CA6110型铝活塞的机械加工工艺设计及夹具设计.docx

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CA6110型铝活塞的机械加工工艺设计及夹具设计

第一章活塞的技术要求---------------------------------------------------------------------------------------2

第二章活塞的加工-----------------------------------------------------------------------------------------------5

§2-1生产类型的确定--------------------------------------------------------------------------------------------------5

§2-2毛坯的分析------------------------------------------------------------------------------------------------------5

§2-3制定工艺路线---------------------------------------------------------------------------------------------------7

§2-4确定加工余量--------------------------------------------------------------------------------------------------16

§2-5确定各工序的工艺装备----------------------------------------------------------------------------------20

§2-6确定切削用量--------------------------------------------------------------------------------------------------25

§2-7工序时间的确定-----------------------------------------------------------------------------------------------28

第三章钻油孔夹具设计----------------------------------------------------------------------------------------32

§3-1工件的定位方案-----------------------------------------------------------------------------------------------32

§3-2工件的夹紧方案-----------------------------------------------------------------------------------------------33

§3-3夹具其它装置的设计-----------------------------------------------------------34

§3-4钻油孔夹具的工作原理---------------------------------------------------------35

第四章铣气门夹具设计--------------------------------------------------------------------------------------37

§4-1基本概念---------------------------------------------------------------------------------------------------------37

§4-2工件的定位方案-----------------------------------------------------------------------------------------------37

§4-3工件的夹紧方案-----------------------------------------------------------------------------------------------38

§4-4分度装置设计---------------------------------------------------------------------------------------------------41

§4-5夹具体的设计---------------------------------------------------------------------------------------------------43

§4-6铣气门夹具的工作原理-------------------------------------------------------------------------------------44

结束语------------------------------------------------------------------------------------------------------------------46

参考文献---------------------------------------------------------------------------------------------------------------47

附件--------------------------------------------------------------------------------------------------------48

附件2实习报告----------------------------------------------------------------------------------------------61

第一章«SkipRecordIf...»活塞的技术要求

一、活塞的结构组成

在发动机汽缸内，活塞在一部分工作循环压缩气体，而在另一部分工作循环，汽缸内的混合气体燃烧膨胀，活塞承受高温气体的压力，并把压力通过活塞销、连杆传给曲轴。

可见活塞是在高温高压下工作长时间变负荷的往复运动，活塞的结构就要适应这样的工作条件。

图1表示一个铝活塞.弧面1称为活塞的曲顶面,它承受气体的压力,并受到高温气体的直接作用.四个圆环形的槽2,3,4称为环槽,其中4的两个环槽称为气环槽,在气环槽中放置有弹性的活塞环,用以密封活塞顶面以上的燃烧室;2,3分别为矩形槽和梯形槽,在油环槽中放置油环（或称刮油环）,它把飞溅到汽缸套内壁上的多余润滑油刮去,使油从油环槽的小孔5中流回曲轴箱.包刮曲顶面和油环在内的部分6称为活塞头部,其余部分7称为活塞裙部,在活塞工作过程起到向作用.活塞中间的贯穿孔9称为活塞销孔.图中10是一个短圆柱面和圆锥面的组合,通常称为止口,它是专门为加工活塞而设置的铺助精基面.在结构上和功能上没有作用.镶嵌环11为高镍铸铁，作用是提高活塞该部位的强度和耐磨性，提高活塞的气密性和寿命。

«SkipRecordIf...»

«SkipRecordIf...»

活塞在工作过程中将产生受力变形和热变形.如图2所示,活塞的曲顶面受到汽缸内气体压力的作用,产生弹性变形.由于活塞裙部在圆周方向刚性不同,在销孔轴线方向的弹性变形量大,使活塞裙部在受力后变成椭圆.另一方面,活塞顶部与高温气体接触,热量通过活塞顶部传到活塞裙部,温度升高产生变形.

由于活塞裙部圆周上金属分布不均匀，销孔轴线方向金属厚，热膨胀量大；垂直于销孔轴线发向热膨胀量小。

从而使活塞裙部由于热变成椭圆，如图3的虚线所示。

所以无论是受力变形或热变形都使原来的圆柱形的裙部变成椭圆形，椭圆的长轴在活塞的销孔的轴心线方向上。

这样，比然使活塞与汽缸的间隙不均匀地减少甚至消失，以至于发生强烈的磨损甚至咬住。

为了补偿上述变形，由活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上，并在活塞裙部的销孔附近铸出两块凹吭，增加裙部与汽缸内壁的间隙。

椭圆度的大小随活塞的型号不同。

C6110活塞上，椭圆的长轴和短轴要控制在离圆位置5°以内，相互位置误差在5°以内。

此外，活塞工作时，顶面和高温气体直接接触，热量由头部传到裙部，头部温度高，热膨胀量大；裙部温度低，热膨胀量小。

为了补偿这种不均匀的热变形，把活塞头部的外径设计的比裙部小，同时活塞裙部也设计成上小下大的锥形。

C6110型柴油机活塞裙部的锥度是～0.05mm。

为了减少向裙部传导的热量，在活塞上铣有横槽，以减少向下传热的面积。

在活塞上还铣有纵向槽（稍斜）以增加活塞裙部的弹性（横向槽也有类似作用）。

为了活塞的气密性和耐磨性，增加其寿命，在下气环槽镶嵌一高镍铸铁环。

使铸铁的热膨胀系数更接近ZL109，以便满足零件要求。

活塞销孔内装活塞销与连杆小头孔相连接。

为了使活塞销的磨损均匀，在工作温度下，应使活塞销在活塞孔及连杆小头衬套孔中能自由转动，即所谓“浮动式”活塞销。

为了避免活塞销在工作过程中轴向窜动，在锁环槽中装有锁环。

二、活塞的一般技术要求

由于铝活塞的技术条件已由国家科技委员会制定了国家标准，对个部分的尺寸公差、形状和位置公差以及表面粗糙度均作了详细的规定，现根据JB3931——85标准摘要说明如下：

（1）、活塞裙部外圆要求与气缸很精密的配合，因为裙部外圆尺寸公差一般为IT6，对于高速内燃机的活塞甚至要达IT5。

为了减少机械加工的困难，将活塞裙部和气缸套孔径的制造公差均放大三倍，装配时将活塞按裙部尺寸分寸三组，气缸套按孔径尺寸分成三组，将对应的组进行装配，以保证达到要求的间隙。

裙部的椭圆度和锥度公差在分组尺寸公差范围内。

裙部外圆粗糙度«SkipRecordIf...»≤。

（2）、对于浮动式活塞销孔，为了使活塞销在工作过程中能在孔中自由转动，销孔尺寸公差IT6级以上。

为了减少机械加工工作量，活塞销孔和活塞销的装配也采用分组装配法，销孔的圆度不大于0.001mm，圆柱度不大于0.06mm。

销孔内圆表面粗糙度«SkipRecordIf...»

（3）、活塞的销孔的位置公差也有一定要求，主要是：

1）、销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比，即影响发动机的效率，因此必须控制在一定的范围内。

对于C6110活塞这一距离为102±0.08mm。

2）、销孔轴心线到裙部轴心线的垂直度影响活塞销、销孔和连杆的受力情况。

垂直度误差过大将使活塞销、销孔和连杆单侧受力，活塞在气缸套中倾斜，加剧了磨损。

对于C6110活塞。

这一垂直度在25.4mm长度上公差为0.014mm。

3）、销孔轴心线在裙部轴心线的对称度误差也会引起不均匀磨损。

对于C6110活塞，规定对称度公差为0.13mm。

（4）、为了使活塞患能随气缸套孔径的大小的变化而自由地膨胀，对活塞环槽作下列规定：

1）、活塞环槽平面母线对裙部轴线的垂直度：

环槽呈碟形向上倾斜时不大于25：

；

环槽呈伞形向下倾斜时不大于25：

。

2）、活塞环槽平面对裙部轴线圆跳动不大于0.05mm。

3）、活塞环槽底径对裙部轴线圆跳动不大于0.15mm。

4）、活塞环槽上下面平面的粗糙度Ra≤

（5）、为了保证发动机运转平稳，同一发动机个活塞的重量不应相差很大。

对于C6110型柴油机活塞，重量差不得大于活塞名义重量的±%。

活塞应按重量分组装配。

第二章活塞的加工

§2-1生产类型的确定

生产类型是企业生产专业化程度的分类，一般分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型。

其中成批生产又可以分为大批生产、中批生产和小批生产。

如果从工艺特点方面来看单件生产其产品数量少，每年产品的种类、规格较多，是根据定货单位的要求确定的，多数产品只能单个生产，大多数工作地的加工对象是经常改变的，很少重复。

成批生产其产品数量较多，每年产品的结构和规格可以预先确定，而且在某一段时间里是比较固定的，生产可以分批进行，大部分工作地的加工对象是周期轮换的。

大量生产其产品数量很大，产品的结构和规格比较固定，产品生产可以连续进行，大部分工作地的加工对象是单一不变的。

因此生产类型的确定，对于工艺规程的制定是非常重要的。

显然，产量愈大，生产专业化程度应该愈高。

但生产类型的划分一方面要考虑生产纲领即年产量；另一方面还必须考虑产品本身的大小和结构的复杂性。

下面对该C6110活塞的生产类型确定如下：

N=Q×n（1+a%）×（1+b%）

式中N-零件的年生产纲领（件/年）

Q-产品的年生产纲领40万台/年

n-每台产品中含该零件的数量1件/台

a-备品率

一般而言，以上的备品率根据易磨损和损坏的程度定为3%-5%。

现取4%。

b-废品率

由于属于机械零件，故取为1%。

则N=40×（1+4%）×（1+1%）

=40×

=42万台

另一方面由于本产品属于轻型机械，且生产纲领为42万台，远远大于5万台。

所以C6110活塞的生产类型属于大量生产。

§2-2毛坯的分析

正确的选择毛坯是工艺技术人员应该高度重视的问题。

零件加工过程中工序的内容或工序的数目，材料消耗，热处理方法，零件制造费用等都与毛坯的材料、制造方法、毛坯的误差与毛坯的余量有关。

应慎重对待。

一、材料：

在高速柴油机中,为了减少往复直线运动部分的惯性作用,都采用了铜硅铝合金作为活塞材料.在低速、重负荷、低级燃料的发动机中,有时用铸铁作为活塞材料.在汽车工业中很少用铸铁活塞.铜硅铝合金比铸铁具有下列优点:

（1）、导热性好,使活塞顶面的温度降低较快,可以提高发动机的压缩比,又不至于引起混合气体的自燃,因而可以提高发动机的功率;

（2）、重量轻,惯性力小;

（3）、可切削性好;

（4）、可以得到精确的毛坯;

但它也有一些缺点:

（1）、材料的价格比较贵;

（2）、热膨胀系数大,约为铸铁的两倍;

（3）、机械强度及耐磨性较差.

但总的来说,铝合金的优点超过缺点,所以在高速内燃机中都用它.而且耐磨性方面可以通过镶嵌一高镍铸铁环来提高其气密性和耐磨性，增加其寿命。

二、毛坯的选择

1、应考虑的因素包括：

（1）、生产批量

（2）、零件的结构形状和尺寸大小

（3）、零件的力学性能

（4）、工厂现有设备和技术水平

（5）、技术经济性

主要依据一般是零件在产品中的作用和生产纲领以及零件本身的结构。

2、从生产批量来看：

此零件属于大批量生产，宜采用精度和生产率高的毛坯制造方法，以减少材料消耗和机械加工工作量。

可考虑用金属铸造、熔模铸造、模锻、精锻等方法获得毛坯。

3、从零件的结构来看：

由于此零件属于外形较复杂的小型零件，而且它的壁厚不算薄。

故可以考虑采用压铸、金属铸造、熔模铸造等精密铸造方法。

同时可以减少切削加工或不进行切削加工。

4、从毛坯的制造方法来看：

毛坯的制造方法应与材料的制造工艺性相适应。

故铸铁、铸钢、铸铝和铸铜等有色金属材料适合用铸造方法获得毛坯。

5、从铸铝件的强度来看：

从铸铝件的强度来看可以考虑采用金属型铸造的铸件、金属型浇注的铸件、砂型浇注的铸件。

且强度依次递减,毛坯质量依次降低.故从以上可以看到该活塞毛坯可以采用金属型铸造。

金属型铸造则适用于成批大量生产、以锌合金、铝合金、镁合金以及铜合金为主的中小型形状复杂不进行热处理的非铁合金的零件。

也可用于铸钢、铸铁的厚壁、简单或中等复杂的中小铸件。

对于这些材料则金属型铸造（浇铸）更为合适

6、从工厂现有设备和技术水平来看：

从这一方面来看，金属型浇铸也是可以考虑的。

7、从经济合理性来看：

零件最大的外轮廓尺寸小于160mm，且复杂程度属于中等，生产类型属于大量生产，故金属型或压力铸造均适合，但在成批生产下金属型铸造比较合适。

综上所述，该活塞零件的材料选用ZL109，毛坯采用金属型铸造。

三、毛坯的机械加工余量

由《简明机械加工工艺手册》表10-6查得：

金属型铸件的尺寸公差等级为6～8。

故查表10-13可查得：

1、外圆的加工余量为4mm。

2、销孔的加工余量为3mm。

其它表面基本为一次性加工，故加工余量由零件尺寸决定。

§2-3制定工艺路线

这是制订机械加工工艺规程的核心。

其主要内容有：

1、选择定位基准

2、确定加工方法

3、安排加工次序

4、安排热处理、检验

5、安排其它工序

机械加工工艺路线的最终确定，一般要通过一定范围的论证，即通过对几条工艺路线的分析与比较，从中选出一条适合本厂条件的、确保加工质量、高效和低成本的最佳工艺路线。

下面将从以上几个方面来确定C6110型活塞的机械加工工艺路线。

一、基准的选择

基准是机械制造中应用得十分广泛的一个概念，是用来确定生产对象上几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线或面。

机械产品从设计、制造到出厂经常要遇到基准问题：

设计时零件尺寸的标注、制造时工件的定位、检查时尺寸的测量以及装配时零、部件的装配位置等都要用到基准的概念。

基准一般包括：

1、设计基准：

设计者在设计零件时，根据零件在装配结构中的装配关系以及零件本身结构要素之间的相互位置关系，确定标注尺寸（或角度）的起始位置。

简言之，设计图样上所采用的基准就是设计基准。

2、工艺基准：

零件在加工、测量和装配过程中所采用的基准称为工艺基准。

它又可以分为：

（1）、定位基准：

加工时用于工件的定位的基准。

它又可分为粗基准、精基准。

另外还有附加基准。

其中粗基准是未经机械加工的定位基准。

反之经过机械加工的定位基准称为精基准。

而附加基准是指零件上根据零件机械加工工艺需要而专门设计的定位基准。

（2）、测量基准：

在加工过程中或加工后用来测量工件的形状、位置和尺寸误差所采用的基准。

（3）、装配基准：

在装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准。

在这里主要考虑定位基准的选择，而测量基准、装配基准则在后面的设计中进行选择。

3、定位基准的选择

（1）、一般原则

1）、选最大尺寸的表面为安装面，选最长距离的表面为导向面，选最小尺寸的表面为支承面。

2）、首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度。

3）、应尽量选择零件的主要表面为定位基准。

4）、定位基准应有利于夹紧，在加工过程中稳定可靠。

下面根据以上一般原则分别进行粗基准和精基准的选择。

（2）、粗基准的选择：

粗基准的选择除了应考虑以上的一般原则外，还必须考虑以下几个原则：

1）、选加工余量小的、较准确的、光洁的、面积较大的毛面做粗基准。

2）、选重要表面为粗基准。

3）、选不加工的表面做粗基准。

4）、粗基准一般只能使用一次。

上述的选择粗基准的四条原则，每一条都只能说明一个方面的问题。

综合以上各个原则并考虑零件的实际情况选择如下：

粗基准一般都是为了加工出精基准，而在活塞零件加工中,为了提高零件的生产精度,在以活塞毛坯内腔为粗基准加工完外圆和端面后,在以外圆为基准加工精基准止口.因为粗车后的外圆面是加工余量小、较准确的、光洁的、面积较大的平面，而且它也是一个重要的表面，它的余量比较均匀。

（3）、精基准的选择：

和粗基准一样，精基准的选择除了要考虑一般原则外，还有它自身应当注意的原则：

1）、基准重合原则：

也就是选设计基准为定位基准。

2）、基准统一原则：

也就是在零件的加工过程中，采取统一的基准。

3）、互为基准原则：

也就是对某些位置精度要求很高的零件，通常采用互为基准、反复加工的原则。

4）、自为基准原则：

也就是以加工表面本身定位，待到夹紧以后将定位元件移去，再进行加工。

这样可以使得面的加工达到很高的精度。

那么根据以上的各个原则，结合实际情况对精基准的选择如下：

活塞是一个薄壁零件,在外力作用下很容易产生变形.活塞主要表面的尺寸精度和形位精度的要求都很高,因此希望以一个统一基面定位来加工这些要求高的表面.目前生产活塞的工厂大多采用止口和端面做为统一基准.在精加工时,除精车外圆用止口处的锥面和顶面上的中心孔定位,其余工序都采用止口和端面定位。

采用止口和端面（或锥面和中心孔）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、销孔等主要表面及其他次要表面。

（2）、活塞裙部在半径方向的刚性差，利用止口和端面（或锥面和中心孔）定位可以沿活塞轴向夹紧，就不致引起严重的变形，从而可以进行多刀切削。

二、加工方法的确定及工序的安排

零件表面的加工方法，首先取决于加工表面的技术要求。

这些技术要求还包括由于基准不重合而提高对某些表面的加工要求。

根据各加工表面的技术要求，首先选择能保证该要求的最终加工方法，然后确定各工序、工步的加工方法。

选择加工方法应考虑每种加工方法的加工经济精度范围、材料的性质及可加工性；工件的结构形状和尺寸大小；生产率要求；工厂或车间的现有设备与技术条件。

下面将从以上各个方面与以考虑并最终确定加工方法。

（一）、加工经济精度：

各种加工方法所能达到的加工经济精度和表面粗糙度都是在一定的范围内的。

任何一种加工方法只要精心操作、细心调整、选择合适的切削用量，其加工经济精度就可以得到提高，其加工表面粗糙度值就可以减少。

但是加工经济精度提高得愈高，表面粗糙度值减少得愈小，则所消耗的时间与成本也会愈大。

生产上加工经济精度的高低是用其可以控制的加工误差的大小来表示的。

加工误差小，则加工精度高；加工误差大，则加工精度低。

一般来说，加工误差和加工成本之间成反比例关系。

可以看出：

对一种加工方法来说，加工误差小到一定程度，加工成本提高很多，加工误差却降低得很少；加工误差大到一定程度以后，即使加工误差增大很，加工成本降低得很少。

因此所谓加工经济精度是指在正常加工条件下所能保证的加工精度和表面粗糙度。

（二）、材料的性质及可加工性：

本零件的材料采用ZL109，它的化学成分是:

Si4～6%,Cu5～8%,～%,Fe≤1%,其余为Al。

这种材料的工艺性能如下：

1、切削性能：

ZL109的硬度为100HB，为易切削材料。

2、热处理性能：

铝活塞毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力。

时效处理是将活塞加热至180～200℃，保温6～8h后，自然冷却，活塞经过时效处理后能增加强度和硬度。

（三）、工件的结构形状和尺寸大小：

本活塞零件属于结构形状并不十分复杂，而尺寸也不很大的零件，因而起来也不是和困难的。

（四）、生产率的要求：

本活塞零件的生产类型属于大批大量生产。

因而对生产率要求就相对的比较高。

（五）、综合以上几点，再考虑工厂的工艺能力和现有设备的加工经济精度，查《机械加工工艺手册》表、对本零件的加工方法拟订如下：

1、对于活塞零件外圆的加工

由于活塞外圆的精度要求为IT6，材料为ZL109，这样对于活塞外圆的加工可以考虑选用：

粗车——半精车——精车，这样可以达到的粗糙度为Ra=～。

2、对于活塞端平面的加工：

由于条件是端面的精度要求为IT8级、材料为ZL109，故可采用一次车削完成，这样能达到的精度等级为IT8～10，粗糙度为Ra=～满足要求。

3、对于活塞止口的加工：

由于这个部分表面是为了加工出精基准而加工的，粗糙度要求不是很高，为Ra≤，精度要求为IT6，故可采用两次车削完成，即