金属材料学的课程设计.docx
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金属材料学的课程设计
金属材料学课程设计
题目：
摩托车发动机活塞的设计
学校：
专业：
学号：
姓名：
授课老师：
一、设计任务
摩托车发动机的活塞的设计
1、零件图（另附）
2、零件尺寸参数
活塞外径：
500mm
活塞内径：
41mm
活塞高度：
440m
销孔直径：
13mm
3、设计要求：
1）年产量10万。
2）选用300～4000C温度下仍有足够机械强度、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导
性好、具有良好减摩性和工艺性的材料。
2）设计合理的形状和壁厚，尽量减轻重量，缓和应力集中，使散热良好，强度、刚度符合要求，并有控制裙部膨胀的措施；
3）在不增加活塞组摩擦损失的条件下，保证燃烧室气密性好，窜气、窜油量不超过规定要求，且能保证滑动面上有足够的润滑油；
4）设计合理的活塞裙部型线和配缸间隙，使在各种工矿下都能保持活塞与气缸的最佳配合，减轻活塞敲击和缸套振动引起穴蚀的倾向。
二、活塞设计方案的选定
活塞的服役条件
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。
活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。
活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。
活塞的技术要求
1）密度较小，降低活塞的往复惯性力。
2）较小的热膨胀系数，减小活塞与气缸壁的间隙，保证热车时不拉缸，冷车时活塞不敲击气缸壁。
3）既有较小的从燃气吸热的能力，又有较大的热传导系数，以减低活塞顶部和环区的温度。
4）耐热性高，在高温下材料有足够的机械强度。
5）良好的减摩性能与耐磨耐蚀性能
6）价廉，工艺性良好。
（一）选材：
活塞材料一般采用的是铝合金和铸铁。
铸铁材料中，特别是珠光体铸铁工艺性好，价廉，有较高的机械强度和小的热膨胀系数，良好的耐磨耐蚀性能，主要缺点是比重较大，吸热性比铝合金大30%，热传导系数小，导热性差，与铸铁气缸套匹配后的减摩性不及铝合金。
铝合金的材料性能的优缺点正好和铸铁相反。
在低速发动机上，主要考虑耐磨性与强度，一般使用铸铁作为活塞材料。
高速发动机机为了降低惯性力，增加热传导，广泛使用铝合金。
铝合金的种类有两类：
铜铝系合金和硅铝系合金其中铜铝性合金由于比重稍大，热脆性大，热膨胀系数大，浇铸时易产生针孔，耐磨性差，消耗战备物质铜，已经淘汰。
目前，中小型发动机活塞较常用的原材料为球墨铸铁和铸铝ZL108。
1、球墨铸铁QT400-18
球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。
QT400-18为铁素体型球墨铸铁，具有良好的焊接性和切削性，常温时冲击韧性高。
而且塑性较高。
脆性转变温度低，同时低温韧性也较好。
用作能承受高冲击振动及扭转等动、静载荷的零件，要求较高的韧性和塑性，特别在低温工作要求一定冲击值的零件
1）化学成分
C
Si
Mn
P
S
Mg
3.6～3.8
2.3～2.7
＜0.5
＜0.08
＜0.025
0.03～0.05
2）性能及特点
抗拉强度400Mpa，屈服强度250Mpa
布氏硬度：
130~180
主要金相组织：
铁素体（100%）
特性：
有较好的塑性与韧性，焊接性与切削性也比较好，常温冲击韧性也较好。
2、铸铝ZL108
铝硅系合金，也叫“硅铝明”或“矽铝明”。
有良好铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，在铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金，含硅量在10％～25％。
有时添加0.2％～0.6％镁的硅铝合金，广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体和框架等。
有时添加适量的铜和镁，能提高合金的力学性能和耐热性。
此类合金广泛用于制造活塞等部件。
ZL108的合金牌号为ZALSi12CU2Mg1。
1）化学成分
Si
Al
Cu
Mn
Mg
10.0～13.0
余量
1.0～2.0
0.3～0.9
0.4～1.0
2）性能及特点
抗拉强度：
240Mpa，布氏硬度:
90HBS
特性：
可热处理强化，具有较高的室温和高温力学性能。
该合金密度下，热胀系数低，耐热性好。
其铸造工艺性能优良，无热裂倾向，气密性高，线收缩小，但有较大的吸气倾向，切削加工性较差。
且需要变质处理。
3、铸铁活塞与铸铝活塞的比较
1）铸铁活塞:
铸铁活塞系以铸铁铸造而成具有强度大耐磨膨胀系数小之优点其活塞与缸壁之间缝隙小冷却引擎时较不易漏气但其重量重散热较慢较不适合目前之高速引擎仅用于高负荷之中低速柴油引擎
2）铸铝活塞:
铸铝活塞系以铝合金造而成活塞表面并经过阳极处理使活塞表面产生一层氧化铝以提高吸油性与耐磨性铝合金活塞具有重量轻散热快之优点广用于现代之高速汽油引擎但其缺点为强度小易磨损膨胀系数大易因受热膨胀而卡死在汽缸内更多：
http:
//www.51240.co因此铝合金活塞之活塞间隙较铸铁活塞大。
通过以上比较，铸铝ZL108更适合于作为摩托车发动机活塞的原材料。
（二）、铸铝ZL108活塞毛坯加工流程及加工工艺的选择
1、毛坯加工工艺的选择
A、常见的毛坯加工工艺
常见的毛坯加工工艺有铸造和锻造。
铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。
铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间。
铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。
锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压（锻造与冲压）的两大组成部分之一。
通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。
铸造的优缺点：
优点：
1）生产成本低。
铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。
2）铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制。
3）可生产形状复杂的毛坯，特别适用于生产具有复杂的内腔的零件，节省切削加工工时，生产效率高。
缺点：
1）需用材料和设备多。
2）铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染。
3）铸件质量不稳定，尺寸精度不高。
锻造的优缺点：
锻造改善金属的内部组织，提高金属的力学性能；生产率高；适用范围广；可以大大地节省金属材料和减少切削加工工时；但是，不能锻造形状复杂的锻件。
B、毛坯加工工艺的选定
由于活塞的内腔结构比较复杂，用锻很难加工，而铸造更适合于形状复杂的零件的加工，且铸造具有成本优势，因此本设计选择铸造加工。
2、铸造加工工艺的选择
A、常见铸造加工工艺
铸造方法
适用金属
铸件大小
批量
表面粗糙度
加工余量
生产率
内部质量
金属型
以非铁合金为主
以中小件为主
大批、大量
12.5～6.3
小
中、高
结晶细
砂型
无限制
几克到数百吨
无限制
粗糙
大
低、中
结晶粗
铸造的种类很多，按铸型的材料分为砂型铸造和金属型铸造。
其主要区别如下表：
金属型铸造和砂型铸造的优缺点：
1）、砂型铸造：
优点：
1）可以铸造外形和内腔十分复杂的毛坯。
如：
各种箱体、床身、机架等。
2）适用性广泛，从几克到几百吨的铸件都可以。
3）原材料来源广泛，成本低廉。
如可以熔化铁屑。
4）铸件形状与零件尺寸比较接近，减少切削加工余量。
缺点：
1）工序较多，一些工序质量难以保证。
质量不稳定，容易形成废品。
2）铸件中容易出现缩孔和气孔，性能不如锻件，因此对于承载较大载荷的重要零件一般不用铸件。
2）、金属型铸造
优点：
1）金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。
2）铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定。
3）铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30％。
4）金属型铸造的生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；工序简单，易实现机械化和自动化。
缺点：
1）金属型制造成本高。
2）金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件洗不足、开裂或铸铁件白日等缺陷。
3）金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。
B、铸造加工工艺的选定
通过以上的比较，由于金属型铸造在生产效率、内部质量、表面质量等方面更具优势，因此金属型铸造更适合用于活塞的生产。
（三）本设计最终方案的拟定
通过以上各方方面的比较，本设计方案最终拟定为：
采用铸铝ZL108为活塞的原材料，用金属型铸造工艺加工活塞毛坯。
加工工艺如下所示：
配料→熔炼→浇铸→冷却凝固→开模→清理→检查→热处理→精加工→检验入库
三、ZL108活塞的铸造工艺设计
1、熔炼
（1）所选设备：
根据活塞的年产量、尺寸等因素选择坩埚式电阻熔铝炉
1、主要用途：
用于铝及其合金的熔化、保温。
2、成套范围：
1）.炉体（倾斜式带倾动装置）
2）.温度控制柜
3）.补偿导线
4）.热电偶
3、技术参数：
型号
额定功率（kw）
工作温度（℃）
感应电压（V）
相数
炉膛尺寸（mm）
每炉熔铝量（kg）
重量（kg）
RGL0.15~60
60
800
380
3
Φ600×1600
150
1500
通过对所选设备的技术参数及活塞的年产量、尺寸的分析可知该设备能够满足活塞的设计要求。
（2）熔炼工艺参数：
用途
熔炼纯铝及其合金
装炉量
120kg
铝液出炉温度
700℃～750℃
熔化时间
4小时
炉腔最高温度
1000℃
预热空气温度
300℃
（3）熔炼过程：
1、装料熔炼时的装料顺序为：
回炉料、铝硅中间合金、铝锭。
2、熔化及精炼当炉料装完之后，升温熔化。
待炉料全部熔化后，除渣并升温到700～720℃.。
然后用占炉料总质量0.3%～0.5%的六氯乙烷分三次用钟罩压入合金液中精炼，精炼总时间为10～15min。
精炼完后静置一到两分钟，做炉前分析和成分调整。
3、变质处理当温度达到730～750℃时，用占炉料总质量1.5%～2.5%的三元变质剂进行变质处理，变质总时间为15～18min。
2、浇铸
（1）选设备：
ZJ453低压铸造机
1、主要特点：
稳定性好，故障率低，运行稳定。
高精度液面加压系统保证充型压力误差≤2mbar，工艺重复性误差≤1%，达到同行领先水平。
节能降耗：
高效低耗的液压系统和保温炉系统，保温炉电耗11度/小时。
人性化的设备操作：
配备安全识别保护系统、触摸式工控系统，液面悬浮技术，自动适应取件机构，动模板位移传感技术，多种组合冷却控制系统，设备故障自动诊断和维护保养向
导。
2、技术参数：
型号
外形尺寸mm
工作台尺寸mm
额定功率kw
总重量T
熔炉容量kg
铝液温度
熔炉升温温度
最大工作压力mpa
ZJ453
5080×3100×4800
960×880
27
15
300
720℃±5℃
2℃/min
0.15
（2）浇铸工艺参数：
浇铸工艺参数
允许值
浇铸速度
30m/s～60m/s
浇铸温度
630℃～680℃
浇铸时间
8s～14s
（3）浇铸过程：
1、将液料浇注至型腔内，浇铸速度为30m/s。
2、金属液充满型腔后，在增压压力作用下进行凝固，并使凝固过程中产生的收缩得到补偿，以获得基本致密的组织。
3、然后静置一段时间，即留模时间，是指保压时间结束到开模这段时间。
4、将零件从模型中取出，以便进行下一步热处理过程。
三、热处理工艺设计
热处理目的：
热处理的目的是改变组织结构，最大限度地发挥材料潜力，以获得要求的力学性能。
最佳的热处理工艺应保证：
1）活塞直径尺寸的热稳定性；
2）活塞要有足够的强度和硬度，特别是高温的强度和硬度，确保活塞有良好的加工性能。
通过热处理加工提高了铸件的力学性能，消除内应力，降低材料硬度，提高延伸率。
（1）热处理方式：
对铸件ZL108选用去应力退火处理，以消除铸件在铸造和加工过程中产生的应力，提高尺寸的稳定性以及合金的塑性。
（2）所选设备：
该过程中所选设备为箱式退火炉，型号为RCXE12-9
1、主要特点：
本炉采用优质保温材料及耐火材料结构砌筑，具有保温性能好，低功耗。
2、技术参数
功率（kw）
温度（℃）
炉膛尺寸（mm）
12
950
500×300×200
（3）热处理工艺参数
加热温度
保温时间
冷却方式
510℃
5h
空冷
（4）退火过程
1、将型号为RCXE12-9的箱式退火炉加热到510℃.
2、将毛胚ZL108放入炉中保温5个小时。
3、将毛胚取出进行空冷。
4、热处理后的组织性能
经过热处理以后ZL108的化学成分更加均匀，机械性能和工艺性能得到改善，内应力得到消除，使该零件有更长的使用寿命。
四、活塞毛坯的精加工及车间设计
活塞加工的主要工序：
活塞外圆精加工、环槽精加工和销孔精加工
（1）、外圆精加工
活塞的横截面为椭圆曲线，纵向带有锥度，其外圆的精加工除了要获得规定的尺寸、形状和表面粗糙度外，还需要提高与止口的同轴度。
这一精加工工序括：
a.靠模车削以活塞的下端面和止口定位，沿轴线压紧，采用锥度靠模，由刀架上的指针控制刀具的运动轨迹，以实现活塞锥度的加工；
b.活塞偏心切削为了切削出横截面为椭圆的活塞外形，采用专用车夹具，夹具以活塞的下端面、止口及活塞销孔定位，沿活塞轴线压紧，使活塞的旋转中心与车床主轴的旋转中心偏移0.6±0.1mm，安装好零件，车一侧椭圆，将零件回转180°重新安装，车另一侧椭圆，两次车削，加工活塞外圆的椭圆度。
（2）、环槽精加工
方法如图，在前后刀架上分别装上两组切槽刀，以进行半精加工和精加工，环槽的宽度和槽间距离，决定于切槽刀的宽度和夹板的厚度。
为了提高槽宽和槽间距的精度，切槽刀和夹板的两侧面均需经过磨削，其厚度尺寸公差应限制在0.005～0.01m，为了保证环槽侧面与裙部轴线垂直，切槽刀应与活塞裙部轴线垂直，也就是要使刀架上装夹刀具的基准面与机床主轴轴线垂直。
这可在装夹刀具前用千分表找正，使其误差不超过0.01mm。
切槽刀刃口的表面粗糙度对环槽侧面的表面粗糙度影响很大，因此要求刃口表面粗糙度Ra为0.2μm，并需经过研磨。
切削液采用煤油和柴油的混合液。
活塞环槽加工示意图
（3）、销孔精加工
尺为了保证活塞与连杆的连接状况良好和发动机的正常运转，对活塞销孔提出了很高的技术要求，即销孔的精度等级为IT6级，表面粗糙度Ra为0.8，圆度为0.005。
销孔精镗工序是在金刚石镗床上进行
的，机床主轴采用静压轴承，刚性好，回转精度高，转速达到2500转每分钟；为了保证镗杆运转的平稳，在镗杆内加入平衡块，以达到较高的加工精度。
精镗销孔，选用活塞端面和止口及活塞销孔作为定位基准。
销孔轴线与顶面的距离尺寸，通过寸链的计算加以保证。
为减小夹紧变形，压住活塞的顶面来保证加工精度。
2、车间布置图
五、总结
本设计选择ZL108作为原材料，该材料具有良好的机械性能和工艺性能。
金属型铸造的加工工艺和去应力退火的热处理工艺使组织更加均匀，性能更加完善。
最后经过精加工使活塞的尺寸更加精确，以满足生产要求。
众所周知，发动机在运转时，活塞工作在高负荷环境中。
首先，活塞受气体压力、惯性力和侧向力的作用，气体压力和惯性力的方向和大小都是变化的，这就引起了活塞内应力的极度不均匀，容易引起材料的疲劳破坏。
其次，活塞在径向和高度方向上的受热不均匀，引起内部附加极大的热应力。
此外，活塞的不同部位还承受着局部力的作用。
活塞环岸作用着气体压力和活塞的惯性力，活塞在上止点摇摆使活塞上下边缘遭到冲击。
而且由于活塞形状复杂，各部分金属分布不均匀，在不同的直径方向，活塞的刚度是不同的，在不同的刚度之间，轴线方向上，活塞的热变形和热应力是不同的，活塞的受力和内应力也是极度不均匀的。
由此可见，活塞的的服役环境是比较恶劣的，按以上方案所设计的活塞不管是从机械性能还是工艺性能都是符合要求的，该方案设计的活塞在日常生活中被广泛应用。
在接受设计的时候开始我就认真查阅资料学习相关知识，认真对待自己的任务，并且在这设计的时间了锻炼了自己的动手能力独立思考的能力。
本次设计从四冲程发动机活塞所处的工作条件入手分析，通过合理的原材料选择、加工工艺选择及热处理，完成了100cc4冲程摩托车发动机活塞的设计。
通过本次设计，让我懂得了发动机活塞组设计的基本步骤，这将对我以后从事有关工作有极大帮助。
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