无止口活塞工艺的研究

无止口活塞工艺的研究

目前，中国的生命周期机械工具产业，包括传统的工艺方法和德国等先进的制造技术，如今是通过引入德国等制造技术来进行的。其工艺流程基本如下:粗车止口→粗车外圆、顶面→精车止口→粗镗销孔→精车环槽→半精车外圆→精镗销孔→车挡圈槽→车内角→粗精车燃烧室→精车外圆。各活塞制造厂家,虽然根据其生产线加工设备的不同对以上工艺做了工序集中、分散或其它方面的调整,但总体看,还是基本遵循上述工艺。流程中车挡圈槽、车内角工序虽然是以销孔、外圆为定位基准,但外圆、销孔的形状、位置精度及尺寸要求是以止口定位加工保证的。以止口为活塞加工流水线各工序定位基准,符合基准统一原则,以止口为统一定位基准后,可以较方便地加工出活塞大多数加工面,可以最大限度地减小基准变换引起的误差,精确地保证各部分尺寸及形位公差的要求。多年的实践证明,这种工艺方法是成熟的,活塞加工生产线基本上是按上述流程来布置设备的。1无止口机构的产品ts068随着内燃机机型的增多,活塞设计技术的发展,活塞结构的设计也越来越复杂,有些机型的活塞在结构上不允许有工艺止口的存在。近年来,无止口活塞需求量越来越多,例如我们为美国某公司主机配套的中型汽油机TS068活塞(图1)就是一种无止口活塞,年需求量很大,具有良好的市场前景。但当时我公司还没有无止口产品的生产能力,如不能尽快解决这一问题将丢掉这一市场,并对我公司在国际市场上产品开发能力产生负面影响。无工艺止口,就无法在现行的流水线上以现行的工艺直接加工该活塞。因此,迫切需要我们在现有的流水线状态下、现有设备的基础上,解决无止口活塞的定位装夹等一系列工艺问题,以现有的生产线生产出合格的活塞。2热加工机构数控机床组合的组合制造工艺解决无止口活塞加工工艺问题,最大的困难在于解决定位和夹紧的方式,并能在现行设备状态下很好地实现,确保活塞的加工精度。TS068无止口活塞,其主要结构如图1。从图中可以看出在活塞上无法直接加工出止口,如直接加工出止口则是产品图纸所不能允许的。对该类活塞的机械加工,我们查阅有关文献资料,国内、国际上主要有两种方法,一种是在活塞裙部下端或销座下端加工艺止口,按一般的有止口活塞加工,最后再将工艺止口切除。基于此种设想,可以协调热加工活塞模具的设计,在模具设计中,加长、加宽活塞耳部,从而在活塞毛坯上预留出工艺止口的位置,在以后的加工中车出工艺止口,然后以止口和头部的中心孔定位夹紧,这就相当于有止口活塞的加工工艺方式了,只不过是在活塞加工完毕后,加上铣(车)工艺止口的工序即可。这种方法要求活塞裙部下端不能有大的缺口或销座下方有较大的加工面,而且最大的问题是止口切除后因应力的重新分布易导致活塞裙部变形,对薄壁活塞尤其严重。另一种是使用活塞内腔定位机构定位加工。该工艺方案的特点是不改变活塞的结构也可在无止口状态下加工活塞。但缺点也是明显的,首先,活塞内腔轮廓复杂,以毛坯面作精基准定位,尽管铸造精度较高,也会造成定位的不准确,工件的重复定位精度低,而且需要使用组合机床或加工中心。其次工装夹具复杂、设计困难。这两种方法,根据TS系列活塞的结构要求和我公司的设备现状都不适用。3冒口加工方案的确定为解决无止口活塞加工这一问题,我们攻关小组成员开动脑筋、集思广议,提出了多种加工方案,经多方论证,根据此活塞毛坯的冒口是顶冒口(图2),且TS系列活塞顶面要求加工的特点、在活塞顶面加工艺止口的方案最终确定。3.1插装深度、限制转动自由度的消除技术方案该方案较前两个方案有以下几个特点:(1)可以利用毛坯的顶冒口直接加工成凸台结构的工艺定位止口(图3),无需再改动模具在毛坯上增加额外的止口结构,节约了成本;(2)毛坯的顶冒口直径较大,可以提供较大的定位面,定位可靠、精度高;(3)可以直接使用公司现有常规生产线生产,无须添加任何设备,工装夹具也与常规产品差不多。确定了这一方案以后有两个问题需要解决:一是使用顶面止口,在需要限制活塞转动自由度的工序无法限制转动自由度,尤其精车外圆时无法确定活塞椭圆的长轴位置;二是最终切除顶面止口时,活塞如何装夹以避免外圆、环槽变形和表面划伤。为解决第一个问题我们制定了在止口凸台上加工出定位槽(图4)、与内嵌式可调拨块配合以限制活塞的转动自由度和实现活塞周向定位的设计方案;为解决第二个问题我们决定使用带有尼龙垫块的三爪装夹活塞,因为尼龙块质地比活塞铝合金较软,并将尼龙垫块夹紧面加工成与活塞直径相等的圆弧面,以增大接触面积、减小活塞变形。该方案我们设计的工艺流程:车裙部端面→粗车冒口→粗车止口→精车止口→粗镗销孔→铣止口定位槽→精车环槽及半精车外圆→精镗销孔→车挡圈槽→车销孔外口→精车外圆→粗精车燃烧室。经实际生产验证,该工艺方案基本满足生产要求,但存在压缩高尺寸不稳定、部分产品顶面平行超差的问题。经分析,导致该问题的主要原因是精车顶面和精镗销孔定位基准不一致。针对这一问题,我们对原工艺进行了改进,在精车止口工序将止口端面直接加工至活塞顶面成品尺寸,最后在切除工艺止口时不再加工顶面,只加工燃烧室,很好地解决了这一问题。TS068活塞现已在我公司常规生产线上正常批量生产,每条生产线班产量可达500只,在不增加额外投资的情况下,满足了顾客需求,取得了良好的经济效益。TS系列的其它活塞也可按此加工方案批量生产。4几种加工方法的对比无止口活塞的加工一直是活