工艺夹具毕业设计26河南工业职业技术学院活塞加工论文

河南工业职业技术学院毕业论文 题 目： 活塞的设计 班 级： 姓 名： 专 业： 机械制造与设计 指导教师： 答辩日期： 年 月 日 编者的话 本次的设计是在我们学完了机械制造专业两年的全部课程之后，一次知识能力综合训练，也是一次全部而且全面性的针对学生所学知识的检查，通过此次设计，可以把以前所学的专业知识和基础知识有机地结合起来，以达到全面能力培养的目的。该次毕业设计的主要任务是零件 活塞的工艺设计及有关夹具设计。通过工装设计全面了解机械 加工车间的生产过程。本次设计分二个阶段： 准备阶段：通过去实习工厂考查和学习，实际调研主要了解零件加工的工艺过程，收集有关轴承座的技术资料。同时了解其功能及加工该零件所采用的方法、加工要求和所使用的机器型号、夹具、量具和刀具。通过调研对零件基本上有一个完整的认识，并达到预期的目的。 设计阶段：此阶段主在是对所搜集的技术资料来整理画出正视零件工作图。重新编制工艺过程，并设计各工序步骤中所采用的夹具。在此过程中认真查寻资料，做出设计每步均有根据确凿可信、满足所要求的技术条件。在较短的时间内圆满完成学校下 达的任务。 总之通过这次设计，又让我领略到掌握知识与运用知识的重要性。由于设计任务较繁重、时间 仓促、资料不全、本人水平有限。设计过程中存在问题在所难免，请各位老 师指出。 摘要 铝合金的突出优点是密度小，可大大减少活塞的质量及往复运动的惯性力，因此铝合金活塞常常应用于中、小缸径的中、高速内燃机上，尤其以汽车发动机中居多。在同样强度的情况下，它比钢铁材料轻许多。因此，采用铝合金制作的活塞工作过程中产生的惯性小，对高速内燃机的减振和降低内燃机的比质量有着重要的意义。此外，质量较低的铝合金活塞运动时，对缸壁的侧压力 和冲击力也较小，这样可以减小活塞组与缸壁以及活塞销的摩擦力，并降低它们的磨损量。铝合金的另外一个优点是导热性好，工作时，活塞表面温度比铸铁的 低，而且活塞顶部的积炭也较少。现代内燃机尤其是柴油机，为了大幅度地提高其热效率，增压程度不断地提高，这使得气缸内部的热负荷明显增大。这使铝合金活塞本身所固有的热强度不高、线膨胀系数较大的缺点越来越严重，铝合金活塞在柴油机上的使用范围受到明显的限制。为此，在一些大负荷的柴油机上，开始采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较低的铸铁活塞。铸铁的密度约为铝合金的 3 倍。与铝合金相 比，它有较低的热膨胀系数及较高的高温力学性能。活塞重量的增加至少可以部分补偿为铸铁活塞显著提高的热强度，热强度的提高可以容许更小的截面积。铸钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞体断面很薄。由于省去了大量的材料，整个活塞的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝合金活塞约轻30%，具有实际应用价值。制造工艺上，需要设 计好铸造工艺，以使得活塞体中较薄的截面都能准确铸成且成品率较高，同时变形小。 关键词： 铝合金活塞 铸铁活塞 铸钢活塞 绪论： 一 、本课题的来源、目的及意义 活塞是发动机作功的关键零件，通过活塞的往复运动，完成发动机的进气、压缩、膨胀作功和排气过程。它是承受发动机燃烧室点火燃烧产生爆发力的主要零件，同时还需要承受自身和其他运动件的惯性力。活塞在发动机运转中要随燃烧室中产生的高温，并将其一部分热量通过活塞传到气缸等部件。活塞还是一个密封导向的零件，密封燃气，保持活塞和气缸之间的润滑，防止窜机油。 由于活塞的 工作条件十分严酷，活塞在发动机内装配、试验、使用、维修中会产生各种故障，由于各种不同的原因，产生的故障现象也不一样，其主要的故障类型如下： 1、活塞头部故障：凡活塞头部产生烧损、裂纹、变形和穿孔均属于头部故障类型，此类故障均为活塞头部温度过高所致。摩托车用的二冲程汽油机因热负荷较高，产生本类型故障的机率较多。 2、裙部故障：活塞裙部产生拉伤、裂纹、非正常磨损属此类型。本类型故障原因有多种因素，是常见的故障类型。 3、销孔销座故障：销孔拉伤、挤压变形，卡簧槽失效等属此类型。 4、环岸环槽故障：环岸、环槽裂纹、 烧损、拉伤变形属此类型，一般也是温度过高所致。 活塞的各种故障中占首位的故障是活塞过热造成的故障。活塞在发动机中连续受高温火焰的冲刷，活塞顶部中心的温度可达到 300 320 ，若活塞的热量不能及时由活塞环和活塞裙部散出，顶部温度超过 350 时，顶部热变形加大，热强度下降，使顶部产生变形、裂纹、甚至穿孔，环岸部分也会拉伤，甚至销孔也会产生拉伤。 活塞裙部的冷拉伤常见于发动机的装配试车和使用中，使活塞早期损伤造成试验和使用中其他活塞故障。气缸间隙不当，活塞外型线不合适，活塞热稳定性不良均会造成裙部位伤。 1、 提高活塞的高温强度和热稳定性为适应汽油机不断强化的要求，必须不断改善活塞材料的性能，选择共晶或过共晶铝合金和改善铸造工艺，以获得较好的高温强度和热稳定性。 2、提高活塞表面抗咬合能力和耐磨性，这是防止活塞早期损伤和提高使用寿命的关键。采用裙部表面硬质阳极氧化处理，是较好的技术措施。氧化层是多孔型的，有利于储油、润滑。 3、在结构允许的条件下，降低活塞高度尺寸、减轻活塞重量。活塞是一薄壁弹性圆筒零件，裙部厚度已在 1.5 2.5mm，减轻重量可减少活塞的惯性力，可提高发动机转速。 4、活塞在设计中应减少销座附近 的壁厚，可减少疏松和缩孔，按有利于出模进行设计。若有条件采用液体锻造技术时，可大大提高活塞的材料性能。 5、活塞设计 CAD 化，发展活塞的温度场、强度、刚度的有限元计算，以减轻活塞质量、结构合理化。 6、新型材料和其它新工艺在活塞的应用 二、课题背景及国内外研究现状 陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度大等优点。活塞陶瓷化的主要优点有：可实现部分或全绝热，从而取消冷却系统并且回收废气能量以降低油耗；降低高强化柴油机活塞的温度，特别是环槽的温度；改善排放。全陶瓷活塞目前还无 成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。活塞的陶瓷化大致有两种方式，一种是采用陶瓷镶块，材料有钛酸铝和氧化锆，以及反应烧结氮化硅等，另一种方法是采用陶瓷涂层，常用材料为氧化锆。据报道日本已开发出陶瓷涂层和双层陶瓷结构活塞，美国福待公司等还试验过全陶瓷活塞，取消了活塞环与陶瓷气缸套配对在无润滑条件下工作。由于陶瓷的脆性，复杂的制造技术和高成本，要使陶瓷活塞大规模地应用于内燃机，还需要做许多工作。 以轻金属为基体的复合材料除了具有基体金属的性能外，还具有更突出的优点，主要表现在复合 材料重量轻、动载荷小、耐磨性好，与基体合金相比其高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。这些无疑对提高活塞使用寿命、降低油耗和废气排放量、提高发动机功率都具有极其重要的意义，因此受到了各国的重视。自二十世纪六十年代开始，世界各国都对轻金属基复合材料进行了广泛的研究，并取得了可喜的成果。活塞是最早应用铝基复合材料的汽车零件。为满足高速发动机的需要，上世纪 70 年代末，日本 ArtMetal 公司和丰田汽车公司着手研制氧化铝短纤维局部增强铝活塞，用以代替传统的普通铝活塞。 1982 年，这种铝基复合材料活 塞获得成功并用于丰田汽车上。经氧化铝短纤维增强后，活塞环槽区的耐磨性明显改善，高温强度、热稳定性明显提高，抗咬合性和导热性好，而且膨胀系数比普通铝活塞低 8% 15%，可减小汽缸间隙，降低噪声水平。氧化铝短纤维局部增强铝活塞还能减小活塞顶部燃烧室表面边缘的开裂倾向，从而改善了高性能高速柴油机活塞的可靠性。 ArtMetal 公司安装了专门加工这种活塞的设备，活塞直径最大可达 200mm。 1985 年这种活塞的日产量已达 10 万件；到 1986 年初，累计已生产了 20 多万件，主要用于 8 种系列的丰田车用柴油机上。由于上述优异性 能，装有复合材料活塞的丰田汽车的大修里程可延长到 30 万 km，发动机的输出功率可提高 5%，而且燃油和润滑油的消耗均得到改善。丰田汽车公司打算开发一系列这种活塞，现已开发了多种系列的氧化铝短纤维增强铝活塞。此外，碳纤维、钛酸钾晶增强铝基复合材料活塞正在开发之中。 欧美国家也在研究和开发铝基复合材料活塞。美国也已试制出氧化铝短纤维增强铝合金活塞，并有了这方面的专利，除了用氧经铝纤维局部增强活塞的第一道环槽外，活塞的整个冠部也可用氧化铝纤维增强，活塞冠部的耐热性进一步提高，发动机的性能和燃烧效率也可显著改善。 英国在金属基复合材料活塞的研制上亦做了许多工作，旨在开发这种材料在高性能内燃机的应用。 1984 年，英国AE 公司就推出了陶瓷纤维增强铝活塞的样品，后来又有了用氧化铝纤维增强铝合金制造内燃机活塞的专利。 国内一些高校和研究单位也在开展这方面的研究工作。据介绍，东南大学推出的陶瓷纤维增强复合材料铝活塞已在汽车发动机、大马力柴油机上得到应用，可使活塞使用寿命提高 3 5 倍，并提高发动机功率，减少燃油消耗和废气排放。与普通铝合金相比，高温抗拉强度提高 20%40%，线膨胀数降低 20%。 。 三、本课题研究的主要内容 21 世纪对内燃机的要求是大功率、低油耗、低排放和长寿命，活塞质量的好坏直接影响到内燃机的工作质量。活塞材料的密度是高速内燃机选择的重要指标，此外还要求机械制造工艺简单且成本低。目前高速内燃机活塞材料主要是铝合金，对于转速低一些，热负荷又比较大的柴油机，部分活塞的材料则选择了铸铁，另外国外还有采用钢材来制造活塞。随着未来大功率、中高速、小型化内燃机需求的不断增长，活塞的工作环境将变得更加恶劣，势必对活塞材料提出更苛刻的要求。铝基复合材料因其优异的性能特点，作为新型活塞材料，已在发动机行业得到应用，并开始进入 产业化生产规模。随着复合材料技术的日益成熟及成 本的不断下降，复合材料定将会取代当前使用的传统活塞材料。 零件的分析 一 活塞的工作特点及结构特点 在发动机气缸内 ,活塞在一段时间内起着压缩气体的作用 ,在另一段时间内 ,气缸内的混合气体 燃烧膨胀 ,活塞又要承受高温气体的压力 ,并把这个压力经过活塞销 ,连杆传给曲轴 ,此外 ,活塞还起着吸入气体和排除废气的作用。因此，活塞工作的特点是：在高温高压下作长时间连续变负荷的往复直线运动。活塞的工作特点就要适应这样的工作条件。 图 1 表示一个铝活塞。 平面 1 表示活塞的顶面。它承受着气 体的压力，并受到高温气体的直接作用。四个环形的槽 2 称为环槽。其中靠近顶面的三个环槽称为气环槽。在气环槽中放置有弹性的活塞环，用以密封活塞顶面上部的燃烧室。离顶面最远 一个环槽称为油环槽。早油环槽中放置油环（或称刮油环），后者把飞溅到气缸套内壁上的多余润滑油刮掉，使油从 油环 槽 的小孔 8 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。没有环槽的部分 5 称为活塞裙部 ， 活塞裙部在活塞工作过程中起导向作用 ， 它包括装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。裙部的长短取决于侧压力的大小 和活塞直径。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力，所以，作功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。 活塞中间的贯穿孔 7 称为活塞销孔。活塞销孔的两端面有锁环槽 6。图中之 8 是一个短圆柱面和圆锥面的组合，通常称为止口。它是专门为加工活塞而设置的辅助精基面。在结构上和功能上没有任何作用。 活塞在工作过程中将产生受 力变形和热变形。活塞顶面在气体的作用下将产生如图 2(a)所视的变形。由于金属分布不均匀，在活塞销轴线方向的变形量比垂直于该方向的变形量为大。同时活塞顶面与高温的燃烧气体接触，使活塞的温度升高，产生热膨胀。由于四周上金属分布不均匀，销孔的轴心线方向的金属厚，45312678图1热膨胀量大；而在垂直于轴心线的方向上，热膨胀量较小。如果裙部原来是圆形的，热膨胀后就变成椭圆。如图 2（ b)表示。所以无论是受力变形或热变形都使原来是圆柱形的裙部变成椭圆形，椭圆的长轴在活塞销孔的轴心线方向上。这样，必然使活塞与气缸套的间隙不均匀地减小甚至消 失，以至于发生强烈的磨损甚至咬住。 为了补偿上述变形，把活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆的长轴在垂直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快凹坑，增加裙部与气缸内壁的间隙。椭圆度的大小随活塞的型号而不同。在解放牌活塞上，椭圆度为0.08 0.13毫米。 图 2 此外，活塞工作时，顶面和高温气体直接接触，热量由上面传到下面，上面的温度高，热膨胀量大；下面的温度低，热膨胀量小。为了补偿 这种不均匀的热变形，故意把活塞头部的外径设计得比外径小，同时活塞裙部也设计成上小下大的锥形。解放牌活塞 裙部的锥度是 0.03 0.06 毫米。 为了进一步减少向下传导的热量，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（横向槽亦有这一作用）。 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，应使活塞销孔 及 连杆小头衬套孔中能自由转动，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，在锁环槽中装锁环。 活塞 结构特点： 预先做成椭圆形 为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。 这样，如果活塞 冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。 活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形、锥形。 为了减小活塞裙部的受热量，通常在裙部开横向的隔热槽，为了补偿裙部受热后的 变形量，裙部开有纵向的膨胀槽。槽的形状有 T形或 形槽。横槽一般开在最下一道环槽的下面，裙部上边缘销座的两侧 (也有开在油环槽之中的 )，以减小头部热量向裙部传递，故称为隔热槽。竖槽会使裙部具有一定的弹性，从而使活塞装配时与气缸间具有尽可能小的间隙，而在热态时又具有补偿作用，不致造成活塞在气缸中卡死，故将竖槽称为膨胀槽。裙部开竖槽后，会使其开槽的一侧刚度变小，在装配时应使其位于作功行程中承受侧压力较小的一侧。柴油机活塞受力大，裙部一般不开槽 。 有些活塞为了减轻重量，在裙部开孔或把裙部不受侧压力的两边切去 一部分，以减小惯性力，减小销座附近的热变形量，形成拖板式活塞或短活塞，拖板式结构裙部弹性好，质量小，活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速发动机。 为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。恒范钢片式活塞的结构特点是，由于恒范钢为含镍 33% 36%的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的 1/10，而销座通过恒范钢片与裙部相连，牵制了裙部的热膨胀变形量。 有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的，向作功行程中受主侧压力的一方偏移了 1 2mm。这种结构可使活塞在 从压缩行程到作功行程中较为柔和地从压向气缸的一面过渡到压向气缸的另一面，以减小敲缸的声音。在安装时，这种活塞销偏置的方向不能装反，否则换向敲击力会增大，使裙部受损 。 二活塞主要技术条件的分析 对于铝活塞的技术条件，已 由国家科委制定了国家标准，对于各部分的尺寸精度，几何形状精度，相对位置精度和表面光洁度都作了详细的规定。现摘要说明如下： 1.活塞裙部外圆要求与气缸很精密地配合，所以尺寸精度通常为 2级， 对于高速内燃机的活塞甚至要求是 1级精度。为了减少机械加工的困难，将活塞裙部和气缸套孔直径的制造公差均放大三倍 。装配时，将活塞按裙部尺寸，气缸套接孔径尺寸个分为三组，将对应的组进行装配（这种方法称为分组装配法），以保证达到要求的设计间隙。裙部的椭圆度和锥度允差一般都在 分 组的尺寸公差范围内。活塞裙部外圆的光洁度不低于 8。 2.对于浮动式的活塞销孔，为了使活塞销在工作温度下能在孔中自由转动，销孔尺寸要求 1级以上的精度。为了减少机械加工劳动量，活塞销孔和活塞销的装配也采用分组装配法。对于销孔直径 50 毫米的情况，销孔的椭圆读和锥度应不大于 0.003 毫米，光洁度为 10。目 前暂时按 0.050.0828 ， 8 制造，以便在装配时用铰刀精铰。 3活塞销孔的相对位置精度也有一定的要求，主要是： 销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比，即影响到发动机的效率，所以必须控制在一定的范围内。对于解放牌活塞，这一距离规定为 56 0.08 毫米。 销孔轴心线对裙部轴心线的不垂直度直接影响活塞销，活塞销杆和连杆的受力情况，不垂直度过大将使活塞销，活塞销孔和连杆单侧受力，活塞在气缸中亦倾斜，加剧了磨损。对于解放牌活塞， 这一不垂直度在 100毫米长度内允差0.035毫米 。 销孔轴心线 对裙部轴心线 的不相交度亦影响活塞在气缸套中 的倾斜情况，影响磨损。对于解放牌活塞，规定不相交度不大于 0.10毫米。 4为了使活塞环能随气缸套孔径大小的变化而自由地胀缩，对活塞环槽作以下规定： 环槽两侧对裙部轴心线的不垂直度在 25 毫米长度上不大于 0.07 毫米； 环槽两侧面对裙部轴心线的跳动量不大于 0.05毫米； 环槽宽度的尺寸精度在 0.02 0.04 毫米左右； 环槽两侧面的光洁度不低于 8。 5为了保证发动机的运转平稳，同一发动机中个活塞的重量不应相差很大。对于解放 牌活塞，重量相差不应大雨 8 克。因此活塞应按重量分组装配。 三活塞的材料及毛坯制造 在汽油发动机和高速柴油机中，为了减少往复直线运动的惯性的作用，都采用了铜硅铝合金作为活塞材料。它的化学成分是 Si46%;Cu58%;Mg0.20.5%;Fe 1%;其余是 Al 。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。在汽车拖拉机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性，又不 至于引起混合气体自然，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； 4可以得到精确的毛坯。 但它亦有一些缺点： 1 材料价格比较贵； 2 热膨胀系数大，约为铸铁（机体和气缸套的材料）的两倍； 3 机械强度及耐磨性差 。 但是，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。 铝活塞毛坯采用金属模浇铸。毛坯的精度较高，活塞销孔也能铸出，因此机械加工余量可以响应地减少。 铝活塞毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力。时效处理是将活塞加 热至 180 200，保温 6 8个小时后，自然冷却。活塞经过时效处理后还能增加强度和硬度。 四铝活塞的机械加工工艺过程 表 1是某汽车配件厂用于加工解放牌活塞 所采用的机械加工工艺过程。 整个工艺过程分为粗加工和精加工两个阶段。在精加工之前设有休整和加工辅助基准的工艺。 该厂的活塞年产量为 25 30 万个，属于大批大量生产。厂中成立了专用的生产流水线。流水线中有专用机床，亦有经过改装的通用机床，并采用了大量的专用工夹具保证，不依靠工人的技术水平，因此机床和工夹具都应精确调整。 五铝活塞机械加工工艺过程的分析 1定位基面的选择和加工 活塞是一个薄壁零件，在外力作用下很容易产生变形。活塞主要表面的尺寸精度和相互位置精度的要求都很高，因此希望以一个统一基面定位来加工这些要求高的表面。目前生产活塞的工厂大多采用止口和端面作为粗加工的统一基准；在精加工时，精车外圆和精磨外圆两工序中用止口处的锥面和顶面上的中心孔定位，其余工序亦采用止口和端面定位。 采用止口和端面（或锥面和中心孔）作为基面有下列优点； 用这种定位方法可以加工裙部 、头部、顶面、销孔等主要表面级其他次要表面。而且在工序 6中，在一次安装中可以车削外圆、顶面、 环槽，既提高了生产率，又能保证这些面的相互位置精度。 活塞裙部在半径方向容易产生变形。而利用止口和端面（或锥面和中心孔）定位可以沿活塞轴向夹紧，就不致引起严重的变形，从而可以进行多刀切削。 当然采用这种定位方法也有不足之处： 要加工一些本来不需要加工的地方，而且精度要求较高，还要经过第二次休整和加工。 在活塞技术要求中，环槽、销孔等精度位置精度都是对裙部外圆的轴心线而言的。现在加工时用止口定位，止口对裙部外圆的不同轴度就要影响环槽、销孔的位置精度， 增加了精切面的工序（切去中心孔）。 这些都需要增加 设备、工时等。但是从保证加工质量这方面 看来，利用统一基准的优点超过缺点，所以这种定位方式得到广泛的应用。 止口和端面的加工： 在装夹时用外圆和顶面定位。由于工件还是毛坯表面，用一般的三爪卡盘夹持不够牢固，所以故意把卡爪加长（厂中称为长三爪卡盘），以避免工件在切削力作用下产生倾斜。用这种方法装夹工件对夹具的要求比较简单，但有一个问题必须注意，即外圆和毛坯内孔的同轴度问题。很明显，如毛坯的外圆和内壁有较大的不同轴度，用外圆定位加工出的止口就与外圆同轴，而与内壁不同轴，以后再用止口定位加工外圆 ，内外表面仍不同轴，造成壁厚差。但是，由于铝活塞是用金属模浇铸的，毛坯精度较高，内外毛坯表面的不同轴度较小，因而可以采用外圆定位的方法。采用外圆定位车止口的方法，基本上能保证技术条件规定的壁厚差小于 0.4 0.9 毫米的要求。但是比较合理的方法应该是用内表面定位加工止口，使止口与表面同心；然后用止口定位加工外圆，从而保证活塞有较小的壁厚差。 在进行各主要表面的精加工前，必须对基面再进行一次精加工（工序 9，精车止口，打中心孔）。因为在粗加工时，金属切除余量比较大，切削力也比较大，基面的精度有可能被破坏（这一点虽 然对铝活塞更为突出，但对精度要求 高的钢制工件，亦是应该注意的一个问题）。基面再进行一次精加工可以提高基面本身的精度。由于外圆已加工过，切切削用量不大，所以可以用普通的三爪卡盘定位夹紧。在车床空心主轴中装有能轴向移动的发中心钻（用于钻反转工件用的中心钻）。用来在精车止口、端面、锥面的同时在顶面的搭子上打中心孔，保证了这些表面的相对位置精度（同轴度和垂直度）。 2环槽的加工 如前所述，在技术条件中对环槽侧面的垂直度、跳动量、光洁度和槽宽尺寸精度都有较高的要求，因此环槽加工是活塞加工中重要工序之一。 环槽的宽度 决定于切槽刀厚度；槽间的距离决定于夹板厚度。环槽刀的形状见图 3。为了保证槽宽的尺寸精度，必须将切槽刀的宽度严格控制在 0.005毫米以内。为了保证槽间的距离，切槽刀和夹板两侧都在平面磨床上磨到 8，使两侧面互相平行，且夹板的厚度偏差限制在 0.01 毫米以内。 为了保证槽的侧面与裙部的轴心线垂直，除了刀架溜板的运动方向与活塞的轴心线垂直之外（这需要有机床制造精度、夹具制造及调整精度、工件制造精度等来保证），还必须将切槽刀安装得与活塞裙部轴心线垂直，也就是必须使刀架上安装刀具的侧向基面与车床的回转轴心线垂直。为此， 在安装刀具前，先用千分表对侧向基面进行找正。在刀架前后移动时，其误差应在 0.01 毫米以内。 切图3槽刀的伸出长度是用样件调整的，即在安装工件的位置上安装上样件。样件的形状与工件相似，环槽深度已加工到需要的尺寸，而环槽的宽度略宽。根据样件上各环槽的深度，调整各把环槽刀的伸出长度。在切削环槽的工序中，由于切槽刀在 X方向的刚性较差，端面到环槽的距离在加工过程中不可避免要有误差，常会使切槽刀两侧面的余量不均匀，因而两侧面的切削力也不相等。这就会使刀具在切削过程中产生弯曲，影响尺寸精度和相对位置精度，解决的办法是增加环槽的切削次数。由粗切、精切各一次，改为粗切、精切各两次。每次精切余量为 0.20毫米（改变切槽刀的宽度）。 影响环槽侧面光洁度的主要因素是切槽刀侧面和刃口的光洁度。解决这一问题有两个措施：一是刀具在精磨以后，再用钻石粉进行研磨，使刀刃的光洁度在 9以上；二是在刀刃部分磨出一条棱边，宽 0.2 0.4毫米，后角为 0（见图3）。在切削过程中，这条棱边还有压光作用，使环槽侧面的光洁度得以提高。 3裙部外圆的精加工 对于裙部截面形状是椭圆的铝活塞，裙部外圆的精加工目前一般采用磨削的方法；对于椭圆度较大的情况，则是在靠 模车削后在磨削，以减少磨削的余量。由于解放牌活塞的尺寸不大，椭圆度也不大，所以采用一次磨出的方法。要在磨削中得到椭圆形的外圆表面，除了工件 和砂轮作旋转运动外，还需要工件相 对与砂轮作附加的往复运动。当活塞销孔轴心线在垂直位置时， 活塞的轴心应在椭圆的中心， 这时砂轮离活塞轴心最远，磨出椭圆的长轴。在活塞继续转动时，活塞的轴心应按椭圆半径的变化规律向砂轮移动。直至活塞销孔中心线转过 90，即磨出椭圆的短轴。活塞继续旋转，活塞的轴心线应逐渐离开砂轮。直至活塞转过 180时，活塞的轴心有回到了椭圆的中心。 如此反复循环， 即能磨出整个椭圆。可以看出，活塞转一转，活塞的轴心应往复移动两次，移动量等于椭圆长轴与短轴之差的一半。 4活塞销孔的加工 铝活塞的销孔一般都铸出锥形孔（便于脱模）。由于销孔是许多工序施加压力的部位 ，所以粗镗销孔工序直接安排在粗车止口工序之后，粗车外径、顶面、环槽工序之前，以便夹紧力能较均匀地分布，而不至于压坏销孔所在的搭子。 精镗销孔是活塞加工中保持精度的关键工序之一。由于销孔的尺寸精度、几何形状精度、相对位置精度和光洁度的要求都很高，用一般的机床加工往往由于主轴旋转轴心线不稳定（即主轴旋转精度不高）而达 不到要求。即采用一般认为机床刚性好、主轴回转精度高的金刚镗床，有时也会因为机床主轴轴承精度的降低而达不到要求。再加上金刚镗床的价格昂贵，使用成本很高。因此需要 用到精镗销孔的 专用镗床 。这种镗床的特点是：结构简单，主轴旋转精度很高，满足了活塞生产的需要。它的主轴轴承是整体式的滑动轴承，轴套与轴颈的配合间隙很小（仅 0 5 毫米）。在常温下，由于间隙太小，主轴不能转动。在主轴箱内充满了润滑油，在油中放入电热板。在开动机床前，将润换油加热到 70 80。由于轴套和主轴的材料不同，它们的热膨胀系数亦不同（铜的热膨胀系数 比钢大一倍），因此轴套和主轴轴颈之间产生了足够的间隙，主轴可以旋转。由于主轴轴颈经过精细的磨削和研磨，轴套又经过仔细的配刮，从而保证主轴轴颈和轴套之间的间隙小而且均匀，因此主轴有很高的旋转精度。 前面已经讲过，销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比，所以镗活塞销孔最好是以顶面定位。但是在目前的工艺过程中是一止口和端面定位的。这亦是工艺基准与设计基准不重合的一个例子，因此对于工序中所用的一些尺寸要经过尺寸换算。 精镗销孔工序实际保证的尺寸是销孔直径和销孔轴心线到端面的距离。但是最后一尺寸是无法直接测量的，一般 都要通过销孔上母线到端面的距离来控制。因此在工序简图中标注了 0.050.0828 和 6 3 .5 0 .0 2 5 两个尺寸。同样，销孔轴心线到顶面的距离亦不能直接测量，而要在精车工序中通过 106、 63.5及 28 三个尺寸来间接获得。现在要重新规定活塞高度的公差。 作尺寸链图（图 4），其中 0 . 0 5 0 . 2 0 51 0 . 0 8 0 . 0 4 01 ( 2 8 ) 1 02A ；2 6 3 .5 0 .0 2 5A ； 3 106A （尺寸待定）；4 56 0.08A 。 首先，1 2 3 4A A A A、 、 、形成一个封闭的尺寸链，其中4A是封闭链，2A是减环，13AA、是增环。列出尺寸链方程式： 4maxA=1maxA+3maxA-2maxA； 4minA=1minA+3minA-2minA。 图4带入相应数值后得到： 0.4203 0.515106A 很明显，活塞的高度应该是 0.4203 0.515106A 毫米，而不是工作图上规定的 00.8706毫米。按后一个尺寸制造活塞，将产生大量的废品。工序图上规定的 0.430.51106毫米在上述公差范围内，符合设计的要求。 由上述可知：由于工艺基准和设计基准不冲和，非但尺寸要进行换算，而且有时还需要提高某些工序的加工要求。 六活塞的检验 为了保证活塞达到规定的技术条件，必须在加工中及加工完毕后进行技术检查。最后检查的项目有： 检查外观和光洁度； 检查活塞销孔的尺寸及几何形状偏差； 检查裙部的椭圆度和锥度，按裙部椭圆的长轴分组； 检查环槽宽度、底径、环槽侧面的不垂直度和跳动量； 检查销孔轴心线对裙部轴心线的不垂直度和不相交度，销孔轴心线到顶面的距离； 称活塞的重量，并按重量分组。 七 基本 工时计算； 工序 5： 所选刀具为 YT5 硬质合金，直径为 1mm 的圆形镗刀； 确定切削深度pa2 7 2 4 1 . 52pa m m 确定切削进给 f 根据表 11.5 ，当粗镗铜铝合金，镗刀直径为 10mm ，pa 2 mm ，镗刀审出长度为 100 mm 时 f=0.15 0.30mm /r 按 C620-1 机床的进给量（表 4.2-9 2) 选择 F=0.20mm /r 确定切削速度 v 按表 21 27 的计算公式确定 v= vvr vxympC kT a f式中rC=2.91， m=0.2，vx=0.15，vy=0.2， T=60min, vk=0.9 0.8 0.65=0.468 则0 . 2 0 . 1 5 0 . 2291v = 0 . 4 6 8 / m i n 7 8 / m i n6 0 1 . 5 0 . 2 m m m 1 0 0 0 1 0 0 0 7 8 / m i n 9 2 0 / m i n27vn r rD 按 C620- 21 机床上的转速选择 7 6 0 / m innr 确定粗镗 00.0527 mm 孔的基本时间，选镗刀的主偏角 45rx o按表 26.2 1 的计算公式，1 2 3j l l l lLT fn fn 1 2 31 . 5 , 1 0 4 , 4 , 0 ,l m m l m m l m m l 则0 . 2 / , 1f m m s i 1 2 3 1 0 4 3 . 5 40 . 2 6 . 1 7j l l l lLT f n f n =90s 则工序的基本时间为jT=90s 根据有关书籍的阐述，辅助时间fT与基本时间jT之间的关系为fT=（ 0.150.2）jT即fT=0.2jT，则此工序的辅助时间为fT=0.2 90s =18s 其它时间bxTT=（ 90+18） 6%=6s 则此工序所用时间djT=90+18+6=114s 工序 12： 所选刀具为 YT30 硬质合金，主偏角 45rK o，直径为 10mm 的圆形镗刀，其耐用度 T=60min 确定切削深度papa= 2 8 2 7 0 .52 mm 确定切削进给 f=0.4 /mm r 确定切削速度 v v= vvr vxympC kT a f0 . 2 0 . 1 5 0 . 2291v = 0 . 9 1 . 4 2 1 5 / m i n6 0 0 . 5 0 . 4 mm 1 0 0 0 1 0 0 0 2 1 5 / m i n 2 4 4 5 / m i n28vn r rD 根据 T612 镗床的转速表（表 4.2-20 2) 选择 1 2 0 0 / m i n 2 0 /n r r s 实际切削速度 r =4.98 /ms 精镗 28mm 孔的基本时间为1 2 3j l l l lLT fn fn 1 2 31 . 5 , 1 0 4 , 4 , 0 ,l m m l m m l m m l 则0 . 2 / , 1f m m s i 1 2 3 1 0 4 3 . 5 4 140 . 2 2 0j l l l lLTsf n f n 则工序的基本时间为jT=14s 根据有关书籍的阐述，辅助时间fT与基本时间jT之间的关系为fT=（ 0.150.2）jT即fT=0.2jT，则此工序的辅助时间为fT=0.2 14s =3s 其它时间bxTT=（ 14+3） 6%=1s 则此工序所用时间djT=14+3+1=18s 八夹具设计 图 5 为用活塞顶面和头部外圆作为定位基面的夹 具简图 图中处于与水平线成 45角位置的两个定位销 1（相当于组成一个 V 型块）与活塞的顶面和头部外圆消除五个自由度，为了避免夹紧力引起活塞变形，压紧螺杆所产生的压紧力通过压块 2 作用在活塞顶部的内壁。这种定位方式与用端面和止口定位比较起来，有利于达到 56 0.08 毫米，因为它使轴向尺寸的工艺基准与设计基准重合。 本文总结 发动机 是汽车的心脏，材料是发动机质量的关键所在，在环保意识日益增强的今天，用新材料来提高发动机的效率、降低排放并提高使用寿命具有重要的社会意义和经济意义。现代柴油机采用增压、强化技术后，原有铝合金活塞难以满足材料需求，用复合材料活塞代替普通铝合金活塞已成为发动机行业的趋势。日本、美国、德国等国的发动机生产厂家都在大力研究和推广应用。短纤维混杂增强铝合金复合材料活塞是我单位最近开发的高新技术产品，适用于大功率、高效压紧力定位销1压块2图5发动机。该技术采用挤压铸造技术，将铝合金液渗入 AL2O3 陶瓷短纤维等混杂预制件中，在活塞顶至第一环槽部 进行复合材料强化，制成局部强化铝合金复合材料活塞，大大提高了活塞第一环槽周围的硬度及耐磨性，最终达到提高活塞使用寿命的目的。可应用于柴油发动机活塞、各种汽车、船、摩托车等用发动机活塞的制造。与普通活塞相比，该活塞具有以下优点： 1、重量较轻，密度为 2.8g cm。左右； 2、耐磨性能比铝合金活塞高 7080； 3、热膨胀系数低，耐热疲劳性好，发动机效率高，减少装配间隙，降低运行噪音、燃油消耗和废气排放； 4、不仅第一环槽部位可被增强，活塞顶部包括燃烧室也可以根据需要进行增强 ； 5、增强纤维含量及种类可根据需要调整，从而使活塞的加工性及耐磨性可调； 6、工艺易实现机械化，可在基本上不改变原来的活塞生产工艺的情况下组织生产，投资少。 7、与普通铝合金相比，高温抗拉强度提高 20-40，耐磨性提高 3-5 倍，热膨胀系数降低 20。 将来展望 目前，内燃机工业 “ 十一五 ” 规划已正式上交国家有关部门审批，活塞行业作为内燃机工业一个重要组成部分，内燃机 “ 十一五 ” 规划将对活塞行业