活塞工艺夹具设计.docx
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活塞工艺夹具设计
活塞工艺夹具设计
AnhuiVocactional&TechnicalCollegeofIndustry&Trade
毕业论文
活塞工艺夹具设计
所在系院：
机械与汽车工程系
专业班级：
机械制造与自动化
（一）班
学生学号：
**********
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**************************************
年月日
安徽工贸职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
系（院）专业班级
学生姓名学号
一、题目：
二、内容与要求：
毕业论文应按照《安徽工贸职业技术学院毕业设计（论文）工作管理规定》的要求书写，论文应具有一定的专业性、创新性、观点正确、论据充分、层次分明、条理清楚、语言简练，目的是培养学生运用所学专业知识分析问题、解决问题的能力，提高学生综合素质和创新思维能力。
三、设计（论文）起止日期：
任务下达日期：
年月日
完成日期：
年月日
指导教师签名：
年月日
四、教研室审查意见：
教研室负责人签名：
年月日
活塞工艺夹具设计
摘要活塞是内燃机重要零件之一，发动机在工作的时候，燃油燃烧所产生的气体膨胀力使活塞运动，通过连杆的传动，使曲轴快速旋转。
活塞在很高的温度、很高的压力下做长时间变负荷的高速往复运动。
因此对活塞的各项指标要求很高。
它在工作时的状况会影响到发动机的燃油消耗率和使用持久度的关键，而且还关系到发动机的排放功能。
若活塞设计不合理，内燃机工作时所会让活塞的整个温度都非常高。
并且热量的不平均分布会让活塞发生变形。
所以，活塞的加工在发动机的设计中非常重要。
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。
本毕业设计论文对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进行了分析，以及在夹具设计过程中应该注意的问题。
关键词：
活塞 加工工艺 夹具设计
Pistontechnologyoffixturedesign
AbstractThroughthedesignofthepistonmachiningtechnologydevelopmentathomeandabroad,thestructurecharacteristic,workingconditionsandtheanalysisofthestructurecharacteristics,designprocessanddesignofapiston,whichmainlyinclude:
thepistonmaterialselection,blankmanufacturingmethod,mechanicalmachiningallowance,eachprocesstodeterminethedeterminationofcuttingconditions.Finally,hasdesignedasetofmachinetoolfixtureboringpistonpinholejig,whichincludesthefollowingcontent:
positioning,clampingdevice,fixingdevice,composedofstandardpartsselection,fixturedesignandintheprocessshouldpayattentiontotheproblem.Throughtheanalysisanddemonstration,processdesignandfixturedesignofthepistonisreasonable.
Keywords：
Piston,technology,process,fixture,positioningandclamping.
摘要Ⅰ
引言1
1活塞材料及毛坯的选择2
1.1活塞材料2
1.2毛坯选择2
1.2.1毛坯的发放2
1.2.2确定机械加工余量2
1.3定位基准的选择2
1.3.1粗基准的选择2
1.3.2精基准的选择3
2活塞的加工工艺4
2.1活塞的结构特点4
2.1.1活塞顶部4
2.1.2活塞头部4
2.1.3活塞裙部4
2.2活塞的加工阶段划分4
3夹具体的设计6
3.1夹具体的毛坯结构6
3.2夹具体外形尺寸的确定6
3.3夹具体的排屑结构6
四．四孔夹具设计6
4.1工件的定位7
4.2定位误差的分析与计算9
4.3工件的夹紧9
4.4导向装置的确定9
4.5标准件的选择10
五．结论11
六．参考文献12
七．致谢13
引言
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。
2012年中国汽车产销量突破2000万辆，2013年更是突破了2300万辆，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。
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。
1活塞材料及毛坯的选择
1.1活塞材料
活塞的设计应当根据发动机的各项指标，使用条件和加工条件的各方面考虑，先设计出加工技术上与经济上很合理的何塞接够方法，再设计出相关的技术需要。
活塞结构特征选择重点如下：
（1）为了降低活塞的惯性力和质量应该选用密度很小的材料。
（2）运用导热系数较大的材料，来减低活塞顶部的温度，使活塞能够充分的散热。
（3）可以保持良好的高温力学性能。
（4）拥有优秀的减小摩擦力的性能，来降低摩擦损失并拥有充足的热稳性和耐磨性。
（5）易于铸造或模压，易于加工。
（6）具有较好的耐腐蚀性。
1.2毛坯选择
1.2.1毛坯的发放
毛坯一般由铸造车间生产，经检测合格后入库，再由物流部按照生产计划统一发放毛坯进入机加工车间进行生产。
1.2.2确定机械加工余量
铸锻件的机械加工余量按JB3735-85确定，加工余量的确定应根据估算的锻件的重量、加工精度及锻件形状的复杂系数来确定，由《简明机械加工工艺手册》查得：
金属型铸件的尺寸公差等级为6～8级。
相应的加工余量为：
外圆加工余量为4.0mm，销孔加工余量为3.0mm。
1.3定位基准的选择
1.3.1粗基准的选择
粗基准选择应从以下几方面考虑：
（1）应当尽量选用不加工表面作为粗基准，当在工件上有很多不需加工的表面时，以其中与加工面的位置精度要求较高的表面作为粗基准。
（2）选择加工余量较为均匀的表面作为粗基准。
（3）选择加工余量较小的表面作为粗基准。
（4）作为粗基准的表面应尽量平整，没有冒口、浇口以及飞边等缺陷，以便定位可靠。
（5）一般粗基准只能使用一次，特别是对于主要的定位基准，这样可以避免产生较大的位置误差。
1.3.2精基准的选择
活塞属于薄壁筒形零件，其径向刚度较差，并且其主要表面的尺寸精度以及各主要表面之间的相对位置精度要求较高。
根据这种结构特点和其技术要求，精基准的选择应主要从以下几方面考虑：
（1）尽量用设计基准作为定位基准，实现“基准重合”，以避免产生基准不重合误差。
（2）当工件以某一组精基准定位可以较方便地加工很多表面时，应尽可能的采用此组精基准定位，实现“基准统一”，以避免产生基准转换误差。
（3）当精加工或光整加工工序要求加工余量尽量小而均匀时，应选择加工表面本身作为精基准，即遵循“自为基准”的原则。
该加工表面与其他表面间的位置精度要求由先行工序保证。
（4）为获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循“互为基准”、反复加工的原则。
（5）有多种方案可供选择时，应选择定位准确、稳定、加紧可靠，可使夹具结构简单的表面作为精基准。
2活塞的加工工艺
2.1活塞的结构特点
2.1.1活塞顶部
活塞上面作为燃烧室的一部份，受到的压强来自高温气体。
零件的头部有平、凸、凹顶等不一样外形，一些活塞的头部在和汽门相应的地方存在凹陷，这么做得原因是让气门和上止点不碰撞在设计的。
2.1.2活塞头部
活塞头部指的是在活塞环槽上面的部分，作用是用来装活塞环，来使气缸能够被封好。
活塞头部具备环槽用以安放活塞环，大多数有3根活塞环槽，在最底下这个环槽的作用是用作安放油环其余的环槽的作用是用以安放气环。
油环环槽下面的孔的作用是使气缸内壁上剩余的润滑油能够顺利的回到曲轴箱。
一些油环槽的下面是一根很窄的槽，除了让润滑油回到曲轴箱的功用以外，还可以用来降低活塞整体的温度，则叫做隔热槽。
一些活塞在裙部下面设有隔热槽。
另外一些活塞再第一个环槽的上面做有隔热槽，来降低活塞顶部朝下面传输的热能。
2.1.3活塞裙部
活塞槽以下的部分我们称之为活塞的裙部，对活塞的重复运动起到一个引导的功能。
在室温下，活塞裙部的轴是垂直于活塞椭圆的方向，以确保在热状态的活塞和气缸之间的间隙均匀。
在常温下活塞呈上小下大的锥形。
一些活塞的裙部除设置隔热层之外，另设有膨胀槽，膨胀槽让活塞裙部拥有了一些韧性，在温度比较小的时候与缸壁之间的距离很小，还有在高温度很大时在气缸中不会拉缸。
膨胀槽一定要斜着，不能与活塞的轴处于同一个平面，来防止气缸的损毁。
为了让槽根除不至于损毁，在隔热槽和膨胀槽的底部都一定要添加止裂孔。
活塞的环槽会导致其强度和刚度的减小，因此这个方法只能运用于小负荷内燃机。
为了降低活塞裙部的胀大量，一些活塞在销孔中装配得有“恒范钢片”。
2.2活塞加工阶段划分
活塞加工工艺过程按阶段可划分为：
粗加工阶段→半精加工阶段→精加工阶段→光整加工阶段。
活塞外圆以及销孔是活塞的重要加工面，其加工质量要求比较高，因此外圆加工时安排了粗车，精车，金刚石车三个加工阶段，销孔加工时安排了粗镗，精镗和滚压三个加工阶段。
而其余的加工质量要求并不高，并且毛坯采用金属型铸造精度比较高，加工余量小，故其余工序均安排粗加工、精加工两阶段完成。
各阶段加工技术要求如表1.2所示：
表1.2活塞各阶段加工要求
加工阶段
加工要求
粗加工阶段
去除各加工表面的余量，作出精基准，此阶段主要加工要求是提高生产率
半精加工阶段
减小粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度，为下一步精加工做好准备
精加工阶段
确保零件的尺寸、形状和位置精度达到所规定的精度要求
3精镗销孔夹具设计
3.1加工活塞销孔夹具的定位误差解析
制造铝活塞的时候在毛坯上大都有锥形销孔（方便拔模）。
因为很多工序的夹紧力都作用在销孔上，那么就必须对销孔实行精镗加工在所有的精加工之前，这样可以让家境里能够平均的分布，确保重要的表面处理，可以获得较高的精度，而不破坏销孔的位置精度。
3.1.1定位方式和定位元件
设计夹具的时候应当根据工艺步骤来选择定位精准。
不管是定位基准或者工艺基准，都必须满足六点定位的要求。
某个东西在三维空间里能运动的方向叫做自由度。
在三维空间里，物体能沿着X、Y、Z轴的平移或者绕着X、Y、Z轴的旋转，总共可以拥有六个互不干扰的运动，就是所谓的六个自由度。
零件的位置确定，即是使用合适的方式来约束它，用以去除零件的这六个自由度，来使零件能准确的定位，叫做六点定位原理。
依据上面的加工工艺，这个工艺步骤我们使用止口、端面和销孔来进行定位，为使和止口能配合，我们就用止口盘来作为定位的原件。
零件的端面和止口与止口做接在一起，这样便制止的除Z轴之外的5个白由度；Z轴方向的定位方式为在销孔中插入菱形销。
零件的所有自由度被确定下来，便完成了定位。
3.1.3定位误差分析与计算
（1）、产生定位误差的原因a.基准不重合所产生的定位误差
工序定位基准和夹具定位基准和一样，这两个定位基准所产生的位置误差回被反映到加工的位置上，这样产生的误差叫做基准转换误差。
b.间隙引起的定位误差
在利用销、轴和定位套来进行定位的时候，定位工件和该定位面之间的间隔会使其发生定位的不准确。
菱形销和销孔的定位最大间隔是：
maxminxgDd式中maxD——定位孔最大直径；mind——定位销最小直径；△——销与孔的最小间隙；x——销的公差；g——孔的公差；
因为菱形销和销孔间有间隔，工件安装时可能会产生一些偏离，它的偏离距离是以δ为直径，把销孔中心店最为圆心的圆。
如多在定位的时候永远是以偏向销的一边，那么定位就会以销的一根母线作为精准，零件定位误差便是g2
1。
在精镗销孔的时候活塞销孔和凌形销之间的配合是H7/f6，那么，
maxD=52.08+0.05＝52.13mm，mind52－0.022＝51.978mm，销孔和菱形销的最
大间隔是δ＝52.13－51.978＝0.152mm。
c.定位误差和夹具的相关因素
这个原因大都是因为夹具在设计和制造过程中所产生的误差，例如
1）定位基准面与定位元件表面的开关误差。
2）导向元件的位置误差，刀具元件与定位元件，其形状误差由于定位误差和差异。
3）夹具安装在机床上所产生的误差，对定误差使零件相对于刀具轴向或者移动方向所发生的位置差距。
4）夹紧力使工件或夹具产生变形，产生位置误差。
5）定位元件相互之间所产生的位置误差，还有导向元件、定位元件和定向元件等相互、关原件的磨损。
计算上面所说的的定位误差，大多是在大批量制造时运用调整法加工的时候，相对具体的夹具才能分析出相关的定位误差，要寻找出每个环节所产生的误差，再用概率法求出总的定位误差。
若使用试切发来加工，大都不会做定位误差的分析计算了。
3.2工件的夹紧装置的设计
3.2.1夹紧装置的组成
一般的夹具，是典型的夹紧装置，是由下列几个部分组成。
（1）中心传递结构：
中心传递机构是在夹具和力源质检的传递结构。
他将力源中的夹紧力传送给夹具，再由夹具来完成对零件的最终加紧。
大多数传递机构可以再传输力的同时，还可以变化夹紧力的大小和方向。
我们设计的夹具是压杆和拉头的传递力的结构。
（2）需要夹紧的零件和夹紧机构:
夹紧元件是最后一个元素的夹紧装置。
经过夹紧机构和零件的受压面相接触来进行夹紧。
我们这个夹具设计是依据工件的特征来设计成螺旋装置来夹紧。
3.2.2对定装置
夹具的低面是夹具最重要基面，对于底面的处理更加精细，夹具上的每个定位工件相对低面来说需要很高的位置精度。
为保证夹具在切削是能够准确的运动，在夹具的最下面设计得有定向槽，安设两个确定方向的键，这两个键便可以将夹具体稳定的固定在T行槽内。
使用优良配合，大多使用H7/g6。
因而得知，为了确保零件在切削是能够沿着规定的方向，上述的两个键和定位元件碧玺有很高的位置精度。
3.2.3标准件的选取
夹具的紧固螺栓的选择：
选择的螺栓是M8，长度为45mm,功能级数是8﹒8级，外表氧化处理，螺栓的原料为35号钢，全螺纹螺栓，标记为：
M8×45。
选着紧固衬套的螺大小，依照国际标准来选取，螺栓的数据是M4，螺栓长度为10mm，功能级数是4.8级，原料为35号钢，不经表面处理开槽圆柱头螺钉，标记为M4×10。
选着选装手柄和压紧螺栓，选着的直径是10mm，长为38mm，原料为35号钢，不经过淬火处理，也不进行外表处理的圆柱销，标记为：
10M6X38
4钻四孔夹具设计
4.1工件的定位
1.由于加工的四孔没有严格的位置要求，只限制四个自由度就行。
所以采用中心孔定位。
4.2工件的夹紧
查《机械加工工艺手册》表10·4—11有：
钻孔加工时轴向力计算公式为：
（18）
式中
—钻削加工轴向切削力；
—钻头直径；
—切削进给量；
—加工材料的屈服强度；
代入数据计算得
＝201N
取夹紧安全系数为K＝2.5
螺旋夹紧机构源动力：
=1056.8N
为方便加工完成以后取出活塞零件，在夹具中增加了弹簧。
根据《机械设计手册》表261-1、261-11可知，该弹簧选用国标件GB/T2089—1994，弹簧半径D＝20mm，弹簧材料65Mn,截面直径d＝2mm，有效圈数n＝6.5，长度H＝20mm，一圈弹簧的刚度K＝316N/mm。
弹簧的预紧压缩量为0，夹紧工件后的压缩行程S＝0.2mm，故弹簧产生的力
＝
＝6.5×316N/mm×0.2mm＝410.8N。
所以本夹具的夹紧力
＝1056.8N+410.8N＝1467.6N
4.3导向装置的确定
刀具的导向是为了保证孔的位置精度，增加钻头和镗杆的支承以提高其刚度，减少刀具的变形，确保孔加的位置精度。
本设计中所选用的导向装置是可换钻套。
如图7所示，可换钻套是先把衬套用过盈配合H7/r6固定在钻模板上，再采用间隙配合H7/g6将可换钻套装入衬套中，并用螺钉压住钻套。
这种钻套更换方便，适用于中批以上的生产。
1—钻套2—衬套3—钻模板4—螺钉查《机械加工工艺手册》表10·4—11有：
钻孔加工时轴向力计算公式为：
式中
—钻削加工轴向切削力；
—钻头直径；
—切削进给量；
—加工材料的屈服强度；
代入数据计算得
＝201N
取夹紧安全系数为K＝2.5
螺旋夹紧机构源动力：
=1056.8N
为方便加工完成以后取出活塞零件，在夹具中增加了弹簧。
根据《机械设计手册》表261-1、261-11可知，该弹簧选用国标件GB/T2089—1994，弹簧半径D＝20mm，弹
图7可换钻套
Fig7Replaceabledrillsleeve
簧材料65Mn,截面直径d＝2mm，有效圈数n＝6.5，长度H＝20mm，一圈弹簧的刚度K＝316N/mm。
弹簧的预紧压缩量为0，夹紧工件后的压缩行程S＝0.2mm，故弹簧产生的力
＝
＝6.5×316N/mm×0.2mm＝410.8N。
所以本夹具的夹紧力
＝1056.8N+410.8N＝1467.6N[20]
4.4标准件的选择
查相关书籍及《机械加工工艺手册》，联接销选用GB/T119—2000，材料为35钢，不经淬火、不经表面处理；夹紧螺钉选用GB/T65－2000；夹紧螺栓选用GB/T5783—2000；垫圈选用GB/T97.1—2002,材料为Q235，不经表面处理；键选取GB/T1096－1979；压紧螺母选取GB/T6170—2000，螺纹规格为D＝M20，性能等级为8级，不经表面处理，产品等级为A级的1型六角螺母，标记为：
螺母GB/T6170；弹簧选取GB/T2089—1994,A型、材料为60Si2MnA，表面渡漆处理的右旋圆柱螺旋压缩弹簧；钻套按GB2268—80选取，材料T10A，热处理：
HRC58～6；与钻套配合使用的钻套用衬套从GB2263—80选取，材料T10A，热处理：
HRC58～64（具体见夹具装配图）。
结论
综上所述，我对汽车发动机活塞加工工艺进行了分析及其夹具的设计。
本设计的设计思想从整体功能设计出发，先分析设备需要完成哪些功能，可能实现这些功能的方式，然后分析其可行性。
绘装配图的过程是不断查资料，边画、边算、边改的过程，查阅了各种资料，最终设计了本次方案。
另外，在毕业设计过程中，通过搜集文献，搜集产品样本，思考可行方案，三年里所学的专业知识得到一定程度的运用，也培养了我的独立思考和研究能力，也养成了遇到困难积极思考和查阅资料的好习惯。
此次设计我也重点针对以上问题做了研究，如可采用可控热膨胀结构活塞设计来减小裙部的热膨胀量，减小活塞与气缸之间的间隙，降低发动机噪音；采用止口和端面作为统一基准。
在精加工过程,除精车外圆等少数工序用止口锥面和中心孔定位外,其余工序均采用止口和端面定位，以此减小由于基准不统一带来的加工误差；尽量将简化加工工序，缩短每道工序时间，采取工序集中的原则，减少由于多次装夹带来的加工误差，提高产品合格率。
目前，制造活塞的材料有很多，但各有其缺点，同时活塞的结构和加工工艺也还需要进一步改进，活塞的生产具有较为宽广的市场空间。
从短期发展来看,铝合金仍是活塞生产的主导材料,但从长期发展来看,随着新型复合材料制备技术的成熟及生产成本的不断降低,新材料活塞应用前景日益广阔，在活塞生产领域，谁能够不断的更新产品结构和改进机械加工工艺，谁就能主导活塞生产市场。
由于能力所限，设计中还有许多不足之处，恳请各位老师、同学们批评指正！
参考文献：
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机械工业出版社，2006.
[5]赵如福.金属机械加工工艺人员手册[M].上海：
科学技术出版社，2005.
[6] 徐圣群.简明机械加工工艺手册[D].上海：
上海科学技术学院，2005.
[7] 李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：
机械工业出版社，2007.
[8] 万欣.林大渊.夹具设计[D].天津大学，2005.
[9] 马飞跃.车床夹具设计[J].机电信息，2009，36:
185～186.
致谢
经过了两个多月的努力，我的毕业论文《活塞工艺夹具设计》终于完成了。
在本次毕业设计中，我得到了老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中无不饱含着老师的汗水和心血。
首先要感谢的是我的指导老师方旭老师，在整个过程中他给了我很大的帮助。
他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。
同时感谢所有任课老师三年来对我的培养。
是你们在我有困难的时候帮我们解决困难。
借此，感谢大学三年中我的班主任和任课老师们给予的教诲，你们的教诲，不仅让我学到了书本的基础知识，更重要的是让我学会了如何做一名优秀的大学生，如果没有你们的辛勤教诲，也不会有我今天的成长。
也感谢学院为我们提供了一次这样好的机会，使自己在学习的同时也锻炼了自己的实践能力。
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