工藝夾具畢業(yè)設(shè)計26河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院活塞加工論文

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 題 目： 活塞的設(shè)計 班 級： 姓 名： 專 業(yè)： 機械制造與設(shè)計 指導(dǎo)教師： 答辯日期： 年 月 日 編者的話 本次的設(shè)計是在我們學(xué)完了機械制造專業(yè)兩年的全部課程之后，一次知識能力綜合訓(xùn)練，也是一次全部而且全面性的針對學(xué)生所學(xué)知識的檢查，通過此次設(shè)計，可以把以前所學(xué)的專業(yè)知識和基礎(chǔ)知識有機地結(jié)合起來，以達到全面能力培養(yǎng)的目的。該次畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)是零件 活塞的工藝設(shè)計及有關(guān)夾具設(shè)計。通過工裝設(shè)計全面了解機械 加工車間的生產(chǎn)過程。本次設(shè)計分二個階段： 準備階段：通過去實習(xí)工廠考查和學(xué)習(xí)，實際調(diào)研主要了解零件加工的工藝過程，收集有關(guān)軸承座的技術(shù)資料。同時了解其功能及加工該零件所采用的方法、加工要求和所使用的機器型號、夾具、量具和刀具。通過調(diào)研對零件基本上有一個完整的認識，并達到預(yù)期的目的。 設(shè)計階段：此階段主在是對所搜集的技術(shù)資料來整理畫出正視零件工作圖。重新編制工藝過程，并設(shè)計各工序步驟中所采用的夾具。在此過程中認真查尋資料，做出設(shè)計每步均有根據(jù)確鑿可信、滿足所要求的技術(shù)條件。在較短的時間內(nèi)圓滿完成學(xué)校下 達的任務(wù)。 總之通過這次設(shè)計，又讓我領(lǐng)略到掌握知識與運用知識的重要性。由于設(shè)計任務(wù)較繁重、時間 倉促、資料不全、本人水平有限。設(shè)計過程中存在問題在所難免，請各位老 師指出。 摘要 鋁合金的突出優(yōu)點是密度小，可大大減少活塞的質(zhì)量及往復(fù)運動的慣性力，因此鋁合金活塞常常應(yīng)用于中、小缸徑的中、高速內(nèi)燃機上，尤其以汽車發(fā)動機中居多。在同樣強度的情況下，它比鋼鐵材料輕許多。因此，采用鋁合金制作的活塞工作過程中產(chǎn)生的慣性小，對高速內(nèi)燃機的減振和降低內(nèi)燃機的比質(zhì)量有著重要的意義。此外，質(zhì)量較低的鋁合金活塞運動時，對缸壁的側(cè)壓力 和沖擊力也較小，這樣可以減小活塞組與缸壁以及活塞銷的摩擦力，并降低它們的磨損量。鋁合金的另外一個優(yōu)點是導(dǎo)熱性好，工作時，活塞表面溫度比鑄鐵的 低，而且活塞頂部的積炭也較少?，F(xiàn)代內(nèi)燃機尤其是柴油機，為了大幅度地提高其熱效率，增壓程度不斷地提高，這使得氣缸內(nèi)部的熱負荷明顯增大。這使鋁合金活塞本身所固有的熱強度不高、線膨脹系數(shù)較大的缺點越來越嚴重，鋁合金活塞在柴油機上的使用范圍受到明顯的限制。為此，在一些大負荷的柴油機上，開始采用熱強度和耐磨性較高而線膨脹系數(shù)較低的鑄鐵活塞。鑄鐵的密度約為鋁合金的 3 倍。與鋁合金相 比，它有較低的熱膨脹系數(shù)及較高的高溫力學(xué)性能?；钊亓康脑黾又辽倏梢圆糠盅a償為鑄鐵活塞顯著提高的熱強度，熱強度的提高可以容許更小的截面積。鑄鋼的機械強度高，耐熱性、耐蝕性以及耐磨性均優(yōu)于鋁合金和鑄鐵，具有高的彈性模量，優(yōu)良而穩(wěn)定的高溫性能和比較低的線膨脹系數(shù)等優(yōu)點，但缺點是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴重。為使活塞質(zhì)量更輕，通常將鋼制活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計得十分復(fù)雜，活塞體斷面很薄。由于省去了大量的材料，整個活塞的質(zhì)量比目前鑲嵌耐熱奧氏體鑄鐵環(huán)槽的鋁合金活塞約輕30%，具有實際應(yīng)用價值。制造工藝上，需要設(shè) 計好鑄造工藝，以使得活塞體中較薄的截面都能準確鑄成且成品率較高，同時變形小。 關(guān)鍵詞： 鋁合金活塞 鑄鐵活塞 鑄鋼活塞 緒論： 一 、本課題的來源、目的及意義 活塞是發(fā)動機作功的關(guān)鍵零件，通過活塞的往復(fù)運動，完成發(fā)動機的進氣、壓縮、膨脹作功和排氣過程。它是承受發(fā)動機燃燒室點火燃燒產(chǎn)生爆發(fā)力的主要零件，同時還需要承受自身和其他運動件的慣性力?；钊诎l(fā)動機運轉(zhuǎn)中要隨燃燒室中產(chǎn)生的高溫，并將其一部分熱量通過活塞傳到氣缸等部件。活塞還是一個密封導(dǎo)向的零件，密封燃氣，保持活塞和氣缸之間的潤滑，防止竄機油。 由于活塞的 工作條件十分嚴酷，活塞在發(fā)動機內(nèi)裝配、試驗、使用、維修中會產(chǎn)生各種故障，由于各種不同的原因，產(chǎn)生的故障現(xiàn)象也不一樣，其主要的故障類型如下： 1、活塞頭部故障：凡活塞頭部產(chǎn)生燒損、裂紋、變形和穿孔均屬于頭部故障類型，此類故障均為活塞頭部溫度過高所致。摩托車用的二沖程汽油機因熱負荷較高，產(chǎn)生本類型故障的機率較多。 2、裙部故障：活塞裙部產(chǎn)生拉傷、裂紋、非正常磨損屬此類型。本類型故障原因有多種因素，是常見的故障類型。 3、銷孔銷座故障：銷孔拉傷、擠壓變形，卡簧槽失效等屬此類型。 4、環(huán)岸環(huán)槽故障：環(huán)岸、環(huán)槽裂紋、 燒損、拉傷變形屬此類型，一般也是溫度過高所致。 活塞的各種故障中占首位的故障是活塞過熱造成的故障。活塞在發(fā)動機中連續(xù)受高溫火焰的沖刷，活塞頂部中心的溫度可達到 300 320 ，若活塞的熱量不能及時由活塞環(huán)和活塞裙部散出，頂部溫度超過 350 時，頂部熱變形加大，熱強度下降，使頂部產(chǎn)生變形、裂紋、甚至穿孔，環(huán)岸部分也會拉傷，甚至銷孔也會產(chǎn)生拉傷。 活塞裙部的冷拉傷常見于發(fā)動機的裝配試車和使用中，使活塞早期損傷造成試驗和使用中其他活塞故障。氣缸間隙不當，活塞外型線不合適，活塞熱穩(wěn)定性不良均會造成裙部位傷。 1、 提高活塞的高溫強度和熱穩(wěn)定性為適應(yīng)汽油機不斷強化的要求，必須不斷改善活塞材料的性能，選擇共晶或過共晶鋁合金和改善鑄造工藝，以獲得較好的高溫強度和熱穩(wěn)定性。 2、提高活塞表面抗咬合能力和耐磨性，這是防止活塞早期損傷和提高使用壽命的關(guān)鍵。采用裙部表面硬質(zhì)陽極氧化處理，是較好的技術(shù)措施。氧化層是多孔型的，有利于儲油、潤滑。 3、在結(jié)構(gòu)允許的條件下，降低活塞高度尺寸、減輕活塞重量。活塞是一薄壁彈性圓筒零件，裙部厚度已在 1.5 2.5mm，減輕重量可減少活塞的慣性力，可提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速。 4、活塞在設(shè)計中應(yīng)減少銷座附近 的壁厚，可減少疏松和縮孔，按有利于出模進行設(shè)計。若有條件采用液體鍛造技術(shù)時，可大大提高活塞的材料性能。 5、活塞設(shè)計 CAD 化，發(fā)展活塞的溫度場、強度、剛度的有限元計算，以減輕活塞質(zhì)量、結(jié)構(gòu)合理化。 6、新型材料和其它新工藝在活塞的應(yīng)用 二、課題背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 陶瓷是用于汽車發(fā)動機上的新材料，具有質(zhì)量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強度大等優(yōu)點?；钊沾苫闹饕獌?yōu)點有：可實現(xiàn)部分或全絕熱，從而取消冷卻系統(tǒng)并且回收廢氣能量以降低油耗；降低高強化柴油機活塞的溫度，特別是環(huán)槽的溫度；改善排放。全陶瓷活塞目前還無 成功的應(yīng)用實例，但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動機上得到了一定的應(yīng)用。活塞的陶瓷化大致有兩種方式，一種是采用陶瓷鑲塊，材料有鈦酸鋁和氧化鋯，以及反應(yīng)燒結(jié)氮化硅等，另一種方法是采用陶瓷涂層，常用材料為氧化鋯。據(jù)報道日本已開發(fā)出陶瓷涂層和雙層陶瓷結(jié)構(gòu)活塞，美國福待公司等還試驗過全陶瓷活塞，取消了活塞環(huán)與陶瓷氣缸套配對在無潤滑條件下工作。由于陶瓷的脆性，復(fù)雜的制造技術(shù)和高成本，要使陶瓷活塞大規(guī)模地應(yīng)用于內(nèi)燃機，還需要做許多工作。 以輕金屬為基體的復(fù)合材料除了具有基體金屬的性能外，還具有更突出的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在復(fù)合 材料重量輕、動載荷小、耐磨性好，與基體合金相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有較低的線膨脹系數(shù)。這些無疑對提高活塞使用壽命、降低油耗和廢氣排放量、提高發(fā)動機功率都具有極其重要的意義，因此受到了各國的重視。自二十世紀六十年代開始，世界各國都對輕金屬基復(fù)合材料進行了廣泛的研究，并取得了可喜的成果?；钊亲钤鐟?yīng)用鋁基復(fù)合材料的汽車零件。為滿足高速發(fā)動機的需要，上世紀 70 年代末，日本 ArtMetal 公司和豐田汽車公司著手研制氧化鋁短纖維局部增強鋁活塞，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通鋁活塞。 1982 年，這種鋁基復(fù)合材料活 塞獲得成功并用于豐田汽車上。經(jīng)氧化鋁短纖維增強后，活塞環(huán)槽區(qū)的耐磨性明顯改善，高溫強度、熱穩(wěn)定性明顯提高，抗咬合性和導(dǎo)熱性好，而且膨脹系數(shù)比普通鋁活塞低 8% 15%，可減小汽缸間隙，降低噪聲水平。氧化鋁短纖維局部增強鋁活塞還能減小活塞頂部燃燒室表面邊緣的開裂傾向，從而改善了高性能高速柴油機活塞的可靠性。 ArtMetal 公司安裝了專門加工這種活塞的設(shè)備，活塞直徑最大可達 200mm。 1985 年這種活塞的日產(chǎn)量已達 10 萬件；到 1986 年初，累計已生產(chǎn)了 20 多萬件，主要用于 8 種系列的豐田車用柴油機上。由于上述優(yōu)異性 能，裝有復(fù)合材料活塞的豐田汽車的大修里程可延長到 30 萬 km，發(fā)動機的輸出功率可提高 5%，而且燃油和潤滑油的消耗均得到改善。豐田汽車公司打算開發(fā)一系列這種活塞，現(xiàn)已開發(fā)了多種系列的氧化鋁短纖維增強鋁活塞。此外，碳纖維、鈦酸鉀晶增強鋁基復(fù)合材料活塞正在開發(fā)之中。 歐美國家也在研究和開發(fā)鋁基復(fù)合材料活塞。美國也已試制出氧化鋁短纖維增強鋁合金活塞，并有了這方面的專利，除了用氧經(jīng)鋁纖維局部增強活塞的第一道環(huán)槽外，活塞的整個冠部也可用氧化鋁纖維增強，活塞冠部的耐熱性進一步提高，發(fā)動機的性能和燃燒效率也可顯著改善。 英國在金屬基復(fù)合材料活塞的研制上亦做了許多工作，旨在開發(fā)這種材料在高性能內(nèi)燃機的應(yīng)用。 1984 年，英國AE 公司就推出了陶瓷纖維增強鋁活塞的樣品，后來又有了用氧化鋁纖維增強鋁合金制造內(nèi)燃機活塞的專利。 國內(nèi)一些高校和研究單位也在開展這方面的研究工作。據(jù)介紹，東南大學(xué)推出的陶瓷纖維增強復(fù)合材料鋁活塞已在汽車發(fā)動機、大馬力柴油機上得到應(yīng)用，可使活塞使用壽命提高 3 5 倍，并提高發(fā)動機功率，減少燃油消耗和廢氣排放。與普通鋁合金相比，高溫抗拉強度提高 20%40%，線膨脹數(shù)降低 20%。 。 三、本課題研究的主要內(nèi)容 21 世紀對內(nèi)燃機的要求是大功率、低油耗、低排放和長壽命，活塞質(zhì)量的好壞直接影響到內(nèi)燃機的工作質(zhì)量?；钊牧系拿芏仁歉咚賰?nèi)燃機選擇的重要指標，此外還要求機械制造工藝簡單且成本低。目前高速內(nèi)燃機活塞材料主要是鋁合金，對于轉(zhuǎn)速低一些，熱負荷又比較大的柴油機，部分活塞的材料則選擇了鑄鐵，另外國外還有采用鋼材來制造活塞。隨著未來大功率、中高速、小型化內(nèi)燃機需求的不斷增長，活塞的工作環(huán)境將變得更加惡劣，勢必對活塞材料提出更苛刻的要求。鋁基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能特點，作為新型活塞材料，已在發(fā)動機行業(yè)得到應(yīng)用，并開始進入 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。隨著復(fù)合材料技術(shù)的日益成熟及成 本的不斷下降，復(fù)合材料定將會取代當前使用的傳統(tǒng)活塞材料。 零件的分析 一 活塞的工作特點及結(jié)構(gòu)特點 在發(fā)動機氣缸內(nèi) ,活塞在一段時間內(nèi)起著壓縮氣體的作用 ,在另一段時間內(nèi) ,氣缸內(nèi)的混合氣體 燃燒膨脹 ,活塞又要承受高溫氣體的壓力 ,并把這個壓力經(jīng)過活塞銷 ,連桿傳給曲軸 ,此外 ,活塞還起著吸入氣體和排除廢氣的作用。因此，活塞工作的特點是：在高溫高壓下作長時間連續(xù)變負荷的往復(fù)直線運動?；钊墓ぷ魈攸c就要適應(yīng)這樣的工作條件。 圖 1 表示一個鋁活塞。 平面 1 表示活塞的頂面。它承受著氣 體的壓力，并受到高溫氣體的直接作用。四個環(huán)形的槽 2 稱為環(huán)槽。其中靠近頂面的三個環(huán)槽稱為氣環(huán)槽。在氣環(huán)槽中放置有彈性的活塞環(huán)，用以密封活塞頂面上部的燃燒室。離頂面最遠 一個環(huán)槽稱為油環(huán)槽。早油環(huán)槽中放置油環(huán)（或稱刮油環(huán)），后者把飛濺到氣缸套內(nèi)壁上的多余潤滑油刮掉，使油從 油環(huán) 槽 的小孔 8 中流回曲軸箱。包括頂面和環(huán)槽在內(nèi)的部分 4 稱為活塞頭部。沒有環(huán)槽的部分 5 稱為活塞裙部 ， 活塞裙部在活塞工作過程中起導(dǎo)向作用 ， 它包括裝活塞銷的銷座孔?；钊共繉钊跉飧變?nèi)的往復(fù)運動起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。裙部的長短取決于側(cè)壓力的大小 和活塞直徑。所謂側(cè)壓力是指在壓縮行程和作功行程中，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。壓縮行程和作功行程氣體的側(cè)壓力方向正好相反，由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力，所以，作功行程中的側(cè)壓力也大大高于壓縮行程中的側(cè)壓力?；钊共砍惺軅?cè)壓力的兩個側(cè)面稱為推力面，它們處于與活塞銷軸線相垂直的方向上。 活塞中間的貫穿孔 7 稱為活塞銷孔。活塞銷孔的兩端面有鎖環(huán)槽 6。圖中之 8 是一個短圓柱面和圓錐面的組合，通常稱為止口。它是專門為加工活塞而設(shè)置的輔助精基面。在結(jié)構(gòu)上和功能上沒有任何作用。 活塞在工作過程中將產(chǎn)生受 力變形和熱變形?；钊斆嬖跉怏w的作用下將產(chǎn)生如圖 2(a)所視的變形。由于金屬分布不均勻，在活塞銷軸線方向的變形量比垂直于該方向的變形量為大。同時活塞頂面與高溫的燃燒氣體接觸，使活塞的溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹。由于四周上金屬分布不均勻，銷孔的軸心線方向的金屬厚，45312678圖1熱膨脹量大；而在垂直于軸心線的方向上，熱膨脹量較小。如果裙部原來是圓形的，熱膨脹后就變成橢圓。如圖 2（ b)表示。所以無論是受力變形或熱變形都使原來是圓柱形的裙部變成橢圓形，橢圓的長軸在活塞銷孔的軸心線方向上。這樣，必然使活塞與氣缸套的間隙不均勻地減小甚至消 失，以至于發(fā)生強烈的磨損甚至咬住。 為了補償上述變形，把活塞裙部設(shè)計制造成橢圓形，橢圓的長軸在垂直活塞銷孔軸心線的方向上，并在活塞裙部的銷孔附近鑄出兩快凹坑，增加裙部與氣缸內(nèi)壁的間隙。橢圓度的大小隨活塞的型號而不同。在解放牌活塞上，橢圓度為0.08 0.13毫米。 圖 2 此外，活塞工作時，頂面和高溫氣體直接接觸，熱量由上面?zhèn)鞯较旅?，上面的溫度高，熱膨脹量大；下面的溫度低，熱膨脹量小。為了補償 這種不均勻的熱變形，故意把活塞頭部的外徑設(shè)計得比外徑小，同時活塞裙部也設(shè)計成上小下大的錐形。解放牌活塞 裙部的錐度是 0.03 0.06 毫米。 為了進一步減少向下傳導(dǎo)的熱量，在活塞（主要是高速內(nèi)燃機用活塞）上銑有橫槽，以減少向下傳熱的面積。在活塞上還銑有縱向槽（稍斜）以增加活塞裙部的彈性（橫向槽亦有這一作用）。 活塞銷孔內(nèi)裝 活塞銷與連桿小頭孔相連接。為了使活塞銷的磨損均勻，在工作溫度下，應(yīng)使活塞銷孔 及 連桿小頭襯套孔中能自由轉(zhuǎn)動，所謂“浮動式”活塞銷。為了避免活塞銷在工作過程中軸向竄動，在鎖環(huán)槽中裝鎖環(huán)。 活塞 結(jié)構(gòu)特點： 預(yù)先做成橢圓形 為了使裙部兩側(cè)承受氣體壓力并與氣缸保持小而安全的間隙，要求活塞在工作時具有正確的圓柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷座孔部分的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷座軸線方向的變形量大于其他方向。另外，裙部承受氣體側(cè)壓力的作用，導(dǎo)致沿活塞銷軸向變形量較垂直活塞銷方向大。 這樣，如果活塞 冷態(tài)時裙部為圓形，那么工作時活塞就會變成一個橢圓，使活塞與氣缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在氣缸內(nèi)卡住，發(fā)動機就無法正常工作。因此，在加工時預(yù)先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向。這樣活塞工作時趨近正圓。 活塞沿高度方向的溫度很不均勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應(yīng)是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預(yù)先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。 為了減小活塞裙部的受熱量，通常在裙部開橫向的隔熱槽，為了補償裙部受熱后的 變形量，裙部開有縱向的膨脹槽。槽的形狀有 T形或 形槽。橫槽一般開在最下一道環(huán)槽的下面，裙部上邊緣銷座的兩側(cè) (也有開在油環(huán)槽之中的 )，以減小頭部熱量向裙部傳遞，故稱為隔熱槽。豎槽會使裙部具有一定的彈性，從而使活塞裝配時與氣缸間具有盡可能小的間隙，而在熱態(tài)時又具有補償作用，不致造成活塞在氣缸中卡死，故將豎槽稱為膨脹槽。裙部開豎槽后，會使其開槽的一側(cè)剛度變小，在裝配時應(yīng)使其位于作功行程中承受側(cè)壓力較小的一側(cè)。柴油機活塞受力大，裙部一般不開槽 。 有些活塞為了減輕重量，在裙部開孔或把裙部不受側(cè)壓力的兩邊切去 一部分，以減小慣性力，減小銷座附近的熱變形量，形成拖板式活塞或短活塞，拖板式結(jié)構(gòu)裙部彈性好，質(zhì)量小，活塞與氣缸的配合間隙較小，適用于高速發(fā)動機。 為了減小鋁合金活塞裙部的熱膨脹量，有些汽油機活塞在活塞裙部或銷座內(nèi)嵌入鋼片。恒范鋼片式活塞的結(jié)構(gòu)特點是，由于恒范鋼為含鎳 33% 36%的低碳鐵鎳合金，其膨脹系數(shù)僅為鋁合金的 1/10，而銷座通過恒范鋼片與裙部相連，牽制了裙部的熱膨脹變形量。 有的汽油機上，活塞銷孔中心線是偏離活塞中心線平面的，向作功行程中受主側(cè)壓力的一方偏移了 1 2mm。這種結(jié)構(gòu)可使活塞在 從壓縮行程到作功行程中較為柔和地從壓向氣缸的一面過渡到壓向氣缸的另一面，以減小敲缸的聲音。在安裝時，這種活塞銷偏置的方向不能裝反，否則換向敲擊力會增大，使裙部受損 。 二活塞主要技術(shù)條件的分析 對于鋁活塞的技術(shù)條件，已 由國家科委制定了國家標準，對于各部分的尺寸精度，幾何形狀精度，相對位置精度和表面光潔度都作了詳細的規(guī)定?，F(xiàn)摘要說明如下： 1.活塞裙部外圓要求與氣缸很精密地配合，所以尺寸精度通常為 2級， 對于高速內(nèi)燃機的活塞甚至要求是 1級精度。為了減少機械加工的困難，將活塞裙部和氣缸套孔直徑的制造公差均放大三倍 。裝配時，將活塞按裙部尺寸，氣缸套接孔徑尺寸個分為三組，將對應(yīng)的組進行裝配（這種方法稱為分組裝配法），以保證達到要求的設(shè)計間隙。裙部的橢圓度和錐度允差一般都在 分 組的尺寸公差范圍內(nèi)?；钊共客鈭A的光潔度不低于 8。 2.對于浮動式的活塞銷孔，為了使活塞銷在工作溫度下能在孔中自由轉(zhuǎn)動，銷孔尺寸要求 1級以上的精度。為了減少機械加工勞動量，活塞銷孔和活塞銷的裝配也采用分組裝配法。對于銷孔直徑 50 毫米的情況，銷孔的橢圓讀和錐度應(yīng)不大于 0.003 毫米，光潔度為 10。目 前暫時按 0.050.0828 ， 8 制造，以便在裝配時用鉸刀精鉸。 3活塞銷孔的相對位置精度也有一定的要求，主要是： 銷孔軸心線到頂面的距離影響氣缸的壓縮比，即影響到發(fā)動機的效率，所以必須控制在一定的范圍內(nèi)。對于解放牌活塞，這一距離規(guī)定為 56 0.08 毫米。 銷孔軸心線對裙部軸心線的不垂直度直接影響活塞銷，活塞銷桿和連桿的受力情況，不垂直度過大將使活塞銷，活塞銷孔和連桿單側(cè)受力，活塞在氣缸中亦傾斜，加劇了磨損。對于解放牌活塞， 這一不垂直度在 100毫米長度內(nèi)允差0.035毫米 。 銷孔軸心線 對裙部軸心線 的不相交度亦影響活塞在氣缸套中 的傾斜情況，影響磨損。對于解放牌活塞，規(guī)定不相交度不大于 0.10毫米。 4為了使活塞環(huán)能隨氣缸套孔徑大小的變化而自由地脹縮，對活塞環(huán)槽作以下規(guī)定： 環(huán)槽兩側(cè)對裙部軸心線的不垂直度在 25 毫米長度上不大于 0.07 毫米； 環(huán)槽兩側(cè)面對裙部軸心線的跳動量不大于 0.05毫米； 環(huán)槽寬度的尺寸精度在 0.02 0.04 毫米左右； 環(huán)槽兩側(cè)面的光潔度不低于 8。 5為了保證發(fā)動機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同一發(fā)動機中個活塞的重量不應(yīng)相差很大。對于解放 牌活塞，重量相差不應(yīng)大雨 8 克。因此活塞應(yīng)按重量分組裝配。 三活塞的材料及毛坯制造 在汽油發(fā)動機和高速柴油機中，為了減少往復(fù)直線運動的慣性的作用，都采用了銅硅鋁合金作為活塞材料。它的化學(xué)成分是 Si46%;Cu58%;Mg0.20.5%;Fe 1%;其余是 Al 。在低速、重負荷、 低級燃料的發(fā)動機中，有時用鑄鐵作為活塞材料。在汽車拖拉機工業(yè)中很少用鑄鐵活塞。銅硅鋁合金比鑄鐵具有下列優(yōu)點： 1. 導(dǎo)熱性好，使活塞頂面的溫度降低較快，可以提高發(fā)動機的壓縮性，又不 至于引起混合氣體自然，因而可以提高發(fā)動機的功率； 2重量輕，慣性力??； 3可切削性好； 4可以得到精確的毛坯。 但它亦有一些缺點： 1 材料價格比較貴； 2 熱膨脹系數(shù)大，約為鑄鐵（機體和氣缸套的材料）的兩倍； 3 機械強度及耐磨性差 。 但是，總的來說，鋁合金的優(yōu)點超過缺點，所以在高速內(nèi)燃機中都用它。 鋁活塞毛坯采用金屬模澆鑄。毛坯的精度較高，活塞銷孔也能鑄出，因此機械加工余量可以響應(yīng)地減少。 鋁活塞毛坯在機械加工前要切去澆冒口，并進行時效處理，消除鑄造時因冷卻不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。時效處理是將活塞加 熱至 180 200，保溫 6 8個小時后，自然冷卻?；钊?jīng)過時效處理后還能增加強度和硬度。 四鋁活塞的機械加工工藝過程 表 1是某汽車配件廠用于加工解放牌活塞 所采用的機械加工工藝過程。 整個工藝過程分為粗加工和精加工兩個階段。在精加工之前設(shè)有休整和加工輔助基準的工藝。 該廠的活塞年產(chǎn)量為 25 30 萬個，屬于大批大量生產(chǎn)。廠中成立了專用的生產(chǎn)流水線。流水線中有專用機床，亦有經(jīng)過改裝的通用機床，并采用了大量的專用工夾具保證，不依靠工人的技術(shù)水平，因此機床和工夾具都應(yīng)精確調(diào)整。 五鋁活塞機械加工工藝過程的分析 1定位基面的選擇和加工 活塞是一個薄壁零件，在外力作用下很容易產(chǎn)生變形。活塞主要表面的尺寸精度和相互位置精度的要求都很高，因此希望以一個統(tǒng)一基面定位來加工這些要求高的表面。目前生產(chǎn)活塞的工廠大多采用止口和端面作為粗加工的統(tǒng)一基準；在精加工時，精車外圓和精磨外圓兩工序中用止口處的錐面和頂面上的中心孔定位，其余工序亦采用止口和端面定位。 采用止口和端面（或錐面和中心孔）作為基面有下列優(yōu)點； 用這種定位方法可以加工裙部 、頭部、頂面、銷孔等主要表面級其他次要表面。而且在工序 6中，在一次安裝中可以車削外圓、頂面、 環(huán)槽，既提高了生產(chǎn)率，又能保證這些面的相互位置精度。 活塞裙部在半徑方向容易產(chǎn)生變形。而利用止口和端面（或錐面和中心孔）定位可以沿活塞軸向夾緊，就不致引起嚴重的變形，從而可以進行多刀切削。 當然采用這種定位方法也有不足之處： 要加工一些本來不需要加工的地方，而且精度要求較高，還要經(jīng)過第二次休整和加工。 在活塞技術(shù)要求中，環(huán)槽、銷孔等精度位置精度都是對裙部外圓的軸心線而言的?，F(xiàn)在加工時用止口定位，止口對裙部外圓的不同軸度就要影響環(huán)槽、銷孔的位置精度， 增加了精切面的工序（切去中心孔）。 這些都需要增加 設(shè)備、工時等。但是從保證加工質(zhì)量這方面 看來，利用統(tǒng)一基準的優(yōu)點超過缺點，所以這種定位方式得到廣泛的應(yīng)用。 止口和端面的加工： 在裝夾時用外圓和頂面定位。由于工件還是毛坯表面，用一般的三爪卡盤夾持不夠牢固，所以故意把卡爪加長（廠中稱為長三爪卡盤），以避免工件在切削力作用下產(chǎn)生傾斜。用這種方法裝夾工件對夾具的要求比較簡單，但有一個問題必須注意，即外圓和毛坯內(nèi)孔的同軸度問題。很明顯，如毛坯的外圓和內(nèi)壁有較大的不同軸度，用外圓定位加工出的止口就與外圓同軸，而與內(nèi)壁不同軸，以后再用止口定位加工外圓 ，內(nèi)外表面仍不同軸，造成壁厚差。但是，由于鋁活塞是用金屬模澆鑄的，毛坯精度較高，內(nèi)外毛坯表面的不同軸度較小，因而可以采用外圓定位的方法。采用外圓定位車止口的方法，基本上能保證技術(shù)條件規(guī)定的壁厚差小于 0.4 0.9 毫米的要求。但是比較合理的方法應(yīng)該是用內(nèi)表面定位加工止口，使止口與表面同心；然后用止口定位加工外圓，從而保證活塞有較小的壁厚差。 在進行各主要表面的精加工前，必須對基面再進行一次精加工（工序 9，精車止口，打中心孔）。因為在粗加工時，金屬切除余量比較大，切削力也比較大，基面的精度有可能被破壞（這一點雖 然對鋁活塞更為突出，但對精度要求 高的鋼制工件，亦是應(yīng)該注意的一個問題）?；嬖龠M行一次精加工可以提高基面本身的精度。由于外圓已加工過，切切削用量不大，所以可以用普通的三爪卡盤定位夾緊。在車床空心主軸中裝有能軸向移動的發(fā)中心鉆（用于鉆反轉(zhuǎn)工件用的中心鉆）。用來在精車止口、端面、錐面的同時在頂面的搭子上打中心孔，保證了這些表面的相對位置精度（同軸度和垂直度）。 2環(huán)槽的加工 如前所述，在技術(shù)條件中對環(huán)槽側(cè)面的垂直度、跳動量、光潔度和槽寬尺寸精度都有較高的要求，因此環(huán)槽加工是活塞加工中重要工序之一。 環(huán)槽的寬度 決定于切槽刀厚度；槽間的距離決定于夾板厚度。環(huán)槽刀的形狀見圖 3。為了保證槽寬的尺寸精度，必須將切槽刀的寬度嚴格控制在 0.005毫米以內(nèi)。為了保證槽間的距離，切槽刀和夾板兩側(cè)都在平面磨床上磨到 8，使兩側(cè)面互相平行，且夾板的厚度偏差限制在 0.01 毫米以內(nèi)。 為了保證槽的側(cè)面與裙部的軸心線垂直，除了刀架溜板的運動方向與活塞的軸心線垂直之外（這需要有機床制造精度、夾具制造及調(diào)整精度、工件制造精度等來保證），還必須將切槽刀安裝得與活塞裙部軸心線垂直，也就是必須使刀架上安裝刀具的側(cè)向基面與車床的回轉(zhuǎn)軸心線垂直。為此， 在安裝刀具前，先用千分表對側(cè)向基面進行找正。在刀架前后移動時，其誤差應(yīng)在 0.01 毫米以內(nèi)。 切圖3槽刀的伸出長度是用樣件調(diào)整的，即在安裝工件的位置上安裝上樣件。樣件的形狀與工件相似，環(huán)槽深度已加工到需要的尺寸，而環(huán)槽的寬度略寬。根據(jù)樣件上各環(huán)槽的深度，調(diào)整各把環(huán)槽刀的伸出長度。在切削環(huán)槽的工序中，由于切槽刀在 X方向的剛性較差，端面到環(huán)槽的距離在加工過程中不可避免要有誤差，常會使切槽刀兩側(cè)面的余量不均勻，因而兩側(cè)面的切削力也不相等。這就會使刀具在切削過程中產(chǎn)生彎曲，影響尺寸精度和相對位置精度，解決的辦法是增加環(huán)槽的切削次數(shù)。由粗切、精切各一次，改為粗切、精切各兩次。每次精切余量為 0.20毫米（改變切槽刀的寬度）。 影響環(huán)槽側(cè)面光潔度的主要因素是切槽刀側(cè)面和刃口的光潔度。解決這一問題有兩個措施：一是刀具在精磨以后，再用鉆石粉進行研磨，使刀刃的光潔度在 9以上；二是在刀刃部分磨出一條棱邊，寬 0.2 0.4毫米，后角為 0（見圖3）。在切削過程中，這條棱邊還有壓光作用，使環(huán)槽側(cè)面的光潔度得以提高。 3裙部外圓的精加工 對于裙部截面形狀是橢圓的鋁活塞，裙部外圓的精加工目前一般采用磨削的方法；對于橢圓度較大的情況，則是在靠 模車削后在磨削，以減少磨削的余量。由于解放牌活塞的尺寸不大，橢圓度也不大，所以采用一次磨出的方法。要在磨削中得到橢圓形的外圓表面，除了工件 和砂輪作旋轉(zhuǎn)運動外，還需要工件相 對與砂輪作附加的往復(fù)運動。當活塞銷孔軸心線在垂直位置時， 活塞的軸心應(yīng)在橢圓的中心， 這時砂輪離活塞軸心最遠，磨出橢圓的長軸。在活塞繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，活塞的軸心應(yīng)按橢圓半徑的變化規(guī)律向砂輪移動。直至活塞銷孔中心線轉(zhuǎn)過 90，即磨出橢圓的短軸?；钊^續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞的軸心線應(yīng)逐漸離開砂輪。直至活塞轉(zhuǎn)過 180時，活塞的軸心有回到了橢圓的中心。 如此反復(fù)循環(huán)， 即能磨出整個橢圓。可以看出，活塞轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，活塞的軸心應(yīng)往復(fù)移動兩次，移動量等于橢圓長軸與短軸之差的一半。 4活塞銷孔的加工 鋁活塞的銷孔一般都鑄出錐形孔（便于脫模）。由于銷孔是許多工序施加壓力的部位 ，所以粗鏜銷孔工序直接安排在粗車止口工序之后，粗車外徑、頂面、環(huán)槽工序之前，以便夾緊力能較均勻地分布，而不至于壓壞銷孔所在的搭子。 精鏜銷孔是活塞加工中保持精度的關(guān)鍵工序之一。由于銷孔的尺寸精度、幾何形狀精度、相對位置精度和光潔度的要求都很高，用一般的機床加工往往由于主軸旋轉(zhuǎn)軸心線不穩(wěn)定（即主軸旋轉(zhuǎn)精度不高）而達 不到要求。即采用一般認為機床剛性好、主軸回轉(zhuǎn)精度高的金剛鏜床，有時也會因為機床主軸軸承精度的降低而達不到要求。再加上金剛鏜床的價格昂貴，使用成本很高。因此需要 用到精鏜銷孔的 專用鏜床 。這種鏜床的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，主軸旋轉(zhuǎn)精度很高，滿足了活塞生產(chǎn)的需要。它的主軸軸承是整體式的滑動軸承，軸套與軸頸的配合間隙很?。▋H 0 5 毫米）。在常溫下，由于間隙太小，主軸不能轉(zhuǎn)動。在主軸箱內(nèi)充滿了潤滑油，在油中放入電熱板。在開動機床前，將潤換油加熱到 70 80。由于軸套和主軸的材料不同，它們的熱膨脹系數(shù)亦不同（銅的熱膨脹系數(shù) 比鋼大一倍），因此軸套和主軸軸頸之間產(chǎn)生了足夠的間隙，主軸可以旋轉(zhuǎn)。由于主軸軸頸經(jīng)過精細的磨削和研磨，軸套又經(jīng)過仔細的配刮，從而保證主軸軸頸和軸套之間的間隙小而且均勻，因此主軸有很高的旋轉(zhuǎn)精度。 前面已經(jīng)講過，銷孔軸心線到頂面的距離影響氣缸的壓縮比，所以鏜活塞銷孔最好是以頂面定位。但是在目前的工藝過程中是一止口和端面定位的。這亦是工藝基準與設(shè)計基準不重合的一個例子，因此對于工序中所用的一些尺寸要經(jīng)過尺寸換算。 精鏜銷孔工序?qū)嶋H保證的尺寸是銷孔直徑和銷孔軸心線到端面的距離。但是最后一尺寸是無法直接測量的，一般 都要通過銷孔上母線到端面的距離來控制。因此在工序簡圖中標注了 0.050.0828 和 6 3 .5 0 .0 2 5 兩個尺寸。同樣，銷孔軸心線到頂面的距離亦不能直接測量，而要在精車工序中通過 106、 63.5及 28 三個尺寸來間接獲得?，F(xiàn)在要重新規(guī)定活塞高度的公差。 作尺寸鏈圖（圖 4），其中 0 . 0 5 0 . 2 0 51 0 . 0 8 0 . 0 4 01 ( 2 8 ) 1 02A ；2 6 3 .5 0 .0 2 5A ； 3 106A （尺寸待定）；4 56 0.08A 。 首先，1 2 3 4A A A A、 、 、形成一個封閉的尺寸鏈，其中4A是封閉鏈，2A是減環(huán)，13AA、是增環(huán)。列出尺寸鏈方程式： 4maxA=1maxA+3maxA-2maxA； 4minA=1minA+3minA-2minA。 圖4帶入相應(yīng)數(shù)值后得到： 0.4203 0.515106A 很明顯，活塞的高度應(yīng)該是 0.4203 0.515106A 毫米，而不是工作圖上規(guī)定的 00.8706毫米。按后一個尺寸制造活塞，將產(chǎn)生大量的廢品。工序圖上規(guī)定的 0.430.51106毫米在上述公差范圍內(nèi)，符合設(shè)計的要求。 由上述可知：由于工藝基準和設(shè)計基準不沖和，非但尺寸要進行換算，而且有時還需要提高某些工序的加工要求。 六活塞的檢驗 為了保證活塞達到規(guī)定的技術(shù)條件，必須在加工中及加工完畢后進行技術(shù)檢查。最后檢查的項目有： 檢查外觀和光潔度； 檢查活塞銷孔的尺寸及幾何形狀偏差； 檢查裙部的橢圓度和錐度，按裙部橢圓的長軸分組； 檢查環(huán)槽寬度、底徑、環(huán)槽側(cè)面的不垂直度和跳動量； 檢查銷孔軸心線對裙部軸心線的不垂直度和不相交度，銷孔軸心線到頂面的距離； 稱活塞的重量，并按重量分組。 七 基本 工時計算； 工序 5： 所選刀具為 YT5 硬質(zhì)合金，直徑為 1mm 的圓形鏜刀； 確定切削深度pa2 7 2 4 1 . 52pa m m 確定切削進給 f 根據(jù)表 11.5 ，當粗鏜銅鋁合金，鏜刀直徑為 10mm ，pa 2 mm ，鏜刀審出長度為 100 mm 時 f=0.15 0.30mm /r 按 C620-1 機床的進給量（表 4.2-9 2) 選擇 F=0.20mm /r 確定切削速度 v 按表 21 27 的計算公式確定 v= vvr vxympC kT a f式中rC=2.91， m=0.2，vx=0.15，vy=0.2， T=60min, vk=0.9 0.8 0.65=0.468 則0 . 2 0 . 1 5 0 . 2291v = 0 . 4 6 8 / m i n 7 8 / m i n6 0 1 . 5 0 . 2 m m m 1 0 0 0 1 0 0 0 7 8 / m i n 9 2 0 / m i n27vn r rD 按 C620- 21 機床上的轉(zhuǎn)速選擇 7 6 0 / m innr 確定粗鏜 00.0527 mm 孔的基本時間，選鏜刀的主偏角 45rx o按表 26.2 1 的計算公式，1 2 3j l l l lLT fn fn 1 2 31 . 5 , 1 0 4 , 4 , 0 ,l m m l m m l m m l 則0 . 2 / , 1f m m s i 1 2 3 1 0 4 3 . 5 40 . 2 6 . 1 7j l l l lLT f n f n =90s 則工序的基本時間為jT=90s 根據(jù)有關(guān)書籍的闡述，輔助時間fT與基本時間jT之間的關(guān)系為fT=（ 0.150.2）jT即fT=0.2jT，則此工序的輔助時間為fT=0.2 90s =18s 其它時間bxTT=（ 90+18） 6%=6s 則此工序所用時間djT=90+18+6=114s 工序 12： 所選刀具為 YT30 硬質(zhì)合金，主偏角 45rK o，直徑為 10mm 的圓形鏜刀，其耐用度 T=60min 確定切削深度papa= 2 8 2 7 0 .52 mm 確定切削進給 f=0.4 /mm r 確定切削速度 v v= vvr vxympC kT a f0 . 2 0 . 1 5 0 . 2291v = 0 . 9 1 . 4 2 1 5 / m i n6 0 0 . 5 0 . 4 mm 1 0 0 0 1 0 0 0 2 1 5 / m i n 2 4 4 5 / m i n28vn r rD 根據(jù) T612 鏜床的轉(zhuǎn)速表（表 4.2-20 2) 選擇 1 2 0 0 / m i n 2 0 /n r r s 實際切削速度 r =4.98 /ms 精鏜 28mm 孔的基本時間為1 2 3j l l l lLT fn fn 1 2 31 . 5 , 1 0 4 , 4 , 0 ,l m m l m m l m m l 則0 . 2 / , 1f m m s i 1 2 3 1 0 4 3 . 5 4 140 . 2 2 0j l l l lLTsf n f n 則工序的基本時間為jT=14s 根據(jù)有關(guān)書籍的闡述，輔助時間fT與基本時間jT之間的關(guān)系為fT=（ 0.150.2）jT即fT=0.2jT，則此工序的輔助時間為fT=0.2 14s =3s 其它時間bxTT=（ 14+3） 6%=1s 則此工序所用時間djT=14+3+1=18s 八夾具設(shè)計 圖 5 為用活塞頂面和頭部外圓作為定位基面的夾 具簡圖 圖中處于與水平線成 45角位置的兩個定位銷 1（相當于組成一個 V 型塊）與活塞的頂面和頭部外圓消除五個自由度，為了避免夾緊力引起活塞變形，壓緊螺桿所產(chǎn)生的壓緊力通過壓塊 2 作用在活塞頂部的內(nèi)壁。這種定位方式與用端面和止口定位比較起來，有利于達到 56 0.08 毫米，因為它使軸向尺寸的工藝基準與設(shè)計基準重合。 本文總結(jié) 發(fā)動機 是汽車的心臟，材料是發(fā)動機質(zhì)量的關(guān)鍵所在，在環(huán)保意識日益增強的今天，用新材料來提高發(fā)動機的效率、降低排放并提高使用壽命具有重要的社會意義和經(jīng)濟意義。現(xiàn)代柴油機采用增壓、強化技術(shù)后，原有鋁合金活塞難以滿足材料需求，用復(fù)合材料活塞代替普通鋁合金活塞已成為發(fā)動機行業(yè)的趨勢。日本、美國、德國等國的發(fā)動機生產(chǎn)廠家都在大力研究和推廣應(yīng)用。短纖維混雜增強鋁合金復(fù)合材料活塞是我單位最近開發(fā)的高新技術(shù)產(chǎn)品，適用于大功率、高效壓緊力定位銷1壓塊2圖5發(fā)動機。該技術(shù)采用擠壓鑄造技術(shù)，將鋁合金液滲入 AL2O3 陶瓷短纖維等混雜預(yù)制件中，在活塞頂至第一環(huán)槽部 進行復(fù)合材料強化，制成局部強化鋁合金復(fù)合材料活塞，大大提高了活塞第一環(huán)槽周圍的硬度及耐磨性，最終達到提高活塞使用壽命的目的?？蓱?yīng)用于柴油發(fā)動機活塞、各種汽車、船、摩托車等用發(fā)動機活塞的制造。與普通活塞相比，該活塞具有以下優(yōu)點： 1、重量較輕，密度為 2.8g cm。左右； 2、耐磨性能比鋁合金活塞高 7080； 3、熱膨脹系數(shù)低，耐熱疲勞性好，發(fā)動機效率高，減少裝配間隙，降低運行噪音、燃油消耗和廢氣排放； 4、不僅第一環(huán)槽部位可被增強，活塞頂部包括燃燒室也可以根據(jù)需要進行增強 ； 5、增強纖維含量及種類可根據(jù)需要調(diào)整，從而使活塞的加工性及耐磨性可調(diào)； 6、工藝易實現(xiàn)機械化，可在基本上不改變原來的活塞生產(chǎn)工藝的情況下組織生產(chǎn)，投資少。 7、與普通鋁合金相比，高溫抗拉強度提高 20-40，耐磨性提高 3-5 倍，熱膨脹系數(shù)降低 20。 將來展望 目前，內(nèi)燃機工業(yè) “ 十一五 ” 規(guī)劃已正式上交國家有關(guān)部門審批，活塞行業(yè)作為內(nèi)燃機工業(yè)一個重要組成部分，內(nèi)燃機 “ 十一五 ” 規(guī)劃將對活塞行業(yè)