汽车制造工艺学课程设计活塞设计说明书.docx

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汽车制造工艺学课程设计活塞设计说明书

山东农业大学

机械与电子工程学院

汽车制造工艺学课程设计

课程名称：

汽车制造工艺学设计课题：

活塞零件的机械加工工艺规程的编制

指导老师：

吕钊钦

专业：

车辆工程班级：

3班

姓名：

高超学号：

20120667

2014年12月11日

序言

本次设计内容涉及了机械制造工艺及机床夹具设计、金属切削机床、公差配合与测量等多方面的知识。

活塞加工工艺规程及其夹具设计是包括零件加工的工艺设计、工序设计以及专用夹具的设计三部分。

在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺再设计出毛坯的结构，并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算，关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量；然后进行专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；计算出夹具定位时产生的定位误差，分析夹具结构的合理性与不足之处，并在以后设计中注意改进。

关键词：

工艺、工序、切削用量、夹紧、定位、误差。

目录

序言…………………………………………………………………3

一.零件分析……………………………………………………4

1.1零件作用………………………………………………4

1.2零件的工艺分析…………………………………………5

二.工艺规程设计…………………………………………………6

2.1确定毛坯的制造形式……………………………………6

2.2基面的选择………………………………………………7

2.3制定工艺路线……………………………………………10

2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定…………11

2.5确定切削用量及基本工时………………………………13

三夹具设计……………………………………………………16

3.1问题的提出………………………………………………16

3.2定位基准的选择…………………………………………17

3.3定位误差分析……………………………………………19

3.4夹具设计及操作简要说明………………………………20

总结………………………………………………………………21

参考文献…………………………………………………………22

（附）机械加工工艺过程卡片*1套

机械加工工序卡片*1套

绪论

我国的汽车行业正在飞速发展，汽车的动力部分也在不断改进，内燃机作为一种可移动的动力源已广泛应用于生产和生活的各个领域。

活塞是内燃机的关键零件，其结构复杂，加工工序多。

目前，国内活塞行业所用加工机床除引进外，大多为国产通用机床或在此基础上进行较为简易改造的设备，一条生产线一般由17-20台设备组成，采用粗放型生产方式，设备精度低，工件需多次装夹定位，加工过程累积误差大，工件精度低、稳定性差、废品率高、劳动生产率低，生产现状和设备远远不能满足市场竞争的需要。

国内机床行业虽然也为活塞行业提供了一定数量的活塞专用机床，但由于对活塞加工工艺缺乏深入的了解，也未能摆脱活塞行业原有的生产加工方式。

在国外工业发达国家的一些实力较强的活塞制造公司，如德国MAHLE公司、KS公司、英国AE公司、日本AR7等，其活塞加工己实现了工序优化组合，一人多机数控化生产，机加工过程中周转环节少，工艺条件稳定，产品尺寸精度高。

对于批量大的活塞品种，他们将其加工设备连成数控全自动生产线，设备基本上全是自行设计制造。

由于国外机床行业雄厚的基础，他们采用了一定数量的机床通用零部件，专业性较强的零部件仍靠自主开发设计。

设计过程中，他们充分利用国外机床行业的先进设计及制造技术对机床进行优化，如有限元法等动、静态设计分析，使其能够满足活塞高精加工的要求。

一、零件的分析

1.1零件的作用

活塞位于发动机汽缸内,作往复运动,当燃烧室里的混合气体（空气和燃料）点燃并膨胀时,活塞受到气体的压力,并经过活塞销及连杆将压力送给曲柄。

气体的吸入,压缩,废气的排除,也都由活塞的运动来完成。

因此活塞工作的主要特点是在高温高压下作长时间的连续变负荷往复运动。

1.2零件的工艺分析

为了提高活塞的工作性能和寿命,它必须具有如下的要求：

（1）在高温高压下具有足够的强度和刚度。

（2）较轻的结构重量。

（3）良好的耐磨性和耐蚀性。

（4）良好的导热性,热膨胀系数小。

（5）保证气缸内部空间密封。

二.工艺规程设计

2.1活塞的材料及毛坯的制造

活塞在发动机内是做高速的往复运动,为了减少其惯性的作用采用的材料为共晶铝硅合金。

它的化学成分为：

　　　共晶铝硅合金　（％）

　Ｓi11-13;Cu1-2;Mg0.4-1;

Mn0.2-0.7;Fe≤0.8;其余　　Ａl

它比铸铁具有以下的优点：

（1）导热性好，使活塞顶面降温快，可以提高发动机的压缩比，下至于引起混合气体自燃,可以提高发动机效率。

（2）重量轻，惯性力小。

（3）切销性能好。

（4）可以得到精确的毛坯。

由于是大批大量的生产３０万件每年，为了提高毛坯的精度，铸出活塞的销孔及燃烧室，减少机加工余量，故而毛坯的铸造是采用金属模铸造。

毛坯在机械加工前先要去浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不匀而产生的内应力，增加强度及硬度，时效处理是将活塞加热到１８０°－２００°Ｃ，保温６－８小时后自然冷却

。

2.2毛坯的设计

活塞是一种薄壁型零件，在外力作用的情况下是很容易产生变形的，而活塞主要表面的尺寸精度和位置精度的要求都很高，因此应以一个统一的统一基面定位来加工这些要求高的表面，如直接采用外圆定位的话（即设计基准）将有可能产生大的变形。

故在这里采用活塞的止口端面来作为统一基准

。

加工活塞通常选择活塞内腔顶部和止口为粗基准，裙部端面和止口为大多数工序的精基准，有时还要用外圆表面、销孔及顶面作为以后各工序的定位基准。

由于以内腔面作为粗基准来直接加工内止口不方便，故先安排以毛坯内腔圆面为粗基准来粗车外圆，再以外圆表腔顶面定位，加工止口和裙部端面，这样可保证外圆表面和内腔之间壁厚的均匀性及顶厚，并为以后的工序准备好定位基准面和内

经验表明，在活塞定位止口的相对表面出现环状磨痕，是由于定位止口配合间隙偏大、精车时余量不均或松动引起的。

在精车外圆和精磨外圆工序中用止口处孔定位，其余工序都采用止口和端面定位．

　　采用止口和端面作为基面有下列优点：

（1）用这种定位方法可以加工裙部，头部，顶面，销孔等主要及其它次要表面，而且在有一道工序中，一次安装就可以车削外圆，顶面，环槽,实现了工序的集中．既可提高生产率，又能保证这些表面的位置精度。

（2）活塞裙部在半径方向的刚性差，利用止口和端面定位可以沿活塞轴向夹紧，就不至引起严重的变形，同时又可以进行多刀切削提高生产效率．当然也有一些缺点：

如果加工一些本来不需要加工的表面，而且是一些精度要求极高的要经过两次加工的表面。

止口对裙部外圆的同轴度误度将影响环槽的位置精度，但总的说来，采用止口端面作为统一基准虽然增加了加工工时和设备，但它有利于保证加工质量，故而采用它来定位是可行的。

2.3基面的选择

基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。

否则，不但使加工工艺过程中的问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法进行。

粗基准的选择：

对于零件的加工而言，粗基准的选择对后面的精加工至关重要。

从零件图上可以看出，零件还算比较规则，所以粗基准容易选择。

为了保证前后端面的位置精度的要求，选择B面和底面作为作为粗基准，，依照粗基准的选择原则

（即当零件有不加工表面时，应该以这些不加工表面作为粗基准，若零件有若干个不加工表面时，则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面做为粗基准）来选取。

工件被放在夹具体，右端面与定位套接触限制3个自由度，定位套固定中心孔限制2个自由度，一挡销固定翻转式钻模板，这样就实现完全定位。

对于精基准而言，主要应该考虑基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算，这在以后还要专门计算，此处不再重复。

2.4制定工艺路线

制订工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。

在生产纲领已确定为成批生产的条件下，可以考虑采用万能型机床配以专用夹具，并尽量使工序集中在提高生产率。

除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量降下来。

　工序号工艺名称

1.铸造　

2.清沙

3.检验

4.时效热处理

5.粗车外圆Φ80

6.粗车外圆Φ138

7.二次时效热处理

8.检验

9.半精车Φ90留加工余量1mm

10.精车至Φ80长度132.5mm

11.精车另一端面至132mm

12.检验

13.入库

2.5机械加工余量.工序尺寸及毛坯尺寸的确定

该活塞零件材料为硅铝合金,毛坯重量约为2300克,生产类型为大批大量生产,采用的毛坯为金属模铸造出来的。

根据上述原始资料及加工工艺,分别确定各加工表面的机械加工余量,工序尺寸及毛坯尺寸如下：

Φ138x134（mm）

2.5.1止口的加工余量

总余量：

3mm粗车余量：

2.6mm精车余量：

0.4mm

2.5.2端面及顶面的加工余量

端面的总余量为：

4mm

粗车余量为：

3.8mm

精车余量为：

0.2mm

顶面的总余量为：

5mm

粗车的加工余量为：

3.5mm

半粗车的加工余量为：

1.37mm

精车的加工余量为：

0.13mm

2.5.3外圆的加工余量:

毛坯的总加工余量为：

3mm

精车之后细车加工余量：

0.25mm

粗车之后精车的加工余量：

0.6mm

粗车的加工余量：

2.15mm

2.5.4计算切削用量

镗刀的进给量为：

0.10mm/r

切削速度为：

4m/s

主轴每分钟转数：

1700r/min

切削深度：

0.15mm

2.5.5基本工时

机动时间的定额定义：

在一定的技术组织条件下制定出来的完成单位产品某顶工作所必须的时间,时间定额是安排生产计划核算成本的重要依据之一,也是设计或扩建工厂或车间时计算设备和人员数量的重要资料,时间定额中的基本时间则要根据切削用量和行程长度来确定,其余的组成时间则根据经验数据来确定。

其理论公式为：

T单体=T基本+T技术服务+T组织服务+T间隙+T准备终结

其中T辅助=（15-20）%T基本

T技术服务=（10-15）%T基本

T组织服务=（5-7）%T基本

T间隙==（2-6）%T基本

T准备终结==（1.35-1.5）%T基本

总之T单体==（1.35-1.5）%T基本

在本工序的加工情况下,T基本的计算如下：

T基本=（L1+L2+L3）i/ns

式中i-走刀次数;

s-每转进给量;

n-每分钟转数

车刀L1=3-5mmL2=2-3mm

则T基本=（147+3+2）/170*0.1≈0.88min

T基本=1.32min

2.6重点工序的加工说明

2.6.1止口的加工

止口的加工分为粗加工和精加工两步,由于止口是作为整个加工过程中的工艺基准,其加工精度要求当然是相当高的,所以必须采用合理的加工方法才能保证精度和要求如图2.2所示

图2.2长三爪卡盘

用一般的三爪卡盘夹持不够牢固,所以把卡爪加长以避免工件在切削力作用下产生倾斜,工件的初始位置由支承钉确定轴向位置,而被加工的止口和端面的最终位置由装在刀架的长杆决定。

即当刀架进给时,长杆和刀架一起移动,当长杆的头部与活塞的内顶部接触时,微支开关（连在长杆上的）被触动而使刀架停止进给,以保证工序尺寸,这种用长杆控制工序尺寸的好处在于毛坯的制造误差不会影响燃烧室的壁厚,但是它同样也会带来一个缺点,如果毛坯的外圆和内壁有较大的同轴度的误差,用外圆加工出的止口与外圆同轴而与内壁不同轴,以后再用止口定位加工出的外圆表面就会造成壁厚不均匀,如果毛坯的外圆与内壁的同轴度误差不大时,则用上述方法就不会造成很的壁厚差,由于6120活塞的毛坯采用的是金属浇注,精度较高,故采用上述定位方法基本能保证壁厚差。

2.6.2环槽的加工

在零件图的技术要求中对环槽侧面的垂直度。

圆跳动和槽宽的尺寸精度都有较高的要求,加工中由于切槽刀在宽度方面的刚性较差,端面到环槽的距离不可避免的要有误差,以致切槽刀在宽度方向上余量不均匀,造成两侧面的切削力不相等,会使刀具在切削过程是产生弯曲。

影响尺寸精度和位置精度,故而应增加环槽的切削次数。

为了保证槽间距离,切槽刀和其夹板两侧面都应磨到Ra<0.63μm。

为了保证槽宽的尺寸精度,必须将切槽刀宽度的浮动严格限制在0.005mm以内,为了保证槽的侧面和裙部的轴心线垂直,除了刀架溜板的运动方向应与活塞裙部的轴心线垂直外,还必须将切槽刀安装得与裙部轴心线垂直。

3专用夹具的设计

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。

高精度夹具的定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面的垂直度达到0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。

德国demmeler（戴美乐）公司制造的4m长、2m宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直度在5μm以内；夹具重复安装的定位精度高达±5μm；瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达2～5μm。

机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。

诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准供选择。

为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。

为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。

新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。

为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。

采用美国Jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。

夹具元件模块化是实现组合化的基础。

利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。

省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。

模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。

模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。

组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。

夹具的通用性直接影响其经济性。

采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。

德国demmeler（戴美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。

元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。

专家们建议组合夹具行业加强产、学、研协作的力度，加快用高新技术改造和提升夹具技术水平的步伐，创建夹具专业技术网站，充分利用现代信息和网络技术，与时俱进地创新和发展夹具技术。

主动与国外夹具厂商联系，争取合资与合作，引进技术，这是改造和发展我国组合夹具行业较为行之有效的途径。

3.1车削活塞外圆夹具的设计

3.1.1工序加工要求及工艺分析

本工序是在活塞六轴半自动车床上粗车活塞的外圆，外圆粗加工的技术要求是：

尺寸为

，粗糙度为

，可知加工位置精度不高，夹具的设计难度不大。

当然同时也要考虑到夹紧机构的可靠、简单、方便、省力和安全等基本要求。

3.1.2夹具定位方案的确定

本道工序是在止口和销座凹坑的加工完成之后进行的，止口的内孔和内端面是活塞加工的辅助端面，半自动车床车削的要求虽然高些，但工件只需要安装一次，便可以完成活塞外圆上多个工位的加工，本工序利用的就是止口内孔和内端面定位，在销座凹坑上施加夹紧力进行夹紧的。

止口内孔和内端面是辅助精基面，利用辅助精基面定位，有下列好处：

1、符合“基准统一原则”即若干道工序都可以使用它定位。

因而，既有利于保证这些工序加工的表面之间的位置精度，又有利于减少夹具设计制造的工作量。

2、有利于工序的集中。

3、便于沿轴向夹紧，以减少工件的变形，保证加工精度。

4、便于配件生产和成组夹具的运用。

在配件生产中，同一台发动机各汽缸孔磨损程度不同，要求各活塞加工成不同尺寸，由于止口尺寸相同，故即使加工别的型号的活塞该夹具也可以很好的互换使用。

当然，采用辅助精基面定位也有一些不足之处。

例如：

1、不符和“基准重合”原则，因而，会产生一些基准不重合的定位误差。

2、在工艺过程中，要增加一些专门的工序，如加工止口，打中心孔等，因此使用的设备和工时也有所增加。

该夹具采用的定位元件也满足：

1、足够的精度2、足够的硬度和耐磨性3、足够的强度和刚度4、工艺性好的基本要求。

另外，止口在夹具上定位时，为了保证最小间隙和提高定位精度，以及以后各工序加工表面之间的位置精度和加工余量的均匀性等，要求止口孔径与夹具配合达到

。

经验表明，在活塞定位止口的相对表面出现环状磨痕，是由于定位止口配合间隙偏大、精车时余量不均或松动引起的.

3.1.3夹具夹紧机构的设计

夹具采用的是由液压机构推动的卡爪在销座凹坑上施加夹紧力进行夹紧的。

如图3.1夹具的主体由连杆1、卡爪2、和夹具体组成，当液压机构推动连杆1向前运动时，由于卡爪2上的斜槽的导向，使得两卡爪绕销3转动一定的角度，从而使得卡爪前端张开，在活塞的凹坑上施加夹紧力，夹紧活塞。

当本工序加工完成之后，液压机构往回运动带动连杆回复，从而使得卡爪前端缩回，退出并卸下活塞。

3.1.4夹具体的设计

夹具体是夹具的基础件，在夹具体上要安装组成各种元件，设计时应该满足以下基本要求：

1、保证在加工过程中夹具体在夹紧力/切削力等外力作用下不产生变形和震动。

2、结构简单具有良好的工艺性

3、尺寸稳定，对于铸件夹具体要进行时效处理。

4、便于排屑。

为了便于排屑夹具体须将定位、导向夹紧机构连成一体并准确的安装在车床上

基于以上原则，该夹具体结构采用简单的前端呈平端锥体的回转体，其与六轴半自动车床靠螺栓进行连接。

3.2精镗活塞销孔夹具的设计

3.2.1工序加工要求及工艺分析

本工序为精镗活塞的销孔，工序的精度要求为

，表面粗糙度Ra=6.4

，活塞两销孔的同轴度值为0.00125，销孔中心线与裙部轴心线的垂直度为100：

0.035，销孔中心线距顶面距离尺寸为

mm。

3.2.2夹具定位方案的确定

本工序为对活塞的销孔进行精镗，可选用静压镗床进行加工，工件以外圆，待加工销孔在三瓣中间卡爪及定位销（图3.2）定位，螺钉1（图3.3）为轴向预定位支承。

图3.2定位销

3.2.3夹具工作原理

如图3.2，定位后，接通油路，活塞4上升，压缩液性塑料使薄壁套筒3的内孔收缩，通过中间卡2爪将工件夹紧，然后可以退出定位销，进行加工。

图3.3夹具装配图

3.2.4夹紧液压系统设计

1、确定系统工作压力

由外负载R=1600.5N，可以初定系统压力为0.8~1MPa，取系统压力为0.8MPa

2、确定液压缸的几何参数

D=

=

≈0.051m=51mm（3.1）

取液压缸尺寸为：

D=120mm

d=90mm

3、检验较核液压系统的工作可靠性

F=1600.5N

无杆腔面积为：

A=

（

）

=3.14×（

）

=0.011304m

（3.2）

所以得工作压力为：

P=

=0.14159MPa（3.3）

能够满足工件夹紧要求。

4、较核液压缸主要零件的强度和刚度

夹紧缸采用45钢制造，由夹紧缸内径与尺度较小，一般主要按厚壁筒强度计算公式来估计必需的壁厚，有由公式：

δ=

（

-1）（3.4）

当额定压力P

<6.3MPa时

取:

[

]

=

=

=750kgf/cm

（3.5）

P

=P

×150%=2.5×150%=3.75MPa

将[

]

、P

的值及夹紧缸的直径D代入计算公式3.8可得：

δ≥

（

-1）=0.27cm=2.7mm（3.6）

由此可知

=10mm在设计时是合理可以满足要求的。

3.3夹具设计及操作简要说明

如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动生产率避免干涉。

应使夹具结构简单，便于操作，降低成本。

提高夹具性价比。

本道工序为钻床夹具选择了螺母夹紧方式。

本工序为切削余量小，切削力小，所以一般的手动夹紧就能达到本工序的要求本夹具的最大优点就是结构简单紧凑。

夹具的夹紧力不大，故使用手动夹紧。

为了提高生产力，使用快速螺旋夹紧机构。

总结

本次课程设计设计时间虽然短暂但是它对我们来说受益菲浅的，通过这次的设计使我们不再是只知道书本上的空理论，不再是纸上谈兵，而是将理论和实践相结合进行实实在在的设计，使我们不但巩固了理论知识而且掌握了设计的步骤和要领，使我们更好的利用图书馆的资料，更好的更熟练的利用我们手中的各种设计手册和AUTOCAD等制图软件，为我们踏入设计打下了好的基础。

本次课设使我们认识到了只努力的学好书本上的知识是不够的，还应该更好的做到理论和实践的结合。

因此同学们非常感谢老师给我们的辛勤指导，使我们学到了好多，也非常珍惜学院给我们的这次设计的机会，它将是我们设计完成的更出色的关键一步。

参考文献

[1]侯家驹汽车制造工艺学机械工业出版社1986

[2]刘维展汽车制造工艺学人民交通出版社1989

[3]蔡光起机械制造工艺学东北大学出版社1994

[4]王先逵机械制造工艺学机械工业出版社1995

[5]东北重型机械学院等机床夹具设计手册上海科学技术出版社1988

[6]徐发壬机床夹具设计重庆大学出版社1993

[7]戴曙金属切削机床机械工业出版社1994

[8]孙本绪机械加工余量手册国防工业出版社1999

[9]李庆寿机械制造工艺装备设计实用手册宁夏人民出版社

（附）机械加工工艺过程卡片

（厂名）

加工工艺卡片

产品型号

产品名称

活塞

零件名称

零件图号

数量

材料名称

材料规格mm

毛料重量kg

活塞

30000

铝合金

序

号

工序名称

工序内容

设备名称

1

钻削

钻活塞销孔φ22.9

钻床

2

铣削

铣两侧销座凹坑

铣床

3

车削

粗车外圆、环槽、裙部及端面

车床

4