活塞加工工藝及專用夾具設計

1、活塞的機械加工工藝及夾具設計摘要：本設計通過對內(nèi)燃機鋁活塞加工技術的發(fā)展、活塞的工作環(huán)境以及結(jié)構特點的分析，確定了活塞的加工過程及加工方案，其中主要包括：生產(chǎn)綱領和生產(chǎn)類型的確定、材料的選擇、毛坯的制造方法、機械加工余量的確定、各加工工序切削用量的確定、工序時間的計算以及工序卡片的編制。最后，進一步選擇并設計了兩套典型的機床夾具，精鏜銷孔夾具設計和鉆油孔夾具設計，其中主要包括：定位方案與夾緊方案的設計，分度裝置的設計、兩套夾具的工作原理以及在夾具設計過程中應該注意的問題。經(jīng)過設計分析和論證，活塞的工藝設計與夾具設計是可行的。關鍵詞：活塞、工序、機床夾具、機械加工、定位夾緊、分度裝置Design

2、oftheMachiningProcessonthePistonandFixtureStudent：GuoWeiTutor：DongLiang(CollegeofScienceandTechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)Abstract:Inthepaperofthisgraduationdesign,throughthecomprehensiveexplicationofthedevelopingofaluminumpistonoftheinternal-combustionenginewhosethemach

3、iningtechnologies,thesurroundingofworkingandtheanalysisofstructuralofthepiston.Itisconformedthetechnologyprocessandarrangeforprocessofpiston.Itmainlyincludes:produceoutlineandproducetypetobeconformed,choosematerial,themanufacturingmethodofthesemi-finishedproductofmaterial,theamountofremainingofmachi

4、neprocesstobeconformed,thecuttingdosageofeachprocesstobeconformed,calculatedtheworkingproceduretimeanddrawuptheworkingprocedure.Lastly,choseanddesignedtwosetsoftypicalmodeloftoolmachinetongs,designedthetongsofdrillingtheoilboreanddesignedthetongsofthemillingmachine.Itmainlyincludesamongthem:theposit

5、ionprojectandthepressuredesigned,thecetdegreedesign,twosetsofwrokprinciplesoftongsesandwhatwemustbenoticeintheprocessofthepistondesign.Throughtheanalysisandargument,theartsandcraftsdesignandthetongsdesignofthepistonisviable.Keywords:piston;porkingprocedure;machinetongs;manufactureprocesstechnology;l

6、ocatingandclamping;indexingdevice1 緒論1.1 本課題的研究意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢活塞是發(fā)動機中的重要零件之一。它在工作時承受發(fā)動機汽缸內(nèi)高溫氣體的壓力，并通過活塞銷、連桿將壓力傳給曲軸。因此活塞是在高溫、高壓和連續(xù)變負載下工作的。發(fā)動機活塞的材料為鋁合金，它的導熱性好、重量輕、慣性力小，并具有較好的切削加工性。鋁活塞的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相應地減少。毛坯在機械加工前要切去澆冒口，并進行時效處理，以消除鑄造時因冷卻不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應力。1.2 本課題的基本內(nèi)容，預計可能遇到的困難，解決問題的方

7、法和措施本課題基本內(nèi)容是某活塞機械加工工藝及其夾具設計，要研究的主要內(nèi)容有：1）設計開始的過程中，我們應該認真分析零件圖，了解要加工零件的結(jié)構特點和相關的技術要求，對活塞的每一個細節(jié)，都應仔細的分析，如活塞加工表面的平行度、同軸度、粗糙度等，特別是要注意各部分自身精度（同軸度、圓度、粗糙度）和它們的相互位置精度（軸線之間的平行度、垂直度以及軸線與平面之間的平行度、垂直度等要求），該加工零件的各孔的尺寸是整個設計加工的關鍵，必須弄懂其每個尺寸的意義。我們采用AutoCAD軟件繪制零件圖，一方面增加對零件的了解認識，另一方面增加我們對AutoCAD件的熟悉。2）活塞的加工工藝過程是整個設計的重點內(nèi)

8、容，在設計過程中，我們必須嚴格地選擇毛坯、制訂工藝規(guī)程、確定加工余量、計算工藝尺寸、計算工時定額以及定位誤差的分析，為了與實際加工相吻合，我們還必須對加工設備、切削用量、加工裝備等進行選擇和設計，這個階段內(nèi)容較多，涉及的范圍也比較廣，為了設計的參數(shù)合理，我們必須廣泛查閱相關的書籍，達到設計的合理性和實用性。3）為了工件定位準確和夾緊的快速，提高效率和降低工人的勞動強度，提高零件加工精度和安裝找正方便，我們要采用專用的夾具。在夾具設計過程中，我們統(tǒng)一采用以端面和止口為主要定位面來進行加工。因為我們未學習過夾具的設計和計算。所以工作量大大地增加了，只有通過在實習過程中對夾具的感性認識和夾具設計參考

9、書以及夾具圖冊來進行設計和計算。所以，夾具的設計是整個設計的重點，也是一個難點。夾具的設計必須要保證夾具的定位準確和機構合理，考慮夾具的定位誤差和安裝誤差。我們將通過對工件與夾具的認真分析，結(jié)合一些夾具的具體設計事例，查閱相關的夾具設計資料，聯(lián)系在工廠看到的一些活塞加工的夾具來解決這些問題。1.3 本課題采用的研究手段和可行性分析根據(jù)活塞零件的特點，活塞加工不宜采用工序集中的原則，一般采用工序分散的原則來安排加工順序，因為活塞加工一般為大批生產(chǎn)，加工要求較高，且剛性較差，所以加工應劃分階段，盡可能將粗、精加工分開進行。逐步提高定位基準的精度和加工表面的精度。在加工發(fā)動機活塞零件的工藝過程中，我

10、們必須保證其各部分的加工精度和與連接部件的裝配精度，其主要技術要求如下：1）裙部外圓要求與汽缸精密配合，尺寸公差為6級精度等級，表面粗糙度Ra0.63um。2）為了使活塞銷工作時能在空中自由轉(zhuǎn)動，活塞銷孔尺寸公差為6級以上精度、表面粗糙度Ra0.16um、圓度公差0.0015mm、孔的圓柱度公差0.003mm。3）為了使活塞銷和銷孔受力均勻，減少不均勻摩擦，活塞銷孔對裙部軸線必須垂直，在100mm長度上公差為0.035mm，對稱度為0.2mm。4）銷孔軸線到頂面距離為56，上下偏差為+0.08mm，-0.08mm。5）為使活塞環(huán)能隨氣缸套孔徑大小而自由地漲縮，環(huán)槽的寬度尺寸、表面粗糙度及對裙部

11、外圓軸線的位置也有較高的要求。12 活塞結(jié)構特點2.1 活塞的工作環(huán)境及承受的作用力活塞在氣缸內(nèi)工作時，混合氣在燃燒室內(nèi)燃燒時產(chǎn)生的溫度超過890攝氏度；活塞高速運動時其加速度達到2500070000m/s；四沖程發(fā)動機工作時活塞頂部中心溫度在330攝氏度左右，二沖程發(fā)動機則為400到450攝氏度。由此可見，活塞是在一個高溫的環(huán)境中工作。在發(fā)動機汽缸內(nèi)，活塞在一部分工作循環(huán)壓縮氣體，而在另一部分工作循環(huán)，汽缸內(nèi)的混合氣體燃燒膨脹，活塞承受高溫氣體壓力，并把壓力通過活塞銷、連桿傳給曲軸?？梢娀钊窃诟邷馗邏合伦鏖L時間變負荷的往復運動，活塞的結(jié)構就要適應這樣的工作條件。2.2 活塞的結(jié)構特點活塞頂

12、面用于承受高溫氣體的壓力,在活塞外圓表面上有三個環(huán)槽，離頂面最遠的一個環(huán)槽是油環(huán)槽，槽內(nèi)裝有油環(huán)，將氣缸壁上多余的潤滑油刮去，第一環(huán)為氣環(huán)槽用于安裝氣環(huán)，密封燃燒工質(zhì)，第二環(huán)為扭曲環(huán)。活塞環(huán)上部分稱為頭部，其余部分稱為活塞裙部?；钊捎肸L101鋁銅合金材料鍛造，它由頂部、頭部、裙部三部分組成。頭部呈圓錐體，裙部呈橢圓，頂部為形；頭部有三道環(huán)槽，上面兩道安裝氣環(huán)，下面一道安裝油環(huán)；油環(huán)底部分布著兩排回油孔，油槽下面還有一排油孔；活塞頭部從上至下呈圓錐體，裙部呈橢圓，內(nèi)腔復雜，壁厚較均勻。圖1活塞簡圖Fig1Pistonsketchfigure如圖1所示，平面1稱為活塞的頂面，它承受氣體的壓力，

13、并受到高溫氣體的直接作用。兩個環(huán)行的槽2稱為環(huán)槽，其中靠近頂點的二個環(huán)槽稱為氣體槽，在氣體槽中放置有彈性的活塞環(huán)，用以密封活塞頂面以上的燃燒室；離頂面最遠的一個環(huán)槽稱為油環(huán)槽，在油環(huán)槽中放置油環(huán)（或稱刮油環(huán)），它把飛濺到氣缸套內(nèi)壁上的多余的潤滑油刮去，使油從油環(huán)槽的小孔3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。其余部分5稱為活塞裙部，在活塞工作過程中起導向作用?；钊虚g的貫穿孔6稱為活塞銷孔，活塞孔的兩端有鎖環(huán)槽。圖中標號7是一個短圓柱面和圓錐面的組合，通常稱為止口。它是專為加工活塞而設置的輔助基準面，在結(jié)構上和功能上沒有作用。2活塞在工作過程中易產(chǎn)生受力變形和熱變形。如圖2所示

14、，活塞的曲頂面受到汽缸內(nèi)氣體壓力的作用，產(chǎn)生彈性變形.由于活塞裙部在圓周方向剛性不同，在銷孔軸線方向的彈性變形量比垂直于該方向的彈性變形量大，使活塞裙部在受力后變成橢圓。另一方面,活塞頂部與高溫氣體接觸，熱量通過活塞頂部傳到活塞裙部，溫度升高產(chǎn)生熱變形。由于活塞裙部圓周上金屬分布不均勻，銷孔軸線方向金屬厚，熱膨脹量大；垂直于銷孔軸線發(fā)向熱膨脹量小。從而使活塞裙部由于熱變成橢圓，如圖2的虛線所示圖2活塞在工作中的變形Fig2Deformationofthepistonatwork所以無論是受力變形或熱變形都使原來的圓柱形的裙部變成橢圓形，橢圓的長軸在活塞的銷孔的軸心線方向上。這樣，比然使活塞與汽

15、缸的間隙不均勻地減少甚至消失，以至于發(fā)生強烈的磨損甚至咬住。為了補償上述變形，由活塞裙部設計制造成橢圓形，橢圓的長軸在垂直于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塊凹吭，增加裙部與汽缸內(nèi)壁的間隙。橢圓度的大小隨活塞的型號不同。在活塞上，橢圓的長軸和短軸要控制在離圓位置4.3°以內(nèi)，相互位置誤差在4.3°以內(nèi)。3止匕外，活塞工作時，頂面和高溫氣體直接接觸，熱量由頭部傳到裙部，頭部溫度高，熱膨脹量大；裙部溫度低，熱膨脹量小。為了補償這種不均勻的熱變形，把活塞頭部的外徑設計的比裙部小，同時活塞裙部也設計成上小下大的錐形?；钊共康腻F度是0.0150.040mm1為了

16、減少向裙部傳導的熱量，在活塞（主要是高速內(nèi)燃機用活塞）上銃有橫槽，以減少向下傳熱的面積。在活塞上還銃有縱向槽（稍斜）以增加活塞裙部的彈性（橫向槽也有類似作用）。為了活塞的氣密性和耐磨性，增加其壽命，在氣環(huán)槽下鑲嵌一高鍥鑄鐵環(huán)。使鑄鐵的熱膨脹系數(shù)更接近ZL101,以便滿足零件要求。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，應使活塞銷在活塞孔及連桿小頭襯套孔中能自由轉(zhuǎn)動，即所謂“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)槽中裝有鎖環(huán)。43活塞的工藝規(guī)程的制訂3.1 制訂機械加工工藝規(guī)程的原始資料及活塞的工藝分析3.1.1 產(chǎn)品的零件圖(見圖紙)3.

17、1.2 產(chǎn)品驗收的質(zhì)量標準活塞的技術要求已由國家科委制定了國家標準，對各部分的尺寸公關、形狀和位置公差以及表面粗糙度均有詳細的規(guī)定，現(xiàn)采用JB393185標準說明如下：(1) 活塞裙部外圓要求與氣缸很精密的配合，因此裙部外圓尺寸公差一般為IT6，對于高速內(nèi)燃機要達IT5。為了減少機械加工的困難，將活塞裙部和氣缸套孔徑的制造公差放大三倍，裝配時將活塞按裙部尺寸分為三組，氣缸套按孔徑尺寸分成三組，對相應的組的進行裝配，以保證達到要求的間隙。裙部的橢圓度和錐度公差在分組尺寸公差范圍內(nèi)。裙部外圓粗糙度RaK0.63mi5(2) 對于浮動式活塞銷孔，為了使活塞在工作過程中能在孔中自由轉(zhuǎn)動，銷孔尺寸公差I

18、T6級以上。為了減少機械加工工作量，活塞銷孔和活塞銷的裝配也采用分組裝配法，當銷孔內(nèi)圓表面粗糙度RaK0.16。(3) 活塞銷孔的位置公差要求如下：a. 銷孔軸心線到頂面的距離影響氣缸的壓縮比，影響發(fā)動機的效率，對于此活塞這一距離為56±0.08mm。b. 銷孔軸心線對裙部軸心線的垂直度過影響活塞銷、銷孔及連桿的受力情況。垂直度誤差過大將使活塞銷、銷孔及連桿單側(cè)受力，活塞在氣缸中傾斜，加劇磨損，垂直度在100m求度上為0.030mm3c. 銷孔軸心線在裙部軸心線的對稱度誤差也會引起不均勻磨損，對稱度公差為0.030mm。(4) 為了使活塞環(huán)能隨氣缸孔徑大小的變化而自由地脹縮，對活塞環(huán)

19、槽作下列規(guī)定：a.活塞環(huán)平面母線對裙部軸線的垂直度，且在25mmfe度上為0.06mmib.活塞環(huán)槽平面對裙部軸線圓跳動為0.04mm。c.環(huán)槽寬度尺寸公差為0.0150.035mmd.活塞環(huán)槽上下面平面粗糙度Rac0.63叱mi(5) 為了保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同一發(fā)動機各活塞的重量不應相差很大，重量差不得大于名義重量的2.2。活塞按重量分組裝配。6錯誤！未指定書簽。3.1.3產(chǎn)品的生產(chǎn)綱領和生產(chǎn)類型生產(chǎn)綱領是企業(yè)在計劃期內(nèi)應當生產(chǎn)的包括備品和廢品在內(nèi)的年產(chǎn)量?？砂聪率接嬎?N=Qn(1+a+0)式中：N零件的年生產(chǎn)綱領(件/年)；Q廣品的年廣量(臺/年)；n每臺產(chǎn)品中，該零件的數(shù)量(件/臺)

20、；a%備品率；b%廢品率；根據(jù)零件易磨損和損壞的程度，備品率定為2.8%-4.7%,現(xiàn)取4%此活塞屬于機械零件，一般廢品率取1%。故N=6x1X(1+4%+1%)=6.3(萬件)生產(chǎn)類型是企業(yè)生產(chǎn)專業(yè)化程度的分類，一般分為大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和單件生產(chǎn)三種類型。其中成批生產(chǎn)又可以分為大批生產(chǎn)、中批生產(chǎn)和小批生產(chǎn)。根據(jù)機械制造工藝設計簡明手冊中查得：本產(chǎn)品屬于輕型機械，且生產(chǎn)綱領為6.3萬臺，遠遠大于5萬臺，所以此活塞的生產(chǎn)屬于大量生產(chǎn)。結(jié)合活塞加工JB3931-85標準其工藝過程的主要特點為：(1)工件具有互換性，裝配采用分組選擇裝配法。(2)鑄件廣泛采用金屬模機器造型高生產(chǎn)率毛坯制造方法，毛坯

21、精度高，加工余量小。(3)廣泛采用高生產(chǎn)率的專用機床及自動機床，按流水線形式排列。(4)廣泛采用高生產(chǎn)率刀具、夾具和量具。(5)對操作工人的技術要求較低，對調(diào)整工人的技術要求較高。(6)必須制定詳細的工藝規(guī)程。73.2 活塞的材料及毛坯制造鑄造鋁合金按化學成分可分為：鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金。3.2.1 材料選擇采用高碳合金工具鋼整體淬火的活塞，在工作中和釬桿接觸的平面不變形，不易產(chǎn)生裂紋，而采用低碳合金鋼滲碳淬火的活塞，在工作中和釬桿接觸的平面易產(chǎn)生變形(平面凹陷)和裂紋，如果裂紋擴大，就會產(chǎn)生斷裂使活塞報廢。在高速柴油機中，為了減少往復直線運動部分的慣性作用，都采用了銅硅鋁合

22、金作為活塞材料。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)動機的壓縮比，又不至于引起混合氣體的自燃，因而可以提高發(fā)動機的功率；(2) 重量輕,慣性力小；(3) 可切削性好。但它也有一些缺點:a.材料的價格比較貴；b.熱膨脹系數(shù)大,約為鑄鐵的兩倍；c.機械強度及耐磨性較差。但總的來說,鋁合金的優(yōu)點超過缺點，所以在高速內(nèi)燃機中都用它。而且耐磨性方面可以通過鑲嵌一高鎳鑄鐵環(huán)來提高其氣密性和耐磨性，增加其壽命。3.2.2毛坯的選擇選擇毛坯應考慮的因素：(1)零件力學性能的要

23、求相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其力學性能有所不同。鑄鐵件的強度，離心澆注、壓力澆注的鑄件，金屬型澆注的鑄件，砂型澆注的鑄件依次遞減。(2)零件的結(jié)構形狀和外輪廓尺寸形狀較簡單、壁厚均勻的毛坯可采用金屬型鑄造。(3)生產(chǎn)綱領和批量生產(chǎn)綱領大時宜采用高精度與高生產(chǎn)率的毛坯制造方法。(4)現(xiàn)場生產(chǎn)條件和發(fā)展應經(jīng)過技術經(jīng)濟分析和論證。從生產(chǎn)批量來看，此零件屬于大批量生產(chǎn)，宜采用精度和生產(chǎn)率高的毛坯制造方法，以減少材料消耗和機械加工工作量?？煽紤]用金屬鑄造、熔模鑄造、模鍛、精鍛等方法獲得毛坯；從零件的結(jié)構來看，由于此零件屬于外形較復雜的小型零件，而且它的壁厚不算薄。故可以考慮采用壓鑄、金屬鑄造、熔

24、模鑄造等精密鑄造方法。同時可以減少切削加工或不進行切削加工；從毛坯的制造方法來看，鑄鋁和鑄銅等有色金屬材料適合用鑄造方法獲得毛坯；從鑄鋁件的力學性能來看，可采用金屬型鑄造的鑄件、金屬型澆注的鑄件、砂型澆注的鑄件，且強度依次遞減,毛坯質(zhì)量依次降低。綜上所述，該活塞零件的材料選用ZL101,該材料的成分及性能見表1,毛坯采用金屬型鑄造。用金屬型鑄型，在重力下澆注成型。對鋁合金鑄件有細化組織的作用，生產(chǎn)率高，無粉塵，但是設備費用高，手工操作時，勞動條件差。鑄件表面的粗糙度Ra12.56.3m結(jié)晶細，加工余量小。適用于成批大量的生產(chǎn)。83.2.3鑄造斜度(1)鑄造斜度的大小按下列原則確定：金屬的收縮阻

25、力大時，斜度應大；收縮量大和熔點高的合金，斜度應大；鑄件需要拔模部分的尺寸大時，斜度應小，反之斜度應大。(2)鑄件上各面斜度的數(shù)值應盡可能一致，以便于制造模具及造型。待加工表面的斜度數(shù)值可以大一些。表1鑄鋁101的成分及性能Tab1Compositionandpropertiesofcastaluminum101合金代號Si主要化學成分/%CuMgZn鑄造方法MPa(Ts%用途鋁硅合金ZL1016.5八7.5V0.10.250.45<0.1J,T52022形狀復雜的砂型、金屬型和壓力鑄造零件Tab2表2各種鑄造方法的最小鑄造斜度Castingmethodofcastingavariety

26、ofslope斜度位置砂型鑄造方法金屬型殼型壓鑄外表面內(nèi)表面0°30，1°0°30，0°20，1°0°20，0°15，0°30，3.2.4鑄造圓角及半徑表3鑄造圓角Tab3Castingcorner最小圓角半徑(mm鑄造方法鑄造圓角計算公式鋁合金鎂合金銅合金鋅合金黑色金屬金屬型鑄11R=1(A+B)1222造46(1)鑄件壁部連接處的內(nèi)轉(zhuǎn)角應有鑄造圓角。(2)依照鑄造圓角計算公式算出數(shù)值后，應選取與其接近的機械制造業(yè)常用的標準尺寸(詳見GB2822-81)。為便于制造，半徑應盡可能統(tǒng)一。在此，對于金屬型鑄件一般統(tǒng)一

27、使用R3或RS93.2.5 確定的機械加工余量鑄鍛件的機械加工余量按JB3735-85確定，確定時，根據(jù)估算的鍛件的重量、加工精度及鍛件形狀的復雜系數(shù)，由簡明機械加工工藝手冊查得：金屬型鑄件的尺寸公差等級為68級。可查得：(1)外圓的加工余量為4.0mm(2)銷孔的加工余量為3.0mm其它表面加工余量由零件尺寸決定(如圖3所示)：圖3活塞毛坯圖Fig3Pistonroughfigure3.2.6 毛坯的制造方法及工藝特點金屬型澆注結(jié)構緊密，能承受較大壓力，其生產(chǎn)率較高，適用于鐵碳合金、有色金屬及其合金的大批大量生產(chǎn)。金屬型鑄造允許毛坯的最大質(zhì)量為110kg,毛坯的最小壁厚為1.5mm形狀復雜程

28、度一般，精度等級CT要求為68級，毛坯的尺寸公差為0.090.47,表面粗糙度為Ra為12.56.3m,加工余量等級為F。3.3基準的選擇3.3.1 定位基準的選擇定位基準的選擇一般原則：a.選最大尺寸表面為安裝面，選最長距離的表面為導向面，選最小尺寸的表面為支承面。b.首先考慮保證空間位置精度，再考慮保證尺寸精度。c.應盡量選擇零件的主要表面為定位基準。3.3.2 粗基準和精基準的選擇(1)粗基準的選擇除了應考慮以上的一般原則外，還必須考慮以下幾個原則：a. 盡量選擇不加工表面作為粗基準，如果在工件上有很多不需加工的表面，則應以其中與加工面的位置精度要求較高的表面作為粗基準。b. 選擇加工余

29、量均勻的表面作為粗基準。c. 選擇加工余量較小的表面作為粗基準。d. 選作粗基準的表面應平整，沒有澆口、冒口、飛邊等缺陷，以便定位可靠。e. 粗基準一般只能使用一次，特別是主要的定位基準，以避免產(chǎn)生較大的位置誤差。(2) 根據(jù)上述的選擇粗基準的基本原則，綜合以上各個原則并考慮活塞的實際情況選擇加工粗基準如下：a. 以活塞毛坯內(nèi)腔為粗基準加工外圓和端面,再以外圓為基準加工精基準止口。因為粗車后的外圓面是加工余量小、較準確的、光潔的、面積較大的平面，而且它也是一個重要的表面，它的余量比較均勻。b. 直接以活塞毛坯外圓和端面為粗基準加工精基準止口,由于活塞的毛坯加工是采用金屬型鑄造，其鑄造精度較高，

30、加工余量小且余量均勻，以其作為粗基準同樣可以滿足加工要求。(3)精基準的選擇：和粗基準一樣，精基準的選擇除了要考慮一般原則外，還有它自身應當注意的問題：a. 盡量用設計基準作為定位基準，實現(xiàn)“基準重合”，以避免產(chǎn)生基準不重合誤差。b. 當工件以某一組精基準定位可以較方便地加工很多表面時，應盡可能的采用此組精基準定位，實現(xiàn)“基準統(tǒng)一”，以避免產(chǎn)生基準轉(zhuǎn)換誤差。c. 當精加工或光整加工工序要求加工余量盡量小而均勻時，應選擇加工表面本身作為精基準，即遵循“自為基準”的原則。該加工表面與其他表面間的位置精度要求由先行工序保證。d. 為獲得均勻的加工余量或較高的位置精度，可遵循“互為基準”、反復加工的原

31、則。e. 有多種方案可供選擇時，應選擇定位準確、穩(wěn)定、加緊可靠，可使夾具結(jié)構簡單的表面作為精基準。那么根據(jù)以上的各個原則，結(jié)合實際情況對精基準的選擇如下：活塞是一個薄壁零件,在外力作用下很容易產(chǎn)生變形?；钊饕砻娴某叽缇群托挝痪鹊囊蠖己芨?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做為統(tǒng)一基準。止口是專門為加工活塞而設置的輔助基準面，在結(jié)構上和功能上沒有任何作用。在精加工時,除精車外圓等少數(shù)工序用止口處的錐面和頂面上的中心孔定位,其余工序都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：a. 用這種定位方法可以加工裙部

32、、頭部、頂面、銷孔等主要表面及其他次要表面。在一次安裝中可車削多個表面，既提高了生產(chǎn)率，又能保證這些表面的位置精度。b. 活塞裙部在半徑方向的剛性差，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。3.4擬定工藝路線機械加工工藝路線的最終確定，一般要通過一定范圍的論證，即通過對幾條工藝路線的分析與比較，從中選出一條適合本廠條件的、確保加工質(zhì)量、高效和低成本的最佳工藝路線。下面將從以上幾個方面來確定活塞的機械加工工藝路線。3.4.1 加工方法的確定零件表面加工方法的選擇應考慮的問題:（ 1）零件表面的加工方法，主要取決于加工表面的技術要求。這些

33、技術要求還包括由于基準不重合而提高了對作為精基準表面的技術要求。根據(jù)各加工表面的技術要求，首先選擇能保證該要求的最終加工方法，然后確定各工序、工步的加工方法。（ 2）選擇加工方法應考慮每種加工方法的加工經(jīng)濟精度范圍；材料的性質(zhì)及可加工性；工件的結(jié)構形狀及尺寸大??；生產(chǎn)綱領及批量；工廠現(xiàn)有設備條件等。（ 3）加工經(jīng)濟精度分析。各種加工方法所能達到的加工經(jīng)濟精度和表面粗糙度都是在一定的范圍內(nèi)的。任何一種加工方法只要精心操作、細心調(diào)整、選擇合適的切削用量，其加工經(jīng)濟精度就可以得到提高，其加工表面粗糙度值就可以減少。但是加工經(jīng)濟精度提高得愈高，表面粗糙度值減少得愈小，則所消耗的時間與成本也會愈大。生產(chǎn)

34、上加工經(jīng)濟精度的高低是用其可以控制的加工誤差的大小來表示的。加工誤差小，則加工精度高；加工誤差大，則加工精度低。一般來說，加工誤差和加工成本之間成反比例關系?？梢钥闯觯簩σ环N加工方法來說，加工誤差小到一定程度，加工成本提高很多，加工誤差卻降低得很少；加工誤差大到一定程度以后，即使加工誤差增大很，加工成本降低得很少。因此所謂加工經(jīng)濟精度是指在正常加工條件下所能保證的加工精度和表面粗糙度。(4)材料的性質(zhì)及可加工性。本零件的材料采用ZL101,它的化學成分是：Si6.57.5%,Cu<0.1%,Mg0.250.45%,Zn<0.1%,其余為Al。這種材料的工藝性能如下：a.切削性能：Z

35、L101的硬度為100HB為易切削材料。b.熱處理性能：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)應力。時效處理是將活塞加熱至210240C,保溫79h后，自然冷卻，活塞經(jīng)過時效處理后能增加強度和硬度。(5)生產(chǎn)率的要求。本活塞零件的生產(chǎn)類型屬于大批大量生產(chǎn)。因而對生產(chǎn)率要求就相對的比較高。綜合以上幾點，再考慮工廠的工藝能力和現(xiàn)有設備的加工經(jīng)濟精度，查機械加工工藝手冊對擬訂本零件的加工方法如表4。3.4.2 加工階段的劃分按加工性質(zhì)和作用不同，工藝過程一般劃分如下加工階段：粗加工階段；半精加工階段；精加工階段；光整加工階段。它們的主要工作與要求如表5所

36、示。表4加工方法的擬訂Tab4Processingmethodofpreparation加工步驟加工方法活塞裙部外圓的精度要求為IT6IT5,表面粗糙度要求為RsK0.63,材料為ZL外圓的加工這樣對于活塞外圓的加工選用：粗車一一精車一一金剛石車橢圓，這樣可以達到的粗糙度為Ra=0.80.2科也端面的精度要求為IT8級、材料為ZL101,故可采用一次車削完成，這樣能達到的端面的加工精度等級為IT810,粗糙度為Ra=6.31.6科m滿足要求。該零件活塞對于外圓以及銷孔孔的加工質(zhì)量要求比較高，其余的加工質(zhì)量要求并不高，又毛坯采用金屬型鑄造精度比較高，加工余量小，故除了外圓加工時安排了粗車，精車，

37、金剛石車，加工銷孔時安排了粗鏈，精鏈和滾壓三個加工階段外，其余工序均安排粗加工、精加工兩階段完成。103.4.3 加工工序的安排按照加工順序的選擇原則：(1)先加工基準面，再加工其它表面。(2)一般情況下，先加工平面，后加工孔。續(xù)表413加工步驟加工方法這個部分表面是為了加工出精基準而加工的，粗糙度要求不是很高，為RaK1.25m,精度要求為IT7,故可采用兩次車削完成，即采用粗車一一精車止口的加工的加工方法,這樣能達到的精度等級為IT87,粗糙度為R=3.20.8科m滿足要求。銷孔的表面的精度要求為IT6以上，要求較高，粗糙度RaK0.16pm,故考慮采銷孔的加工用。粗像一一精鏈一滾壓的加工

38、方法，這樣可以達到的精度等級為IT6IT7,粗糙度為Ra=0.40.05m滿足要求。斜油孔的表面粗糙度也為Ra小于等于12.5m,它的精度要求并不高，且孔徑也斜油孔的加工小于20mm故它的加工方法也可以直接采用鉆來實現(xiàn)，精度為IT11-IT12。直油孔表面粗糙度也為Ra小于等于12.5m,它的精度要求并不高，且孔徑也小直油孔的加工于20mm故它的加工方法也可以采用鉆來實現(xiàn)，精度也為IT11-IT12。位置精度要求較高，而尺寸精度要求不是很高，故可以考慮采用粗車一一精車完環(huán)槽的加工成。精度等級為IT78,粗糙度為Ra=6.31.6科m滿足要求。精度要求為IT810,而外圓開始已經(jīng)進行一次粗車，故

39、可以用一次精車就可以達頭部外圓的加到要求，這樣可以達到的精度等級為IT7IT8,粗糙度為Ra=3.20.8科m滿足要工求。氣門內(nèi)、外槽位置精度要求較高，而尺寸精度要求也不是很高，故仍可以考慮采用直接一次銃的加工削完成。精度等級為IT1112,粗糙度為Ra=12.53.2科m滿足要求銷孔卡環(huán)槽位置精度要求較高，而尺寸精度要求不是很高，故可在銷孔精鏈后采用車削完成。的加工精度等級為IT810,粗糙度為Ra=6.33.2科m滿足要求。表5各加工階段的加工要求Tab5Theprocessingrequirementsofeachprocessingstage加工階段加工要求主要是去除各加工表面的余量，

40、并作出精基準，因此這一階段關鍵問題是提粗加工階段高生產(chǎn)率在半精加工階段減小粗加工中留下的誤差，使加工面達到一定的精度，為精半精加工階段加工作好準備在精加工階段，應確保尺寸、形狀和位置精度達到圖紙規(guī)定的精度要求以及精加工階段表面粗糙度要求加工階段加工要求精密、超精密加這是對那些要求很高的零件安排的，是為了達到零件最終的精度要求工、光整加工階段(311(4)先安排粗加工工序，后安排精加工工序。根據(jù)活塞零件加工的實際情況，本設計擬定了兩條加工路線來進行比較分析：萬案一：a.工藝過程第一道工序：粗車止口，端面第二道工序：粗車外圓第三道工序：粗鏈銷孔第四道工序：粗切外圓環(huán)槽、頂面第五道工序：鉆直油孔第六

41、道工序:鉆斜油孔第七道工序:去內(nèi)腔毛刺第八道工序：精車止口，打中心孔第九道工序：精車外圓、環(huán)槽并倒角第十道工序：精鏈銷孔第十一道工序：切卡環(huán)槽第十二道工序：車橢圓裙部第十三道工序：銃氣門內(nèi)槽第十四道工序：銃氣門外槽第十五道工序：滾壓銷孔圖形見所附機械加工工藝過程卡片。b.熱處理工序的安排：時效處理：為了消除殘余應力，對于尺寸大、結(jié)構復雜的鑄件，需在粗加工之前、后各安排一次時效處理；對于一般鑄件在鑄造后或粗加工后安排一次實效處理；對于精度高、鋼度低的零件，在粗車、粗磨、半精磨后需要各安排一次實效處理。鋁合金熱處理安排在機加工前，鋁活塞毛坯在機械加工前要切去冒口，并進行時效處理，消除鑄造時因冷卻不

42、均勻而帶來的內(nèi)應力。時效處理是將活塞加熱至180200攝氏度，保溫68h后，自然冷卻。活塞經(jīng)過時效處理后還能增加強度和硬度c. 其它輔助工序的安排：檢查、檢驗工序、去毛刺、平衡、清洗工序等也是工藝規(guī)程的重要組成部分。檢查、檢驗工序是保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的關鍵工序之一，每個操作過程中和操作結(jié)束以后都必須自檢。在工藝規(guī)程中，下列情況下應安排檢查工序：零件加工完畢之后；從一個車間到另一個車間的前后；工時較長或重要的關鍵工序前后。故根據(jù)以上原則，在零件加工完畢后安排一次終驗工序。在工藝過程的適當之處安排去毛刺處理。在工藝過程的最后一般安排清洗工序。表面鍍錫：在活塞表面鍍錫可以改善活塞初期磨合性，因為錫的質(zhì)

43、地軟，親油性好，可以提高冷啟動時活塞的抗拉缸性能。d. 集中與分散：同一個工件，同樣的加工內(nèi)容，可以安排兩種不同形式的工藝規(guī)程：一種是工序集中，另一種是工序分散。前者是使每個工序中包括盡可能多的工步內(nèi)容，因而使總的工序數(shù)目減少，夾具的數(shù)目和工件的安裝次數(shù)也相應的減少。后者是將工藝路線中的工步內(nèi)容分散在更多的工序中完成，因而每道工序的工步少，工藝路線長。它們各有所長。前者有利于保證各加工面間的相互位置精度要求，有利于采用高生產(chǎn)效率的機車，節(jié)省安裝工件的時間，減少工件的搬動次數(shù)。而后者可使每個工序使用的設備和夾具比較簡單，調(diào)整、對刀也比較簡單，對操作工人的技術水平要求比較低。考慮到此活塞零件的結(jié)構

44、特點和技術要求、以及工廠機床設備、工人技術水平等條件，本設計采用工序相對集中的原則，也就是每個工序所包含的內(nèi)容相對較多，所使用的工藝設備與裝備少，同時選擇合理的切削用量，減少了工件的搬運、裝夾等輔助時間，它的設備數(shù)量少，加工過程中大量使用組合夾具、刀具和機床，生產(chǎn)效率高，廠房占地面積小，總投資少，但該加工方式對工人的技術水平要求相對較高，不利于產(chǎn)品快速更新?lián)Q代，總體考慮還是適合此活塞零件的生產(chǎn)加工的。12、.1*、方案二：a.工藝過程第一道工序：粗車外圓、車頂面第二道工序：粗車止口、打中心孔第三道工序：粗鉸銷孔第四道工序：車環(huán)槽及梯形槽第五道工序：車環(huán)槽環(huán)岸及其倒角第六道工序：鉆直油孔第七道工

45、序：鉆斜孔第八道工序：銑氣門內(nèi)槽第九道工序：銑氣門外槽第十道工序：精車止口第十一道工序：精車外圓第十二道工序：精鉸銷孔第十三道工序：切卡環(huán)槽第十三道工序：靠磨橢圓裙部第十五道工序：細鉸銷孔熱處理及其它同方案一。3.4.4工藝方案的比較與技術經(jīng)濟分析以上兩個工藝方案中除了對銷孔和裙部橢圓的加工方法不太相同之外，其他的工序基本上是相同的。因此對于這兩個方案的分析與比較將從工藝方案的技術經(jīng)濟特性指標、工藝成本，技術經(jīng)濟對比等各個方面進行。（ 1） 產(chǎn)品工藝方案技術特性主要指標：a. 勞動力消耗率：方案一與方案二相比，工時數(shù)與臺時數(shù)比較少，生產(chǎn)率較高，且能達到的精度也較高b. 設備構成比：兩個方案使用

46、的設備數(shù)量基本相同，只是設備的種類稍有不同。c. 工藝裝備系數(shù)：兩個方案基本相同。d. 工藝過程的分散與集中程度：本產(chǎn)品屬于大批大量生產(chǎn)，且均采用相對集中的工藝路線，采用組合夾具、刀具和機床，基本上能夠完成生產(chǎn)任務。e. 金屬消耗量：基本相同。f. 占用生產(chǎn)面積數(shù)：兩個方案基本相同。（ 2） 機械加工工藝過程技術特性指標：機械加工工藝過程技術特性指標包括：出廠量、毛坯數(shù)量、制造毛坯所需金屬質(zhì)量、毛坯凈重、毛坯的成品率、設備總功率、專用夾具裝備系數(shù)、量具裝備系數(shù)、刀具裝備系數(shù)、操作工人的平均等級；鉗工修整勞動量及其占機床工作量的比列；生產(chǎn)面積總數(shù)、總面積、平均每臺機床占用生產(chǎn)面積、平均每臺機床占

47、用總面積。對于這些指標，兩個方案是相同或相近的，因而不予分析。綜合以上指標，兩種加工工藝方案各方面特性指標基本相似，考慮到方案一的加工精度要高于方案二，且方案一的加工精度與表面粗糙度又是適中的能夠達到技術要求。故相比之下，方案一要優(yōu)于方案二。(3)工藝成本的分析當需評比的工藝方案均采用現(xiàn)有設備或其投資基本相近時，對加工內(nèi)容基本相同的幾種工藝方案的經(jīng)濟評比，可采用工藝成本作為衡量各種工藝方案經(jīng)濟性的依據(jù)。各方案的取舍與加工零件的年生產(chǎn)綱領有密切的關系，如圖4所示。各方案直線交點的年產(chǎn)量Nj。由計算可知：零件的全年工藝成本為：Sn=VlNjCni、NjCn2NjCn2 Vi -V228式中V一每件

48、零件的可變費用元/件;N一零件的生產(chǎn)綱領件；Cn一全年的不變費用元。其函數(shù)圖形為曲線，圖4中直線I、II、III分別表示三種加工方案。方案I系采用通用機床加工；方案II系采用數(shù)控機床加工；方案III系采用專用機床加工。三種方案的全年不變費用依次遞增，每個零件的可變費用V則依次遞減。從圖中可以看出，Cx與年產(chǎn)量無關，VN隨年產(chǎn)量成正比增加。而單個零件(或單個工序)的工藝成本應為：圖4工藝成本與年產(chǎn)量的關系Fig4Therelationshipbetweencostandoutputprocess表6零件成本的組成表Tab6Compositionofpartscosttable全年零件成本其它費用

49、全年工藝成本Sn全年可變費用NV全年不變費用Cn行政員的工資Sc-每件材料費Stz-調(diào)整工人工資總務人員工資Sz-每件機床工人工資Szz-專用機床折舊費辦公費用Sw-每件機床維持費Szdz-專用刀具折舊費廠房維持費及折舊費Stjz-每件通用機床折舊費Szjz-專用夾具折舊費照明費等運輸費Sdz-每件刀具維持費及通用刀具折舊費Sjz每件夾具維持費及通用夾具折舊費注：有些費用是隨生產(chǎn)批量而變換的，如調(diào)整費、用于在制品占用資金等，一般情況下不于單列由于本設計兩個工藝方案中只有少數(shù)工序不同，多數(shù)工序是相同的，故可以通過計算少數(shù)不同的工序的單件成本來進行比較。在這里選擇第五個工序來進行計算并比較，其他的

50、也都類似的計算。對于每道工序有：Spi=ViCi/N=NVi/NCi/N其中Nvi=SciSziSwi-StjziSdzi-Sjzi故Vi=SciSziSwi.Sjzi.Sdzi-Sjzi/NCi=Stzi-Szzi-Szdzi-Szjzi由于兩個方案對于銷孔的加工工藝不同在于一個采用的是鏈削，另一個采用的是較削故對于兩種不同的方案有：Sp1Sp2=Sz'1+Sdz'1+Sjz'1-(Sz'2+Sdz'2+Sjz'2)其中Sz'=Tmzx(1+a/100)/60式中Tmz單件時間minSz機床工人每小時工資元/小時a與工資有關的雜費元在上

51、面各量中取a=10Sjz'=CjX(Pji+Pj2)式中Cj夾具成本元Pj1夾具折舊率每年33%Pj2維護費折合百分數(shù)取為26%Sdz=(Cp+Kcw)XTm+T+(K+1)元/件式中C刀具價格元pT刀具耐用度minK可重磨次數(shù)Kcw每磨一次刀所花費用元代入數(shù)據(jù)：Sp1- Sp2 =Sz1 '+ Sjzl -(Sz2 '+ Sjz2)由于所以有Sz1 < Sz2 'Sjzl '< Sjz2Sp1v Sp2綜合以上的分析比較可知：采用方案一相對的比較經(jīng)濟合理，故本設計將采用方案一。3.5活塞加工余量的確定完成某工序所需切除的材料層的厚度稱為工序

52、余量，從毛坯到成品的整個工藝過程中所切除的材料層的厚度稱為總余量。加工總余量的大小取決于加工過程中各個工序所切除的金屬厚度的總和。每一工序所切除的金屬層厚度稱為工序余量。3.5.1 加工余量的確定方法對于本設計加工余量的確定主要查表修正法。因為考慮到對于影響加工余量的個個誤差因素并不是很清楚，而且也沒有一定的測量手段和掌握必要的統(tǒng)計分析資料，所以采用分析計算法也不適合。而經(jīng)驗法確定的加工余量又往往偏大，所以采用查表修正法是最適合的。3.5.2 加工余量的確定本設計主要以簡明機械加工工藝手冊為依據(jù)來確定加工余量。應用時再結(jié)合加工實際情況進行修正。由于加工工序相對集中，故對各加工部位的加工余量確定

53、如下：(1)外圓的加工：外圓加工為粗精車，根據(jù)其尺寸選精車加工余量為0.3mm,粗車加工余量為3.7mm金剛石車裙部橢圓時長短軸之差為0.515。.(2)端面的加工：端面的加工：端面的加工采用一次性加工。機械加工余量則選為1.0mm(3)止口的加工：止口采用粗精車加工，精車加工余量為0.3mm粗車加工余量為1.2mm(4)銷孔的加工：銷孔的最終加工為滾壓，故根據(jù)其尺寸選其加工余量為0.10mm滾壓前的精鏈的加工余量可選為0.20mm而粗鏈雙邊加工余量可選為2.7mm(5)直油孔和斜油孔的加工：它們的加工方法都是鉆，加工余量直接由它的孔徑來決定。(6)環(huán)槽的加工：對環(huán)槽的加工采用粗精車加工，根據(jù)

54、零件和毛坯的尺寸確定其總加工余量為12.79mm粗車余量為12.69mm精車余量為0.3mm(7)頂面的加工：頂面加工路線為粗車一銃氣門內(nèi)、外槽，根據(jù)零件和毛坯的尺寸確定其總加工余量為14.17mm粗車加工余量為3.17mm粗銃加工余量均為11.0mm(8)銷孔卡環(huán)槽的加工：銷孔卡環(huán)槽在精鎮(zhèn)銷孔后一次性車削完成，加工余量為4.8mm以上對于加工余量的確定只是初步確定，還有待進一步的檢驗與修正。3.6工序尺寸與公差的確定工序尺寸是某工序加工后應達到的尺寸,允許工序尺寸的變動量就是工序公差。工序尺寸的計算要根據(jù)零件圖上的設計尺寸、已經(jīng)確定的工序余量、定位基準的轉(zhuǎn)換關系來進行，而工序公差則按各工序加

55、工方法的經(jīng)濟精度選定。又分兩種情況：a.表面要進行多次加工而工序基準與設計基準重合時，如外圓和內(nèi)孔的加工，其工序尺寸和工序公差的確定較簡單，可直接計算獲得。b.設計基準與工序基準或定位基準不重合；測量基準與設計基準不重合時；零件在加工中要多次轉(zhuǎn)換基準時；加工一個面要保證好幾個設計尺寸時，須用尺寸鏈原理進行分析和計算。（1）工序尺寸與公差的確定的步驟如下：a. 確定各加工工序的加工余量。b. 從終加工工序開始，即從設計尺開始，到第一道終加工工序，依次加上每次加工余量，可分別得到各工序基本尺寸。c. 除終加工工序外，其它各加工工序按各自所采用加工方法的加工經(jīng)濟精度確定工序的尺寸公差。d. 填寫工序尺寸并按“入體原則”標注工序尺寸公差。上面所說的“入體原則”是指對被包容尺寸（軸的外徑，實體長、寬、高），其最大加工尺寸就是基本尺寸，上偏差為零。對包容尺寸（孔的直徑、槽的寬度），其最小加工尺寸就是基本尺寸，下偏差為零。毛坯尺寸按雙向或不對稱偏差形式標注。e. 當工藝基準無法同設計基準重合等情況下，確定了工序余量后，需通