【文章內容簡介】 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 2 活塞結構特點 活塞的工作環(huán)境及承受的作用力 活塞在氣缸內工作時，混合氣在燃燒室內燃燒時產(chǎn)生的溫度超過 700攝氏度；活塞高速運動時其加速度達到 20200～ 60000m/s；四沖程發(fā)動機工作時活塞頂部中心溫度在 250 攝氏度左右，二沖程發(fā)動機則為 300 到 350 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，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?高壓下作長時間變負荷的往復運動，活塞的結構就要適應這樣的工作條件。 活塞的結構特點 活塞頂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，第二環(huán)為扭曲環(huán)?；钊h(huán)上部分稱為頭部，其余部分稱為活塞裙部。 活塞采用 ZL101 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 ω 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，內腔復雜，壁厚較均勻。 圖 21 活塞簡圖 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 如圖所示， 平面 1 稱為活塞的頂面，它承受氣體的壓力，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。圖中之 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，在結構上和功能上沒有作用。 活塞在工作過程中易產(chǎn)生受力變形和熱變形 .如圖 22 所示 ,活塞的曲頂面受到汽缸內氣體壓力的作用 ,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 22 的虛線所示。 圖 22 活塞在工作中的變形 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 5176。 以內，相互位置誤差在 5176。 以內。 此外，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，頭部課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 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 ～ 。 為了減少向裙部傳導的熱量，在活塞（主要是高速內燃機用活塞）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)槽下鑲嵌一高鎳鑄鐵環(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)。課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 3 活塞的工藝規(guī)程的制訂 機械加工工藝過程的基本概念 工藝就是制造產(chǎn)品的方法。機械加工工藝過程一般是指在生產(chǎn)過程中，通過機械加工改變生產(chǎn)對象的形狀、尺寸、相對位置 和性質等，使其成為半成品或成品的過程，它有如下組成部分： 工序、工步和工作行程 工序是指一個人（或一組）工人，在一臺機床（或者一個工作地點），對同一個（或者同時對幾個）工件所連續(xù)完成的那一部分工藝過程。 工步是在加工表面不變，加工工具不變，切削用量不變的條件下所連續(xù)完成的那一部分工序。 工作行程是加工工具在加工表面上切削一次所完成的工步部分。 安裝與工位 安裝：工件經(jīng)一次裝夾后所完成的那一部分工序。 工位：工件在機床上所占據(jù)的每一個位置上所完成的那一部分工序。 制訂機械加工 工藝規(guī)程的原始資料及活塞的工藝分析 產(chǎn)品的零件圖 (見圖紙 ) 產(chǎn)品驗收的質量標準 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 JB3931— 85 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。裙部外圓粗糙度 Ra≤ m。 (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動，銷孔尺寸公差 IT6 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，當銷孔內圓表面粗糙度 Ra≤0. 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 56177。 mm。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 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、銷孔及連桿單側受力，活塞在氣缸中傾斜，加劇磨損，垂直度在 100mm 長度上為 。 c. 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 。 (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)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 25mm 長度上為 。 b. 活塞環(huán)槽平面對裙部軸線圓跳動 為 。 c．環(huán) 槽 寬度尺寸公差為 ～ Ra≤ m。 (5) 為了保證發(fā)動機運轉平穩(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 ％ 。活塞按重量分組裝配。 產(chǎn)品的生產(chǎn)綱領和生產(chǎn)類型 生產(chǎn)綱領是企業(yè)在計劃期內應當生產(chǎn)的包括備品和廢品在內的年產(chǎn)量?？砂聪率接嬎?: )1( βα ??? QnN 式中： N —— 零件的年生產(chǎn)綱領（件／年）； Q—— 產(chǎn)品的年產(chǎn)量（臺／年）； n—— 每臺產(chǎn)品中，該零件的數(shù)量（件／臺）； %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 3%5%，現(xiàn)取 4%； 此 活塞屬于機械零件，一般廢品率取 1%。 故 N ＝ 6 179。 1 179。 （ 1+4%+1%） ＝ （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 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)。結合活塞加工 JB393185 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，毛坯精度高，加工余量小。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 (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，對調整工人的技術要求較高。 (6) 必須制定詳細的工藝規(guī)程。 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。 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。 毛坯的選擇 選擇毛坯應考慮的因素： (1） 零件力學性能的要求 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。 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 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 3－ 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 ～ ，結晶細，加工余量小。適用于成批大量的生產(chǎn)。 表 31 鑄鋁 101 的成分及性能（ GB1173— 86） 合金代號 主要化學成分 /％ 鑄造方法 bσ sσ 用途 Si Cu Mg Zn MPa % 鋁硅合金 ZL101 ～ ＜ ～ ＜ J,T5 202 2 形狀復雜的砂型、金屬型和壓力鑄造零件 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 32 各種鑄造方法的 最小鑄造斜度 斜度位置 鑄造方法 砂型 金屬型 殼型 壓鑄 外表面 0176。30ˊ 0176。30ˊ 0176。20ˊ 0176。15ˊ 內表面 1176。 1176。 0176。20ˊ 0176。30ˊ 鑄造圓角及半徑 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 課件之家精心整理資料 歡迎你的欣賞 表 33 鑄造圓角 鑄造方法 鑄造圓角計算公式 最小圓角半徑（ mm） 鋁合金 鎂合金 銅合金