎳鑄鐵環的措施來改進，因此銅硅鋁合金在活塞中應用更為廣泛。4.1.2毛坯選擇選擇毛坯應主要從以下幾方面考慮：第一，零件的力學性能。零件的力學性能會因毛坯制造方法的不同而有所差別。其力學性能一般是按鑄鐵件，離心澆注鑄件和壓力澆注鑄件，金屬型澆注鑄件，砂型澆注鑄件的次序依次降低。第二，零件的外輪廓尺寸和結構形狀。一般壁厚比較均與，并且形狀較為簡單的毛坯可用金屬型鑄造。第三，生產批量和生產綱領。生產批量和生產綱領較大時一般采用高精度高生產率的毛坯制造方法。從活塞的生產批量上來看，活塞生產屬于大批量生產，因此，一般采用精度和生產率高的毛坯制造方法，來減少材料的消耗和降低機械加

33、工工作量，一般可考慮用金屬鑄造、模鍛、精鍛等方法來獲得毛坯；從零件本身結構來看，由于活塞屬于外形較為復雜的小型零件，并且它的壁厚較薄，故可以考慮采用壓鑄、熔模鑄造、金屬鑄造等精密鑄造方法。從毛坯的制造工藝及方法來看，鑄銅和鑄鋁等有色金屬材料適宜用鑄造方法獲得毛坯；從鑄鋁件本身的力學性能來看，可采用金屬型鑄造的鑄件。本文以ZL101材料為例進行分析，其性能如表4-1所示，其毛坯采用金屬型鑄造，在重力下澆鑄成型。表4-1 ZL101成分及性能合金代號主要化學成分/%鑄造方法用途SiCuZnMgMpa%硅鋁合金ZL1016.57.5<0.1<0.10.25 0.45J,T52022形狀復

34、雜的砂型、金屬型和壓力鑄造零件4.1.3鑄造斜度鑄件的鑄造斜度應按以下原則確定：第一，金屬的收縮阻力越大，斜度也應越大。第二，收縮量越大熔點越高，斜度越大。第三，拔模部分尺寸越大，斜度越小。另外，不同鑄造方法的鑄造斜度也有差別，各種鑄造方法的最小鑄造斜度如表4-2所示：表4-2 各種鑄造方法的最小鑄造斜度斜度位置鑄造方法壓鑄殼型金屬型砂型外表面0°300°300°200°15內表面1°1°0°200°304.1.4鑄造圓角鑄件壁部連接處應有鑄造圓角,以減小應力集中的影響。依照鑄造圓角計算公式算出數值后，選取與其相近

35、的機械制造業常用標準尺寸（詳見GB282281）。并且，為便于制造，圓角半徑應盡可能統一。對于金屬型鑄件一般統一采用R3或R5。4.1.5確定機械加工余量鑄鍛件的機械加工余量按JB3735-85確定，加工余量的確定應根據估算的鍛件的重量、加工精度及鍛件形狀的復雜系數來確定，由簡明機械加工工藝手冊查得：金屬型鑄件的尺寸公差等級為68級。相應的加工余量為：外圓加工余量為4.0mm， 銷孔加工余量為3.0mm。4.1.6毛坯的制造方法及工藝確定金屬型澆注鑄件結構緊密，能夠承受較大壓力，并且其生產率較高，適用于鐵碳合金、有色金屬及其合金的大批量生產。一般金屬型鑄造允許毛坯的最大質量為110kg，毛坯所

36、允許的的最小壁厚為1.5mm，其形狀復雜程度一般，精度等級要求為68級，毛坯的尺寸公差約為0.090.47，表面粗糙度Ra為12.56.3m，加工余量等級為F級。4.2定位基準的選擇4.2.1粗基準的選擇粗基準選擇應從以下幾方面考慮：（1）應當盡量選用不加工表面作為粗基準，當在工件上有很多不需加工的表面時，以其中與加工面的位置精度要求較高的表面作為粗基準。 （2）選擇加工余量較為均勻的表面作為粗基準。（3）選擇加工余量較小的表面作為粗基準。（4）作為粗基準的表面應盡量平整，沒有冒口、澆口以及飛邊等缺陷，以便定位可靠。（5）一般粗基準只能使用一次，特別是對于主要的定位基準，這樣可以避免產生較大的

37、位置誤差。4.2.2精基準的選擇活塞屬于薄壁筒形零件，其徑向剛度較差，并且其主要表面的尺寸精度以及各主要表面之間的相對位置精度要求較高。根據這種結構特點和和其技術要求，精基準的選擇應主要從以下幾方面考慮：(1) 盡量用設計基準作為定位基準，實現“基準重合”，以避免產生基準不重合誤差。(2) 當工件以某一組精基準定位可以較方便地加工很多表面時，應盡可能的采用此組精基準定位，實現“基準統一”，以避免產生基準轉換誤差。(3) 當精加工或光整加工工序要求加工余量盡量小而均勻時，應選擇加工表面本身作為精基準，即遵循“自為基準”的原則。該加工表面與其他表面間的位置精度要求由先行工序保證。(4) 為獲得均勻

38、的加工余量或較高的位置精度，可遵循“互為基準”、反復加工的原則。(5) 有多種方案可供選擇時，應選擇定位準確、穩定、加緊可靠，可使夾具結構簡單的表面作為精基準。目前生產活塞生產多采用止口和端面作為統一基準。活塞止口在結構上和功能上沒有作用，它是為加工活塞而專門設置的輔助基準面。在精加工時,只有精車外圓等少數工序采用止口處的錐面和頂面上的中心孔定位,其余工序均采用止口和端面定位。采用止口和端面作為定位基準主要有下列優點：第一，此種定位方式可以加工裙部、頭部、頂面、銷孔等主要加工表面及其他次要加工表面。并且，這種定位方式一次安裝可車削多個表面，能夠提高生產效率，保證活塞主要加工表面的位置精度。第二

39、，由活塞裙部在半徑方向的剛性比較差，利用此種定位方式能夠沿活塞軸向夾緊，這樣就不會引起嚴重的變形，從而可以進行多刀切削，提高加工效率。4.3活塞加工工藝制訂加工過程的最后確定,通常是通過一系列的論證，通過幾條工藝路線的分析和比較,選擇一個符合實際生產條件的,并且能夠確保加工質量、提高加工效率、降低加工成本 的最佳工藝路線。4.3.1加工方法的確定零件表面的加工方法,應根據加工表面的技術要求來確定。根據加工表面的工藝要求,先選擇能保證加工表面加工要求的最終加工方法,然后根據生產條件來確定每個工序和每個工步的具體加工方法。選擇處理方法還應該考慮每個處理方法的加工經濟精度范圍，每種處理方法能夠達到的

40、精度和表面粗糙度都有一定范圍。每種加工方法只要精心操作,選擇適當的切削用量、加工精度均可以提高其加工經濟精度。但是如果經濟精度越高、表面粗糙度值減少越小,相應的會消耗更多的時間和加工成本。實際生產中的加工經濟精度一般是指正常條件下所能夠保證的加工精度。材料的加工方法還與材料的性質及本身的加工性有關。本設計中的活塞材料采用ZL101，它的主要化學成分是:Cu0.1%, Si6.5%7.5 ,Mg0.25%0.45%, Zn0.1%其余成分為Al。此材料硬度為100HB，屬于易切削材料。 加工方法的確定還與生產率的要求有關。活塞零件的生產類型屬于大批量生產。對生產率要求相對較高。綜合以上幾點分析，

41、結合現階段的工藝能力和所能達到的加工經濟精度，查機械加工工藝手冊擬訂本零件的加工工藝方法，如表4-3所示：表4-3 各加工面加工方法的擬定加工方法及其技術要求端面加工端面的加工精度要求為IT8級，可采用一次車削完成，這樣能夠達到的精度為IT810，粗糙度為Ra=6.31.6m，滿足其加工技術要求。外圓面加工其裙部外圓的精度要求為IT6IT5，表面粗糙度值要求為Ra0.63。活塞外圓的加工可選用：粗車精車金剛石車橢圓，這樣所能達到的粗糙度為Ra=0.80.2m，符合其加工技術要求止口加工止口表面是為了精基準而加工的，其粗糙度要求較低，一般為Ra1.25m，其精度要求一般為IT7，故可采用粗車精車

42、的加工方法,這樣能達到的精度等級為IT8，粗糙度Ra=3.20.8，符合其加工技術要求。銷孔加工銷孔是活塞的重要加工面，其精度要求為IT6以上，粗糙度為Ra0.16m，要求較高，故一般采用粗鏜精鏜滾壓的加工方法，這樣能夠達到的精度等級為IT6IT7，粗糙度值為Ra=0.40.05m，符合其加工技術要求。環槽加工環槽的位置精度要求較高，但其精度要求較低，可采用粗車精車兩個加工階段完成。所能達到的精度等級為IT78，粗糙度為Ra=6.31.6m，符合其加工技術要求。頭部外圓的加工頭部外圓加工精度要求為IT8IT10級，此時已經進行一次粗車，故可以再用一次精車就可以達到精度等級IT7IT8，粗糙度為

43、Ra=3.20.8m符合其加工技術要求。銷孔卡環槽的加工卡環槽的尺寸精度要求較低，位置精度要求相對較高，故可在銷孔精鏜后采用一次車削完成。達到的精度等級為IT810，粗糙度為Ra=6.33.2m，符合其加工技術要求。斜油孔的加工斜油孔的精度要求并不高其表面粗糙度為Ra 12.5m，孔徑小于20mm，故其加工方法直接采用鉆孔來實現，精度為IT11-IT12，符合其加工技術要求。直油孔的加工與斜油孔加工方法相同環槽加工環槽位置精度要求較高，尺寸精度要求相對較低，可采用粗車精車兩道工序完成，能夠達到的精度等級為IT7IT8，粗糙度Ra=6.31.6m，符合其加工技術要求。4.3.2活塞加工階段劃分活

44、塞加工工藝過程按階段可劃分為：粗加工階段半精加工階段精加工階段光整加工階段。活塞外圓以及銷孔是活塞的重要加工面，其加工質量要求比較高，因此外圓加工時安排了粗車，精車，金剛石車三個加工階段，銷孔加工時安排了粗鏜，精鏜和滾壓三個加工階段。而其余的加工質量要求并不高，并且毛坯采用金屬型鑄造精度比較高，加工余量小，故其余工序均安排粗加工、精加工兩階段完成。各階段加工技術要求如表4-4所示：表4-3 各加工階段加工技術要求加工階段加工要求粗加工階段去除各加工表面的余量，作出精基準，此階段主要加工要求是提高生產率半精加工階段減小粗加工中留下的誤差，使加工面達到一定的精度，為下一步精加工作好準備精加工階段確

45、保零件的尺寸、形狀和位置精度達到所規定的精度要求光整加工階段為了達到零件的最終精度要求，對精度要求特別高的零件所安排的4.3.3加工工序安排及工藝規程制訂按照加工順序的選擇原則，加工工序安排如下：(1）先加工基準面，再加工其它表面。(2）先加工平面，后加工孔。(3）先加工主要表面，后加工次要表面。(4）先進行粗加工工序，后進行精加工工序。根據活塞零件加工的實際情況，本設計擬定了如下加工工藝過程：第一道工序：粗車止口，端面第二道工序：粗鏜銷孔第三道工序：粗車外圓頂面、環槽第四道工序：鉆油孔第五道工序：精車止口，打中心孔第六道工序：精切環槽第七道工序：精車外圓第八道工序：精鏜銷孔第十道工序：精車外

46、圓第十一道工序：精車頂面及倒角第十二道工序：滾壓銷孔此外，對于尺寸較大、結構較為復雜的鑄件，為了消除殘余應力，需在粗加工之前、或粗加工之后進行一次時效處理，即將活塞加熱至180200攝氏度，然后保溫68小時后，自然冷卻。鋁合金熱處理一般安排在機加工前，在機械加工前要切去冒口，然后進行時效處理，消除鑄造時因冷卻不均勻而帶來的內應力，增加活塞的強度和硬度。對于同一個工件和同樣的加工內容，有兩種不同形式的工藝規程可供選擇：一種是工序集中原則，另一種是工序分散原則。工序集中是指每個工序包括盡可能多的工步，從而使總的工序數減少，減少所需要的夾具和工件的安裝次數。而工序分散是將工步內容分散在更多的工序中完

47、成，這樣每道工序的工步較少，但其工藝路線長。這兩種工藝規程各有所長。工藝集中更有利于保證各加工面間的相互位置精度要求，可以采用高生產效率的機車，節省安裝工件的次數和時間，減少工件的搬動次數，提高生產效率，而工序分散的優點在于能夠使每個工序的設備和夾具比較簡單，調整、對刀更為容易。考慮到活塞零件的結構特點和技術要求、以及工廠機床設備、工人技術水平等條件，工序相對集中的原則更適合活塞生產。 4.3.4加工余量的確定本設計采用的加工余量確定方法為查表修正法，通過查閱簡明機械加工工藝手冊，并結合實際加工情況對各加工面的加工余量確定如表4-4所示：表4-4 各加工面加工余量加工面加工方法加工余量外圓粗車

48、精車加工粗車3.7mm，精車0.3mm端面一次性加工1.0mm止口粗車精車加工粗車1.2mm，精車0.3mm銷孔粗鏜精鏜，最終加工為滾壓粗鏜2.7mm，精鏜0.2mm，滾壓0.1mm油孔鉆削加工余量由孔徑來確定環槽粗車精車加工粗車1.2mm，精車0.3mm頂面粗車銑氣門內、外槽總加工余量為14.17mm，粗車3.17mm，粗銑總余量11.0mm卡環槽精鏜后一次車削完成總加工余量4.8mm第五章 精鏜銷孔夾具設計銷孔是多道工序施加夾緊力的部位，為使其后的工序中夾緊力能均勻分布，在精加工之前需要對活塞銷孔進行精鏜加工，來保證活塞重要表面所需要的較高的加工精度。5.1活塞銷孔夾具定位及誤差分析5.1

49、.1活塞銷孔定位方式及定位元件夾具設計時原則上一般將工藝基準作為定位基準，不論哪個基準都應符合六點定位原理。所謂六點定位原理就是采用合適的約束來消除工件的六個自由度，來實現工件的定位。根據前面制定的生產工藝，本加工工序采用活塞止口、活塞端面以及銷孔定位，為與止口相配合，采用止口盤作為定位元件。活塞之后與止口盤相接觸，限制除沿Z軸的5個自由度，然后通過銷孔實現沿Z軸的定位，從而，工件的六個自由度完全被限制，實現完全定位。5.1.2定位誤差分析與計算定位誤差主要有以下幾方面原因產生：第一，基準不重合產生的定位誤差。由于工序基準和夾具定位基準不重合，兩基準之間的位置誤差在加工過程中會反映到被加工表面

50、的。第二，間隙引起的定位誤差。在使用心軸、銷、定位套定位時，定位面與定位元件間的間隙可使工件定心不準產生定位誤差。其最大間隙為 其中 定位孔最大直徑； 定位銷最小直徑； 孔與銷之間的最小間隙；孔的公差；銷的公差；由于銷與銷孔孔之間有一定間隙，工件安裝時銷孔中心可能偏離銷中心，所偏離的最大范圍是一個以為直徑，以銷的中心為圓心的圓。若定位時始終讓工件靠緊銷的一側，即以銷的一條母線為基準來定位，此時工件的定位誤差僅為。第三，夾具設計與制造中的誤差，如：定位元件表面與定位基準面間的誤差、定位元件與對刀元件之間的誤差、定位元件與導向元件只見的誤差、夾具在機床上安裝誤差、夾緊力使工件或夾具產生變形而產生的

51、位置誤差、定位元件與定位元件間的位置誤差等。上述定位誤差的分析計算，一般是在成批大量生產中用調整法加工時，需要分析，對于具體夾具的定位誤差需要具體分析，要找出各個產生定位誤差的環節及大小，然后按照極值法或概率法求出總的定位誤差。如果采用試切法加工，一般就不作定位誤差的分析計算了。5.2 工件的夾緊裝置的設計5.2.1 夾具裝置的組成夾具體一般由中間遞力機構和夾緊機構兩部分組成。第一，中間遞力機構: 中間遞力機構是一個傳力機構，它介于夾緊元件和力源之間。其主要作用是把力源裝置的夾緊力傳遞給夾緊元件，然后由夾緊元件完成對工件的夾緊。一般遞力機構可以在傳力過程中，改變夾緊力的大小和方向。本夾具設計采

52、用一壓桿形式和拉頭的組合遞力機構。(2)夾緊機構: 夾緊元件是夾緊裝置的最終執行元件。通過它和工件受壓面的直接接觸而完成夾緊動作。本夾具的設計根據零件的特點采用螺旋式夾緊裝置。5.2.2夾緊力的確定夾緊力確定需要準確的場合 ，一般通過實驗來確定。但是，由于切削力本身是估算的，支撐件與工件之間的摩擦因數也是近似值，因此夾緊力也只能粗略估算。在計算夾緊力時，先將工件和夾具看作為一個剛性系統，以切削力的方向、大小和作用點處于對夾緊最不利的狀況作為工件的受力狀況，然后，根據夾緊力、切削力（工件重力和運動速度較大時，其重力和速度也應考慮在內），以及夾緊機構的具體尺寸，列出工件的靜力方程式，求出理論夾緊力

53、，再乘以安全系數，作為實際所需夾緊力。本方案中，夾緊機構采用螺旋式夾緊機構。活塞加工時夾緊工件的強度也不是很大，為了節約成本，夾緊裝置的動力裝置采用手動夾緊。此時夾緊力的方向也符合“夾緊力的方向應用有利于工件的準確定位，不會破壞定位”的原則。螺旋夾緊機構是夾緊機構中應用比較廣泛的一種，螺旋夾緊機構可以看作一斜契繞在圓柱體上而形成。圖5-1所示為矩形螺紋螺桿受力圖。其原始動力為，力臂為，作用力作用在螺桿上，力矩為。工件對螺桿的反作用力有垂直方向的反作用力W（等于加緊力）和摩擦力。此摩擦力作用于螺桿端面上的一環面內，可看作是集中作用于當量半徑為的圓周上，所以此摩擦力矩為。螺旋夾緊機構中螺母為固定件

54、，螺母對螺桿的作用力為垂直于螺旋面的作用力R及摩擦力，可看作為合力為。該合力可分解成螺桿的軸向分力和沿螺桿的周向分力，其中軸向分力與工件的反作用力平衡。周向力可看作為作用在螺紋中徑上，軸向力對螺桿產生的力矩為。圖5-1 螺桿受力示意圖根據機械加工工藝手冊查得螺旋夾緊機構的夾緊力的計算公式為： 其中: 夾緊力 （牛頓）； 原始作用力 （牛頓）； 作用力臂 （毫米）； 螺紋中徑 （毫米）； 螺紋升角（度）； 螺紋處磨擦角（度）； 工件與螺紋端部的摩擦角（度）； 螺紋與工件的當量摩擦半徑毫米）。本設計選用三角形螺紋，取螺紋公稱直徑為d = 10mm，中徑為d 2= 9.132，作用力臂L = 212

55、mm，原始作用力Q = 20N。其余尺寸由機械加工工藝手冊表63-5、63-6、63-7、63-8查得，并代入工公式計算可得:W = 1780N。實際生產狀況下所需要的夾緊力的計算是一個非常復雜的問題，故一般只作粗略估算。為簡化計算，在夾緊裝置計算設計時，可只考慮切削力對夾緊過程的影響，并且假定工藝系統是剛性系統，切削過程穩定不變。鏜削加工的切削力在設計手冊上沒有明確的計算公式，本工序為精鏜銷孔加工，根據切削加工余量并參照相關加工經驗，鏜削力可估算為F =520（N）。工件以平面定位，切削力與夾緊力垂直，則 ( 14 ) 其中： 實際所需夾緊力（牛頓）； 切削力（牛頓）； 夾緊元件與工件之間的摩擦因數；夾緊支撐面與工件之間的摩擦因數； 安全系數。安全系數一般可取23。一般可根據下式計算 ( 15 )其中： 一般安全系數，與工件本身性質及加工余量不均勻等引起的切削力變化有關，一般為 1.52； 加工性質系數，粗加