【正文】 ........................................................................................................... 30 八． 致謝 ........................................................................................................................................................... 31 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 活塞的機械加工工藝及夾具設(shè)計 摘 要 本設(shè)計通過對內(nèi) 燃機鋁活塞加工技術(shù)的發(fā)展、活塞的工作環(huán)境以及結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(shè)計了兩套典型的機床夾具，鉆四孔夾具設(shè)計和銑五槽夾具設(shè)計，其中主要包括：定位方案與夾緊方案的設(shè)計，分度裝置的設(shè)計、兩套夾具的工作原理以及在夾具設(shè)計過程中應(yīng)該注意的問題。 關(guān)鍵詞 ： 活塞、工序、機床夾具、 機械加工、定位夾緊、分度裝置 1 緒 論 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。因此活塞是在高溫、高壓和連續(xù)變負載下工作的。鋁活塞的毛坯采用金屬模澆鑄。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(yīng)力。我們采用 Solideworks 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 Solideworks軟件的熟悉。 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。因為我們未學(xué)習(xí)過夾具的設(shè)計和計算。所以，夾具的設(shè)計是整個設(shè)計的重點，也是一個難點。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(shè)計事例，查閱相關(guān)的夾具設(shè)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。逐步提高定位基準的精度和加工表面的精度。 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 、圓度公差 、孔的圓柱度公差 mm。 4）銷孔軸線到頂面距離為 56，上下偏差為 + mm， mm。 [1] 2 活塞結(jié)構(gòu)特點 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 25000～ 70000m/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。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。 活塞的結(jié)構(gòu)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(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)。 活塞采用 ZL101 鋁銅合金材料鍛造，它由頂部、頭部、裙部三部分組成。 為了減少向裙部傳導(dǎo)的熱量，在活塞（主要是高速內(nèi)燃機用活塞）上銑有橫槽，以減少向下傳熱的面積。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)。 活塞銷孔內(nèi)裝活塞銷與連桿小頭孔相連接。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)。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(yīng)的組的進行裝配，以保證達到要求的間隙。裙部外圓粗糙度 Ra≤ m。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 Ra≤0. 16。 mm。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 100mm長度上為 。 (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，且在長度上為 。 c．環(huán)槽寬度尺寸公差為 ～ Ra≤ m?；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)在計劃期內(nèi)應(yīng)當生產(chǎn)的包括備品和廢品在內(nèi)的年產(chǎn)量。 故 N ＝ 6 179。 （ 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)北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 三種類型。 根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》中查得：本產(chǎn)品屬于輕型機械，且生產(chǎn)綱領(lǐng)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)。 (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。 (4) 廣泛采用高生產(chǎn)率刀具、夾具和量具。 (6) 必須制定詳細的工藝規(guī)程。 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。 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??； (3) 可切削性好。 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。 毛坯的選擇 選擇毛坯應(yīng)考慮的因素： 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 (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。 (2） 零件的結(jié)構(gòu)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。 (4）現(xiàn)場生產(chǎn)條件和發(fā)展 應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟分析和論證?？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。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(xué)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。用金屬型鑄型，在重力下澆注成型。鑄件表面的粗糙度～ ，結(jié)晶細，加工余量小。 [8] 確定的機械加工余量 鑄鍛件的機械加工余量按 JB373585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(fù)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 6～ 8級。 (2) 銷孔的加工余量為 。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 ，形狀復(fù)雜程度一般，精度等級 CT要求為 6～ 8級，毛坯的尺寸公差為 ～，表面粗糙度為 Ra為 ～ ， 加工余量等級為 F。 b. 首先考慮保證空間位置精度，再考慮保證尺寸精度。 粗基準和精基準的選擇 (1) 粗基準的選擇除了應(yīng)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(yīng)以其中與加工面的位置精度要求較高的表面作為粗基準。 c. 選擇加工余量較小的表面作為粗基準。 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。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。 （ 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(yīng)當注意的問題： a. 盡量用設(shè)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。 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(yīng)選擇加工表面本身作為精基準，即遵循“自為基準”的原則。 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(fù)加工的原則。 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。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。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。下面將從以上幾個方面來確定活塞的機械加工工藝路線。這些技術(shù)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(shù)要求。 （ 2） 選擇加工方法應(yīng)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(gòu)形狀及尺寸大??；生產(chǎn)綱領(lǐng)及批 量；工廠現(xiàn)有設(shè)備條件等。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。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。加工誤差小，則加工精度高；加工誤差大，則加工精度低。 可以看出：對一種加工方法 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。 （ 4） 材料的性質(zhì)及可加工性。這種材料的工藝性能如下： a. 切削性能： ZL101的硬度為 100HB，為易切削材料。時效處理是將活塞加熱至 210～ 240℃ ，保溫 7～9h后，自然冷卻，活塞經(jīng)過時效處理后能增加強度和硬度。 本活塞零件的生產(chǎn)類型屬于大批大量生產(chǎn)。 綜合以上幾點，再考慮工廠的工藝能力和現(xiàn)有設(shè)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。 (2）一般情況下，先加工平面，后加工孔。 [11] (4）先安排粗加工工序，后安排精加工工序。 b. 熱處理工序的安排： 時效處理：為了消除殘余應(yīng)力，對于尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)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。時效處理是將活塞加熱至 180～ 200攝氏度，保溫 6～ 8h后，自然冷卻。 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。在工藝規(guī)程中，下 列情況下應(yīng)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(guān)鍵工序前后。 在工藝過程的適當之處安排去毛刺處理。 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)地軟，親油 性好，北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 可以提高冷啟動時活塞的抗拉缸性能。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(yīng)的減少。它們各有所長。而后者可使每個工序使用的設(shè)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(shù)水平要求比較低。 [12] 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。每一工序所切除的金屬層厚度稱為工序余量。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。 加工余量的確定 本設(shè)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。 由于加工工序相對集中，故對各加工部位的加工余量確定如下： （ 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 ,粗車加工余量為。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 （ 2）端面的加工 : 端面的加工 :端面的加工采用一次性加工。 （ 3）止口的加工 : 止口采用粗～精車加工，精車加工余量為 ，粗車加工余量為 。 （ 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。 （ 7）頂面的加工： 頂面加工路線為粗車 — 銑氣門內(nèi)、外槽，根據(jù)零件和毛坯的尺寸確定其 總加工余量為 ，粗車加工余量為 ,粗銑加工余量均為 。 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。工序尺寸的計算要根據(jù)零件圖上的設(shè)計尺寸、已經(jīng)確定的工序余量、定位 基準的轉(zhuǎn)換關(guān)系來進行，而工序公差則按各工序加工方法的經(jīng)濟精度選定。 b. 設(shè)計基準與工序基準或定位基準不重合；測量基準與設(shè)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(shè)計尺寸時，須用尺寸鏈原理進行分析和計算。 b. 從終加工工序開始，即從設(shè)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。 d. 填寫工序尺寸并按 “ 入 體原則 ” 標注工序尺寸公差。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。 e. 當工藝