粗镗活塞销孔专用机床及夹具的设计.docx
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粗镗活塞销孔专用机床及夹具的设计
摘
要
本次设计题目为粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计。
本文主要介绍零件所用
夹具以及加工零件所用专用机床的设计过程并提供具体的设计参数。
本文主要分
为三部分，第一部分为绪论部分，主要对夹具以及专用机床进行简要的介绍；第
二部分为概述部分，本部分主要是对设计对象即零件进行具体分析；第三部分为
具体设计部分，本部分为本文的重点，本部分主要展示各个参数的计算过程以及
部分结构的设计原理，具体为机床动力选择，机床刀具及相关参数计算，夹具设
计计算，机床液压滑台设计计算，组合机床联系尺寸的确定等。
本文只对组合机
床的联系尺寸进行计算设计，对于具体结构不进行设计。
关键词：
活塞，夹具，组合机床
I
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
ABSTRACT
ABSTRACT
Thedesignprojectfortheroughpistonpinholeboringmachinetoolsandfixture
design.Thispaperdescribespartofthefixturesandmachinedpartswithspecial
machinesusedinthedesignprocessandprovidethespecificdesignparameters.This
paperisdividedintothreeparts,thefirstistheintroductionpart,fixturesandspecial
machinesforabriefintroduction;secondpartisanoverviewofpartofthis
componentispartofthedesignobjectsthatcarryoutspecificanalysis;Thethirdpart
isthespecificdesignpart,theDepartmentisdividedintothefocusofthispaper,the
parametersofthispartofthemaindisplaypartofthestructurecalculationprocessand
thedesignprinciple,thespecificpowerforthemachinetoolselection,machinetools
andrelatedparametercalculation,calculationoffixturedesign,machinedesignand
calculationofhydraulicslider,combinationdeterminethesizeofmachinetocontact
andsoon.Thislinkonlycombinationmachinesizecalculationdesign,theconcrete
structureisnotdesignedfor.
Keywords：
Pistons,fixtures,machinetool
II
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
目
录
中文摘要...................................................................................................Ⅰ
ABSTRACT..............................................................................................Ⅱ
1绪论..........................................................................................................1
1.1机床夹具及其发展趋势..............................................................................1
1.2专用机床简介及其特点..............................................................................3
2概述.........................................................................................................4
2.1毕业设计（论文）的内容和要求..................................................................4
2.2零件的工作条件和技术要求........................................................................4
2.3活塞主要技术条件分析..............................................................................5
2.4活塞的材料及毛坯制造..............................................................................5
2.5活塞销孔的机械加工工艺过程的分析............................................................6
3粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计.....................................................7
3.1夹具的初步设计方案.................................................................................7
3.2机床的初步设计.......................................................................................7
3.3夹具设计的计算.....................................................................................10
3.4机床的液压滑台系统的具体设计................................................................11
3.5V带传动的设计......................................................................................16
3.6组合机床联系尺寸的确定.........................................................................19
4设计总结...............................................................................................21
参考文献...................................................................................................22
III
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
1绪论
1
绪论
[10]
1.1夹具简介及其发展趋势
机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装
置。
又称卡具。
从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装
工件的装置，都可称为夹具。
例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。
其中
机床夹具最为常见，常简称为夹具。
在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图
纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将
工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。
夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、
夹紧装置、对刀引导元件（确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向）、分度装置（使
工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、
连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。
随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度
要求相应提高。
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已
占工件种类总数的85％左右。
现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适
应市场的需求与竞争。
然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具
有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产
的企业中，每隔3~4年就要更新50~80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20
％左右。
特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新
加工技术的应用，就新技术而言，一些更细化的要求被提出：
1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
2）能装夹一组具有相似性特征的工件；
3）能适用于精密加工的高精度机床夹具；
4）能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具；
5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动
生产率；
6）提高机床夹具的标准化程度。
为了适应不同行业的需要和经济性，夹具有不同的型号，以及不同档次的精度标准
供选择。
夹具的通用性直接影响其经济性，采用模块、组合式的夹具系统，只有夹具系
统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，
元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济使用才有推广
的价值。
在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具
技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。
1
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
1绪论
（1）、高精。
随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度对夹具
的制造精度要求更高高精度夹具的定位孔距精度高达±5μm，夹具支承面的垂直度达到
0.01mm/300mm，平行度高达0.01mm/500mm。
德国demmeler（戴美乐）公司制造的4m长、
2m宽的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为±0.03mm；精密平口钳的平行度和垂直
度在5μm以内；夹具重复安装的定位精度高达±5μm；瑞士EROWA柔性夹具的重复定
位精度高达2～5μm。
机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是
精密机械制造企业。
诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同的型号，以
及不同档次的精度标准供选择。
（2）、高效。
为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越
多。
为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、
气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。
新型的电控永磁夹具，加紧和
松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条
件。
为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线
切割机床夹具的安装与校正。
采用美国Jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分
钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上，球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹
具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。
（3）、模块、组合夹具元件模块化是实现组合化的基础。
利用模块化设计的系列化、
标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。
省工、省时，节
材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。
模块化设计为夹具的计算机辅助设计
与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，
进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。
模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户
提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改
进和完善夹具系统。
组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网
站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与
服务的通用化、远程信息化和经营电子商务化。
（4）、通用、经济夹具的通用性直接影响其经济性。
采用模块、组合式的夹具系统，
一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围
广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。
德国demmeler（戴
美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种
多样的焊接夹具。
元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，
经济实用才有推广应用的价值。
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重庆大学本科学生毕业设计（论文）
1绪论
1.2专用机床简介及其特点
机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为”工
作母机”或”工具机”，习惯上简称机床。
现代机械制造中加工机械零件的方法很多：
除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等，但凡属精度要求较高和表面粗
糙度要求较细的零件，一般都需在机床上用切削的方法进行最终加工。
在一般的机器制
造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40％-60％，机床在国民经济现
代化的建设中起着重大作用。
专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组成自动
生产线式生产制造系统中，不可缺的机床品种。
组合机床是专用机床的一种，它以标准
化部件为基础，配以少量的专用部件组成。
专用机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式,生产效率
比通用机床高几倍至几十倍。
由于通用部件已经标准化和系列化,可根据需要灵活配置,
能缩短设计和制造周期。
因此专用机床兼有低成本和高效率的优点,在大批、大量生产
中得到广泛应用,并可用以组成自动生产线。
专用机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。
加工时,工件一般不旋转,由
刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动,来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、
铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。
有的组合机床采用车削头夹持工件使
之旋转,由刀具作进给运动,也可实现某些回转体类零件（如飞轮、汽车后桥半轴等）的外
圆和端面加工。
3
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
2概述
2
概述
2.1毕业设计（论文）的内容和要求：
内容：
（1）进一步熟悉机床专用夹具设计的基本知识，熟悉机械制造工艺方面的知识，
培养独立设计机械产品的能力。
（2）绘制出活塞销孔零件图、加工示意图、被加工零件工序图、组合
机床联系尺寸图和夹具结构图等。
要求：
（1）设计方案和计算正确。
（2）对机械制造工艺即夹具设计方面的知识和机床设计进行更全面了解。
2.2零件的工作条件和技术要求：
工作条件：
1）高温—导致热负荷大：
活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬变高
温燃气的作用，燃气的最高温度可达2000～2500℃，因而活塞顶的温度也
很高。
温度分布不均匀，有很大的热应力；
2）高压—冲击性的高机械负荷：
高压包括两方面①活塞组在工作中受
周期性变化的气压力直接作用，气压力Pz（MPa）一般在膨胀冲程开始的上
止点后10°～20°达到最大。
②活塞组在气缸里作高速往复运动，产生很
大的往复惯性力。
3）高速滑动：
内燃机在工作中所产生的侧向力是较大的，特别是在短
连杆内燃机中；
4）交变的侧压力：
活塞上下行程时活塞要改变压力面，侧向力方向不
断变化，造成了活塞在工作时承受交变的侧向载荷。
设计要求:
1）选用热强度好，散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好减磨性和工
艺性的材料
2）形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度和刚度符合要求，尽量避
免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙
3）密封性好，摩擦损失小
4）重量轻。
4
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
2概述
技术要求：
1、活塞裙椭圆度为
0.08—0.13。
2、裙椭圆长轴应与活塞销孔中心线垂直，垂直度公差为
3、环槽侧面粗糙度小于0.4∝m。
4、椭圆长轴如下表分组出厂：
100：
0.035。
组别
裙部椭圆长轴
A
101.490—101.505mm
B
101.505—101.520mm
C
101.520—101.535mm
2.3活塞主要技术条件分析：
销孔尺寸公差IT6级以上。
当销孔直径小于
50mm时销孔圆度误差不大于
0.0015mm，圆柱度误差不大于0.003mm。
销孔内圆表面粗糙度
Ra≤0.2μm。
活塞销孔轴心线到顶面的距离定为
56±0.08mm。
销孔轴心线对裙部轴心线
的垂直度在100mm长度上公差为
0.35mm。
销孔轴心线在裙部轴心线的对称
度为
0.2mm（具体请参考零件图附件）。
2.4活塞的材料及毛坯制造：
活塞材料：
为了使活塞有足够的强度和刚度，质量要小，导热性好和有较小的摩擦系数，活塞
材料普遍采用硅铝合金，柴油机活塞则多用铜镍镁铝合金。
硅铝的主要化学成分是（国
标108号铝）：
Si含量10.5%--13.0%，Cu含量1.0%--1.8%，Mg含量0.4%--1.0%，
Mn含量0.3%--0.9%，Fe含量0.2%--0.7%，其余是铝。
硅铝合金材料与铸铁材料相比有以下优点：
（1）导热性好，使活塞顶面降温快，可以提高发动机的压缩比，不至
于引起混合气体自燃，可以提高发动机的效率；
（2）重量轻，惯性力小；
（3）切削性能好；
（4）铸造流动性好，可以得到精确的毛坯。
毛坯制造：
由于是大批量生产，为了提高毛坯的精度，铸出活塞销孔及燃烧室，减
少机加工余量，故而毛坯的铸造是采用金属模铸造。
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重庆大学本科学生毕业设计（论文）
2概述
内燃机活塞毛坯制造方法包括以下步骤：
1、配置活塞材料，制作与活塞油道形状吻合的合金型芯，所述合金型
芯的熔点低于活塞材料的固熔处理温度；
2、将所述合金型芯对应放置于冷压模具型腔，然后放入活塞材料，冷
压成形形成活塞坯料；
3、将所述的活塞坯料顶部朝下烧结形成烧结毛坯；
4、将所述的烧结毛坯放入对应模具中，挤压形成活塞精坯；
5、进行固熔处理及时效处理，固熔处理时将所述活塞精坯顶部向上放
置，使合金芯熔化后流出，形成活塞的冷却油道。
固溶温度约是660度，
时效280度。
2.5活塞销孔的机械加工工艺过程的分析：
零件名称：
解放牌汽车活塞
材料：
铝合金HB95~140
年产量：
25~30万件
铝活塞的毛坯一般都铸出锥形销孔（便于拔模）。
由于销孔是许多工序施加夹紧力的
部分，所以在粗车止口工序之后即对销孔进行粗镗，以便在其后的工序，夹紧力能较均
匀地分布，而不至于压坏销孔所在的搭子。
工序示意图如下：
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重庆大学本科学生毕业设计（论文）
3粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计
3
粗镗活塞销孔专用机床及夹具设计
3.1夹具的初步设计方案：
作为夹具部分的设计主要是考虑定位基准的选择。
基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所要依据的那些点、线、面。
定
位基准的选择会直接影响到零件表面间的位置精度，并且会对加工工序的安排产生重要
影响，从而直接影响到零件的加工精度。
根据粗基准，精基准的选择原则：
遵循基准统一、基准重合、互为基准、自为基准。
具体要求如下：
粗基准的选取原则：
以不加工的表面作为粗基准；选择要求加工余量均匀的表面作
为粗基准；选择余量最小的表面作为粗基准；选择平整、光洁、尺寸足够大的表面作为
粗基准；粗基准应尽量避免重复使用。
精基准的选取原则：
基准重合；基准统一；应尽量选择尺寸较大的表面作为精基准。
活塞属于薄壁型零件，故而在外力作用下易变形，同时活塞主要的尺寸及位置精度
都要求很高，所以应该采用统一的定位基准来加工零件，由于薄壁件的原因，假设采用
外圆定位则极易产生变形。
因此采用活塞止口与端面作为统一的基准。
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、销孔等主要及其他次要表面，而
且
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