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2100T柴油机的活塞部件设计及工艺设计【含CAD图纸和说明书】

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内容简介:
2100T柴油机的活塞部件设计及工艺目录摘要4前言51.活塞结构设计61.1 活塞材料、尺寸确定61.2 活塞头部设计71.3 活塞的传力结构设计71.4 活塞裙部设计81.5 活塞裙部与缸套的配合间隙92.活塞环设计92.1 气环设计102.2 油环设计113.活塞销设计114.活塞加工工艺设计134.1 对活塞零件图进行工艺分析134.2 工艺过程设计14总结15谢词15参考文献152100T柴油机的活塞部件设计及工艺摘要:在柴油机气缸内,活塞在一部分工作循环压缩气体,而在另一部分工作循环气缸内混合气体燃烧膨胀使活塞顶面承受高温(约569C)高压(约116120Kgf/cm2)气体的作用,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连续变负荷的往复运动,它的负荷和工作环境很恶劣。在本设计中将对活塞的加工工艺进行设计,以保证活塞长久稳定工作。现将设计中所做的工作简要介绍如下:2100T柴油机活塞加工工艺合理性是很重要的,通过对零件的作用及工艺方案分析,拟定毛坯的制造形式及工艺路线,通过分析、比较,采用了相对集中加工工艺方案,最终确定比较合理的机械加工工艺路线。制定工艺路线时主要考虑粗、精加工安排、加工方法选择、工序集中与分散、加工顺序等方面的要求。接着确定加工余量、工序尺寸,经过对工序特点的分析,恰当选择相应加工设备和工艺装备。接下来经过计算查表确定活塞各主要工序的切削用量并绘制工序卡片。关键字:活塞;工艺路线;加工设备;切削用量。The Piston Component Design and Process of 2100T Diesel EngineAbstract:In diesel engine cylinder, the piston part of the cycle in the compressed gases, and in another part of the work cycle of the combustion gas mixture within the cylinder so the piston top surface expansion high pressure (about 116 120Kgf/cm2) under high temperature (about 569C) gas role, and the pressure through the piston pin, connecting rod to the crankshaft. Can be seen that the piston is a long time under high temperature and high pressure in continuous reciprocating motion of the load, its load and working conditions were appalling. During the design process of the piston will be designed to ensure long-term stability of the work piston. The design of the work done by a brief introduction as follows:Diesel Engine Piston 2100T reasonable processing technology is important, the role of parts and technology program analysis, preparation of rough form and process manufacturing line, through the analysis, comparison, use of the relative concentration of processing programs, and ultimately more reasonable to determine the mechanical line processing. The development process of rough line the main consideration, finishing arrangements, choice of processing methods, centralized and decentralized processes, such as processing the order requirements. Then determine the allowance, process size, after the analysis of the characteristics of the process, select the appropriate processing equipment and technical equipment. Calculated look-up table to determine the next major piston cutting process and the mapping of processes card.Keywords: Piston; Technology; processing equipment; cutting.前言活塞是汽车发动机的“心脏”,承受交变的机械负荷和热负荷,是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的种类一般分为:柴油机活塞、汽油机活塞、通用型活塞。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。工作条件活塞在高温。活塞可根据作用不同而分为顶部、头部、裙部。2100柴油机活塞顶部有一浴盆形深坑,活塞头部加工有安装活塞环的活塞环槽,活塞裙部较长和受侧向里,活塞呈椭圆形。目前广泛采用铸铝合金制造。随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格,活塞已发展成为集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品,以保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的导向性和良好的密封功能,减少发动机的摩擦功损失,降低油耗、噪声和排放。为满足以上的功能要求,通常将活塞的外圆设计成异型外圆(中凸变椭圆),即垂直于活塞轴线的横剖面为椭圆或修正椭圆,且椭圆度沿轴线方向按一定的规律变化(如图1所示),椭圆度精度达0.005mm;活塞纵剖面的外轮廓为高次函数的拟合曲线,轮廓精度为0.0050.01mm;为提高活塞的承载能力,以提高发动机的升功率,通常将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或正应力曲面型(异型销孔),销孔尺寸精度达IT4级,轮廓精度为0.003mm。活塞作为典型的汽车关键零部件,在切削加工方面具有很强的工艺特点。目前,国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用设备组成机加工生产线,因此,专用设备就成为活塞切削加工的关键设备,其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。活塞环包括三道气环及一道油环。第一道气环内侧有挖槽,安装时有挖槽的一面必须朝上;第二、三道气环外侧有挖槽,安装时,有挖槽的一面朝下;安装铸铁油环时,先装衬环。铸铁油环有尖角的和外侧有挖槽的一面安装时也朝下。各活塞环开口位置在装配时应相互错开120。油环的开口位置与活塞销轴线垂直,并与活塞顶部凹穴偏向相同的一侧。采用合金铸铁制造气环,第一道气环表面镀高性能覆盖层,其余气环表面一般镀锡或进行磷化、硫化处理,使环表面更易于气缸磨合。2100型柴油机采用圆柱形中空活塞销,利于减少离心惯性力的影响。一般采用优质低碳钢或低碳合金淬火。1 活塞结构设计1.1 活塞材料、尺寸确定现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞,固2100T柴油机的活塞也同样采用共晶铝硅合金4032为材料。(4032铝合金耐热性、耐摩秏性良好,热膨胀系数小。)铝合金的优点是比重小,约为铸铁的1/3,因此铝合金活塞质量轻,在发动机工作时产生的往复惯性力小。铝合金的另一个优点的导热性好,其导热系数约为铸铁的34倍。因此,铝合金活塞工作温度低,温度分布均匀,对减少热应力、改善工作条件和延缓机油变质都十分有利。铝合金的缺点是膨胀系数较大,另外当温度升高时,其机械强度和硬度下降较快。通过结构设计和调整材料配方等措施可以弥补这些缺陷。气缸的缸径尺寸D=120mm活塞顶部与高温燃气直接接触,导致活塞从顶部到底部受热不均,故活塞从结构上应为顶部相对底部较小的结构。以及考虑到活塞的材料是铝合金,而铝合金的膨胀系数较大,为避免活塞在工作时因受热膨胀导致活塞与气缸壁发生摩擦而导致部分零件加速磨损。故,活塞顶部到底部尺寸从99.4到99.78。1.2 活塞头部设计头部是指活塞顶端和环槽部分。活塞顶端完全取决于燃烧室的要求,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,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。活塞的凹槽称为环槽,用于安装活塞环。活塞环的作用是密封,防止漏气和防止机油进入燃烧室。活塞头部应有足够的刚度和强度,及时把传入活塞顶的热量散出,与活塞环配合实现密封。柴油机2100T的压缩比=16,为了避免气门与活塞顶相撞,故顶部设有“避碰凹坑”。2100T的活塞头部设有四道环槽,最上面的一道环槽为绝热槽,为了降低第一道环槽附近的温度。第二、三道槽为气环环槽,第四环为油环环槽。油环环槽槽后和槽下均开泄油环。活塞环槽及避碰凹坑采用的的结构如图1.1、图1.2所示。图1.1 活塞环槽图1.2 避碰凹坑1.3 活塞销座的设计活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分,位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上,可向一侧偏移一点点,即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移,这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少,从而减少了发动机噪声。活塞销座与活塞销是一对摩擦副。活塞销座承受周期变化的气体作用力和活塞销座以上部分的往复惯性力的作用,这些力都是带有冲击性的。从运动情况看,活塞销在活塞销座中由于连杆小头的制约,其转动角度很小,在这样小的转动角度小,很难在销与销孔之间形成一层良好的油膜,所以润滑条件较差。为了减轻销孔内侧的压力集中,在设计时应使活塞销有较大的刚度,由此减小它的弯曲变形。对于活塞销座,应从总体上增加其刚度,减小其变形。但从局部来说,应使它有一定的弹性以适应局部变形。2100T的活塞销座在活塞销座与顶部连接处采用单肋,并在单肋中间设有一凹穴,使得活塞销座具有一定弹性,能较好地适应活塞销的弹性变形。滚压销座孔以提高销座抗裂能力。活塞销座采用的的结构如图1.3所示:图1.3 活塞销座1.4 活塞裙部设计活塞裙部是指活塞的下部分,它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态,也就是活塞的导向部分。活塞裙部的形状极有讲究,尤其是象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,以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。活塞在发动机中工作中受到侧向力、活塞顶上的爆发压力和惯性的联合作用、温度升高引起热膨胀共同作用的结果都使活塞在工作时沿销座方向涨大,使裙部截面的形状变成为椭圆形,在椭圆形长轴方向上的两个端面与气缸间的间隙消息,以致造成拉毛现象。因此,为了避免拉毛现象,在活塞裙部与气缸之间必须预先留出较大的间隙。当然间隙也不能留得过大,否则又会产生敲缸现象。解决这个问题的比较合理的方法应该是尽量减小从活塞头部流向裙部的热量,使裙部的膨胀减低至最小,活塞裙部形状应与活塞的温度分布、裙部壁厚的大小等相适应。活塞裙部采用的的结构如图1.4、图1.5所示:图1.4 活塞裙部图1.5 活塞裙部1.5 活塞裙部与缸套的配合间隙由于活塞沿轴线的温度分布很不均匀,越接近活塞顶温度越高,而且环带部分的温度梯度比裙部大,所以活塞的外圆面原则上应该设计成上小下大且具有不同锥度的锥形台。活塞表面采用锥面形状,易于形成油楔,可减少磨损和拍击。活塞采用的的整体结构如图1.6所示:图1-6 活塞2 活塞环设计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。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。由于要求多而高,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。汽车中有上万个零件,大至如曲轴、变速箱体,小至弹簧垫圈、螺栓螺帽。每一个零件都有它的作用,象活塞环这样的“小不点”,从形状上看似简单,重量很轻,价格也很便宜,但作用却非同小可。缺少了它固然汽车动弹不得,甚至它有一点什么小毛病,汽车也会不正常,要么耗油大,要么动力不足。在整个活塞组与气缸的配合中,活塞组中真正与气缸缸壁接触的是活塞环,它填补了活塞与气缸壁间的空隙,以封闭燃烧室,因此它也是发动机中最容易磨损的零件。活塞环一般由铸铁做成,有一定弹性,截面有多种形状,表面有涂层以增加磨合性能。当发动机运转时活塞会受热膨胀,因此活塞环有开口间隙,安装时为了保持密封性,要将各活塞环的开口间隙位置错开。一个活塞往往有三至四个活塞环,它们按照作用的不同,分为气环和油环两大类。气环装在活塞头部上端的环槽内,用来防止漏气,将活塞头部的热量传递到气缸壁,疏散活塞的热量。油环的作用是防止润滑油窜入燃烧室,将气缸壁上过量的润滑油刮回到油底壳,它安装在气环的下方环槽内。只要保证密封功能的要求,活塞环数目少比数目多好,活塞环数目少既保持了最小的摩擦面积,减少功率损耗,又缩短了活塞的高度,相应也就降低了发动机的高度。2.1 气环设计气环的初弹力使气环的工作面压紧在气缸壁上,把漏气间隙减至最小,形成所谓第一密封面。当气体进入气环和活塞环槽之间后,气体的压力又把气环压紧在环槽的端面上形成第二密封面。同时作用在环背上的气体压力更加使环的工作面压紧在缸壁上,从而加强了第一密封面。气环正是由于这两个密封面而起密封作用的。但此时气体仍能从环的切口间隙和密封面的极小间隙少量地漏掉,所以2100T柴油机安置两道气环。活塞热量的70%左右由活塞环传出,其中第一道气环传出的热量占活塞环组总散热量的50%。活塞气环采用的结构如图2.1、2.2所示: 图2.1 第一道气环零件图 图2.2 第二道气环零件图2.2 油环设计油环主要起到防止机油上窜到燃烧室中燃烧。机油上窜到燃烧室中燃烧,其危害性不仅在于机油损失本身,还在于易使火花塞污染、活塞环胶结失效,从而使磨损剧增。反过来这些磨损又严重影响机油消耗。2100T油环采用组合油环,组合油环由两片互相独立和刮片和径向轴向衬簧组成。基础压力高,分布均匀;钢带具有柔性,上下两片刮片能单独动作或同时作不同的径向运动,所以其对失圆气缸和活塞的变形、摆动的适应性好;回油通路大;质量小;在大量生产条件下,采用专业设备,制造工艺不复杂,生产效率高。油环、油环衬簧采用的的结构如图2.3、2.4所示:图2.3 油环零件图图2.4 油环衬簧零件图3 活塞销设计由于活塞销座的温度比较高,并且活塞销在活塞销座中作摇摆运动,因此不利于实现良好的液力润滑;尤其是在二冲程发动机中,载荷始终在一个方向上作用在活塞销和连杆小头及活塞销座的表面上,因此更难实现良好的润滑。这样常常会使活塞销受到过度磨损。在设计活塞销时,应该使活塞销具有足够高的机械强度和耐磨性,同时还要有较高的疲劳强度。对高速发动机来说,活塞销的结构质量应该尽量小,以降低往复运动惯性力。根据活塞销的工作条件和设计要求,活塞销的摩擦表面应具有高强度,内部应富有韧性和较高强度,但是硬的表面和内部必须紧密结合,以保证活塞销在冲击载荷的作用下没有金属剥落和金属层之间分离的现象。活塞销通常用低碳钢或合金钢制造。在负荷不高的发动机中常用15、20、15Cr、20Cr、和20Mn2钢;在强化发动机上,通常采用高级合金钢,如12CrNi3A、18CrMnTi2及20SiMnVB等,有时也可用45中碳钢。为使活塞销的外层硬并耐磨、内部富有韧性,需要对销进行热处理。对低碳钢材料的活塞销表面要进行渗碳和淬火,根据活塞销的尺寸大小,渗碳层的深度一般为0.52mm。对45钢的活塞销则要进行表面淬火,淬火层的深度为11.5mm。活塞销经热处理后,其外表面硬度为5865HRC,内部硬度约36HRC。注意淬火时不能将活塞销淬透,否则活塞销将变脆。活塞销的结构为一圆柱体。为了减小质量以及有效地利用材料,一般的活塞销都制成空心的。因为活塞销的基本变形是弯曲,其中部受到的弯矩最大,靠近两端则逐渐减小。因此,比较合理的结构是把活塞销内部作成锥形空心,但缺点是加工复杂,成本增加。活塞销的固定方式有三种:第一种,采用浮式销,浮式销在活塞销座和连杆小头中都可转动。第二种,活塞销固定于活塞销座上,在连杆小头中可以转动。第三种,活塞销固定于连杆小头上,在活塞销座中可以转动。浮式销的应用最广泛,这是因为浮式销工作时在活塞销座和连杆小头中都可转动,因此与第二种、第三种固定方式(称“半浮式销”)相比,其工作表面的相对滑动速度较小,摩擦产生的热量也相应减小,磨损较小且均匀,从而延长了浮式销的寿命。此外,浮式销还具有运转中不易被卡住、装配方便等特点。半浮式销在某些发动机中也有应用,但是固定于活塞销座的半浮式销存在许多缺点,现在已很少应用。为了防止浮式销在活塞销座内发生轴向窜动,可采用轴向固定的方法。用活塞销挡圈防窜的方法比较简单,在气缸直径150mm以下的发动机中这种方法是可靠的。挡圈有圆形截面或矩形截面的,用钢丝弯成或用钢板冲压而成,矩形截面的强度较高,为了便于拆装,将挡圈端部向内弯或在端部制成小孔。在增压发动机中,为了提高浮式销的径向刚度,可以用挡塞用铝合金制成,其外表面一般制成球形,球的半径稍小于气缸半径,所以挡塞与气缸接触的区域很小,这样浮式销就容易在活塞销座内转动。活塞销摩擦表面的负荷虽然很重,但因为相对滑动速度不高,所以不需要大量的机油进行润滑和带走摩擦热量,只要不断油,能维持正常油膜即可。通常在连杆小头和活塞销座上开有油孔,依然飞溅过来的机油流进孔内就能保证润滑。在二冲程发动机中,由于活塞组总是承受方向不变的压力载荷,所以活塞销的润滑条件要比四冲程发动机差,因此常在活塞销座和连杆小头的衬套中开油槽,以保证可靠的润滑。活塞销的结构尺寸主要指活塞销外直径d、内直径d1和活塞销的长度L。在选择活塞销的尺寸时,应保证活塞销有足够的强度和适当的刚度,还应当保证摩擦表面的比压不能过大,以防止机油被挤出。活塞销尺寸的选定应当和活塞销座的设计相配合。总之,活塞销的工作条件为:承受比压大;无法形成油膜;变形不协调。活塞传力结构总体设计的要求为:活塞销的刚度、耐磨性和韧性要好。活塞销座的耐磨性要好,刚性要能适应活塞销的变形。活塞销一般选择低碳钢或低碳合金钢,应进行表面淬火,增加耐磨性。活塞销座上方应开卸载槽,以缓和接触应力,提高变形适应性。活塞销的摩擦表面应具有足够高的机械强度和耐磨性,同时还要有较高的疲劳强度。对高速发动机来说,活塞销的结构质量应该尽量小,以降低往复运动惯性力。活塞销材料20Cr,活塞销表面要进行渗碳和表面淬火。 活塞销的结构如图3.1所示:图3.1 活塞销4 活塞加工工艺设计4.1 对活塞零件图进行工艺分析结构见图4.1,尺寸详见工程图2100T-01活塞图4.1活塞结构该活塞零件的主要加工面有:35销孔、活塞外圆柱面、活塞内阶梯表面、10x4泄油孔和8x3泄油孔。活塞环槽处是活塞上的几个重要的配合处,故在其棱角处进行倒圆角,以防止装配时因毛刺而影响到与活塞环的配合精度。活塞顶部与燃烧室接触紧密,需要有良好高温综合力学性能,故选用共晶铝硅合金4032为材料,以提高热稳定性和高温机械性能。选择毛坯活塞是发动机上易磨损的零件,故应该采用大批量生产,选用金属型铸造的毛坯、级精度的铸件。零件材料是共晶铝硅合金4032,为大批量生产,毛坯形状可以与零件的形状尽量接近,毛坯尺寸通过确定加工余量后再决定。4.2 工艺过程设计机械加工工艺规程的制定,大体可分为两个步骤。首先是拟定零件加工的工艺路线,然后再确定每一道工序的工序尺寸、所用设备和工艺装备以及切削规范、工时定额等。这两个步骤是互相联系的,应进行综合分析。 工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局,主要任务是选择各个表面的加工方法,确定各个表面的加工顺序,以及整个工艺过程中工序数目的多少等。基准选择由于毛坯的精度较高,所以毛坯的外表面、内圆及顶面可直接作为粗基准,如粗车外圆、环槽、顶部、裙部及端面。由于金属模型锻造后的毛坯内孔与外圆的同轴度及内孔、外圆对内顶面的垂直度误差均较小,因此,车削后顶部及裙部的壁厚均匀,可为以后的半精加工及精加工留有较均匀的余量。活塞属薄壁筒形零件,径向刚度很差,而主要表面尺寸精度及个主要表面之间的位置精度要求又较高,所以在产品设计时就针对活塞的结构特点,设计了专供加工时定位用的辅助精基准止口内孔及端面。在回油槽、外圆、环槽、顶面等加工时,就采用了该精基准定位。这不仅符合“基准统一”和“工序集中”原则,而且便于轴向夹紧,可采用一套夹具即可。但以此作为精基准不仅不符合“基准重合”原则,而且还为此增加了工序和设备。由于活塞销孔沿活塞轴线方向位置尺寸的设计基准是顶面,所以精镗削孔时以顶面为轴向定位基准,而止口的精加工以顶面为定位基准,这样可以减少因基准不重合而产生的定位误差。在钻、扩销孔时采用了以销座外端作为角向定位基面。这是因为若采用销孔自定位,定位元件不易布置,夹具结构复杂。而由于活塞毛坯精度较高,以此作为角定位可以满足加工要求。在镗、滚挤销孔时,以销孔为角向定位基准,遵循了“自为基准”原则,使加工余量均匀,容易保证精度要求。工件表面加工方法的选择:环岸及环槽底对活塞裙部轴心的径向跳动最大允差为0.1mm0.15mm.全部槽底Ra3.2m.环槽侧面对活塞裙部轴心线垂直度不超过25:0.07,环槽侧面对活塞裙部轴心线跳动不超过0.05mm,全部槽侧Ra0.4m。活塞销孔尺寸及精度为35(+0.012-0.014)mm;销孔圆柱度为0.00125mm;表面粗糙度Ra0.125m;两销孔同轴度误差,在最大实体状态时为零;销孔轴心线对裙部轴心线垂直度为100:0.035;这些参数超差会使活塞销与活塞孔配合不正常,破坏活塞、活塞销、连杆的正确装配位置,不能保证正常的润滑,并产生不正常磨损。裙部保留有0.2mm,深0.008mm0.016mm的刀痕,以便能储存润滑油,使发动机在工作中活塞与缸壁之间形成一层油膜,从而减少活塞与缸壁的摩擦。为了改善活塞的机械加工性能,在活塞的制造过程中对销孔尺寸、外圆尺寸和重量分别进行分组,然后按装配工艺要求进行分组装配。99.4-0.07mm外圆面精车99.5mm半精车100mm粗车102mm99.5-0.07mm外圆面精车99.6mm半精车100mm粗车102mm99.78-0.023mm外圆面精车99.9mm半精车100.5mm粗车102mm92+0.035mm内圆面精镗91.6mm半精镗90mm粗镗86mm88mm内圆面粗镗86mm2.5+0.08+0.06mmX5mm活塞环槽粗车2.5+0.06+0.04mmX5mm活塞环槽粗
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本文标题:2100T柴油机的活塞部件设计及工艺设计【含CAD图纸和说明书】
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