发动机活塞机械加工工艺规程及钻夹具设计机械.docx

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发动机活塞机械加工工艺规程及钻夹具设计机械

摘要

机械加工工艺过程，是指用机械加工方法逐步改变毛坯的状态（形状、尺寸和表面质量），使之成为合格的零件所进行的全部过程。

发动机活塞的机械加工工艺是很典型的工艺过程。

活塞的机械加工工艺过程包括结构工艺性分析、毛坯的选择、基准的选择、加工余量的确定、工艺路线的拟定、工序尺寸及公差的确定和加工设备的选择等。

其中，加工余量的确定需遵守一定的原则，并通过查表和计算而得；简单的工序尺寸及其公差可以根据零件图而直接得到，但复杂的需通过尺寸链的计算而得；其他步骤的确定也得遵守一定的原则。

最后，要填写相关的工艺文件。

为了提高劳动生产率，保证加工质量和改善劳动条件，需要设计专用的夹具来加工。

机床夹具是用来准确、迅速地确定工件与机床、刀具间的相对位置的工艺装配。

在钻油孔工序中，设计了专用的钻夹具来进行加工。

钻夹具的设计是完成装夹机构、分度装置、操纵机构和夹具体的设计，以及如何将这些机构装配起来形成一个完整的装配的过程。

结构方案确定以后，绘制了主要的零件图和装配图。

关键词：

活塞加工；工艺过程；夹具设计

Abstract

Mechanicalmanufacturingprocessisallcoursecarryingonofchangingthestateoftheblank（theform,sizeandsurfacequality）withmechanicalmanufacturingmethodprogressively,andmakingitbecomequalifiedproducts.Themechanicalmanufacturingprocessoftheenginepistonisaverytypicalprocess.Themechanicalmanufacturingprocessoftheenginepistonincludesanalysisofstructure,choosingblock,choosingstandard,confirmingprocesssizeandtoleranceandchoosingequipment,etc..Amongthem,confirmingtheallowanceoffinishmustmeetcertainprinciplebycheckingsometableandcomputing;Thesizeofsimpleworkingprocedureanditstoleranceobtaindirectlyaccordingtothedetaildrawing,butcomplexmustthroughcomputingsizechain;Otherstepsalsomustmeetcertainprinciple.Finally,fillinrelevantfiles.

Inordertoenhancetheproductivity,guarantetheprocessingqualityandimproveworkingcondition,needstodesignthespecial-purposefixturetoprocess.ThejigusedonMachinetoolsisatoolingusedtoconfirmworkpiece’srelativepositionwiththemachinetoolsandcuttingtoolexactlyandrapidly.Whendrillingtheoilhole,wedesignthespecial-purposejigwhichusedondrill.Theprocessofdesigningjigusedondrillincludesdesigningfixture,indexingmechanism,handlemechanism,andfixturebody,andhowtofitthemintoawholeassemblage.Afterconfirmingstructureplan,weshoulddrawuptheassemblydrawing.Thisjigissimple,alsotheworkingprocedureprecisionrequestisnotveryhigh,thereforedoesnothavetocarryontheprecisionanalysis.

Keywords:

piston；process；designingjig

绪论……………………………………………………………………1

第一部分发动机活塞机械加工工艺规程…………………………2

第1章工艺过程概述及其重要性……………………………………2

1．1工艺过程概述…………………………………………………2

1．1．1生产过程、工艺过程和工艺规程…………………2

1．1．2机械加工工艺过程及其组成………………………2

1．1．3设计工艺过程的基本要求…………………………3

1．1．4设计工艺过程的技术依据…………………………3

1．2工艺过程重要性………………………………………………4

第2章活塞加工基础知识……………………………………………5

2．1活塞功用和结构特点…………………………………………5

2．2活塞的技术要求………………………………………………7

2．3活塞的材料……………………………………………………8

第3章活塞加工工艺规程的拟定……………………………………9

3．1活塞的结构工艺性分析………………………………………9

3．2毛坯的选择……………………………………………………12

3.2.1毛坯选择原则……………………………………………12

3.2.2铝活塞毛坯的选择………………………………………14

3．3定位基准的选择………………………………………………15

3．3．1工件的定位…………………………………………15

3．3．2基准的概念…………………………………………18

3．3．3定位基准选择的原则………………………………19

3．3．4活塞加工基准的选择………………………………19

3．4加工余量的确定………………………………………………21

3．4．1毛坯的加工余量……………………………………21

3．4．2工序间的加工余量…………………………………22

3．5加工工艺路线的拟定…………………………………………22

3．5．1表面加工方法的选择………………………………22

3．5．2加工阶段的划分……………………………………25

3．5．3工序集中与工序分散………………………………26

3．5．4加工顺序的安排……………………………………26

3．6工序尺寸及公差确定…………………………………………27

3．6．1简单的工序尺寸……………………………………27

3．6．2尺寸链………………………………………………28

3．6．3活塞加工主要工序尺寸及其公差的确定…………30

3．7加工设备的选择……………………………………………32

第二部分钻油孔夹具的设计…………………………………34

第1章机床夹具概述……………………………………34

1．1机床夹具的定义及分类……………………………………34

1．1．1机床夹具的定义……………………………………34

1．1．2机床夹具的分类……………………………………34

1．2机床夹具的功用和组成……………………………………35

1．2．1功用…………………………………………………35

1．2．2组成…………………………………………………36

1．3夹具的设计特点和基本要求…………………………………37

1．3．1夹具设计工作的特点………………………………37

1．3．2设计的基本要求……………………………………37

1．4机床夹具在工艺系统中的地位………………………………38

第2章工件的装夹…………………………………………40

2．1装夹的定义……………………………………………………40

2．2工件定位的原理………………………………………………40

2．3对定位元件的基本要求………………………………………40

2．4定位基面和定位基面…………………………………………41

2．4．1工件以平面定位时的定位元件……………………41

2．4．2工件以圆孔定位时的定位元件……………………41

2．4．3工件以外圆柱面定位时的定位元件………………42

2．5夹紧装置的组成和基本要求…………………………………42

2．6基本夹紧机构…………………………………………………43

第3章夹具的其他装置……………………………………44

3．1对刀装置………………………………………………………44

3．1．1对刀装置的基本结构………………………………44

3．1．2对刀装置尺寸的确定………………………………44

3．2分度装置……………………………………………………45

3．2．1分度装置的基本形式………………………………45

3．3靠模装置………………………………………………………47

3．4夹具体…………………………………………………………47

3．4．1夹具体的结构形式…………………………………47

3．4．2夹具体的毛坯类型…………………………………47

3．4．3夹具体设计的基本要求……………………………48

第4章钻床夹具设计基础知识……………………………50

4．1钻模的结构类型和特点………………………………………50

4．2钻床夹具设计要点…………………………………………51

4．2．1钻模类型的选择……………………………………51

4．2．2钻模板的选择………………………………………51

4．2．3钻套的选择与设计…………………………………52

4．2．4支脚的设计…………………………………………53

第5章活塞机械加工过程中钻床专用夹具的设计………54

5．1工件加工工艺分析……………………………………………54

5．2确定夹具的结构方案…………………………………………54

5．3绘制夹具总装配图……………………………………………56

5．4标注尺寸及技术要求…………………………………………57

5．5夹具精度分析…………………………………………………58

结论…………………………………………………………59

致谢…………………………………………………………60

参考文献……………………………………………………61

附录…………………………………………………………

绪论

制造业是国民经济的支柱产业。

据统计美国68％的财富来源于制造业，日本国民总产值的49％是有制造业提供的。

中国制造业在工业总产值中也占有40％的比例。

而机械制造业正是制造业的重中之重。

制造技术是使原材料变成产品的技术的总称，是制造业本身赖以生存的关键基础技术。

有人指出，当代的机械制造它已经不是传统意义上的机械制造，它是集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光学、管理学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业。

一些先进的制造技术诸如敏捷制造、绿色制造、并行工程、快速成形技术、虚拟制造等等不断涌现。

认为传统的机械制造已经退出历史舞台，没有用武之地。

然而，机械加工技术各种新的制造技术的基础。

机械加工技术即传统意义上的机械制造技术。

它是以力学、切削理论为主要基础的一门学科。

各种工艺理论包括切削机理的研究，以及机床基本性能（如精度、可靠性、刚度、热变形、震动、噪声等）及试验的研究，是传统机械制造中的基础理论研究。

现代机械制造技术的发展，无一不是基础理论和试验研究的综合效果。

随着机械制造技术向着高精度、高效率、和高度自动化方向的迅速发展，以及新材料、新刀具与新加工方法的不断涌现，有关这些基础理论的研究必将进一步等到重视与加强。

工艺是机械产品设计、制造过程中的重要组成部分。

研究零件机械加工工艺过程的科学即为机械制造工艺学，是制造工艺的重要组成部分，它是一门综合性的技术应用科学，是研究制造过程中各种加工过程的规律、合理选择过程参数和控制这些参数的方法与手段的科学，即研究制造过程的本质、相互联系和反展规律的科学。

由此可见，研究机械加工工艺有其重要的作用和现实意义。

随着科学技术的进步、生产的发展和商品市场的竞争，新产品会不断出现，产品的品种和规格业越来越多，质量要求也更高。

多品种、短周期、小批量生产逐渐占重要地位。

为此，设计与制造机械加工过程中重要的工艺装配——夹具是很重要的环节。

而且它对于保证加工质量，扩大机床的使用范围，降低成本等均起着重要作用。

由此看出，夹具的设计是具有很大的现实意义。

汽车的制造工艺从一定程度上反映一个国家的制造技术水平，而发动机活塞的制造工艺是汽车制造工艺中一个重要的环节。

发动机活塞结构复杂、技术要求高、制造精度要求很高，其机械加工工艺规程的制定值得研究，有其重要的意义。

现在活塞的加工大多为大批量的生产，故都在专用机床上加工，其工艺过程变得简单，生产效率也很高。

但本设计是针对中小批量的活塞生产而制定的工艺规程，其工艺过程更能体现机械加工的特点。

而其钻夹具的设计也体现了夹具设计的精髓。

第一部分发动机活塞机械加工工艺规程

第1章工艺过程概述及其重要性

1.1工艺过程概述

1.1.1生产过程、工艺过程与工艺规程

工厂的生产过程是将原材料或者半成品转变为成品所进行的全部过程。

工厂的生产过程，是一个十分复杂的过程，它不仅包括那些直接作用到生产对象上去的工作，而且也包括许多生产准备工作和生产辅助工作。

在工厂的生产过程中，占重要地位的是工艺过程。

工艺过程是与改变原材料或者半成品使之成为成品直接有关的过程。

工艺过程有锻压、铸造、机械加工、冲压、焊接、热处理、表面处理、装配和试车等。

因此，工艺过程可分为机械加工工艺过程、铸造工艺过程、锻造工艺过程、焊接工艺过程、热处理工艺过程、装配工艺过程等。

通常把合理的工艺过程编写成技术文件（机械加工工艺过程卡片、机械加工工序卡片或机械加工工艺卡片），用于指导生产，这类文件称为工艺规程。

1.1.2机械加工工艺过程及其组成

机械加工工艺过程，是指用机械加工方法逐步改变毛坯的状态（形状、尺寸和表面质量），使之成为合格的零件所进行的全部过程。

（1）工序

机械加工工艺过程是由一系列工序组成的，毛坯依次通过这些工序而变为成品。

工序是工艺过程的基本组成部分，它是指在一个工作地点上，对一个工件（或一组工件）进行加工所进行的连续工作。

在组织计划工作中，工序是工艺过程的基本单元。

完成一个工序，常需要进行许多工作，这些工作可分为基本工作（切削）和辅助工作（装卸工件、开动机床、引进工具和测量工件等）两部分。

在辅助工作中，工件的安装占有很重要的地位。

（2）安装

在同一道工序中，工件可能要安装几次。

工件在机床上每装卸一次所完成的那部分工序，称为安装。

（3）工位

在一次安装中，工件在机床上所占的位置。

在这个位置上所完成的那部分工序，称为工位。

工位分单工位和多工位。

（4）工步

在一次安装或一个工位中，当加工表面、切削工具、切削速度和进给量都不变的情况下所完成的那部分工序，称为工步。

一个工步有可以分为几次走刀。

（5）走刀

走刀是指在一个工步中，切削用量从被加工表面上每切去一层金属所进行的工作。

当工件表面上需要切去的金属太厚，不可能或不宜一次切下时，就需要分几次走刀来进行加工。

1.1.3设计工艺过程的基本要求

一个零件可以采用不同的工艺过程制造出来，但是，正确与合理的工艺过程，应满足下列基本要求：

（1）保证产品的质量符合设计图的技术条件所规定的要求；

（2）保证高的劳动生产率；

（3）保证经济上的合理性。

另外，在设计工艺过程时，必须特别重视改善劳动条件。

同时，所设计的工艺过程要能够保证产品质量的稳定。

即工艺过程要能够可靠的实现图纸和技术条件所规定的要求。

也就是说，产品的质量尽可能不依赖操作者的技艺，而要决定于设备、工艺装配和工艺方法的完善程度。

总之，在设计工艺过程中，要合理解决技术和经济问题。

为了使所设计的工艺过程更为合理，就必须对各种可行的方案进行分析比较。

以使工艺过程能全面的符合质量、生产率和经济性的要求。

1.1.4设计工艺过程的技术依据

零件机械加工的工艺过程，取决于零件的要求、产量的大小和现场的生产条件。

所以，在设计工艺过程时，必须掌握下列资料作为基本的依据。

（1）零件图及其技术条件

零件图及其技术条件，时制造的对象，时设计工艺过程的主要技术依据。

（2）生产量

工艺过程必须根据给定的生产量的大小来设计。

产品的产量及其劳动量的

大小，是影响生产类型的主要因素生产可分为三种类型，即单件生产、成批生产和大量生产。

如果生产类型不同，则设计工艺过程的详细程度也有所不同。

单件生产时，一般只设计工艺路线；在成批和大量生产时，才详细地设计工艺过程。

（3）生产条件

设计工艺过程，可能是在现有工厂的条件下，或者是在新设计的工厂条

件下进行。

在后一种情况下，可以根据需要和我国当前可能的条件来选择设备，因而可以采用较为先进的技术。

而在前一种情况下，主要应从工厂现有的机床设备出发来设计较为合理的工艺过程，使得现有的设备得到充分利用。

新技术、新工艺的发展，新设备的不断出现，标志着生产工艺水平的不

断提高。

因此，为了更好的保证质量、提高劳动生产率并降低生产成本，在设计工艺过程时，要充分注意新技术的引用。

1.2工艺过程的重要性

在机械产品的制造过程中，机械加工在总劳动量中占的比重最大，大约为60％，而且它是获得复杂构形和高精度零件的主要手段。

今年来，由于科学技术的飞速发展，对产品的精度要求也越来越高。

因此，机械加工工艺过程在产品生产的整个工艺过程中，占有重要的地位。

先进工艺过程的采用，与发展机械工业的技术水平有非常重大的关系。

工艺过程的设计，在生产准备过程中起着决定性的作用。

按照规定的工艺过程组织生产，对保证产品的质量和经济性，并对提高生产率都有十分重要的意义。

同时，生产中的各种生产准备工作和生产辅助工作，也都以规定的工艺过程为依据。

而且，只有执行规定的工艺过程，才能够建立起正常的生产秩序。

因此，设计正确合理的工艺过程，是一项十分重要的工作。

第2章活塞加工基础知识

通过对活塞零件图的审查及其查阅关于活塞的相关资料及标准，对活塞的功用、结构特点、材料选择及其技术要求等有了初步了解，以便于制定其机械加工工艺规程，现简要说明如下：

2.1活塞的功用和结构特点

图1是发动机活塞结构示意图（其零件图见附图）。

图示中1为活塞顶面，它承受着高温高压气体的直接作用。

3为气环槽，在气环槽中装有气环，用以密封活塞顶面的燃烧室。

4为油环槽，通过油环把飞溅到气缸套内壁上的多余润滑油刮掉，并通过油环槽内的回油孔2流回油底壳。

活塞中间的贯穿孔,称为活塞销孔，5为挡圈槽，活塞销孔6内装有活塞销，通过活塞销将活塞、连杆联接起来。

两端挡圈槽内装有弹性挡圈，防止活塞销的窜动。

7和8分别称为上开裆和下开裆，用于连杆定位。

底部的止口9是机械加工的工艺基准，它在发动机工作过程中没有作用。

12、11、10分别称为头部外圆、环岸外圆和裙部外圆，其中裙部外圆在活塞工作过程中起导向作用。

活塞裙部与缸壁直接接触，不但要保证活塞良好的导向性能，而且要能承载受缸壁给予的侧向压力。

活塞在工作状态下，沿活塞销孔的方向会伸长，原因有三：

一是作用在活塞顶部的燃气压力使顶面在销座跨度内发生弯曲，导致销座部位的裙部向外扩张；二是活塞裙部在侧向力的作用下压向缸壁，致使裙部有变扁的趋势；三是活塞受热发生膨胀，但因活塞在销座方向的刚度大，而在垂直于销座方向上刚度较差，膨胀时互相牵制，刚度大的方向发生膨胀时，有牵动低刚度方向活塞壁反向回缩的趋势。

为了使得活塞工作条件下，保持活塞与缸壁之间具有均匀的间隙，常用下述方法对活塞的变形加以控制和补偿。

图1发动机活塞结构示意图

1－活塞顶面2－回油孔3－气环槽

4－油环槽5－挡圈槽6－活塞销孔

7－上开档8－下开档9－止口

10－裙部外圆11－环岸外圆12－头部外圆

（1）开绝热槽

在活塞油环槽底部，在活塞销座的两侧边开出绝热槽，减少从活塞头部传

到裙部的热量以降低裙部的温度。

（2）活塞裙部作成椭圆形

热量通过活塞顶部传到活塞裙部，温度升高产生热变形。

再是活塞裙部圆周上壁厚不均匀，销孔轴线方向厚，热膨胀量大；垂直于销孔方向热膨胀量小。

从而使活塞裙部由于热变形变成椭圆。

如图2所示。

为了能够补偿活塞的热变形，将活塞作成椭圆形，并使其长轴方向与销座方向垂直。

每100mm缸径，椭圆的长轴之差约为0.3～0.5mm。

图1所示活塞之差为0.5mm。

图2活塞工作过程中的变形

a）受力变形b）热变形

（3）镶装刚片

在铝合金活塞中镶入热膨胀系数壁铝合金销的材料，以阻碍活塞的热膨胀。

（4）沿活塞高度方向对直径进行补偿

活塞工作时，顶面与高温气体直接接触，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得比裙部外径小，同时活塞裙部也设计成上小下大的锥形，即裙部为一椭圆锥面。

通常，活塞裙部的直径差约为0.045～0.075mm。

零件图所示活塞的裙部母线是抛物线，称为桶面活塞。

桶面活塞在热膨胀后仍呈桶形，在活塞作往复运动时，与缸壁形成双向油楔，大大改善了裙部的润滑条件病提高了裙部的承载能力。

实践证明，活塞裙部表面的微观轮廓对活塞寿命，特别是对抗咬合性有很大的影响。

表面粗糙度太小的表面，其抗咬合性反而不好，其凹处可以存储润滑油，凸处容易磨合，因而，可以改善活塞的工作性能。

为了防止活塞环岸部分与缸壁咬合，可以在环岸部分加工处细小的环槽，从而使得活塞在过热或者碳渣落入装配间隙的情况下具有一定的退让性。

高速汽油机的活塞销孔中心线与裙不中心线不相交，而是向承受膨胀侧压力的一侧偏移1～2mm。

零件图所示活塞偏移量为1mm。

为了改善和加速磨合，活塞外表面镀有一层薄锡。

2．2活塞的技术要求

活塞的裙部外圆、活塞销孔及环槽都是比较重要的表面。

因此，对这些表面要提出比较高的精度喝表面粗糙度要求。

另外，为了保证发动机运转平稳，对装配在同一发动机上的各活塞的重量差要加以控制。

铝合金活塞的技术条件已有国家标准JB3931-85，对于各部分的尺寸公差，形状和位置公差以及表面粗糙度均作了详细规定（附图1为活塞零件图及部分技术要求）。

（1）裙部外圆裙部外圆起导向作用，要求与气缸精密配合，其尺寸公差等级一般为IT6,，对于高速内燃机