活塞工艺夹具设计.docx

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活塞工艺夹具设计

摘要

活塞是汽车发动机中的一个主要零件，承受着交变的机械负荷和热负荷，发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，随着汽车整车对发动机动力性、经济性和可靠性的要求越来越严格，活塞也就更加需要具备良好的耐热性、耐磨性、导向性和密封性。

为满足零件的功能，其加工质量尤为关键。

基于活塞特有的机械加工工艺特点，单靠一般的通用机床很难满足活塞的高精度要求，因此专用的设备及工艺装备在活塞切削加工中使用广泛。

其功能和精度也直接影响了最终产品关键的质量指标。

本论文主要是针对活塞加工的工艺规程及加工中所使用的典型专用夹具、刀具和量具的设计进行详细说明。

根据活塞工作条件、结构特点以及技术要求等因素，编制了两套工艺方案，择优制定了活塞加工的工艺规程，并设计了两套关键工序中专用设备所使用的专用夹具以及专用的刀具和检具各一套。

关键词活塞；工艺；夹具；刀具；检具

Abstract

Pistonisamainsectionofautomotiveengine,whichendurecross-changingmechanicalloadandheatload.Itisalsooneofthekeypartswhichhavetheworstworkingenvironmentintheengine.Pistonneedtohavewellnatureofheat-resistant,wearable,orientedandairproofalongwiththewholeautorequiredmoreandstricterabouttheengine’scharterofmomentum,economyandreliability.thequalityofprocessingaresoimportantforsatisfiedthepartsfunction.

Basedonthetechnologiccharactersofmechanicalworkingwhichbelongtopiston,itisdifficulttosatisfythehighprecisiondemandofpistononlyrelayingonageneralcommonmachinetool.Sothespecialequipmentandtechnologicaloutfitareextensiveuseinpistoncuttingprocessing.Thequalityofthefinalproductsisalsodirectlyinfluencedbyfunctionandaccuracy.Thispaperisprimaryaimedattechnologicalprocedureofthepistonandgiveadetailillustrationabouttypicalspecialfixture,cutterandmeasuringimplementinprocessing.Accordingtopistonworkingcondition,structuraltrait,technologicalrequestandsomefactors,peopleweavetwotechnologicalproposals.Thebetterproposalwillselectedtomaketechnologicalprocedureofthepiston,anddesignaspecialfixture,aspecialcutterandatesttoolrespectivelyinprocessingofspecialequipmentintwokeyprocedures.

Keywordspiston;technology;fixture;cutter;testtool

目录

绪论…………………………………………………………….1

1活塞的工艺分析………………………………………………...2

1.1活塞的作用……………………………………………….2

1.2活塞的特点……………………………………………….2

1.3活塞的主要技术条件分析……………………………………3

2活塞的工艺规程的设计…………………………………………...4

2.1活塞的材料和毛坯的制造……………………………………4

2.2定位基面的选择……………………………………………4

2.3制定工艺路线……………………………………………...5

2.4机械加工余量、工序尺寸和毛坯尺寸的确定……………………9

2.5确定切削用量及基本工时……………………………………10

2.6重点工序的加工说明………………………………………..12

3专用夹具的设计…………………………………………………14

3.1车削外圆夹具的设计………………………………………...153.1.1工序加工要求及工艺分析………………………………….153.1.2夹具定位方案的确定（定位基准、定位元件的选择）…………..153.1.3夹具夹紧机构的设计……………………………………...163.1.4夹具体的设计……………………………………………173.2精镗销孔夹具的设计………………………………………...173.2.1工序加工要求及工艺分析………………………………….173.2.2夹具定位方案的确定（定位基准、定位元件的选择）………….173.2.3夹具的工作原理………………………………………….183.2.4夹紧液压系统设计………………………………………..18

4专用量具的设计…………………………………………………20

5专用刀具的设计…………………………………………………22

5.1滚压加工的介绍……………………………………………...22

5.2专用刀具（滚压头）的结构…………………………………..22

5.3滚压头的工作原理…………………………………………..23

结论……………………………………………………………..24

致谢……………………………………………………………..25

参考文献………………………………………………………….26

附录A英文原文………………………………………………….27

附录B汉语翻译………………………………………………….36

绪论

随着人类社会机械化、自动化程度的日益提高，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。

1活塞的工艺分析

1.1活塞的作用

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。

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。

1.2活塞的结构特点

6102活塞顶部为燃烧室,混合气体在里面燃烧,它的容积大小决定着里面能够容纳多少混合气体,也就决定了燃烧后所产生的压强大小。

靠近顶部的环槽分为气环槽和油环槽为放置活塞环用,在气环槽内放置的活塞环使活塞头部与气缸不接触,并用以密封活塞的顶部,防止漏气。

远离顶部的环槽钻有油孔,它把飞溅到气缸套内壁上的多余润滑油刮去,并通过油孔流回,使之不致进入燃烧室,活塞的裙部在活塞的工作过程中起导向的作用,底部有精加工的止口,它是为加工活塞而设置的辅助精基面,在结构和功能上没有作用。

在工作过程中将产生受力变形和热变形,由于活塞裙部在圆周方向刚度不同,在活塞的轴线方向的弹性变形比垂直于该方向的弹性变形大,使活塞裙部在受力后变成椭圆,另一方面,在高温的工作环境下也要产生热变形。

销孔轴线方向的金属厚,热鼓胀比垂直于该方向上的大,也将使活塞裙部变形后成为椭圆,这样的话将必然使活塞与气缸套的间隙,不均匀的减少乃至消失,以至产生强烈的摩擦甚至咬住。

为了补偿上述的变形,所以把活塞的裙部设计制造成椭圆开,椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上。

活塞在工作时顶部在直接和高温气体接触的,而裙部是间接传来的热量,故而头部的热鼓胀量要比裙部的大,为了补偿这种不均匀的变形,故把活塞头部的外径设计得比裙部小,同时头部也设计成上小下大的锥形。

同时在活塞裙部的销孔附近加工出凹坑,用来增加裙部与气缸套内壁的间隙。

1.3活塞的主要技术条件分析

1.3.1活塞裙部外圆与气缸的配合

活塞裙部外圆与气缸要求是一种精密地配合,因而裙部外圆一般要求公差等级IT6,为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二倍,装配时按裙部的尺寸分成二组对应装配,以保证大致要求的间隙。

裙部外圆的粗糙度Ra≤1.6μm

。

1.3.2活塞销的要求

为了使活塞销在工作过程中能在孔中自由转动,销孔的大小要求IT6级,同时为了减少机加工工作量,活塞和活塞孔的装配也采用分组装配法,销孔内圆的粗糙度Ra≤0.2μm。

1.3.4销孔（活塞的）的位置公差也应有严格要求

销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比,也就影响发动机的效率,因此控制在53.3±0.05mm内。

销孔轴心线对裙部轴心的垂直度影响活塞销,销孔和连杆的受力情况过大将使活塞销,销孔,连杆单侧受力。

活塞在气缸套中倾斜,加剧磨损,因此这一垂直度在100mm长度上公差为0.035mm。

销孔轴心线对裙部轴心线的对称度也会不均匀摩损,故而限制。

1.3.5活塞重量的要求

为了保证发动机运转平稳,在同一发动机上各活塞的重量不应相差太大,对于6120柴油机活塞,同级活塞的重量差不能超过20克,即活塞的重量差不得大于活塞名义重量的±2.5%.活塞在装配的时候应按重量进行分组。

2活塞工艺规程的设计

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定位基面的选择

定位基准的选择直接影响零件的加工精度和生产效率。

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，再以外圆表面和内腔顶面定位，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。

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这两工序中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．精镗销孔则由于精度要求很高，为避免产生基准不重合误差，而采用的是设计基准做为定位基准。

　　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制定工艺路线

制订工艺路线的出发点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大量生产和条件，故可以适当地采用专用机床配以专用夹具。

除此还应考虑经济效果，使生产成本尽量下降。

2.3.1加工方法的确定

1、裙部外圆

其精度、表面粗糙度要求要求比较高，一般可以采用粗车-半精车-粗磨-精磨或者粗车-半精车-精细车的加工方案。

在粗车、半精车之后，精加工时采用哪种方案，要由具体的生产条件、工件材料和裙部形状来确定。

对于本次设计的零件，是铝合金活塞，适合采用精细车是方案，而不是采用磨削方案，因为磨削时砂轮容易被堵塞而影响加工质量。

裙部加工时应该注意表面粗车和精车的余量和进刀量均不能太大，否则，粗车刀痕太深将会导致精车时切削抗力发生周期性变化，刀痕难以消除从而引起表面台阶。

精车余量及进刀量太大或精车时切屑除不畅，也会使表面存在台阶或各种杂乱痕迹，特别是裙部下方，情况更加严重。

精车时，椭圆长轴应与销孔轴线垂直，长轴数据在垂直于销孔轴线的方向上量取。

如果因为加工而引起椭圆长轴与销孔不垂直，会出现当长轴值等于图纸尺寸时，在实际椭圆长轴方向上的裙部壁厚将增加（如图2.1）。

就使这个方向上裙部与缸壁间隙减小，造成在这个方向上活塞裙部易发生磨损烧结等故障。

出现长轴偏离的原因主要由于精车活塞时夹具调整不良和装夹活塞时定位不良引起的。

因此在精车活塞时注意控制其长轴与销孔轴线垂直，允许偏差≤

图2.1长轴椭圆图

必须指出，椭圆长轴偏移和销孔偏心有区别，前者为加工时椭圆长轴离开图纸椭圆长轴规定的位置，是加工不当引起的。

后者指销孔轴线偏离活塞轴线，是改善活塞工作条件的需要。

2、活塞销孔

活塞销孔的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度和它与裙部轴线和顶面的位置精度均要求很高。

若活塞销孔轴线至顶部距离过小，会使压缩比变小；过大则压缩比增大，且顶部与缸盖碰击。

若销孔轴线与活塞轴线不垂直，将引起活塞在气缸中偏斜，使活塞局部磨损加剧，活塞裙部低端与平衡重发生干涉。

因此，虽然尺寸不大，但是以常用的扩孔-绞孔的方案是达不到要求的。

对于该液态模锻毛坯，由于销孔未锻出，扩孔之前要先钻孔。

到底采用何种终加工方法，要由生产条件和活塞销孔的尺寸决定，本加工零件的活塞孔比较小，所以适宜采用滚挤进行最终加工。

3、活塞环槽

在活塞的技术条件中，对环槽宽度的尺寸精度、环槽平面的表面粗糙度以及其与裙部轴线的相对位置精度的要求都很高，由于环槽的宽度与深度都不大，可用精确刃磨与安装的切槽刀经过粗车、精车两次加工达到全部要求，本零件气环槽深度和宽度都较小，可以不经过粗车而一次车削达到要求。

在精车环槽切刀入槽底时，切削力骤然增大（是初入槽底之前的4倍以上），有一个分力使拖板突然向上抬起，削弱了拖板在运动方向抵抗变形的能力；另一个分力在拖板上作用。

这两种力的反作用力通过活塞进一步作用到机床主轴和尾架顶尖套筒上，引起工艺系统突然产生很大的弹性形变，导致环槽侧面产生平面度误差。

另外，活塞定位基准与定位元件之间、机床主轴与轴承之间、尾架导筒与尾架孔之间都存在间隙，加上精车前粗加工的环槽底面与活塞精定位之间存在一定的同轴度误差而造成切削余量不均匀，都会使切削力发生改变，使工艺系统在产生形变的同时又产生振动。

这样为保证环槽上下平面的质量技术要求，就必须要求机床运动系统、工装、有良好的配合精度和刚性，并且对刀具的刚性、切削刃角度和锋利程度也有较高的要求。

4、活塞顶面

活塞顶面是比较重要的表面，在精车裙部外圆、精镗销孔等工序中要以顶面作为精基准，因此，要经过粗车，精车两次加工。

2.3.2工艺路线方案一

工序号　　　　　　　　　　工艺名称

　　　1．　　　　　　　　　钻销孔　　．

2．　　　　　　　　　车止口

　　　3．　　　　　　　　　铣销座凹坑

　　　4．　　　　　　　　　　铣顶面凹槽

　　　5．　　　　　　　　　　铣回油槽

　　　6．　　　　　　　　　　钻减应力孔

　　　7．　　　　　　　　　粗车前半外圆、精车各环岸

　　　8．　　　　　　　　　　精车顶面

　　　9．　　　　　　　半精车裙部外圆、精车各环岸

　　　10.钻销座油孔

　　　11.精车各环槽、环岸倒角

　　　12.扩销孔、外端倒角

　　　13.粗镗销孔

　　　14.精镗销孔

　　　15.　　　　　　　　销孔内倒角　

　　　16.　　　　　车锁环槽

　　　17.　　　　　　　　精车裙部外圆

　　　18.滚挤销孔

　　　19.清洗

　　　20.　　　　　　　最终检查

2.3.3工艺路线方案二．

　　　工序号工艺名称

1.钻销孔　

2.车止口

3.钻减应力孔

4.铣销座凹坑

5.铣顶面凹槽

6.铣回油槽

7.粗车前半外圆、精车各环岸

8.精车顶面

9.半精车裙部外圆、精车各环岸

10.精车各环槽、环岸倒角

11.中间检查

12.扩销孔、外端倒角

13.钻销座油孔

14.粗镗销孔

15.精车裙部外圆

16.精镗销孔

17.销孔内倒角

18.车锁环槽

19.滚挤销孔

20.清洗

21.最终检查

2.3.4工艺方案的比较与分析

在安排活塞加工的工序顺序时，要遵循下面的一些原则：

1、先基面后其他面。

在安排工艺过程时，前面的工序要为后续工序准备好定位用的精基面和供施加夹紧力的夹紧部位，以便保证定位准确、夹紧可靠。

在“半自动车削”工序之前先安排了“车止口”工序，以便为“半自动车削”工序加工出定位基面—止口内孔和内端面；还安排了“铣销座凹坑”的工序，目的是在活塞销座上边铣出两个凹坑，供“半自动车削”工序中安装工件时施加夹紧力用。

而“半自动车削”工序又为后面的一些工序如扩销孔、粗镗销孔、精车外圆裙部等准备好了精基面—顶面和头部外圆。

同时头部外圆也是提供这些工序施加夹紧力的表面。

2、先粗后精。

安排主要表面的加工工序时，按照粗加工-半精加工-精加工-光整加工的顺序进行，以避免粗加工和半精加工时，夹紧力、切削力、切削热等因素使工件产生较大的变形，破坏已精加工、光整加工的加工质量或使其受到损伤。

在活塞的加工工艺中，先安排“钻销孔”、“半自动车削”“扩销孔”“粗镗销孔”再安排“精车裙部外圆”、“精镗销孔”，最后才安排“滚挤销孔”工序，就是出于上述考虑。

3、同一主要表面的粗加工、半精加工、精加工、光整加工、尽量用其他工序隔开，以利于减少该主要表面因工件内应力重新分布而产生的变形，确保其加工精度。

如安排活塞销孔这一主要表面的加工顺序时，在“钻销孔”与“扩销孔”两工序间安排了多道工序，其中“车止口”和“铣销座凹坑”两道为加工辅助表面工序，“钻减应力孔”和“铣回油槽”两道为加工次要表面的工序，“半自动车削”为加工裙部外圆、环槽等主要表面的工序，“中间检查”为辅助工序，在“扩销孔”与“粗镗销孔”两道工序间，安排了“钻销座油孔”这一加工次要表面工序。

4、安排加工工序时，应该尽量避免断续切削，并使加工时的刚度尽量提高些，以提高刀具的耐用度，避免加工中的振动，确保加工质量。

如“车锁环槽”工序安排在“半自动车削”之前，这样，在“半自动车削”工序车削油环槽时，就自然得切除了减应力孔和回油槽外部的毛刺。

综合上面的叙述，方案二的加工工序最为合理，所以选择它作为活塞的加工工艺。

2.4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：

Φ126x156（mm）

2.4.1止口的加工余量

总余量：

3mm粗车余量：

2.6mm精车余量：

0.4mm

2.4.2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

2.4.3销孔的加工余量

滚压的加工余量：

0.15mm

精镗的加工余量为：

0.30mm

粗镗的加工余量为：

3.55mm

则总的加工余量为：

4mm

2.4.4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确定切削用量及基本工时（重点工序）

2.5.1加工条件

工件材料：

共晶铝硅合金金属模浇铸

加工要求：

精镗销孔

机床：

740金钢镗床

刀具：

精镗专用