【正文】 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。此外，由于活塞在工作過程中受到高溫高壓的作用，所以必須產(chǎn)生熱形和受力變形。銷孔是交變應(yīng)力高度集中的部位之一，易產(chǎn)生開裂和磨損，影響工作性能和使用壽命，必須提高銷孔尺寸精度?；钊h(huán)槽特別是第一環(huán)槽，對活塞的壽命影響很大。一般車用柴油機(jī)中，燃燒室的瞬時溫度可達(dá)2000℃左右。它還可以密封氣缸以防燃?xì)庑孤┘皾櫥透Z入燃燒室[2]。 活塞工藝設(shè)計的意義活塞是發(fā)動機(jī)的重要部件之一，它與活塞環(huán)、氣缸套、氣缸蓋構(gòu)成了工作容積和燃燒室[1]。4) 活塞的重量差 為了保證發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同一發(fā)動機(jī)各個活塞的重量相差不應(yīng)很大，本次研究的活塞的重量為1762g 。(2) 銷孔軸心線對裙部外圓軸心線的垂直度誤差使活塞在汽缸內(nèi)偏斜，運(yùn)動時產(chǎn)生傾側(cè)力，加劇了磨損。3) 相互位置精度 (1) 銷孔軸心線對裙部外圓的對稱度誤差將引起汽缸不均勻磨損。(3) 裙部外圓為錐體，大端在下方。2) 幾何形狀精度(1) 。(4) ，主要考慮影響發(fā)動機(jī)工作時的壓縮比。(3) 環(huán)槽應(yīng)保證活塞環(huán)能隨汽缸套孔徑大小的變化而自由地脹縮。為了減小機(jī)械加工的困難，也采用分組選配法，將活塞裙部直徑和汽缸直徑都放大3倍，各分三組裝配，以保證達(dá)到原設(shè)計的間隙要求。本次研究的活塞銷孔的制造尺寸為。 活塞的主要技術(shù)要求1) 尺寸精度和光潔度(1) 活塞銷與銷孔的配合精度要求高，如果采用完全互換法進(jìn)行裝配，則銷子和銷孔的尺寸公差都應(yīng)很小，比IT6級精度還要高。6) 止口 包括止口內(nèi)圓、錐面及端面，是活塞加工的統(tǒng)一基準(zhǔn)面。圖 22 活塞的熱變形5) 銷孔 裝活塞銷用，并由裝在鎖環(huán)槽中的彈簧擋圈防止活塞銷軸向移動。～。同時，越靠近頂部溫度越高，膨脹量也越大?；钊ぷ鲿r受到高溫氣體作用產(chǎn)生熱膨脹，如圖22所示。3) 油孔 使刮下的潤滑油流回活塞內(nèi)腔。在氣環(huán)槽中放置活塞環(huán)，使活塞頭部與汽缸部接觸，并使燃燒室密封，防止漏氣。本此研究的活塞頂面呈凹面，這是由于燃燒室的需要和為了換氣時引導(dǎo)氣體的流動方向。因此，活塞工作的主要特點(diǎn)是在高溫高壓下作長時期的連續(xù)變負(fù)荷往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)燃燒室里的混合氣（空氣和燃料）點(diǎn)燃并膨脹時，活塞受到氣體的壓力，并經(jīng)過活塞銷及連桿將壓力傳給曲軸。在國外，除上述4類活塞材料產(chǎn)業(yè)化外，已將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于活塞上。隨著大馬力汽車發(fā)動機(jī)快速發(fā)展，尤其是重型柴油發(fā)動機(jī)渦輪增壓、中冷技術(shù)的應(yīng)用以及大缸徑高壓縮比、低排放要求的不斷提高。該工藝不但節(jié)約了熔化鋁錠所需的能耗, 而且減少了鋁的燒損, 提高了原材料的利用率。目前國內(nèi)外比較先進(jìn)的活塞加工路線如下：高溫電解鋁液——利用余熱合金化——利用余熱進(jìn)行變質(zhì)處理——精煉處理( 除氣、除渣)——毛坯鑄( 鑄造機(jī)械化)——銑冒口——鑄造余熱直接淬火+ 時效( 通過高效連續(xù)時效熱處理爐) 熱處理處理——機(jī)加工——表面處理——包裝入庫。[13]活塞加工的精工序和比較重要的工序采用數(shù)控機(jī)床, 粗工序采用普通車床加工。[12]現(xiàn)階段, 國內(nèi)活塞行業(yè)基本采用以下活塞制造工藝, 采用的技術(shù)比較落后, 生產(chǎn)成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重。但是，由于內(nèi)燃機(jī)鋁活塞的結(jié)構(gòu)類型、要求、各制造企業(yè)的工藝條件不同，活塞機(jī)械加工工藝過程存在一定的差別。為了提高鋁活塞的強(qiáng)度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對活塞進(jìn)行淬火和時效熱處理。目前鋁活塞廣泛采用含硅12%左右的共晶鋁硅合金制造，外加銅和鎳，以提高熱穩(wěn)定性和高溫機(jī)械性能。鋁合金導(dǎo)熱性好（比鑄鐵大34倍），密度小（約為鑄鐵的1/3）。各種CAE技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用為這一研究工作的展開提供了極大的便利[11]。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。同時在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止過大的熱變形。而且，～15um[9]，過高的溫度會使?jié)櫥徒Y(jié)焦[10]，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象?；钊敳恐苯优c高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。而且，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側(cè)部磨損等?；钊莾?nèi)燃機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件之一[7]。 活塞加工工藝國內(nèi)、外研究概況 活塞的概述 活塞的功用及工作條件活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分[4]，活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件主要功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出動力[5]。熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合將導(dǎo)致活塞產(chǎn)生裂紋、活塞環(huán)膠結(jié)以及拉缸[3]等。活塞的結(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜，在工作狀態(tài)下受到高壓燃?xì)鈮毫Α⒏咚偻鶑?fù)運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力、側(cè)向壓力和摩擦力等周期性載荷作用，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形。中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書 活塞加工工藝研究意義活塞是柴油機(jī)上最關(guān)鍵的零部件之一[1]，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟[1]，特別是坦克和軍艦軍用車船用內(nèi)燃機(jī)活塞則要求更高，他已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個突出問題。它的工作情況直接關(guān)系到高速柴油機(jī)提高燃油效率和使用耐久性的關(guān)鍵[2]，同時直接影響到內(nèi)燃機(jī)的排放性能。高壓氣體燃燒產(chǎn)生的高溫使活塞頂部乃至整個活塞溫度高，且溫度分布不均勻?qū)е禄钊a(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形。因此，活塞設(shè)計在內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計中十分關(guān)鍵。此外，活塞又是燃燒室的一個運(yùn)動零件[6]。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的[6]，燃燒瞬時作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。由此可見，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。高溫必然會引起活塞材料的強(qiáng)度下降[8]，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。所以要求活塞應(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。活塞運(yùn)動速度和工作溫度高，潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。正確分析活塞的工作條件及變形可以為合理設(shè)計與加工活塞外輪廓提供依據(jù)，改善在受載工況下活塞與汽缸壁之間的配合狀況，提供活塞組件的綜合工作性能。 活塞的材料現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)廣泛使用鋁合金活塞。因此鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對改善工作條件減少熱應(yīng)力延緩機(jī)油變質(zhì)有利。鋁活塞毛胚可采用金屬模鑄造，鍛造和液壓模鍛等方法生產(chǎn)。 活塞加工工藝國內(nèi)外研究概況我國活塞制造技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展，具有一定的基礎(chǔ)，特別是經(jīng)過技術(shù)改造和技術(shù)合作，加快了活塞制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，新產(chǎn)品的比重逐漸加大。國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用以專用機(jī)床和改裝的普通車床、專用工裝和夾具組成的單機(jī)流水線的加工方式生產(chǎn)。以下是國內(nèi)大多數(shù)活塞制造企業(yè)采取的工藝技術(shù)路線:購進(jìn)鋁錠 熔化鋁錠 合金化 變質(zhì)處理 精煉處理( 除氣、除渣) 毛坯鑄造( 手工模具) 銑冒口 固熔加熱后淬火+ 人工時效處理 機(jī)加工 表面處理 包裝入庫。這是國內(nèi)大數(shù)多活塞企業(yè)普遍采用的加工形式, 但還存在很大一部分民營企業(yè)仍然采用普通車床加工活塞, 活塞精度低, 尺寸難以保證, 生產(chǎn)效率低, 廢品率高, 工人勞動強(qiáng)度也比較大。利用高溫電解鋁液合金化、變質(zhì)處理通過優(yōu)化縮短活塞鑄造工藝路線, 直接利用 利用高溫電解鋁液（930℃）熔配合金(760~800℃) 后澆注毛坯, 去掉了原熔化鋁錠工序。 同時, 也減少了鋁錠熔化過程中的廢渣、廢氣的排放, 保護(hù)了環(huán)境, 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益極為顯著。傳統(tǒng)鋁合金活塞材料已無法滿足其使用要求，目前國內(nèi)已產(chǎn)業(yè)化的活塞用材有[14]:?鋁合金活塞?鑄鐵活塞?鑄鋼活塞④鑲體活塞[15]。1982年日本已將這種鋁基復(fù)合材料活塞成功應(yīng)用于豐田汽車上[16].2 活塞的加工工藝活塞位于發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)，作往復(fù)運(yùn)動。氣體的吸入、壓縮和廢氣的排放也都由活塞的運(yùn)動來完成。為了提高活塞的工作性能和壽命，它必須具有如下要求[17]： 1) 在高溫高壓下具有足夠的強(qiáng)度和剛度；2) 較輕的結(jié)構(gòu)重量；3) 良好的耐磨性和耐腐性；4) 良好的導(dǎo)熱性，熱膨脹??；5) 保證汽缸內(nèi)部空間密封；圖21所示為活塞的一般結(jié)構(gòu)[18]： 圖 21 活塞結(jié)構(gòu)1) 頂面 它承受氣體的壓力和高溫。2) 環(huán)槽 位于活塞頭部，分為氣環(huán)槽和油環(huán)槽。油環(huán)槽中放置的油環(huán)，將汽缸壁上多余的潤滑油刮去，使之不進(jìn)入燃燒室。4) 裙部 它起導(dǎo)向作用。由于裙部圓周上厚度不均勻，銷孔座處厚，膨脹量大。因此，為了補(bǔ)償熱變形，將裙部設(shè)計成橢圓形，橢圓長軸垂直于銷孔軸心線，長短直徑之差有一定要求，同時裙部應(yīng)有錐度，大端在下方。這樣活塞在工作時受熱膨脹后能有比較均勻的間隙，而不致使摩擦增大，磨損加快，保證活塞正常工作。為了使活塞銷磨損均勻，采用“浮動”設(shè)計，使活塞銷在工作條件下（即在銷孔和銷均發(fā)生熱膨脹之后）能在銷孔和連桿小頭的孔中自由轉(zhuǎn)動。從活塞的工作性能上看，對它并沒有要求。因此采用分組選配的方法，將銷子和銷孔的制造公差都放大到經(jīng)濟(jì)加工精度，然后按實(shí)際尺寸進(jìn)行分組選配，這樣使零件制造容易而又能達(dá)到很高的裝配精度。(2) 活塞裙部外圓與汽缸的配合精度要求也很高，其尺寸精度通常為IT7級，高速發(fā)動機(jī)活塞的裙部要求為IT6級。本次研究的活塞裙部外圓直徑（長軸）的制造尺寸為。其寬度公差約為IT8級精度。(5) 活塞槽部外圓不與汽缸接觸，直徑公差取為IT9級精度。(2) 裙部要求為橢圓，長軸在銷孔垂直方向。橢圓度和錐度公差在其分組尺寸的公差范圍內(nèi)。由于本次研究的活塞的直徑為71mm。(3) 環(huán)槽兩側(cè)面應(yīng)垂直于裙部外圓軸心線。因此活塞還應(yīng)按重量分組裝配。它承受燃?xì)庾饔昧Σ阉鼈鬟f