【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 活塞零件的工藝過(guò)程中，我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(shù)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(jí)精度等級(jí)，表面粗糙度 。 2）為了使活塞銷工作時(shí)能在空中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞銷孔尺寸公差為 6 級(jí)以上精度、表面粗糙度 、圓度公差 、孔的圓柱度公差 mm。 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(duì)裙部軸線必須垂直，在 100 mm 長(zhǎng)度上公差為 ，對(duì)稱度為 mm。 4）銷孔軸線到頂面距離為 56，上下偏差為 + mm， mm。 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(duì)裙部外圓軸線的位置也有較高的要求。 經(jīng)過(guò)以上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞零件的加工工藝分析，結(jié)合平時(shí)老師的講解及書本知識(shí)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將圓滿完成。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 活塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 5 2 活塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(shí)，混合氣在燃燒室內(nèi)燃燒時(shí)產(chǎn)生的溫度超過(guò) 700攝氏度；活塞高速運(yùn)動(dòng)時(shí)其加速度達(dá)到 20xx0～ 60000m/s；四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)活塞頂部中心溫度在 250 攝氏度左右，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)則為 300 到 350 攝氏度。由此可見(jiàn)，活塞是在一個(gè) 高溫的環(huán)境中工作。在發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)活塞銷、連桿傳給曲軸?？梢?jiàn)活塞是在高溫高壓下作長(zhǎng)時(shí)間變負(fù)荷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞的結(jié)構(gòu)就要適應(yīng)這樣的工作條件。 活塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(gè)環(huán)槽，離頂面最遠(yuǎn)的一個(gè)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(rùn)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)?；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(nèi)腔復(fù)雜，壁厚較均勻。 圖 21 活塞簡(jiǎn)圖 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 活塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 6 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(gè)環(huán)行的槽 2 稱為環(huán)槽，其中靠近頂點(diǎn)的二個(gè)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(yuǎn)的一個(gè)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(rùn)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(guò)程中起導(dǎo)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(gè)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(shè)置的輔助基準(zhǔn)面，在結(jié)構(gòu)上和功能上沒(méi)有作用。 活塞在工作過(guò)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(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(guò)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(wú)論是受力變形或熱變形都使原來(lái)的圓柱形的裙部變成橢圓形，橢圓的長(zhǎng)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(qiáng)烈的磨損甚至咬住。為了補(bǔ)償上述變形，由活塞裙部設(shè)計(jì)制造成橢圓形，橢圓的長(zhǎng)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(hào)不同。在活塞上，橢圓的長(zhǎng)軸和短軸要控制在離圓位置 5176。 以內(nèi)，相互位置誤差在 5176。 以內(nèi)。 此外，活塞工作時(shí)，頂面和高溫氣體直接接觸，熱量由頭部傳到裙部，頭部攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 活塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 7 溫度高，熱膨脹量大；裙部溫度低，熱膨脹量小。為了補(bǔ)償這種不均勻的熱變形，把活塞頭部的外徑設(shè)計(jì)的比裙部小，同時(shí)活塞裙部也設(shè)計(jì)成上小下大的錐形?；钊共康腻F度 是 ～ 。 為了減少向裙部傳導(dǎo)的熱量，在活塞（主要是高速內(nèi)燃機(jī)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(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)使活塞銷在活塞孔及連桿小頭襯套孔中能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，即所謂“浮動(dòng)式”活塞銷。為了避免活塞銷在工作過(guò)程中軸向竄動(dòng)，在鎖環(huán)槽中裝有 鎖環(huán)。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 活塞的工藝規(guī)程的制訂 8 3 活塞的工藝規(guī)程的制訂 機(jī)械加工工藝過(guò)程的基本概念 工藝就是制造產(chǎn)品的方法。機(jī)械加工工藝過(guò)程一般是指在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)機(jī)械加工改變生產(chǎn)對(duì)象的形狀、尺寸、相對(duì)位置和性質(zhì)等，使其成為半成品或成品的過(guò)程，它有如下組成部分： 工序、工步和工作行程 工序是指一個(gè)人（或一組）工人，在一臺(tái)機(jī)床（或者一個(gè)工作地點(diǎn)），對(duì)同一個(gè)（或者同時(shí)對(duì)幾個(gè)）工件所連續(xù)完成的那一部分工藝過(guò)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(jī)床上所占據(jù)的每一個(gè)位置上所完成的那一部分工序。 制訂機(jī)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(jiàn)圖紙 ) 產(chǎn)品驗(yàn)收的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 活塞的技術(shù)要求已由國(guó)家科委制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各部分的尺寸公關(guān)、形狀和位置公差以及表面粗糙度均有詳細(xì)的規(guī)定，現(xiàn)采用 JB3931— 85標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)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(duì)于高速內(nèi)燃機(jī)要達(dá) IT5。為了減少機(jī)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(shí)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(duì)相應(yīng)的組的進(jìn)行裝配，以保證達(dá)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 Ra≤ m。 (2) 對(duì)于浮動(dòng)式活塞銷孔，為了使活塞在工作過(guò)程中能在孔中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，銷孔尺寸公差 IT6 級(jí)以上。為了減少機(jī)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(dāng)銷孔內(nèi)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(dòng)機(jī)的效率，對(duì)于此活塞 這一距離為 56177。 mm。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 活塞的工藝規(guī)程的制訂 9 b. 銷孔軸心線對(duì)裙部軸心線的垂直度過(guò)影響活塞銷、銷孔及連桿的受力情況。垂直度誤差過(guò)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 100mm 長(zhǎng)度上為 。 c. 銷孔軸心線在裙部軸心線的對(duì)稱度誤差也會(huì)引起不均勻磨損，對(duì)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(duì)活塞環(huán)槽作下列規(guī)定： a. 活塞環(huán)平面母線對(duì)裙部軸線的垂直度 ，且在 25mm長(zhǎng)度上為 。 b. 活塞環(huán)槽平面對(duì)裙部軸線圓跳動(dòng) 為 。 c．環(huán) 槽 寬度尺寸公差為 ～ Ra≤ m。 (5) 為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同一發(fā)動(dòng)機(jī)各活塞的重量不應(yīng)相差很大，重量差不得大于 名義重量的 ％ ?；钊粗亓糠纸M裝配。 產(chǎn)品的生產(chǎn)綱領(lǐng)和生產(chǎn)類型 生產(chǎn)綱領(lǐng)是企業(yè)在計(jì)劃期內(nèi)應(yīng)當(dāng)生產(chǎn)的包括備品和廢品在內(nèi)的年產(chǎn)量?？砂聪率接?jì)算 : )1( βα ??? QnN 式中： N —— 零件的年生產(chǎn)綱領(lǐng)（件／年）； Q—— 產(chǎn)品的年產(chǎn)量（臺(tái)／年）； n—— 每臺(tái)產(chǎn)品中，該零件的數(shù)量（件／臺(tái)）； %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(jī)械零件，一般廢品率取 1%。 故 N ＝ 6 179。 1 179。 （ 1+4%+1%） ＝ （萬(wàn) 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(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》中查得：本產(chǎn)品屬于輕型機(jī)械，且生產(chǎn)綱領(lǐng)為 萬(wàn)臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 5 萬(wàn)臺(tái)，所以 此 活塞的生產(chǎn)屬于大量生產(chǎn)。結(jié)合活塞加工 JB393185標(biāo)準(zhǔn)其工 藝過(guò)程的主要特點(diǎn)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(jī)器造型高生產(chǎn)率毛坯制造方法，毛坯精度高，加工余量小。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 活塞的工藝規(guī)程的制訂 10 (3) 廣泛采用高生產(chǎn)率的專用機(jī)床及自動(dòng)機(jī)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(duì)操作工人的技術(shù)要求較低，對(duì)調(diào)整工人的技術(shù)要求較高。 (6) 必須制定詳細(xì)的工藝規(guī)程。 活塞的材料及毛坯制造 鑄造鋁合金按化學(xué)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(kuò)大，就會(huì)產(chǎn)生斷裂使活塞報(bào)廢。 在高速柴油機(jī)中，為了減少往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)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(fù)荷、低級(jí)燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)中，有時(shí)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(diǎn) : (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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的功率； (2) 重量輕 ,慣性力??； (3) 可切削性好。但它也有一些缺點(diǎn) : a. 材料的價(jià)格比較貴； b. 熱膨脹系數(shù)大 ,約為鑄鐵的兩倍； c. 機(jī)械強(qiáng)度及耐磨性較差。 但總的來(lái)說(shuō) ,鋁合金的優(yōu)點(diǎn)超過(guò)缺點(diǎn)，所以在高速內(nèi)燃機(jī)中都用它。而且耐磨性方面可以通過(guò)鑲嵌一高鎳鑄鐵環(huán)來(lái)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(yīng)考慮的因素： (1） 零件力學(xué)性能的要求 相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其力學(xué)性能有所不同。鑄鐵件的強(qiáng)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(gòu)形狀和外輪廓尺寸 形狀較簡(jiǎn)單、壁厚均勻的毛坯可采用金屬型鑄造。 (3） 生產(chǎn)綱領(lǐng)和批量 生產(chǎn)綱領(lǐng)大時(shí)宜采用高精度與高生產(chǎn)率的毛坯制造方法。 (4） 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件和發(fā)展 應(yīng)經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和論證。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 活塞的工藝規(guī)程的制訂 11 從生產(chǎn)批量來(lái)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(jī)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(gòu)來(lái)看，由于此零件屬于外形較復(fù)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(shí)可以 減少切削加工或不進(jìn)行切削加工；從毛坯的制造方法來(lái)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(xué)性能來(lái)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(qiáng)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(jiàn)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(duì)鋁合金鑄件有細(xì)化組織的作用，生產(chǎn)率高，無(wú)粉塵，但是設(shè)備費(fèi)用高，手工操作時(shí)，勞動(dòng)條件差。鑄件表面的粗糙度 ～ ，結(jié)晶細(xì)，加工余量小。適用于成批大量的生產(chǎn) 。