活塞加工及金属模设计—毕业设计

1、中南大学 2009届毕业“论文”设计题 目: 活塞加工及金属模设计 学 院： 铁道学院 专 业： 机械设计及自动化 姓 名： 班 级： 指导教师： 设计地点： 中南大学 起止日期： 2011年1月20日2011年5月5日 目 录l 摘要 4l abstract 5l 第一章 活塞的结构 61.1活塞的结构 6 1.2活塞的主体构成 71.21顶部 71.22环槽部. 81.23裙部 81.24活塞销座 81.3活塞的结构特点 9 1.4活塞的技术要求 10l 第二章 活塞的加工设计 112.1铝合金活塞的加工工序 112.2活塞的裙部加工 122.3活塞销孔加工 122.4活塞的检验 142.

2、41活塞的终检项目 142.42裙部直径和椭圆度的检验 152.43销孔与裙部中心偏移量的检验 152.44销孔与裙部中心线垂直度的检验 152.45销孔直径检验 152.46环槽上、下表面的平面度误差 152.47活塞上、下边缘及环岸、活塞环之间的关系 16l 第三章 活塞的铸造方式 173.1铸造方式的比较 173.2铝合金的铸造方式 18l 第四章 金属型的设计及制造 194.1冒口的设计 194.11冒口的形式与种类 194.12冒口尺寸的确定 204.2浇注系统的设计 214.3金属型分型面的选择 234.4金属型的结构设计 24l 第五章 金属型型芯和型腔的设计 285.1型腔的设

3、计 295.2型芯的设计 32 5.3活塞模具制作的其他方法 33 全文总结 34 致谢 35参考文献 36 摘 要汽车发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。油气燃烧所产生的热由活塞的顶部所吸收，并传至气缸壁，而燃烧后气体膨胀所产生的力量也必须经由活塞来吸收，活塞会把燃烧气体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆的作用将活塞的线性往复运动转换曲轴的旋转运动。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。活塞在高温

4、、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞在气缸内以很高的速度往复运动,且速度在不断地变化,这就产生了很大的惯性力,使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。现代的活塞设计主要有铸造和锻造两种，而铸造又比锻造简单便宜，但却不及锻造活塞能承受较大的热度和压力。由于活塞与活塞环都必须在高温、高压、高速及临界润滑的状态下工作，因此长期以来，发动机设计者都为提供一个最佳的设计而不断努力，进而可以从活塞方面来提高引擎的性能。关键词：活塞 气缸盖 燃烧室 曲轴 惯性力 附加载荷 abstractthe piston of

5、 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 pass motive so

6、ng 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 will chase combu

7、stion 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 to order abo

8、ut 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 constantly var

9、iety, 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 the dint, be

10、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 wreaths have to wo

11、rk 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 cylinder covers b

12、urnable room song stalk inertial dint additional carry a lotus第一章活塞的结构1.1活塞的结构汽车发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。油气燃烧所产生的热由活塞的顶部所吸收，并传至气缸壁，而燃烧后气体膨胀所产生的力量也必须经由活塞来吸收，活塞会把燃烧气体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆的作用将活塞的线性往复运动转换曲轴的旋转运动。 活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转

13、，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。 活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500k以上，因此，受热严重，而散热条件 又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600700k,且温度分布很不均匀.活塞顶部承受气体压力很大,特别是做功行程压力最大,汽油机高达35mpa,柴油机高达69mpa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用。活塞在气缸内以很高的速度（812m/s）往复运动,且速度在不断地变化,这就产生了很大的惯性力,使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。现代

14、的活塞设计主要有铸造和锻造两种，而铸造又比锻造简单便宜，但却不及锻造活塞能承受较大的热度和压力。通常在设计锻造活塞时，都会同时利用改变活塞顶部的形状来达到提高压缩比的目的，但问题是选择锻造活塞时 多少的压缩比才是适当的。以汽油引擎来说，压缩比超过 12.5:1 时燃烧效率就不容易再提升。利用活塞顶部的形状改变来提高压缩比时，随着压缩比的提高会使气缸顶部燃烧室的空间变小，活塞顶部的锐角和凸出都可能导致爆震的发生。对高压缩比活塞来说，由于必须保留气门做功所需的空间，因此会在活塞顶部切出气门边缘形状的凹槽。如果没有这个凹槽，当活塞到达上死点时可能就会打到气门，因此高压缩比活塞对气门动作精确度的要求是

15、非常严格 的。凹槽的大小也必须随着凸轮轴及气门摇臂的改装而改变。不锈钢及特殊合金的活塞环已广泛应用在赛车及改装套件市场，这些特殊设计的合金活塞环可以在活塞往上行时释放压力，但在往下爆发行程时却能保持密闭的状态以维持压力。这种活塞环虽然贵，但是却能有效地提高 引擎效率。由于活塞与活塞环都必须在高温、高压、高速及临界润滑的状态下工作，因此长期以来，发动机设计者都为提供一个最佳的设计而不断努力，进而可以从活塞方面来提高引擎的性能。1.2活塞的主体组成根据活塞的作用，活塞可分为顶部、环槽部、裙部和活塞销座四部分。 1.21顶部顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。顶部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶

16、端完全取决于燃烧室的要求。汽油机活塞的顶部形状有以下几种。（1） 平顶 受热面积小，广泛采用。顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活 塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。多数汽油机采用平顶活塞， 如图 61（a）所示。 （2） 凹顶 高压缩比发动机为了防止碰撞气门，也可用凹坑的深度来调整压缩比。有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分，如图61（b）所示。 （3） 凸顶 凸顶与半球形燃烧室配用，如图61（c）所示。1.22.环槽部环槽部用以安装活塞环。活塞

17、环的作用是密封，包括防止漏气的气环和防止机油进入燃烧室的油环，其结构如图62所示。图62 活塞环的结构1.23.裙部裙部的作用是尽量使活塞在往复运动中保持垂直，是活塞的导向部分，为活塞运动导向和承受侧压力。活塞裙部的形状极有讲究，尤其是像轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以使发动机结构紧凑、运行平稳。裙部外表面粗车、精车的余量不能太大。粗车刀痕太深将导致精车时切向抗力发生周期性变化，刀痕难以清除而使表面存在台阶；精车余量太大或精车时切屑排除不畅，也会使表面存在台阶或各种杂乱痕迹，特别是在裙部最下方，情况更为严重。精车时，椭圆长轴的偏离必须控制在一定范围

18、内。长轴数据在垂直于销孔轴线的方向上量取。如果因为加工而引起长轴与销孔不垂直，会出现长轴值小于图纸尺寸，在活塞分组时误差值大。必须指出，椭圆长轴偏离和销孔偏心是有区别：前者为加工的椭圆长轴离开图纸椭圆长轴规定位置，加工椭圆长轴轴线可以通过活塞轴线或不通过活塞轴线，是加工不当引起的；而后者指销孔轴线偏离活塞轴线，是改善活塞工作条件的需要，且生产规定偏离量一般取0.71。全裙式裙部为一薄壁圆筒。半拖板式裙部是将非承压面的裙部去掉一部分，以减少质量和防止碰到曲轴，见图63。拖板式裙部是将非承压面的裙部全部去掉,见图 64。 1.24. 活塞销座活塞销座用以安装活塞销。在销座孔两端有卡环槽，用以安装卡

19、环。有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的，向做功行程中受主侧压力的一方偏移了12mm。这种结构可使活塞在从压缩行程到做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。图 63 半拖板式活塞 图 64 拖板式活塞1.3.活塞的结构特点1.31恒范钢片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。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。活塞在沿高度方向上的温度很不

20、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。1.32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椭圆形，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

21、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。1.4.活塞的技术要求由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，又要考虑到发动机的运行平稳及耐用，因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度，导热性好，耐热性高，膨胀系数小（尺寸及形状变化要小），相对密度小（重量轻），耐磨及耐腐蚀，还要成本低。由于有些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项要求的活塞材料。现代发动机的活塞普遍用铝合金制造，因为铝合金材料具有密度小、导热性好的突出优点，但同时又有膨胀系数比较大，高温强度比较差的缺点，这些缺点只能通过合理的结构设计以满足使用要求。所以，汽车发动

22、机的质量优劣，不但要看采用的材料，同时也要看设计的合理性。对活塞的技术要求如下。（1）裙部外圆 活塞裙部外圆与钢套壁要求精密配合，裙部外圆的尺寸在裙部椭圆长轴方向上测量，其尺寸公差等级为it6it5。 （2）活塞销孔 销孔直径的尺寸精度一般在it6以上,其圆度公差为1.5m左右。销孔中心线与顶面的距离直接影响发动机的压缩比，所以必须要求一定的精度，其尺寸公差等级为it8。 (3) 活塞重量 为保证发动机运转平稳,同一台发动机的活塞,其相互间的重量差不得大于0.08n第二章活塞的加工设计2.1铝合金活塞的加工工序活塞是比较复杂和精密的零件。加工时通常选择活塞头部内腔和内止口为粗基 准，裙部,底面

23、和内止口为大多数工序的精基准，有时还要用外圆表面、销孔及顶面作为精基准和定位基准。由于以内腔圆面作为粗基准来直接加工内口不方便，故第1工序先安排以内腔圆面为粗基准来粗车外圆面，第2 工序则以外圆 表面和顶面内壁定位，加工内止口和裙部底面，这样可保证外圆表面和内腔之间的壁厚的均匀性及顶面的壁厚，并为后面的工序准备好定位基准。另外，内止口在夹具的短圆柱销上定位时，为了保证最小间隙和提高定位精度，以保证以后各工序加工表面之间的位置精度和加工余量的均匀性等，要求内止口孔径要达到2级，活塞加工的工艺过程见表61。在这个过程中，最重要的是活塞裙部的加工和活塞销孔的加工，下面就对这两个方面进行分析。2.2.

24、活塞的裙部加工活塞的裙部椭圆加工已经逐步有车削取代磨削。 早期活塞裙部大多数采用单椭圆，即沿整个裙部高度上椭圆度不变。椭圆度沿活塞裙部高度方向变化的活塞称为变椭圆活塞。除了椭圆度变化外，由于 裙部上端温度高、膨胀量大，所以活塞在制造时应使活塞裙部上端尺寸小于下端尺寸，就是说椭圆度为下小上大，而直径为下大上小。就直径变化规律来说，以前裙部母线多采用直线，即裙部是一个椭圆锥面。从发展趋势来看，目 前裙部母线已较多地采用折线或曲线，而曲线则大多数采用抛物线。 由于裙部椭圆和直径变化是相互独立的，因此，裙部椭圆加工机床应该能够分别独立调整裙部不同截面上的直径尺寸及椭圆度的变化。 车削椭圆活塞主要有两种

25、方法：用凸轮杠杆机构的活塞车床加工； 采 用 套车法车床加工。2.3.活塞销孔加工 铝合金活塞的毛坯预先铸有销孔，铸出的孔带有锥度，不宜用来夹紧活塞，否则会压坏销孔。 活塞销孔的加工是活塞加工的主要工序。由于活塞销孔的技术要求非常高，一般都用高精度的金刚镗床进行加工。金刚镗床的特点是切削速度高、切削面积小、加工精度高。为了保证活塞销孔的尺寸、形状和位置精度，金刚镗床的主轴回转精度要求很高，镗头一般都采用静压轴承。加工时，活塞以止口的内圆及端面定位，限制5个自由度。在圆周方向用尾座中的长菱形销插入待加工销孔中定位以消除转动自由度，然后在活塞顶面上夹紧。此种定位方法由于存在基准不重合误差，势必要提

26、高止口端面到销孔中心线的尺寸加工要求。如果采用肩面、顶面及销孔定位加工活塞销孔的方案，可以直接获得销孔中心线至顶面的距离，与前一种装夹方式比较，更容易保证加工精度。铝合金活塞销孔精镗后，孔的尺寸公差等级可达it5,表面粗糙度ra可达0.4m,由于活塞销孔的表面粗糙度ra要求为0.1m,高速精镗后仍然达不到要求。为降低活塞销孔的表面粗糙度，生产上要采用下面两种方法。1. 脉冲滚压脉冲滚压过程实质上是许多小滚针在被加工表面上进行间断冲击和滚压 。由于滚针对孔壁变形做的功较小，塑性变形深度不大，仅起到将表面微观不平压光的作用。正因为这样，脉冲滚压不会引起工件的宏观变形，所以它特别适合于对于强度低、刚

27、性差的零件进行光整加工。脉冲滚压的质量取决于滚压前的表面质量、滚压过盈和滚针冲击加工表面的次数。由于脉冲滚压仅改善微观表面的不平度，因此，孔的尺寸精度及形位公差均需要在滚压前的工序中加以保证。过盈量是脉冲滚压的重要工艺参数。过盈量过小则不能压光微观表面不平，起不到降低表面粗糙度的作用。过盈量太大则产生过度的塑性变形，使工件表面产生疏松、胶皮现象，表面粗糙度反而恶化。过盈量的大小由实验确定。在主轴转速一定的条件下，滚针对工件表面的冲击次数取决于滚针数及轴向进给量。滚针数量多、轴向进给量小，则冲击次数多。滚针数量和滚压工具转速决定了冲击频率。一般冲击频率在100hz左右,进给量则以0.250.5m

28、m/r为佳。最初，随着滚针对工件孔的冲击数增加，表面粗糙度也 逐渐变小。当冲击次数过多时，由于塑性变形过度而产生金属疲劳，表面粗糙度反而变大。2. 镜面镗削镗削活塞销孔。工件的尺寸稳定、形状误差小，表面粗糙度完全满足要求，可以稳定的得到质量符合要求的销孔。在镜面镗刀端部中心孔上加 工有锥管螺孔，螺孔部分开有轴向槽，拧动螺塞可使锥管螺纹张开，从而可精确调节镗刀直径，两镗刀刃应该与回转中心线严格对称，两块硬质合金刀片的前后刀面都应研磨到表面粗糙度ra小于0.25m。镜面镗削与脉冲滚压加工相比较,镜面镗削对孔的预加工要求可以低一些。镜面镗刀由于结构原因，尺寸较小的孔加工较难掌握，但有的工厂已在生产中

29、成功地使用14mm镜面镗刀。2.4.活塞的检验2.41. 活塞的终检项目活塞的技术要求很高，为了保证达到规定的技术条件，在每个重要加工工序之后，一般都安排有中间检验工序。终加工之后，还要进行一次较全面的最终检验。外观检查，其中包括不得有与毛坯铸造有关的缺陷，如裂缝、蜂窝孔、夹渣及疏松等。加工表面不得有由于加工不善及运输过程所造成的刻痕、毛刺、尖角和碰伤等。销孔尺寸及销孔的形状和位置误差检查，销孔尺寸在终检是按尺寸大小进行分组，并用不同颜色油漆标记不同的尺寸组别。上述项目要百分之百进行检验。此外，还需要按重量分组，其重量差不大于+0.04n和不小于-0.04n。如果活塞加工工艺中安排有专门工序，

30、对不符合规定重量的活塞，可在裙部止口内圆上切去部分金属。以下项目只对一部分工件进行检验；销孔对裙部中心线的偏移量；销孔中心线与裙部中心线的垂直度；销孔中心线至顶面的距离。2.42. 裙部直径和椭圆度的检验活塞裙部径向尺寸一般用千分表进行检验。标准检验样件置于工作台上 ，调整千分表读数值，使表针指向零位，校准后即可对工件进行测量。与销孔垂直的方向上有裙部的最大直径，即椭圆的长轴方向，该尺寸也即是图纸上标注的裙部直径。在销孔中心线方向上测得的直径是椭圆的短半轴，长短半轴之差即为活塞的椭圆度。裙部尺寸按裙部直径，即椭圆长轴尺寸进行分组。由于铝合金活塞的线胀系数较大，当室温从6c 升高到35c 时,直

31、径为1000mm的铝合金活塞裙部直径变化量可达0.025mm,因此,测量裙部尺寸时,一般应在恒温室内进行。若不在恒温室内测量，必须将数据按温度修正。否则，由于温度影响可能使测量分组的尺寸不正确，甚至发生把过小的活塞认为是合格品，而把部分本来合格的活塞误判为尺寸过大。2.43.销孔与裙部中心线偏移量的检验在销孔中插入芯轴，将芯轴两端与安装在底座上的两垂直芯轴靠紧，沿芯轴移动活塞并从百分表上读出最大读数a然后将活塞连同芯轴绕垂直轴转过180,用同样的方法读出另一个最大读数b,(a-b)/2即为活塞销孔对裙部中心线的偏移量。2.44. 销孔与裙部中心线垂直度的检验不少工厂采用的检验方法是在销孔中插入

32、检验芯，并以活塞加工时的基准面（裙部端面或顶面）作为检验基准安放在平板上，用百分表测量芯轴两端的高度，若测量结果两端高度差为c两测点之间的距离为l,则c就为l长 上销孔中心线与裙部中心线的垂直度偏差。显然，这种测量方法所得的结果包括了销孔中心线与裙部中心线的垂直度误差、销孔中心线与基准面的平行度误差、基准面与裙部中心线的垂直度误差。因此，采用这样的检验方法，无疑会提高零件的加工要求，但是，也有可能将实际上合格的产品误判为废品。2.45. 销孔直径检验销孔直径在终检时必须按尺寸分组，由于组间尺寸差仅为2.5m，一般常 用的测量器具都不能满足要求，生产中常用气动量仪。用气动量仪测量活塞销孔的装置共

33、有两个锥形管，分别与空气塞规的两组喷嘴相连，并由两组喷嘴分别测出两段销孔的尺寸。使用空气塞规，不但可以精确测出销孔的直径，还可测出销孔圆柱度误差。若沿销孔轴向活动活塞，并在各截面上移动活塞，将测得的结果投影到与销孔垂直的平面内，然后建立内外包容同心圆，两个同心圆半径之差即可近似认为是销孔的圆柱度误差。2.46. 环槽上、下表面的平面度误差在精车环槽切刀切入槽底时，会出现切削力骤然增大（是切入槽底之前的4 倍以上），有一个分力使拖板突然向上抬起，削弱了拖板在运动方向抵抗变形的能力，另一个分力在拖板上作用。这两种力的反作用力通过活塞进一步作用到机床主轴和尾架顶尖套筒上，引起工艺系统突然产生很大的弹

34、性形变，导致环槽侧面产生平面度误差。另外，活塞定位基准与定位元素之间、机床主轴与轴承之间、尾架套筒与尾架孔之间存在间隙，加上精车前粗加工的环槽底面与活塞精定位之间存在不同轴误差而造成的切削余量不均匀，都会使切削力突然增大，使工艺系统在产生形变的同时又产生振动。这样，只能在生产中将环槽上、下表面的平面度误差控制在0.007mm以内 (环槽圆周范围内)。为了进一步提高环槽质量，最好将高精度的平面度通过精密的测定仪器测量，并将其数据放大几千倍记录在坐标纸上进行放大。2.47. 活塞、下边缘及环岸、活塞环之间的关系汽车柴油机用的高负荷铝活塞，其环槽上、下边缘及环岸与活塞环配合不良，也容易窜气、窜油。因

35、此在加工环槽上、下边缘及环岸形状时，应考虑与之配合的活塞环形状和活塞窜气、窜油部位。经验表明：使用过的活塞，环槽上平面磨损慢，下平面磨损快，因此形成不等腰梯形，产生窜气、窜油，使环槽、环岸表面产生积炭。当积炭清除后检验环槽时，可见第1、2道气环槽下边缘已磨成圆角。这就表明，环槽下边缘倒角或有圆角状况，会使窜气、窜油增加。如果将其下边缘做成尖角，则活塞表面被污染状况会大大改善。其次，如增压发动机活塞，将其环槽上边缘与活塞环接触曲线对齐，下边缘是向内凹，第1、2道活塞环下棱角为尖角，上棱角进行倒圆或倒斜边，对避免窜气、窜油均会收到良好效果。 环槽侧面与活塞轴线的垂直度误差、环槽宽与机床主轴轴心线平

36、行度误差在专用机床上切削环槽，当机床出现刀台的垂直下定位面与拖板运动方向不平行和拖板的运动方向与机床主轴轴线不垂直，都会同时产生环槽侧面与活塞轴线的垂直度误差和环槽宽度误差超差。例如，拖板的运动方向和机床主轴轴线垂直，且活塞轴线与机床主轴轴线重合，但刀台的垂直定位面与拖板运动方向不平行，这样，切刀的两个副刃就与拖板台飞刀运动方向不平行，其倾斜角为a。分两种情况：一种是刀台垂直 定位面向下倾斜，造成环面槽的槽口宽、槽底窄，以及一个环槽侧面与活塞轴线垂直，另一个侧面不垂直且向下倾斜；另一种是刀台垂直于主轴轴线的定位面向上倾斜，造成刀架垂直定位面和拖板运动方向不平行。又如活塞轴线与机床主轴轴线重合，

37、且刀台的垂直定位面与拖板的运动方向平行，而拖板的运动方向与机床主轴线不垂直，这样，切刀的两个副刀刃也就与机床主轴轴线不垂直。这时，切刀切出的环槽侧面与活塞轴线不垂直，环槽上、下侧面均同时向下或同时向上倾斜。通过以上情况的测量可知，在调整刀台的垂直定位面和拖板运动方向的平行度以及拖板的运动方向和机床主轴轴线的垂直度时，对环槽上、下表面倾斜必须加以限制。环槽上、下表面的倾斜量通常控制在0.08/25(mm)的范围内。在检验时，将活塞头部朝下放在平板上，在环槽中塞入相应的测试塞板，用千分表测量塞板在25mm长度内的高度变化量。测量应在圆周的不同位置进行两次以上，一般在销孔一侧倾斜量较小。第三章活塞的

38、铸造方式3.1铸造方式的比较关于活塞的制造方法前面也略提及，主要为铸造。铸造的种类很多，如何选取最合适的铸造方式是关键，以下对几种铸造方式进行比较分析。1.砂型它适用于铸造各种合金，但只适用于进行小批量的生产，而且表面粗糙度值过大。2.熔模铸造适用于碳钢、合金、有色金属，但是适用于小于25kg的复杂铸件。3. 低压铸造适用于有色金属、中小铸件，有时达数吨，适用于大批生产，对高要求的铝、镁合金都可以铸造。4. 压力铸造适用于有色金属、中小铸件，但难以铸造内凹复杂的铸件，也适用于大批量的生产。5.离心铸造适用于铸钢、铸铁、铜合金、中小件，最大达数吨，适用于中、大批量的生产。6.挤压铸造适用于有色金

39、属、铸钢、铸铁、30kg以下的小件，大批量的生产，主要用 于生产轻合金的薄板形铸件。现在有的活塞也用此种方法铸造。7. 金属型铸造适用于各种铸造合金、中小件，有时达数吨，大批量生产，适用于高要 求的铝、 镁合金。综合上述，可知铸造铝合金只有低压铸造、金属型铸造和挤压铸造适用 ，但是低压铸造成本过高，而且本设计活塞的要求不是很高，而低压铸造比金属型铸造的过程复杂。另一方面挤压铸造（又称液态模锻）主要应用于直径在200mm以上的大活塞,在个大、壁厚、用铝多、凝固慢和相对批量较少的情况下，对于本设计的活塞不太适合。所以本设计采用金属型铸造。金属型铸造工艺有许多优点，但它是在高温下工作的，如果单纯用手

40、工操作，体力劳动繁重，条件恶劣，不但生产率低，而且其优点也不能充分发挥。如果采用机械化或自动化生产，这一工艺的优点就得以体现了。金属型铸造机由开合型机构、抽芯机构、顶出铸件机构、传动机构等部分组成。按照所需要的动力，金属型铸造机大致可分为手动金属型铸造机 、气动金属型铸造机、液压传动金属型铸造机三类。3.2.铝合金的铸造方式由以上分析可知，铝合金活塞的主要铸造方式是采用金属型铸造。金属型铸造是将液体金属用浇注法浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。由于铸型是用金属铸成，可以反复使用多次(几百次到几千次),故又有永久型铸造之称.金属型铸造在技术上与经济上有许多优点和不足之处.优点是:(1)金属

41、型铸件的力学性能比砂型高。如铝合金铸件，其抗拉强度平均可提高约25%，屈服强度平均提高约20%，这是由于铸件在凝固时冷却速度高的结果。由于 同样原因，铸件表层结晶组织细密，形成“铸造硬壳”，铸件的抗蚀性能和硬度亦显著提高。（2）铸件的精度和表面粗糙度比砂型好，而且质量和尺寸稳定。如金属型产生的铸件，其精度平均为7级，而砂型铸件平均只能达到8级。（3）铸件的工艺收缩率高，液体金属消耗量减少，一般为15%30%(4) 不用型砂或少用型砂,一般可节约造型材料80%100%；相应减少型砂处理和运输设备，降低了车间粉尘含量，减轻环境污染，改善了劳动条件。此外，金属型铸造的生产效率高，使铸件产生缺陷的原因

42、减少，工序简单，易实现机械化和自动化。其不足之处是：（1）金属型制造成本高。（2）金属型不透气，铸件在其中冷速大，而且无退让性，易造成铸件浇不足、开裂或铸铁件白口等缺陷，因此对用金属型生产的铸件要有选择。（3）金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度、铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等铸造工艺对铸件的质量影响甚为敏感，故要求严格控制。金属型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制，如对黑色金属只能是形状简单的铸件；铸件的重量不可太大；壁厚也有限制，较小的铸件壁厚无法铸出。在决定采用金属型铸造时，必须综合考虑下列各因素：铸件形状和重量大小必须合适，要有足够的批量

43、；金属型的制造周期比木模的制作周期长，因此，对试件产品必须要有充裕的时间。第四章金属型的设计及制造4.1冒口的设计金属型铸造同砂型铸造一样，设置冒口的主要目的就是补缩。避免铸件出现缩孔与缩松等缺陷。金属型铸造冒口位置的确定，仍可以使用砂型铸 造时常用的结晶等温法及内切圆法，找出铸件上可能产生缩孔的热节部位 ，在热节处设置冒口，如图65所示。4.11冒口的形式与种类金属型冒口可以根据具体的情况设计成不同的形式与结构，按是否与大气 直接相通，可以分为明冒口与暗冒口， 按位置的高低可分为顶冒口与侧冒口， 具体形式的特点见表62图65金属型铸造模型图4.12 冒口尺寸的确定冒口的尺寸大小可按热节圆的直

44、径来确定，一般情况下参考下列公式即：明冒口： d=(1.21.5)d暗冒口: d=(1.22)d式中,d为冒口根部直径,mm; d 为铸件热节圆直径,mm。热节圆直径大、补缩条件好的情况下，冒口尺寸取下限；热节圆直径小或补缩条件差的情况下，冒口尺寸取上限。当铸件热节所处的高度不大，而水平尺寸较大，要求冒口有横向补缩作用时，计算公式为d=(24)d。冒口高度计算参考公式如下。顶冒口：h=(0.81.5)d侧冒口: h=(23)d暗冒口: h=(1.22)d式中, h为冒口高度,mm；d为冒口根部直径，mm。冒口高度太低，补缩效果不好；太高则金属消耗多，并可能引起内浇道过热。直径较大的冒口，在补缩

45、条件好的情况下，高度取下限。冒口的直径不宜过小也不宜过大，太大的冒口会使铸件靠冒口处产生缩松，当冒口的位置与铸件分不清时，应设计冒口切割线。在活塞冒口的设计中结合以上经验，再根据活塞自身的特点，将冒口设置成为暗冒口，并根据公式进行了尺寸计算。4.2浇注系统的设计金属型的浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等部分组成。小型铸件的金属型一般不设浇口杯，有时为了浇注方便，直浇道上部加大。直浇道断面最好是圆的，这样可以避免热量的散失和气体的卷入，垂直直浇道由于金属液对底部的冲击比较大，所以高度一般不超过150mm,斜浇道的高度一般不超过250mm。横浇道起缓冲、稳流和挡渣的作用，并将金属液分配给内

46、浇道，但是金属型往往受分型面的限制，除水平分型外，有的浇注系统不设横浇道，内浇道的大小、形状与位置直接影响铸件的质量， 设计内浇道时应考虑铸型热量的分布、合金液在型腔中流动平稳、操作方便等因素。从热分析的角度考虑，内浇道的宽度与厚度比应大于3,比例越大热分析越均匀。从工艺简单的角度来考虑，内浇道尽量开在分型面上。在设计活塞的浇注系统时就充分的考虑到这些要求，以使工艺简单化，尽量符合现代生产的要求。根据金属型铸造的某些特点，在设计浇注系统时须注意下面几点：首先 ，金属型浇注速度大，超过砂型约20%；其次，在液体金属充型时，型 腔里的气体要能顺利排除，其流向应尽可能与液流方向一致，顺利地将气体挤向

47、冒口或出气冒口；此外，应注意使液体金属在充型时流动平稳，不产生涡流，不冲击型壁或型芯，更不可产生飞溅。金属型的浇注系统一般分为顶注式 、底注式和侧注式三种。1. 顶注式铸件温度分布较合理，有利于顺序凝固，可减少金属液的消耗，但金属液流动不平稳，易进渣，铸件高时易冲击型腔底部和型芯。若用于浇注铝合金件，一般只适用于铸件高度小于100mm的简单件。2. 底注式金属液流动较平稳，有利于排气，但温度分布不合理，不利于铸件顺序凝固。3. 侧注式兼有上述两种的优点，金属液流动平稳，便于集渣、排气等，但金属液消耗大，浇口清理工作量大。金属型浇注系统的结构与砂型铸造基本相似，但由于金属型壁不透气，导热能力强，

48、因此要求浇注系统结构能有利于降低金属液流速，流动平稳，减少其对型壁的冲刷，除应保证型腔内气体有充裕的时间排除外，还应保证在充型过程中不得产生喷溅。如浇注铝合金时，直浇道可作成斜弯浇道或者蛇行浇道。浇道的尺寸既要保证铸件质量，又要求金属液消耗量和铸件清理工作量最小。要做到这些，一般可用计算或凭经验确定，然后再经过生产验证，就可得出较合理的尺寸。关于浇注系统最小截面积的计算，可以利用砂型铸造中的计算公式，由于金属型铸件比砂型铸件冷却快，根据经验，浇注时间一般比砂型减少20%40%, 使金属液在型腔内快速上升。由于浇注的合金不同，浇注系统的尺寸也有区别。在这里，我们采用铝合金活塞常采用的浇注方式：侧

49、注式。 因为第一次设计浇注系统，对其本身还有很多不了解的地方，所以就没有采用斜弯 浇道或者蛇行浇道，而采用了直浇道，以使设计得到简化。4.3.金属型分型面的选择分型面形式一般有垂直、水平和综合分型（垂直、水平混合分型或曲面分型）三种。在选择分型方案时，必须从多方面比较，从而找出最合理的方案。选择分型面的原则如下。（1）为简化金属型结构，提高铸件精度，对形状较简单的铸件最好都布置在半型内，或大部分布置在半型内。（2）分型面数目应尽量少，保证铸件外形美观，铸件出型和下芯方便。（3）选择的分型面应保证设置浇冒口方便，金属液充型时流动平稳，有利于型腔里的气体排出。（4）分型面不得选在加工基准面上。（5

50、）尽量避免曲面分型，减少拆卸及活块数量，因曲面分型及采用活块不仅使金属型制造复杂，寿命缩短，而且降低生产率。1 金属型的主要结构形式及应用金属型的主要结构形式及应用，见表63。根据活塞零件的结构形式,本次设计中选择对开式金属模,这既方便取模,又符合现代生产的要求。4.4.金属型的结构设计（1）金属型壁厚的确定 金属型的壁厚是综合考虑金属型强度、刚度 、质量及对铸件的冷却速度来决定的。由于影响因素太多，现在还没有一个可靠的计算方法来确定不同条件下最适合的金属型壁厚，可查阅铸模手册里介绍的经验数据。（2）型体与底座的设计 型体、底座的三维设计图分别如图66,图6-7所示。图 66 型体模型图图 6

51、7 底座模型图金属型型腔尺寸的计算，除了铸件公称尺寸及偏差外，还应考虑合金从固相线冷却到室温的收缩，涂料和金属型材料从室温升至预热浇注温度的膨胀率。其计算公式为：ax=ap+apk+ ax式中，ax为型腔尺寸，mm；ap铸件的平均尺寸，mm；k为综合收缩率，%；为涂料厚度，mm；ax为型腔尺寸制造公差，mm。综合收缩率k包括铸件的收缩率和金属型的膨胀率。小型铸件金属型设计是k值常取1%，涂料的厚度每边为0.10.3mm，铸件凹处取正值，凸处取负值，金属型型腔尺寸制造公差ax按铸模手册选取。（3）型芯的设计 金属型芯的特点如下。 采用金属型芯时铸件的冷却速度快，铸件的结晶组织细致、均匀。 铸件尺

52、寸稳定、表面粗糙度低。 减少了制造砂芯或壳芯的工艺装备和工序。 内腔复杂的铸件可与砂芯或壳芯同时采用，否则会增加金属型芯的复杂性，给制造和浇注带来困难，甚至无法取出型芯。金属芯的设计原则如下。不影响零件使用和外观的情况下，应按铸件图给出足够的铸造斜度。对留有加工余量的铸造表面，其铸造斜度可适当放大，以利于型芯的抽拔。 型芯的定位要很准确，导向要可靠，保证型芯移动时不产生歪斜，以 免拉伤铸件。金属芯的定位长度，不仅与型芯直径大小有关，而且与型 芯工作面深度（与金属液接触部分）型芯固定形式等多种因素有关，如 果是活动型芯， 则型芯的定位长度就较长些。 在能方便抽拔型芯的情况下，应尽量减少型芯的数量。这样可以简化 操作，提高铸件的质量。 型芯的结构应考虑制造与加工的方便。 圆形金属芯的直径在 50mm以上时，应制成空心，壁厚取1220mm，大型金属芯壁厚按金属型的壁厚来计算。 组合金属芯，当铸件内形阻碍型芯取出时，金属芯可以制造成顺序抽拔形。3.金属型的排气系统设计金属型设计中一定要注意排气系统的设计，因制作金属芯的材料本身不透气，排气系统如果设计不当就会使铸件产生冷隔、浇不