活塞结构设计与工艺设计

摘要内燃机的不断发展，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进和提高的基础上的尤其是随着发动机强化程度的提高功率的增大和转速的增加零部件尤其是直喷式柴油机活塞的工作环境变得更加恶劣了活塞的结构直接影响活塞的温度分布和热应力分布，因此就有必要对活塞的结构和性能作出预测和评价。活塞式内燃机上最关键的运动件它在高温高压下承受反复交变载荷燃机的心脏本设计通过对内燃机铝活塞加工技术的发展活塞的工作环境以及结构特点的分析，确定了活塞的加工过程以及加工方案。其中主要包括：活塞顶部设计、活塞头部设计、活塞裙部设计、活塞的结构参数设计、和加工工艺的设计。关键词内燃活塞结加

mainpowerand。ThemovingandWhich.KEYWORD：Machining

目录第一绪第二章活塞结构设计第一节活塞的概述3第二节活塞的基本结构特点4第三节活塞的选型5第四节活塞的主要加工表面及技术要求…………第三活塞工艺设第一节活塞加工工艺分析11第二节活塞加工工艺规程的制订15结论致谢参考文献

第一章绪言一、活塞的发展趋活塞是发动机中的重要零件之一，它在工作时承受发动机气缸内高温气体的压。。国3测。市有%来。有。衡。1

。国373。六是重型汽车市场的更新换代。据测算，目前国内重型汽车市场保有量为万辆，全国货运总量平均每年增长约里程约为60万公里，基本上五年内要报废。每年更新车辆总量约23万~25。2

第二章活塞结构设计第一节活塞的概述一、活塞的功用及工作条活塞是曲柄连杆机构的重要零件煤气主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆推动曲轴旋转对外作功此外活塞又是燃烧室的组成部分活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件周期变化的燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MP。而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。活塞顶部直接与高温燃气接触活塞顶部的温度很高各部的温差很大活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室使顶部实际受热面积加大热负荷更加严重高温必然会引起活塞材料的强度下降活塞的热膨胀量增加破坏活塞与气缸壁的正常间隙另外由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性小的线膨胀系数同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。。料现代内燃机广泛使用铝合金活塞。铝合金导热性好（比铸铁大3-43）。因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造外加铜和镍以提高热稳定性和高温机械性能铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。3

为了提高铝活塞的强度和硬度并稳定形状尺寸处理第二节活塞的结构特点一般活塞都是圆柱形体根据不同发动机的工作条件和要求各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分1—顶部2—头部3—活塞销4—裙部5—气环6—油孔7—油环8—销图2.1活塞一、活塞头部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（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4

二、活塞裙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。三、活塞销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[第三节活塞的选型活塞的主要结构如图2可根据同类型发动机或统计数据选取图2.2活塞主要结一、塞高度H活塞高度取决于以下因素：（1）对柴油机高度尺寸的要求（与柴油机用途有关）（2）转速n5

（3）燃烧室形状及尺（4）活塞裙部承压面应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下，尽量选择较小的活塞高度数据范围如下2.32.3活塞高与缸之比的范围H/D机型说明一般范围 推荐值中小型高速 1.0~1.31.左右H高速大功率 1~1.36 1.左右中速机 1.45~1.801.左右 H0.74~0.80 小特殊用途 二、压缩高H1压缩高度H1决定活塞销的位置H1取决于第一道活塞环至顶面的距h、环高度H（H5又决定于活塞环的数目及高度）及上裙高度H4。在保证气环良好工作的条件下，宜缩短H1，以力求降低整机的高度尺寸。H1/D的一般范围表2.4所示。表2.4H1/D的一般范机型 H1/D中速机中速机小型高速D105mmD＞105mm高速大功0.5~0.70.6~0.80.55~0.80.8~1.0

三、顶岸高h（即第一道活塞环槽到活塞顶的距离）（1）h越小，第一道环本身的热负荷也越高。应根据热负荷及冷状况确h使第一道活塞环的工作温度不超过允许极（180~220℃（2）在保证第一道环工作可靠的情况下，尽量缩小h，以力求降活塞高度和重量。6

（3）h/的一般范0.14~0.20。组合活0.07~0.20

四、活塞环的数目及排列（1）活塞环数目一般为：高速机气2~道，油1~道；中速机气3~道，油道（少数用一道）（2）油环布置：采用一道油环时，油环装在销孔上方。五、环槽尺寸(环槽的轴向高度等于活塞环的轴向高b。)环槽底径D`取决于活塞环的背面间隙，背隙大小与活塞的热膨胀关，并对环的背压有一定影响。D`可按下式估算 (mm)气环槽 (mm)油环槽D`=[D-(2t+KD)+1.5] (mm)式中活塞名义直径；t活塞环径向厚度；系数，铝活K=0.006，铸铁活k=0.004环槽底部的过度圆角一般0.2~0.5mm.六、环岸高度（1）环岸高度（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体力最大，又容易受环的冲击而断裂。所以第一环岸高h一般比其余岸高度要大一些。（2）必须保证环岸有足够的机械强度，可按下列公式计算：5pz5pzD/10) 10314 ( ) 10314 ( 2 3（3）环岸高度范围2.52.5环岸高度类别 环岸高度与缸径之比7

铝活塞第一环h1/D 其余环h2(h3)/D七、裙部长七、裙部长H2（1）选取H2应使裙部比压在许可范围之内，裙部比压可按公q1=N∕Dmax高速机高速大功率钢顶组合活塞0.04~0.080.04~0.060.025~0.0350.03~0.0450.03~0.040.02~0.03。（2）H2∕的一般范围如下：高速柴油0.65~0.88中速柴油机1.0~1.1上、下裙长应有恰当的比例，上裙长H过小，易产生尖峰负荷，造成活塞拉毛及擦伤。八、活塞销直销座间Bd和B的选择主要是考虑活塞销座的承载压力及活塞销的刚度足下要求（1）选择d和B时应验算销座比压和连杆小头轴承比压，使这两项平均比压在允许范围之内。（2）按如下公式校验活塞销的弯曲变形和椭圆变选择应保证活塞销变形在许可范围内。22

d pDa af 22

d pDa af (2 4 ( 2 ( 2 ( Ddd Ddd (

320Edd （3）中小型高速柴油机，一d∕D＜0.4，d∕太大，则使活塞8

销表面至活塞顶内表面的距离过小，给活塞连杆组设计带来困难。强柴油机趋向于用较大的活塞销直径，d≥0.4D；大缸径柴油机d∕D值较大。第四节活塞的主要加工表面及技术要求活塞是在高负荷、高温、高速、润滑不良的条件下工作的，对它的设计要求（1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性的材料避免应力集中；（3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；（4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；（5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；（6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。当进行活塞的结构设计时，应着重解决的问题是：（1改善活塞顶及第一环的工作条件防止顶部热裂和环粘结卡死和过度磨损（2）改善活塞销和销座的实际承载能力，减少磨损，防止破裂；（3确定合适的裙部外形和热膨胀控制措施提高裙部承载能力和减小配缸间隙改善磨损并使运转平顺[2]。9

图2.6活塞的设计尺1．环岸及环槽底对活塞裙部轴心的径向跳动最大允差为底3.2μm.2.环槽侧面对活塞裙部轴心线垂直度不超过3.2μm.2.环槽侧面对活塞裙部轴心线垂直度不超过25：0.0心线跳动不超过0.05m，全部槽侧Ra0.4μm。3．活塞销孔尺寸及精度为φ（28±0.075mm；销孔圆柱度为0.00125mm度Ra5μm；轴心线垂直度为100：0.03；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4．裙部保留0.2m，0.008mm~0.016m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5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、外圆尺寸重量分别进行分组，然后按装配工艺要求进行分组装配。10

第三章活塞工艺设计第一节活塞加工工艺分析一、活塞加工工艺特

活塞主要表面尺寸和各表面间的相互位置精度要求较高在加工后还要求保证塞裙部及顶部的壁厚均匀上述特点和要求使得活塞机械加工比较困难其加工工艺特点主要有以下几方面应同时注意夹压点位置及活塞装夹方式的选用。应正确选择定位基准面，以减少因定位基准选用不当或定位基准变换所引起的加工误同在选用加工设备应尽量选用多刀或多工位加工机以减少装夹次数来减小装夹过程中所带来的加工误差。第三，孔尺寸及形状精度要求很高，粗糙度要求低。

部。析1征几种形式，部分活塞还具有气门坑及其开口等结构因此活塞顶部加工特征一般包括：燃烧室、活塞顶面、气门坑、气门坑开口等活塞顶面与止口的平行度一般为0.015m为在加工过程中一般要经过粗加工和精加工来完成，粗加工的加工余量一般为1m精为m。从活塞顶面到活塞销孔中心线的距离称为压缩高，该

为时m。活塞毛坯一般是铸造而成，铸造时一般铸粗mm对三次加工才能完成，因此在进行工艺分析时需要判断是否铸造有凹坑而气门坑及其开口由于余量较小一般一次加工至成品尺寸。。2征4，。，高，有精加工两次加工完成，粗加工加工出铁环及环槽形状并为精加工留出0.3~0.5mm以变形，因此一般至少分为粗、精两次加工来完成，粗加工加工出形状，给精加工留下0.1~0.2mm的余量。由于加工铸铁环槽时产生较大的切削力和热量，容易引起铝环槽的形状误差和变形，因此需要把铝环槽的加工放在铁环槽精加工之后进行。3活塞裙部加工特征活塞裙部是自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的部它用作引导以加12

工为椭圆形状，其长轴在垂直于销座孔中心线平面内，短轴在销座孔中心线平面内，到还。能mm，m。4征杆塞内壁相连，以提高强度。为减少销座上侧的压力，常把销座铸造成一些特殊形状，其中楔形销座是最常见的一种形式。活塞在工作时销座孔内侧受到活塞销的反复冲实现起来较困难，称为异形销孔。活塞销孔不仅本身尺寸精度与相互位置精度要求较高，而且粗糙度要求较低，一般为0.4~0.8u。销座孔内有安放弹性卡簧的卡簧槽塞为作择1择：（1）应当尽量选用不加工表面作为粗基准，当在工件上有很多时，以其中与加工面的位置精度要求较高的表面作为粗基准（2）选择加工余量较为均匀的表面作为粗基准（3）选择加工余量较小的表面作为粗基准（4）作为粗基准的表面应尽量平整，没有冒口、浇口以及飞边等缺陷，以便位可靠13

（5）一般粗基准只能使用一次，特别是对于主要的定位基准，这样可以避免产生较大的位置误差2精基准的选活塞属于薄壁筒形零件其径向刚度较差要表面之间的相对位置精度要求较高根据这种结构特点和和其技术要求精基准的选择应主要从以下几方面考虑（1。（2）当工件以某一组精基准定位可以较方便地加工很多表面时，应尽可能的采用此组精基准定位，实现“基准统一，以避免产生基准转换误差（3）当精加工或光整加工工序要求加工余量尽量小而均匀时，应选择加工表面度。（4。（5）有多种方案可供选择时，应选择定位准确、稳定、加紧可靠，可使夹具构简单的表面作为精基准目前生产活塞生产多采用止口和端面作为统一基准活塞止口在结构上和功能没有作用，它是为加工活塞而专门设置的辅助基准面。在精加工时,只有精车外圆等少数工序采用止口处的锥面和顶面上的中心孔定位,其余工序均采用止口和端面定位采用止口和端面作为定位基准主要有下列优点第一此种定位方式可以加工一。第，14

第二节活塞加工工艺规程的制订加工过程的最后确定,通常是通过一系列的论证，通过几条工艺路线的分析和比较,选择一个符合实际生产条件,并且能够确保加工质量提高加工效率降低加工成本的最佳工艺路

一、活塞加工方法的确零件表面的加工方法,应根据加工表面的技术要求来确定。根据加工表面的工艺要求,先选择能保证加工表面加工要求的最终加工方法,然后根据生产条件来确定每个工序和每个工步的具体加工方法选择处理方法还应该考虑每个处理方法的加工经济精度范围每种处理方法能够达到的精度和表面粗糙度都有一定范围。每种加工方法只要精心操作,选择适当的切削用量加工精度均可以提高其加工经济精度但是如果经济精度越高表面粗糙度值减少越小,相应的会消耗更多的时间和加工成本。实际生产中的加工经济精度一般是指正常条件下所能够保证的加工精度材料的加工方法还与材料的性质及本身的加工性有关。本设计中的活塞材料采ZL10它的主要化学成分:Cu≤0.1%,Si6.5～7.5％,Mg0.25～0.45%,Zn≤0.1%其余成分为Al。此材料硬度为100H，属于易切削材料加工方法的确定还与生产率的要求有关活塞零件的生产类型属于大批对生产率要求相对较高综合以上几点分析结合现阶段的工艺能力和所能达到的加工经济精度械加工工艺手册》拟订本零件的加工工艺方法，如表3.1所示：表3.1各加工面加工方法的拟 加工方法及其技术要端面的加工精度要求为8可采用一次车削完成这样端面加度为IT810，粗糙度为Ra=6.～1.6μm，满足其加工技术要求其裙部外圆的精度要求为IT6～IT5，表面粗糙度值要求为Ra≤0.63。外圆面加塞外圆的加工可选用粗车→精车→金刚石车椭圆这样所度为Ra=0.8～0.2μm，符合其加工技术要15

止口加销孔加环槽加头部外圆的加销孔卡环的加工斜油孔的加止口表面是为了精基准而加工的，其粗糙度要求较低，一般Ra≤1.25μm，其精度要求一般法,这样能达到的精度等级为IT8粗糙度Ra=3.～0.8要求。销孔是活塞的重要加工面，其精度要求为6以上，粗糙度.样能够达到的精度等级为IT6～IT粗糙度值为Ra=0.4～0.05μm其加工技术要求环槽的位置精度要求较高但其精度要求较低加工阶段完成。所能达到的精度等级为IT7～8，粗糙度为1.6μm，符合其加工技术要求头部外圆加工精度要求为IT8～IT10此时已经进行一次粗车再用一次精车就可以达到精度等级IT7～IT8，粗糙度为Ra=3.符合其加工技术要求卡环槽的尺寸精度要求较低位置精度要求相对较高采用一次车削完成。达到的精度等级为IT～10，粗糙度为3.2μm，符合其加工技术要求斜油孔的精度要求并不高其表面粗糙度为Ra≤12.5μm孔径小于为IT11-IT12。直油孔的加 与斜油孔加工方法相环槽位置精度要求较高尺寸精度要求相对较低环槽加两道工序完成，能够达到的精度等级为IT7IT8，粗糙度Ra=6.1.6μm，符合其加工技术要求二、活塞加工阶段划分

活塞加工工艺过程按阶段可划分为粗加工阶段→半精加工阶段→精加工阶段→光整加工阶段活塞外圆以及销孔是活塞的重要加工面其加工质量要求比较高因此外圆加工时安排了粗车，精车，金刚石车三个加工阶段，销孔加工时安排16

精镗和滚压三个加工阶段而其余的加工质量要求并不高2：表3.2各加工阶段技术要加工阶 加工要粗加工阶 去除各加工表面的余量，作出精基准，此阶段主要加工要求是提高生产减小粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度，为下一步精加工作半精加工阶好准精加工阶 确保零件的尺寸、形状和位置精度达到所规定的精度要光整加工阶 为了达到零件的最终精度要求，对精度要求特别高的零件所安排三、加工工序安排及工艺规程制定按照加工顺序的选择原则，加工工序安排如下：(1）先加工基准面，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）先进行粗加工工序，后进行精加工工序。根据活塞零件加工的实际情况，本设计拟定了如下加工工艺过程：第一道工序：粗车止口，端面第二道工序：粗镗销孔第三道工序：粗车外圆顶面、环槽第四道工序：钻油孔第五道工序：精车止口，打中心孔第六道工序：精切环槽第七道工序：精车外圆第八道工序：精镗销孔第十道工序：精车外圆第十一道工序：精车顶面及倒角17

第十二道工序：滚压销孔至0～温6～小时后，自然冷却。铝合金热处理一般安排在机加工前，在机械加工前要切去冒口然后进行时效处理消除铸造时因冷却不均匀而带来的内应力度和硬度对于同一个工件和同样的加工内容有两种不同形式的工艺规程可供选择是工序集中原则另一种是工序分散原则步从而使总的工序数减少减少所需要的夹具和工件的安装次数工步内容分散在更多的工序中完成这样每道工序的工步较少但其工艺路线长两种工艺规程各有所长工艺集中更有利于保证各加工面间的相互位置精度要求以采用高生产效率的机车节省安装工件的次数和时间减少工件的搬动次数生产效率而工序分散的优点在于能够使每个工序的