汽车发动机活塞机械加工工艺设计

汽车发动机活塞机械加工工艺设计 汽车工程学院 毕业设计 汽车发动机活塞机械加工工艺设计 1 目 录 1绪论 ................................................. 3 1.1 活塞加工工艺过程分析 .................................................................................................... 3 1.2 本课主要内容 .............................................................................................................. 4 2 活塞的结构特点及其工作环境................................. 3 2.1 活塞作用 ......................................................................................................................... 4 2..2活塞工作环境及性能要求 ........................................................................................ 4 2.3活塞结构................................................................................................................... 5 3 活塞加工工艺分析 ............................................. 7 3.1活塞加工工艺特点............................................................................................................ 7 3.2活塞加工特征分析............................................................................................................ 7 3.2.1活塞顶部加工特征 ................................................................................................. 7 3.2.2活塞头部加工特征 ................................................................................................. 8 ................................................................. 8 3.3.3活塞裙部加工特征 ................................ 4 活塞加工工艺规程的制订 ................................... 9 4.1活塞材料及毛坯制造 ........................................................................................................ 9 ........................................................................ 9 4.1.1活塞材料选择 ................................ 4.1.2毛坯选择 ............................................................................................................. 10 4.1.3铸造斜度 ............................................................................................................. 11 4.1.4铸造圆角 ............................................................................................................. 11 4.1.5确定机械加工余量 ............................................................................................... 11 4.1.6毛坯的制造方法及工艺确定 ........................................................................................ 11 4.2定位基准的选择 ............................................................................................................. 11 4.2.1粗基准的选择 ...................................................................................................... 11 4.2.2精基准的选择 ...................................................................................................... 12 4.3活塞加工工艺制订.......................................................................................................... 13 4.3.1加工方法的确定................................................................................................... 13 4.3.1加工方法的确定................................................................................................... 17 4.3.2活塞加工阶段划分 ............................................................................................... 18 4.3.3加工工序安排及工艺规程制订.............................................................................. 19 4.3.4加工余量的确定................................................................................................... 20 结 论 .................................................................. 21 参考文献 ................................................................. 22 致 谢 ................................................... 错误～未定义书签。 2 1绪论 制造业是国民经济的支柱产业，其发展程度体现了一个国家科学技术和生产力的发展水平。 近年来我国国民经济增长迅速，社会购买力不断提升，汽车工业更是呈现了前所未有的发展势头。2009年中国汽车产销量突破1300万辆，2010年更是突破了1800万辆，当今，中国已成为世界最主要的汽车产销大国之一。汽车市场的持续增长为汽车零部件制造业提供了广阔的市场空间和难得的发展机遇。在汽车当中，活塞相当于汽车的“心脏”，它在运行过程中它承受交变的机械负荷同时又承受热负荷，是发动机中工作条件最为恶劣的零部件之一，是影响发动机性能指标和平均无故障使用寿命的较为薄弱的零件，同时也是最为关键的零部件之一。 随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性以及可靠性要求越来越严格，如何实现活塞生产中的高产量、低成本、高、准时交付、快速响应以及使产品快速占领市场等要求，已经越来越成为现在制造业中企业所追求的目标。因此，针对各种内燃机活塞机械加工工艺过程的广泛探索从而缩短或简化工艺、提高产品质量、降低制造成本尤为显得重要。 1.1 活塞加工工艺过程分析 内燃机活塞制造技术在我国已有四十多年的发展，已经具有一定的基础， 近年来通过不断的技术改造和技术合作，活塞制造技术发展很快，活塞产品质量不断提高，并且，新产品的比重逐渐加大。但是，内燃机活塞机械加工工艺过程还是存在一定的差别，并且活塞类型和加工要求也有较大差别。 现在国内大多数活塞生产企业多采用专用机床和改装的普通车床、专用工装和夹具组成的单机流水线的加工方式生产。流水线设备排列为一机一序或一机多序，流程较长。典型的活塞加工工艺过程如:粗车外圆?平顶面?车止口、打中心孔?粗镗销孔?半精车外圆、顶面?粗、精切环槽?„„?精车外圆、顶面?„„?精车燃烧室?精镗销孔?车卡环槽?检验„„。上述加工工艺过程以止口、中心孔作为精基准，以活塞头部外圆、活塞裙部、销孔表面以及活塞顶面等为主要加工面，燃烧室、气门坑等为次要加工面。这种传统工艺过程的主要优势有以下几点:第一，一次装夹可车削外圆、活塞顶面和环槽等工作面，加工方便;第二，沿活塞轴向夹紧可进行多刀切削。同时，这种传统加工工艺过程也存在一下几方面主要问题:第一，以活塞止口为工艺基准，加工流程较 3 长;第二，环槽的位置精度低;第三，采用轴向夹紧，该夹紧方式对活塞的加工精度，特别是对薄壁活塞裙部外圆的加工精度会产生较大的影响。 1.2 本课题主要内容 活塞的加工工艺过程是本设计的重点内容，在设计过程中，必须严格地选择毛坯、制订工艺规程、确定加工余量，并计算工艺尺寸、分析定位误差等，此外，为了与实际生产相吻合，还必须对加工设备、切削用量等进行选择和设计，此阶段内容较多，所涉及的范围也比较广，为了使设计更为合理，必须广泛查阅相关书籍，是设计更为合理和使用。 为使工件定位更加准确，夹紧更为快速，安装找正更为方便，从而提高生产效率，降低工人劳动强度，提高零件加工精度，夹具设计要采用专用夹具。 2 活塞的结构特点及其工作环境 2.1 活塞作用 活塞连杆组主要有活塞、活塞环、活塞销和连杆等零件组成。活塞的主要作用是与汽缸盖、气缸共同构成燃烧室，将做功行程所承受的燃气压力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。 2..2活塞工作环境及性能要求 发动机工作时，由于活塞顶部直接与高温燃气接触，燃气的最高温度可达2500K以上，因此活塞的温度也很高，因高温时材料的力学性能降低，甚至发生高温蠕变。当顶部温度超过640K~700K时还会产生热裂现象。第一环槽超过80K~500K时，就会造成活塞环粘结。活塞温度高且往复变速运动，润滑困难，所以极易磨损。在进气时活塞又接触到冷的可燃气体，造成温度不均匀，产生的热应力容易使活塞变形和活塞顶表面开裂。因此要求活塞具有: (1) 足够的强度、刚度和韧性; (2) 良好的导热性和极小的热膨胀性; (3) 很小的重量，以保持很小的惯性力; (4) 良好的润滑性和耐磨性，以提高寿命。 现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机都广泛采用铝合金活塞，只在极少数发动机上采用铸铁或耐热钢活塞。目前铝合金活塞多用含硅12%左右的共晶铝硅合金和含硅18%~23%的过共晶铝硅合金制造，外加镍、铜和镁，以提高热稳定性和高温机械性能。 4 含硅量越高，材料的膨胀系数越小，耐磨性愈好，但制造工艺较差。富康轿车的活塞材料为共晶铝硅合金，桑塔纳轿车的活塞材料则采用Si-Cu-Mg过共晶铝硅合金。柴油机因其活塞承受高热、高机械负荷，故也有采用合金铸铁和耐热钢作为活塞材料。 2.3活塞结构 活塞由顶部、头部和裙部三部分组成，其基本结构如图2-1所示。 1—顶部 2—头部 3—活塞销孔 4—裙部 5—气环槽 6—油孔 7—油环槽 8—销座 图2-1 活塞的基本结构 活塞顶部是燃烧室的组成部分，其形状与选用的燃烧室形式有关。主要有平顶、凹顶和凸顶等几种形式。汽油机活塞顶多为平顶，以使燃烧室结构紧凑，散热面积小，制 5 造工艺简单。但高压缩比、多气门的现代发动机，为了满足燃烧室的要求也有略微凸起或凹下的形状，以及为了避免活塞与气门碰撞而制成凹坑。而柴油机活塞顶常制成各种凹坑。 活塞头部是指活塞环槽以上的部分。活塞头部主要作用有以下三点:第一，承受燃气压力并传给连杆;第二，与活塞环一起实现气缸的密封;第三，将活塞顶部吸收的热量通过活塞环传到气缸壁上。在活塞头部切有几道环槽，用以安装活塞环。汽油机一般有2~3道环槽，上面的1~2道环槽用来安装气环，下面的一道用来安装油环。在油环底部钻有若干径向小孔，以使油环汽缸壁上刮下的多余机油经此流回油壳底。活塞环槽的磨损是影响活塞使用寿命的重要因素。再热负荷较高的发动机中，活塞的第一道环槽温度较高，磨损严重。为保护加强活塞环槽，常在第一道环槽处镶嵌耐热护圈。在热负荷很高的直喷式柴油机燃烧室喉口处均镶嵌耐热护圈，以保护喉口不因过热而开裂。采用奥氏体或高锰奥氏体铸铁护圈，可使环槽的寿命提高3~10倍。 活塞裙部是指活塞头部一下的部分。其作用:一是为活塞在气缸内作往复运动导向，二是承受侧压力。 发动机工作时，在缸内燃气压力的作用下，活塞会发生弯曲变形，活塞后热后，在活塞销座处的膨胀量大于其他各处，同时活塞在侧压力的作用下也会产生挤压变形。为使活塞在气缸内正常工作，不至于卡死或引起局部磨损，在各种工况下活塞与气缸壁间都能保持均匀的间隙，常在冷状态下将活塞做成椭圆形，其长轴垂直于活塞销座孔轴线。为减少销座附近的热变形量，有的活塞将销座附近的裙部外表面制成下陷0.5mm~1.0mm。现代汽车发动机的活塞均为椭圆裙。 除此之外，活塞沿轴线方向温度和质量分布也不均匀，导致各断面热膨胀量上大下小。一次，需把活塞制成上大下小的圆锥形或桶形。 为了减少活塞裙部的热膨胀量，有的汽油机活塞在活塞销座中镶铸有热膨胀系数低的恒范钢片，由于恒范钢片与活塞裙部相连，且恒范钢片的热膨胀系数只有铝合金的1/10左右，因此当温度升高时，在恒范钢片牵制下，裙部在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小。 活塞裙部采用上述后，与气缸壁之间的冷态装配间隙可减小，是指不产生“冷敲热拉”现象。 为改善铝合金活塞的磨合性，可对活塞裙部表面涂以保护层。汽油机的活塞裙部外表面镀锡，柴油机的住铝活塞的裙部外表面磷化，对于锻铝活塞外表面涂石墨。 活塞销孔的中心线一般位于活塞中心线的平面内。但有些高速发动机，将活塞销座 6 向承受做功行程侧压力的一面偏移1mm~2mm，其目的是为了减轻活塞在越过上止点时因侧压力的瞬时换向而产生的“敲缸”现象，从而减小发动机运行噪声，改善发动机工作的平顺性。 3 活塞加工工艺分析 3.1活塞加工工艺特点 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: 第一，活塞壁薄，径向刚度差，如果按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削力作用下很容易变形，从而影响加工精度，因此在制订加工工艺及选择加工设备时，应同时注意夹压点位置及活塞装夹方式的选用。 第二，活塞的加工面较多，加工较为复杂，它不仅对各加工面尺寸精度要求较高，而且对各个加工面间的相互位置精度要求也较高。因此，在制定加工工艺时，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差。同时，在选用加工设备时，应尽量选用多刀或多工位加工机床，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。 第四，薄、刚性较差，如果切削力过大会引起活塞变形，从而影响加工精度，因此，在加工时，应选择较小的进刀量和较高的转速。同时，重要加工面如活塞顶面、裙部外圆、活塞销孔的精加工要放在最后进行。 3.2活塞加工特征分析 3.2.1活塞顶部加工特征 活塞顶部是燃烧室的组成部分因而制成不同的形状，主要有平顶、凹顶、和凸顶几种形式，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0.015mm，其粗糙度要求一般为Ral1.6~3.2um，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1mm，精加工的加工余量一般为0.4mm。从活塞顶面到活塞销孔中心线的距离称为压缩高，该距离影响发动机的压缩比，在精加工活塞顶面时需要保证活塞的压缩高。燃烧室多为回转体形 7 状，其素线由方向、半径不同的圆弧与直线圆滑连接而成，燃烧室精加工时需要保证燃烧室的粗糙度一般为Ra3.2um。活塞毛坯一般是铸造而成，铸造时一般铸造有燃烧室凹坑，燃烧室加工同样需要经过粗加工和精加工两次加工完成，燃烧室粗加工的加工余量一般为1mm，精加工的加工余量一般为0.4mm，与顶面基本相同。对于个别的活塞毛坯为平顶的铸造件，燃烧室加工需经过粗加工、半精加工和精加工三次加工才能完成，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。 根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而气门坑及其开口一般采用铣削加工。 3.2.2活塞头部加工特征 活塞头部主要有2-4道环槽及环槽之间的环岸、槽侧油带、第一环槽至顶部的火力岸组成。因此，其加工特征主要是铁、铝环槽的加工及环岸、火力岸外圆的加工，有时在环槽底部或槽侧油带部位还有通向内腔的径向回油孔。 铁环槽为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。基于这一原因，该环槽一般为两槽，并具有一定的斜度，以便于与密封环更好地接触，避免高压燃气串到裙部。铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求，其基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有“粘性”加工特征，加工一般至少需要粗加工、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余量。铝环槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加工余量比较大、容易加工变形，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。 3.3.3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分，它用作引导活塞在气缸内运动和承受侧压力。受活塞结构的影响，为保证热态下活塞裙部的圆筒形状，以便能够与气缸很好地贴合，不至于被卡住或拉伤，需要将活塞裙部的径向外形设计加工为椭圆形状，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，且椭圆度在不同的轴向位置是变化的;而活塞长轴轴向轮廓设计加工为上小下大、到底部再小的中凸形状，这种外圆形状称为中凸变椭圆。在活塞裙部下端及内腔部位还需要加工出止 8 口作为后续工序的定位基准。 活塞裙部外圆粗糙度一般要求1.6~3.2um，且外圆对加工纹理有特殊要求，基于外圆特殊的形状和表面纹理要求，需要经过粗加工、半精加工、精加工三次加工才能达到技术要求，总加工余量一般在2mm左右;活塞止口粗糙度一般要求1.6~3.2um，总加工余量一般在1 mm左右，因此经过粗、精两次加工可以达到技术要求。 3.3.4活塞销座孔加工特征 活塞销座将作用在活塞顶部的气体力经过活塞销传给连杆。销座常用加强筋与活塞内壁相连，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击，为防止活塞该处应力集中及疲劳损坏，常将该处设计为喇叭口形状，因其加工实现起来较困难，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0.4~0.8um。销座孔内有安放弹性卡簧的卡簧槽，为安装方便，销孔内、外侧常加工出较大的内、外口倒角。基于以上加工特征，活塞销孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工才能达到技术要求。为防止销孔变形，精加工一般安排在工序的最后面完成。有些活塞为增加销孔的储油作用，还加工成椭圆形状，称为减压腔，有时还需要在销座上加工油孔。 4 活塞加工工艺规程的制订 4.1活塞材料及毛坯制造 铸造铝合金按其化学成分一般可分为:铝铜合金、铝锌合金、铝镁合金、铝硅合金等。 4.1.1活塞材料选择 活塞材料一般按其工作条件来确定，汽车活塞一般很少用铸铁活塞，一般只有在重负荷、低速、低级燃料的发动机中用铸铁材料活塞，对于高速发动机要求活塞要具有很小的重量，来保持很小的惯性力，所以此类活塞多采用铜硅铝合金材料。与铸铁材料相比铜硅铝合金材料主要由以下优点: (1) 导热性良好,能够使活塞顶面的温度快速降低，提高发动机的压缩比，并且 使混合气体不会产生自燃，从而提高发动机的功率; (2) 重量轻,工作时惯性力矩小，运行平稳; (3) 可切削性较好。 9 但是铜硅铝合金也有一些缺点，其主要缺点如下: (1)与铸铁相比铝合金价格较贵; (2)铝合金的热膨胀系数大，受热变形大; (3)铝合金的耐磨性以及强度和刚度与铸铁相比都较差。 总的来说，铝合金的优点更多，更适合用来做活塞材料。并且，其耐磨性差的缺点可以通过镶嵌高镍铸铁环的措施来改进，因此铜硅铝合金在活塞中应用更为广泛。 4.1.2毛坯选择 选择毛坯应主要从以下几方面考虑:第一，零件的力学性能。零件的力学性能会因毛坯制造方法的不同而有所差别。其力学性能一般是按铸铁件，离心浇注铸件和压力浇注铸件，金属型浇注铸件，砂型浇注铸件的次序依次降低。第二，零件的外轮廓尺寸和结构形状。一般壁厚比较均与，并且形状较为简单的毛坯可用金属型铸造。第三，生产批量和生产纲领。生产批量和生产纲领较大时一般采用高精度高生产率的毛坯制造方法。 从活塞的生产批量上来看，活塞生产属于大批量生产，因此，一般采用精度和生产率高的毛坯制造方法，来减少材料的消耗和降低机械加工工作量，一般可考虑用金属铸造、模锻、精锻等方法来获得毛坯;从零件本身结构来看，由于活塞属于外形较为复杂的小型零件，并且它的壁厚较薄，故可以考虑采用压铸、熔模铸造、金属铸造等精密铸造方法。从毛坯的制造工艺及方法来看，铸铜和铸铝等有色金属材料适宜用铸造方法获得毛坯;从铸铝件本身的力学性能来看，可采用金属型铸造的铸件。 本文以ZL101材料为例进行分析，其性能如表4-1所示，其毛坯采用金属型铸造，在重力下浇铸成型。 表4-1 ZL101成分及性能 ,,主要化学成分/% 合金铸造bS 用途 代号 方法 Si Cu Zn Mg Mpa % 形状复杂的砂型、金硅铝6.5~0.25~ ZL101 <0.1 <0.1 J,T5 202 2 属型和压力铸造零合金 7.5 0.45 件 10 4.1.3铸造斜度 铸件的铸造斜度应按以下原则确定:第一，金属的收缩阻力越大，斜度也应越大。第二，收缩量越大熔点越高，斜度越大。第三，拔模部分尺寸越大，斜度越小。 另外，不同铸造方法的铸造斜度也有差别，各种铸造方法的最小铸造斜度如表4-2所示: 表4-2 各种铸造方法的最小铸造斜度 铸造方法 斜度位置 压铸 壳型 金属型 砂型 外表面 0?30ˊ 0?30ˊ 0?20ˊ 0?15ˊ 内表面 1? 1? 0?20ˊ 0?30ˊ 4.1.4铸造圆角 铸件壁部连接处应有铸造圆角,以减小应力集中的影响。依照铸造圆角计算公式算出数值后，选取与其相近的机械制造业常用标准尺寸(详见GB2822—81)。并且，为便 于制造，圆角半径应尽可能统一。对于金属型铸件一般统一采用R3或R5。 4.1.5确定机械加工余量 铸锻件的机械加工余量按JB3735-85确定，加工余量的确定应根据估算的锻件的重量、加工精度及锻件形状的复杂系数来确定，由《简明机械加工工艺手册》查得:金属型铸件的尺寸公差等级为6,8级。相应的加工余量为:外圆加工余量为4.0mm， 销孔加工余量为3.0mm。 4.1.6毛坯的制造方法及工艺确定 金属型浇注铸件结构紧密，能够承受较大压力，并且其生产率较高，适用于铁碳合金、有色金属及其合金的大批量生产。一般金属型铸造允许毛坯的最大质量为110kg，毛坯所允许的的最小壁厚为1.5mm，其形状复杂程度一般，精度等级要求为6,8级，毛坯的尺寸公差约为0.09,0.47，表面粗糙度Ra为12.5,6.3μm，加工余量等级为F级。 4.2定位基准的选择 4.2.1粗基准的选择 粗基准选择应从以下几方面考虑: (1)应当尽量选用不加工表面作为粗基准，当在工件上有很多不需加工的表面时， 11 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，以便定位 可靠。 (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。 4.2.2精基准的选择 活塞属于薄壁筒形零件，其径向刚度较差，并且其主要表面的尺寸精度以及各主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) 尽量用设计基准作为定位基准，实现“基准重合”，以避免产生基准不重合误差。 (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，应选择加工表面本身 作为精基准，即遵循“自为基准”的原则。该加工表面与其他表面间的位置精 度要求由先行工序保证。 (4) 为获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循“互为基准”、反复加工的原 则。 (5) 有多种可供选择时，应选择定位准确、稳定、加紧可靠，可使夹具结构简 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上没有作用，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裙部、头部、顶面、销孔等主要加工表面及其他次要加工表面。并且，这种定位方式一次安装可车削多个表面，能够提高生产效率，保证活塞主要加工表面的位置精度。第二，由活塞裙部在半径方向的刚性比较差，利用此种定位方式能够沿活塞轴向夹紧，这样就不会引起严重的变形，从而可以进行多刀切削，提高加工效率。 12 4.3活塞加工工艺制订 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的,并且能够确保加工质量、提高加工效率、降低加工成本 的最佳工艺路线。 4.3.1加工方法的确定 零件表面的加工方法,应根凹坑，燃烧室加工同样需要经过粗加工和精加工两次加工完成，燃烧室粗加工的加工余量一般为1mm，精加工的加工余量一般为0.4mm，与顶面基本相同。对于个别的活塞毛坯为平顶的铸造件，燃烧室加工需经过粗加工、半精加工和精加工三次加工才能完成，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。 根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而气门坑及其开口一般采用铣削加工。 活塞头部主要有2-4道环槽及环槽之间的环岸、槽侧油带、第一环槽至顶部的火力岸组成。因此，其加工特征主要是铁、铝环槽的加工及环岸、火力岸外圆的加工，有时在环槽底部或槽侧油带部位还有通向内腔的径向回油孔。 铁环槽为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。基于这一原，该环槽一般为两槽，并具有一定的斜度，以便于与密封环更好地接触，避免高压燃因 气串到裙部。铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求，其基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有“粘性”加工特征，加工一般至少需要粗加工、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余量。铝环槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加工余量比较大、容易加工变形，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。 活塞裙部是自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的部分，它用作引导活塞在气缸内运动和承受侧压力。受活塞结构的影响，为保证热态下活塞裙部的圆筒形状，以便能够与气缸很好地贴合，不至于被卡住或拉伤，需要将活塞裙部的径向外形设计加工为椭圆形状，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，且椭圆度在不同的轴向位置是变化的;而活塞长轴轴向轮廓设计加工为上小下大、到底部再小的 13 中凸形状，这种外圆形状称为中凸变椭圆。在活塞裙部下端及内腔部位还需要加工出止口作为后续工序的定位基准。 活塞裙部外圆粗糙度一般要求1.6~3.2um，且外圆对加工纹理有特殊要求，基于外圆特殊的形状和表面纹理要求，需要经过粗加工、半精加工、精加工三次加工才能达到技术要求，总加工余量一般在2mm左右;活塞止口粗糙度一般要求1.6~3.2um，总加工余量一般在1 mm左右，因此经过粗、精两次加工可以达到技术要求。 活塞销座将作用在活塞顶部的气体力经过活塞销传给连杆。销座常用加强筋与活塞内壁相连，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击，为防止活塞该处应力集中及疲劳损坏，常将该处设计为喇叭口形状，因其加工实现起来较困难，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0.4~0.8um。销座孔内有安放弹性卡簧的卡簧槽，为安装方便，销孔内、外侧常加工出较大的内、外口倒角。基于以上加工特征，活塞销孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工才能达到技术要求。为防止销孔变形，精加工一般安排在工序的最后面完成。有些活塞为增加销孔的储油作用，还加工成椭圆形状，称为减压腔，有时还需要在销座上加工油孔。 铸造铝合金按其化学成分一般可分为:铝铜合金、铝锌合金、铝镁合金、铝硅合金等。 活塞材料一般按其工作条件来确定，汽车活塞一般很少用铸铁活塞，一般只有在重负荷、低速、低级燃料的发动机中用铸铁材料活塞，对于高速发动机要求活塞要具有很小的重量，来保持很小的惯性力，所以此类活塞多采用铜硅铝合金材料。与铸铁材料相比铜硅铝合金材料主要由以下优点: (4) 导热性良好,能够使活塞顶面的温度快速降低，提高发动机的压缩比，并且 使混合气体不会产生自燃，从而提高发动机的功率; (5) 重量轻,工作时惯性力矩小，运行平稳; (6) 可切削性较好。 但是铜硅铝合金也有一些缺点，其主要缺点如下: (4)与铸铁相比铝合金价格较贵; (5)铝合金的热膨胀系数大，受热变形大; (6)铝合金的耐磨性以及强度和刚度与铸铁相比都较差。 14 总的来说，铝合金的优点更多，更适合用来做活塞材料。并且，其耐磨性差的缺点可以通过镶嵌高镍铸铁环的措施来改进，因此铜硅铝合金在活塞中应用更为广泛。 选择毛坯应主要从以下几方面考虑:第一，零件的力学性能。零件的力学性能会因毛坯制造方法的不同而有所差别。其力学性能一般是按铸铁件，离心浇注铸件和压力浇注铸件，金属型浇注铸件，砂型浇注铸件的次序依次降低。第二，零件的外轮廓尺寸和结构形状。一般壁厚比较均与，并且形状较为简单的毛坯可用金属型铸造。第三，生产批量和生产纲领。生产批量和生产纲领较大时一般采用高精度高生产率的毛坯制造方法。 从活塞的生产批量上来看，活塞生产属于大批量生产，因此，一般采用精度和生产 率高的毛坯制造方法，来减少材料的消耗和降低机械加工工作量，一般可考虑用金属铸造、模锻、精锻等方法来获得毛坯;从零件本身结构来看，由于活塞属于外形较为复杂的小型零件，并且它的壁厚较薄，故可以考虑采用压铸、熔模铸造、金属铸造等精密铸造方法。从毛坯的制造工艺及方法来看，铸铜和铸铝等有色金属材料适宜用铸造方法获得毛坯;从铸铝件本身的力学性能来看，可采用金属型铸造的铸件。 本文以ZL101材料为例进行分析，其性能如表4-1所示，其毛坯采用金属型铸造，在重力下浇铸成型。 铸件的铸造斜度应按以下原则确定:第一，金属的收缩阻力越大，斜度也应越大。第二，收缩量越大熔点越高，斜度越大。第三，拔模部分尺寸越大，斜度越小。 铸件壁部连接处应有铸造圆角,以减小应力集中的影响。依照铸造圆角计算公式算出数值后，选取与其相近的机械制造业常用标准尺寸(详见GB2822—81)。并且，为便于制造，圆角半径应尽可能统一。对于金属型铸件一般统一采用R3或R5。 铸锻件的机械加工余量按JB3735-85确定，加工余量的确定应根据估算的锻件的重量、加工精度及锻件形状的复杂系数来确定，由《简明机械加工工艺手册》查得:金属型铸件的尺寸公差等级为6,8级。相应的加工余量为:外圆加工余量为4.0mm， 销孔加工余量为3.0mm。 金属型浇注铸件结构紧密，能够承受较大压力，并且其生产率较高，适用于铁碳合金、有色金属及其合金的大批量生产。一般金属型铸造允许毛坯的最大质量为110kg，毛坯所允许的的最小壁厚为1.5mm，其形状复杂程度一般，精度等级要求为6,8级，毛坯的尺寸公差约为0.09,0.47，表面粗糙度Ra为12.5,6.3μm，加工余量等级为F级。 基准选择应从以下几方面考虑: 15 (1)应当尽量选用不加工表面作为粗基准，当在工件上有很多不需加工的表面时， 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，以便定位 可靠。 (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。 活塞属于薄壁筒形零件，其径向刚度较差，并且其主要表面的尺寸精度以及各主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: (6) 尽量用设计基准作为定位基准，实现“基准重合”，以避免产生基准不重合误差。 (7) 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。 (8) 当精加工或光整加工工序要求加工余量尽量小而均匀时，应选择加工表面本身 作为精基准，即遵循“自为基准”的原则。该加工表面与其他表面间的位置精 度要求由先行工序保证。 (9) 为获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循“互为基准”、反复加工的原 则。 (10) 有多种方案可供选择时，应选择定位准确、稳定、加紧可靠，可使夹具结 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上没有作用，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 其余工序均采用止口和端面定位。 工序采用止口处的锥面和顶面上的中心孔定位, 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裙部、头部、顶面、销孔等主要加工表面及其他次要加工表面。并且，这种定位方式一次安装可车削多个表面，能够提高生产效率，保证活塞主要加工表面的位置精度。第二，由活塞裙部在半径方向的刚性比较差，利用此种定位方式能够沿活塞轴向夹紧，这样就不会引起严重的变形，从而可以进行多刀切削，提高加工效率。 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的,并且能够确保加工质量、提高加工效率、降低加工成本 16 的最佳工艺路线。 4.3.1加工方法的确定 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用ZL101，它的主要化学成分是: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100HB，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量生产。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，查《机械 -3所示: 加工工艺手册》拟订本零件的加工工艺方法，如表4 表4-3 各加工面加工方法的拟定 加工方法及其技术要求 端面的加工精度要求为IT8级，可采用一次车削完成，这样能够 端面加工 达到的精度为IT8,10，粗糙度为Ra=6.3,1.6μm，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。活塞外圆的加工可选用:粗车?精车?金刚石车椭圆， 外圆面加工 这样所能达到的粗糙度为Ra=0.8,0.2μm，符合其加工技术要 求 止口表面是为了精基准而加工的，其粗糙度要求较低，一般为 Ra?1.25μm，其精度要求一般为IT7，故可采用粗车——精车 止口加工 的加工方法,这样能达到的精度等级为IT8，粗糙度Ra=3.2, 0.8，符合其加工技术要求。 17 销孔是活塞的重要加工面，其精度要求为IT6以上，粗糙度为 Ra?0.16μm，要求较高，故一般采用粗镗?精镗—滚压的加工 销孔加工 方法，这样能够达到的精度等级为IT6,IT7，粗糙度值为 Ra=0.4,0.05μm，符合其加工技术要求。 环槽的位置精度要求较高，但其精度要求较低，可采用粗车—— 环槽加工 精车两个加工阶段完成。所能达到的精度等级为IT7,8，粗糙 度为Ra=6.3,1.6μm，符合其加工技术要求。 头部外圆加工精度要求为IT8,IT10级，此时已经进行一次粗 头部外圆的加工 车，故可以再用一次精车就可以达到精度等级IT7,IT8，粗糙 度为Ra=3.2,0.8μm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，故可在销 销孔卡环槽 孔精镗后采用一次车削完成。达到的精度等级为IT8,10，粗糙 的加工 度为Ra=6.3,3.2μm，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 斜油孔的加工 小于20mm，故其加工方法直接采用钻孔来实现，精度为 IT11-IT12，符合其加工技术要求。 直油孔的加工 与斜油孔加工方法相同 环槽位置精度要求较高，尺寸精度要求相对较低，可采用粗 环槽加工 车?精车两道工序完成，能够达到的精度等级为IT7,IT8，粗 糙度Ra=6.3,1.6μm，符合其加工技术要求。 4.3.2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，销孔加工时安排了粗镗，精镗和滚压三个加工阶段。而其余的加工质量要求并不高，并且毛坯采用金属型铸造精度比较高，加工余量小，故其余工序均安排粗加工、精加工两阶段完成。各阶段加工技术要求如表4-4所示: 表4-3 各加工阶段加工技术要求 加工阶段 加工要求 粗加工阶段 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 18 高生产率 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 半精加工阶段 精加工作好准备 精加工阶段 确保零件的尺寸、形状和位置精度达到所规定的精度要求 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 光整加工阶段 的 4.3.3加工工序安排及工艺规程制订 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 第十二道工序:滚压销孔 此外，对于尺寸较大、结构较为复杂的铸件，为了消除残余应力，需在粗加工之前、或粗加工之后进行一次时效处理，即将活塞加热至180,200摄氏度，然后保温6,8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，增加活塞的强度和硬度。 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:一种是工序集中原则，另一种是工序分散原则。工序集中是指每个工序包括尽可能多的工步， 19 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。而工序分散是将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。这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，可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，提高生产效率，而工序分散的优点在于能够使每个工序的设备和夹具比较简单，调整、对刀更为容易。 考虑到活塞零件的结构特点和技术要求、以及工厂机床设备、工人技术水平等条件，工序相对集中的原则更适合活塞生产。 4.3.4加工余量的确定 本设计采用的加工余量确定方法为查表修正法，通过查阅《简明机械加工工艺手册》，并结合实际加工情况对各加工面的加工余量确定如表4-4所示: 表4-4 各加工面加工余量 加工面 加工方法 加工余量 外圆 粗车?精车加工 粗车3.7mm，精车0.3mm 端面 一次性加工 1.0mm 止口 粗车?精车加工 粗车1.2mm，精车0.3mm 粗镗2.7mm，精镗0.2mm，滚压 销孔 粗镗?精镗，最终加工为滚压 0.1mm 油孔 钻削 加工余量由孔径来确定 环槽 粗车?精车加工 粗车1.2mm，精车0.3mm 总加工余量为14.17mm，粗车 顶面 粗车—铣气门内、外槽 3.17mm，粗铣总余量11.0mm 卡环槽 精镗后一次车削完成 总加工余量4.8mm 20 结 论 本设计的设计思想从整体功能设计出发，先分析设备需要完成哪些功能，可能实现这些功能的方式，然后分析其可行性。绘装配图的过程是不断查资料，边画、边算、边改的过程。 在整个设计中我发现了自己的许多不足和缺憾。比如，对于以前学习的基础知识掌握的不够牢靠，而所学的许多课程由于时间紧张而有所遗忘，知识点也仅限于停留在点上，没有形成线与面。但是，通过这次毕业设计，我在不断发现自己的不足，不断的进行改正和补充，使得我加深了对四年所学课程的理解和掌握，拓宽知识面，特别是通过理论和实践相结合，使我获得很多的感性认识，增加了实践经验，这对我以后的工作不无裨益～ 另外，在毕业设计过程中，通过搜集文献，搜集产品样本，思考可行方案，在对目前国内活塞生产线的调查研究过程中，我发现以往的活塞工艺设计中，活塞的材料选择，定位基准选定，以及工序的安排等方面都存在着一些弊端，往往造成活塞的技术要求不合格、加工工序繁琐、废品率高等问题。 此次设计我也重点针对以上问题做了研究，如可采用可控热膨胀结构活塞设计来减小裙部的热膨胀量，减小活塞与气缸之间的间隙，降低发动机噪音;采用止口和端面作为统一基准。在精加工过程,除精车外圆等少数工序用止口锥面和中心孔定位外,其余工序均采用止口和端面定位，以此减小由于基准不统一带来的加工误差;尽量将简化加工工序，缩短每道工序时间，采取工序集中的原则，减少由于多次装夹带来的加工误差，提高产品合格率。 目前，制造活塞的材料有很多，但各有其缺点，同时活塞的结构和加工工艺也还需要进一步改进，活塞的生产具有较为宽广的市场空间。 从短期发展来看,铝合金仍是活塞生产的主导材料,但从长期发展来看,随着新型复合材料制备技术的成熟及生产成本的不断降低,新材料活塞应用前景日益广阔，在活塞生产领域，谁能够不断的更新产品结构和改进机械加工工艺，谁就能主导活塞生产市场。 由于能力所限，设计中还有许多不足之处，恳请各位老师、同学们批评指正～ 21 参考文献 [1] 孙志成. 汽车构造实训[M].合肥工业大学出版社，2006:50-54. 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