汽车发动机活塞加工工艺.docx
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汽车发动机活塞加工工艺
毕业设计（论文）
题目
汽车发动机活塞加工工艺
及其夹具设计
系（院）
自动化系
专业
机械设计制造及其自动化
班级
2008级1班
学生姓名
学号
指导教师
季德生
职称
讲师
二〇一二年六月二十日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一一年月日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一一年月
汽车发动机活塞加工工艺及夹具设计
摘要
提高产量、降低成本、准时交付、快速响应，使产品快速占领市场，已经越来越成为现在制造业中企业所追求的目标。
现在敏捷制造、快速原型制造、快速模具工装制造技术已经成为内燃机零件工业特别是活塞行业竞争的焦点。
因此，针对各种内燃机活塞机械加工工艺过程的广泛探索，从而缩短或简化工艺流程、提高产品质量、降低生产制造成本也变得越来越重要。
本毕业设计论文通对分析活塞加工技术的发展、活塞的结构特点、活塞各个工作面的加工特征及其工作环境，确定了活塞的加工过程及加工方案，其中主要包括：
材料的选用、毛坯制造工艺、加工基准的选择、各道工工序切削用量及其加工余量的确定和工序安排等。
并且进一步设计了活塞加工过程中用到的一套典型的夹具，精镗销孔夹具设计，其主要内容包括：
定位方案与夹紧方案的设计、夹具的工作原理以及在夹具设计过程中应该注意的问题。
并分析论证其可行性。
关键词：
活塞，工艺分析，加工工艺，，工艺重组，夹具设计
AutomobileEnginePistonProcessingTechnologyandFixtureDesign
Abstract
Toincreaseproduction,reducethecostandontimedelivery,thefastresponse,maketheproducttoquicklycapturethemarket,alreadymoreandmorebeinmanufacturingenterprisesnowpursuitofthegoal.Nowagilemanufacture,rapidprototypingmanufacturing,andrapidtoolingtoolingmanufacturingtechnologyhasbecomeinternalcombustionenginepartsindustryespeciallypistonthefocusofcompetitionintheindustry.Therefore,tovariouskindsofinternalcombustionenginepistonmechanicalprocessingprocesswidelyexploration,soastoshortenorsimplifiedprocessflow,improveproductquality,reduceproductioncostisalsobecomingmoreandmoreimportant.Thispaperanalysisthegraduationdesignofthepistonprocessingtechnologydevelopment,thestructurecharacteristicsofthepiston,pistoneachworkfaceprocessingcharacteristicsandworkingenvironment,determinedthemachiningprocessofthepistonandtheprocessingplan,whichmainlyincludes:
thematerialselection,castingtechnologyofmanufacturing,processing,eachwordchoicebenchmarkworkprocessanditsprocessingcuttingamountadmittancedetermineandprocessarrangement.Andfurtherthepistondesignusedinmachiningprocessofatypicalfixture,fineboringpinholefixturedesign,themaincontentincludes:
positioningschemeandclampingfixturedesign,theworkingprincipleandprocessofthefixturedesignshouldbepaidattentionto.Andanalyzesitsfeasibility.
Keywords:
thepistons,processanalysisandprocessingtechnology,processreorganization,fixturedesign
第一章绪论
制造业是国民经济的支柱产业，其发展程度体现了一个国家科学技术和生产力的发展水平。
近年来我国国民经济增长迅速，社会购买力不断提升，汽车工业更是呈现了前所未有的发展势头。
2009年中国汽车产销量突破1300万辆，2010年更是突破了1800万辆，当今，中国已成为世界最主要的汽车产销大国之一。
汽车市场的持续增长为汽车零部件制造业提供了广阔的市场空间和难得的发展机遇。
在汽车当中，活塞相当于汽车的“心脏”，它在运行过程中它承受交变的机械负荷同时又承受热负荷，是发动机中工作条件最为恶劣的零部件之一，是影响发动机性能指标和平均无故障使用寿命的较为薄弱的零件，同时也是最为关键的零部件之一。
随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性以及可靠性要求越来越严格，如何实现活塞生产中的高产量、低成本、高标准、准时交付、快速响应以及使产品快速占领市场等要求，已经越来越成为现在制造业中企业所追求的目标。
因此，针对各种内燃机活塞机械加工工艺过程的广泛探索从而缩短或简化工艺流程、提高产品质量、降低制造成本尤为显得重要。
本文通过对活塞从设计到生产过程的分析，通过对活塞的各种加工特征、加工方法、加工要求、定位以及夹紧方式进行分析研究，确定了活塞的加工过程及加工方案，其中主要包括：
材料的选用、毛坯制造工艺、加工基准的选择、各道工工序切削用量及其加工余量的确定和工序安排等。
并且进一步设计了活塞加工过程中用到的一套典型的夹具，精镗销孔夹具设计，其主要内容包括：
定位方案与夹紧方案的设计、夹具的工作原理以及在夹具设计过程中应该注意的问题。
1.1活塞加工工艺过程分析
内燃机活塞制造技术在我国已有四十多年的发展，已经具有一定的基础，近年来通过不断的技术改造和技术合作，活塞制造技术发展很快，活塞产品质量不断提高，并且，新产品的比重逐渐加大。
但是，内燃机活塞机械加工工艺过程还是存在一定的差别，并且活塞类型和加工要求也有较大差别。
现在国内大多数活塞生产企业多采用专用机床和改装的普通车床、专用工装和夹具组成的单机流水线的加工方式生产。
流水线设备排列为一机一序或一机多序，流程较长。
典型的活塞加工工艺过程如：
粗车外圆→平顶面→车止口、打中心孔→粗镗销孔→半精车外圆、顶面→粗、精切环槽→……→精车外圆、顶面→……→精车燃烧室→精镗销孔→车卡环槽→检验……。
上述加工工艺过程以止口、中心孔作为精基准，以活塞头部外圆、活塞裙部、销孔表面以及活塞顶面等为主要加工面，燃烧室、气门坑等为次要加工面。
这种传统工艺过程的主要优势有以下几点：
第一，一次装夹可车削外圆、活塞顶面和环槽等工作面，加工方便；第二，沿活塞轴向夹紧可进行多刀切削。
同时，这种传统加工工艺过程也存在一下几方面主要问题：
第一，以活塞止口为工艺基准，加工流程较长；第二，环槽的位置精度低；第三，采用轴向夹紧，该夹紧方式对活塞的加工精度，特别是对薄壁活塞裙部外圆的加工精度会产生较大的影响。
1.2本课题主要内容
活塞的加工工艺过程是本设计的重点内容，在设计过程中，必须严格地选择毛坯、制订工艺规程、确定加工余量，并计算工艺尺寸、分析定位误差等，此外，为了与实际生产相吻合，还必须对加工设备、切削用量等进行选择和设计，此阶段内容较多，所涉及的范围也比较广，为了使设计更为合理，必须广泛查阅相关书籍，是设计更为合理和使用。
为使工件定位更加准确，夹紧更为快速，安装找正更为方便，从而提高生产效率，降低工人劳动强度，提高零件加工精度，夹具设计要采用专用夹具。
在夹具设计过程中，统一采用以端面和止口为主要定位面来进行加工。
以前未学过夹具的设计和计算。
因此工作量大大地增加，只有通过在实习过程中对夹具的感性认识和夹具设计参考书以及夹具图册来进行设计和计算。
所以，夹具的设计是整个设计的重点，也是一个难点。
第二章活塞的结构特点及其工作环境
2.1活塞作用
活塞连杆组主要有活塞、活塞环、活塞销和连杆等零件组成。
活塞的主要作用是与汽缸盖、气缸共同构成燃烧室，将做功行程所承受的燃气压力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。
2..2活塞工作环境及性能要求
发动机工作时，由于活塞顶部直接与高温燃气接触，燃气的最高温度可达2500K以上，因此活塞的温度也很高，因高温时材料的力学性能降低，甚至发生高温蠕变。
当顶部温度超过640K~700K时还会产生热裂现象。
第一环槽超过80K~500K时，就会造成活塞环粘结。
活塞温度高且往复变速运动，润滑困难，所以极易磨损。
在进气时活塞又接触到冷的可燃气体，造成温度不均匀，产生的热应力容易使活塞变形和活塞顶表面开裂。
因此要求活塞具有：
（1）足够的强度、刚度和韧性；
（2）良好的导热性和极小的热膨胀性；
（3）很小的重量，以保持很小的惯性力；
（4）良好的润滑性和耐磨性，以提高寿命。
现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机都广泛采用铝合金活塞，只在极少数发动机上采用铸铁或耐热钢活塞。
目前铝合金活塞多用含硅12%左右的共晶铝硅合金和含硅18%~23%的过共晶铝硅合金制造，外加镍、铜和镁，以提高热稳定性和高温机械性能。
含硅量越高，材料的膨胀系数越小，耐磨性愈好，但制造工艺较差。
富康轿车的活塞材料为共晶铝硅合金，桑塔纳轿车的活塞材料则采用Si-Cu-Mg过共晶铝硅合金。
柴油机因其活塞承受高热、高机械负荷，故也有采用合金铸铁和耐热钢作为活塞材料。
2.3活塞结构
活塞由顶部、头部和裙部三部分组成，其基本结构如图2-1所示。
1—顶部2—头部3—活塞销孔4—裙部5—气环槽6—油孔7—油环槽8—销座
图2-1活塞的基本结构
活塞顶部是燃烧室的组成部分，其形状与选用的燃烧室形式有关。
主要有平顶、凹顶和凸顶等几种形式。
汽油机活塞顶多为平顶，以使燃烧室结构紧凑，散热面积小，制造工艺简单。
但高压缩比、多气门的现代发动机，为了满足燃烧室的要求也有略微凸起或凹下的形状，以及为了避免活塞与气门碰撞而制成凹坑。
而柴油机活塞顶常制成各种凹坑。
活塞头部是指活塞环槽以上的部分。
活塞头部主要作用有以下三点：
第一，承受燃气压力并传给连杆；第二，与活塞环一起实现气缸的密封；第三，将活塞顶部吸收的热量通过活塞环传到气缸壁上。
在活塞头部切有几道环槽，用以安装活塞环。
汽油机一般有2~3道环槽，上面的1~2道环槽用来安装气环，下面的一道用来安装油环。
在油环底部钻有若干径向小孔，以使油环汽缸壁上刮下的多余机油经此流回油壳底。
活塞环槽的磨损是影响活塞使用寿命的重要因素。
再热负荷较高的发动机中，活塞的第一道环槽温度较高，磨损严重。
为保护加强活塞环槽，常在第一道环槽处镶嵌耐热护圈。
在热负荷很高的直喷式柴油机燃烧室喉口处均镶嵌耐热护圈，以保护喉口不因过热而开裂。
采用奥氏体或高锰奥氏体铸铁护圈，可使环槽的寿命提高3~10倍。
活塞裙部是指活塞头部一下的部分。
其作用：
一是为活塞在气缸内作往复运动导向，二是承受侧压力。
发动机工作时，在缸内燃气压力的作用下，活塞会发生弯曲变形，活塞后热后，在活塞销座处的膨胀量大于其他各处，同时活塞在侧压力的作用下也会产生挤压变形。
为使活塞在气缸内正常工作，不至于卡死或引起局部磨损，在各种工况下活塞与气缸壁间都能保持均匀的间隙，常在冷状态下将活塞做成椭圆形，其长轴垂直于活塞销座孔轴线。
为减少销座附近的热变形量，有的活塞将销座附近的裙部外表面制成下陷0.5mm~1.0mm。
现代汽车发动机的活塞均为椭圆裙。
除此之外，活塞沿轴线方向温度和质量分布也不均匀，导致各断面热膨胀量上大下小。
一次，需把活塞制成上大下小的圆锥形或桶形。
为了减少活塞裙部的热膨胀量，有的汽油机活塞在活塞销座中镶铸有热膨胀系数低的恒范钢片，由于恒范钢片与活塞裙部相连，且恒范钢片的热膨胀系数只有铝合金的1/10左右，因此当温度升高时，在恒范钢片牵制下，裙部在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小。
活塞裙部采用上述措施后，与气缸壁之间的冷态装配间隙可减小，是指不产生“冷敲热拉”现象。
为改善铝合金活塞的磨合性，可对活塞裙部表面涂以保护层。
汽油机的活塞裙部外表面镀锡，柴油机的住铝活塞的裙部外表面磷化，对于锻铝活塞外表面涂石墨。
活塞销孔的中心线一般位于活塞中心线的平面内。
但有些高速发动机，将活塞销座向承受做功行程侧压力的一面偏移1mm~2mm，其目的是为了减轻活塞在越过上止点时因侧压力的瞬时换向而产生的“敲缸”现象，从而减小发动机运行噪声，改善发动机工作的平顺性。
第三章活塞加工工艺分析
3.1活塞加工工艺特点
活塞主要表面尺寸和各表面间的相互位置精度要求较高；在加工后还要求保证塞裙部及顶部的壁厚均匀。
上述特点和要求，使得活塞机械加工比较困难，其加工工艺特点主要有以下几方面：
第一，活塞壁薄，径向刚度差，如果按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削力作用下很容易变形，从而影响加工精度，因此在制订加工工艺及选择加工设备时，应同时注意夹压点位置及活塞装夹方式的选用。
第二，活塞的加工面较多，加工较为复杂，它不仅对各加工面尺寸精度要求较高，而且对各个加工面间的相互位置精度要求也较高。
因此，在制定加工工艺时，应正确选择定位基准面，以减少因定位基准选用不当或定位基准变换所引起的加工误差。
同时，在选用加工设备时，应尽量选用多刀或多工位加工机床，以减少装夹次数，来减小装夹过程中所带来的加工误差。
第三，孔尺寸及形状精度要求很高，粗糙度要求低。
第四，薄、刚性较差，如果切削力过大会引起活塞变形，从而影响加工精度，因此，在加工时，应选择较小的进刀量和较高的转速。
同时，重要加工面如活塞顶面、裙部外圆、活塞销孔的精加工要放在最后进行。
3.2活塞加工特征分析
3.2.1活塞顶部加工特征
活塞顶部是燃烧室的组成部分因而制成不同的形状，主要有平顶、凹顶、和凸顶几种形式，部分活塞还具有气门坑及其开口等结构。
因此，活塞顶部加工特征一般包括：
燃烧室、活塞顶面、气门坑、气门坑开口等。
活塞顶面与止口的平行度一般为0.015mm，其粗糙度要求一般为Ral1.6~3.2um，在加工过程中一般要经过粗加工和精加工来完成，粗加工的加工余量一般为1mm，精加工的加工余量一般为0.4mm。
从活塞顶面到活塞销孔中心线的距离称为压缩高，该距离影响发动机的压缩比，在精加工活塞顶面时需要保证活塞的压缩高。
燃烧室多为回转体形状，其素线由方向、半径不同的圆弧与直线圆滑连接而成，燃烧室精加工时需要保证燃烧室的粗糙度一般为Ra3.2um。
活塞毛坯一般是铸造而成，铸造时一般铸造有燃烧室凹坑，燃烧室加工同样需要经过粗加工和精加工两次加工完成，燃烧室粗加工的加工余量一般为1mm，精加工的加工余量一般为0.4mm，与顶面基本相同。
对于个别的活塞毛坯为平顶的铸造件，燃烧室加工需经过粗加工、半精加工和精加工三次加工才能完成，因此在进行工艺分析时需要判断是否铸造有凹坑。
而气门坑及其开口由于余量较小一般一次加工至成品尺寸。
根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而气门坑及其开口一般采用铣削加工。
3.2.2活塞头部加工特征
活塞头部主要有2-4道环槽及环槽之间的环岸、槽侧油带、第一环槽至顶部的火力岸组成。
因此，其加工特征主要是铁、铝环槽的加工及环岸、火力岸外圆的加工，有时在环槽底部或槽侧油带部位还有通向内腔的径向回油孔。
铁环槽为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。
基于这一原因，该环槽一般为两槽，并具有一定的斜度，以便于与密封环更好地接触，避免高压燃气串到裙部。
铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求，其基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有“粘性”加工特征，加工一般至少需要粗加工、精加工两次加工完成，粗加工加工出铁环及环槽形状并为精加工留出0.3~0.5mm余量。
铝环槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加工余量比较大、容易加工变形，因此一般至少分为粗、精两次加工来完成，粗加工加工出形状，给精加工留下0.1~0.2mm的余量。
由于加工铸铁环槽时产生较大的切削力和热量，容易引起铝环槽的形状误差和变形，因此需要把铝环槽的加工放在铁环槽精加工之后进行。
3.3.3活塞裙部加工特征
活塞裙部是自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的部分，它用作引导活塞在气缸内运动和承受侧压力。
受活塞结构的影响，为保证热态下活塞裙部的圆筒形状，以便能够与气缸很好地贴合，不至于被卡住或拉伤，需要将活塞裙部的径向外形设计加工为椭圆形状，其长轴在垂直于销座孔中心线平面内，短轴在销座孔中心线平面内，且椭圆度在不同的轴向位置是变化的；而活塞长轴轴向轮廓设计加工为上小下大、到底部再小的中凸形状，这种外圆形状称为中凸变椭圆。
在活塞裙部下端及内腔部位还需要加工出止口作为后续工序的定位基准。
活塞裙部外圆粗糙度一般要求1.6~3.2um，且外圆对加工纹理有特殊要求，基于外圆特殊的形状和表面纹理要求，需要经过粗加工、半精加工、精加工三次加工才能达到技术要求，总加工余量一般在2mm左右；活塞止口粗糙度一般要求1.6~3.2um，总加工余量一般在1mm左右，因此经过粗、精两次加工可以达到技术要求。
3.3.4活塞销座孔加工特征
活塞销座将作用在活塞顶部的气体力经过活塞销传给连杆。
销座常用加强筋与活塞内壁相连，以提高强度。
为减少销座上侧的压力，常把销座铸造成一些特殊形状，其中楔形销座是最常见的一种形式。
活塞在工作时销座孔内侧受到活塞销的反复冲击，为防止活塞该处应力集中及疲劳损坏，常将该处设计为喇叭口形状，因其加工实现起来较困难，称为异形销孔。
活塞销孔不仅本身尺寸精度与相互位置精度要求较高，而且粗糙度要求较低，一般为0.4~0.8um。
销座孔内有安放弹性卡簧的卡簧槽，为安装方便，销孔内、外侧常加工出较大的内、外口倒角。
基于以上加工特征，活塞销孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工才能达到技术要求。
为防止销孔变形，精加工一般安排在工序的最后面完成。
有些活塞为增加销孔的储油作用，还加工成椭圆形状，称为减压腔，有时还需要在销座上加工油孔。
第四章活塞加工工艺规程的制订
4.1活塞材料及毛坯制造
铸造铝合金按其化学成分一般可分为：
铝铜合金、铝锌合金、铝镁合金、铝硅合金等。
4.1.1活塞材料选择
活塞材料一般按其工作条件来确定，汽车活塞一般很少用铸铁活塞，一般只有在重负荷、低速、低级燃料的发动机中用铸铁材料活塞，对于高速发动机要求活塞要具有很小的重量，来保持很小的惯性力，所以此类活塞多采用铜硅铝合金材料。
与铸铁材料相比铜硅铝合金材料主要由以下优点：
（1）导热性良好,能够使活塞顶面的温度快速降低，提高发动机的压缩比，并且使混合气体不会产生自燃，从而提高发动机的功率；
（2）重量轻,工作时惯性力矩小，运行平稳；
（3）可切削性较好。
但是铜硅铝合金也有一些缺点，其主要缺点如下：
（1）与铸铁相比铝合金价格较贵；
（2）铝合金的热膨胀系数大，受热变形大；
（3）铝合金的耐磨性以及强度和刚度与铸铁相比都较差。
总的来说，铝合金的优点更多，更适合用来做活塞材料。
并且，其耐磨性差的缺点可以通过镶嵌高镍铸铁环的措施来改进，因此铜硅铝合金在活塞中应用更为广泛。
4.1.2毛坯选择
选择毛坯应主要从以下几方面考虑：
第一，零件的力学性能。
零件的力学性能会因毛坯制造方法的不同而有所差别。
其力学性能一般是按铸铁件，离心浇注铸件和压力浇注铸件，金属型浇注铸件，砂型浇注铸件的次序依次降低。
第二，零件的外轮廓尺寸和结构形状。
一般壁厚比较均与，并且形状较为简单的毛坯可用金属型铸造。
第三，生产批量和生产纲领。
生产批量和生产纲领较大时一般采用高精度高生产率的毛坯制造方法。
从活塞的生产批量上来看，活塞生产属于大批量生产，因此，一般采用精度和生产率高的毛坯制造方法，来减少材料的消耗和降低机械加工工作量，一般可考虑用金属铸造、模锻、精锻等方法来获得毛坯；从零件本身结构来看，由于活塞属于外形较为复杂的小型零件，并且它的壁厚较薄，故可以考虑采用压铸、熔模铸造、金属铸造等精密铸造方法。
从毛坯的制造工艺及方法来看，铸铜和铸铝等有色金属材料适宜用铸造方法获得毛坯；从铸铝件本身的力学性能来看，可采用金属型铸造的铸件。
本文以ZL101材料为例进行分析，其性能如表4-1所示，其毛坯采用金属型铸造，在重力下浇铸成型。
表4-1ZL101成分及性能
合金代号
主要化学成分/%
铸造方法
用途
Si
Cu
Zn
Mg
Mpa
%
硅铝合金
ZL101
6.5~7.5
<0.1
<0.1
0.25~0.45
J,T5
202
2
形状复杂的砂型、金属型和压力铸造零件
4.1.3铸造斜度
铸件的铸造斜度应按以下原则确定：
第一，金属的收缩阻力越大，斜度也应越大。
第二，收缩量越大熔点越高，斜度越大。
第三，拔模部分尺寸越大，斜度越小。
另外，不同铸造方法的铸造斜度也有差别，各种铸造方法的最小铸造斜度如表4-2所示：
表4-2各种铸造方法的最小铸造斜度
斜度位置
铸造方法
压铸
壳型
金属型
砂型
外表面
0°30ˊ
0°30ˊ
0°20ˊ
0°15ˊ
内表面
1°
1°
0°20ˊ
0°30ˊ
4.1.4铸造圆角
铸件壁部连接处应有铸造圆角,以减小应力集中的影响。
依照铸造圆角计算公式算出数值后，选取与其相近的机械制造业常用标准尺寸（详见GB2822
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