活塞金属型模具方案设计书Word格式.docx

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摘要

活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。

它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程，油气燃烧所产生的热由活塞的顶部所吸收，并传至气缸壁，而燃烧后气体膨胀所产生的力量也必须经活塞来吸收，活塞会把燃烧气体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆作用将活塞的线性往复运动转换曲轴的旋转运动。

活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载合和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。

现代的活塞设计主要有铸造和锻造两种，二铸造比锻造简单便宜，但却不及锻造活塞能承受较大的热度和压力，由于活塞与活塞都必须在高温、高压、高速及临界润滑状态下工作，因此长期以来，发动机设计者都为提供一个最佳的设计而不断努力，进而可以从活塞方面来提高性能。

关键字活塞附加载荷燃烧室金属型模具

ABSTRACT

thepistonofcarmotorisoneofmainaccessoriesesinthemotor,itandthepistonwreath,pistonselletc.thesparepartsconstituteapistonsetandcoverwithaircylinderetc.constitutecombustionroomtogether,beargasfunctionthedintalsosellthroughapistonandconnectthepolepassmotivesongstalktocompleteinsidetheworkprocessofRanmotor.theoilannoysthecombustionproducesofhotfromthecopingofpistonabsorb,andspreadtoaircylinderwall,andcombustionempressthestrengthproducedbyairinflationhacetoalsoabsorbthroughthepiston,thepistonwillchasecombustionairpressureandinertialdintthroughconnectthepolespreadtosongstalkup,makeuseofconnectthefunctionofpoleexercisethelinebackandforthofpistontoconcertrevolvingofsongstalksport.

Theeffectofpistonbearsairpressure,andselltopasstoconnectapoletoorderaboutsongstalktorevolvethroughapiston,constitutingofthepistonacopingstillcombustionroompart,Pistonundertheconditionthaiheat,highpressure,highspeedlubricatebadwork.Thepistonisexercisedwithveryhighspeedbackandforthintheaircylinder,andspeedatconstantlyvariety,thisproducedverygreatlyinertialdigandmadethepistonbeensubjectedtoverybigofaffixturecarryalotus.Thepistonisunderthisbanconditionwork,willproducetotransformandacceleratetowearaway,alsoproduceaffixturetocarrylotusandheatinresponsetothedint,subjectedtochemistryogthegascorrosionfunctioninthemeantime,Modernofthepistondesigntomainlyhacethefoundryandforging2kinds,butcastagainthanforgingsimplecheapness,butcannotcomparewithforgingpistoncanbearbiggerheatandpressure.Pistonandpistonwreathshavetoworkundertheappearanceoftheheat,highpressureandhighspeedandthecriticallubrication,thereforeforlongtimethemotordesignsallcontinuorslymakegreateffortforprovidingabestdesign,thecanraisethefunctionofenginefromthepiston

Keywords：

PistonAdditionalcarryalotusBurnableroom

MetalDiedesign

引言

一、活塞前景及意义

当前活塞环企业缺失的就是自己未研究掌握未来的可以引导行业的前沿技术，最多只处在依葫芦画瓢、给参数设计的阶段，即使设计了验证的手段往往还是依赖整机厂或国外的研究机构。

国内同行在活塞环相关件的整体研发方面还有着很长的路要走。

人才队伍国际化，也是活塞环行业发展的迫切需要。

行业亟需既懂技术又会外语，同时又懂国际整车企业的“体系规矩”的人才。

员工需要学习更多来自主机厂、整车厂的对技术、对质量、对供货方面的要求，企业需要培养更多既会他国语言又懂技术的工程师。

当前主配企业缺乏了解、国外企业或在中国合资的外方对本土活塞环企业不了解，在信息传递、开发周期、体系严谨、过程控制等方面还需要面对面与其质量技术部门沟通。

只有掌握了国际主机厂的通行合作配套规则，提升了企业的核心竞争力，民族品牌活塞环企业进入国际一流主机厂全球化采购体系的时代就会到来。

活塞环企业的真正设计能力是什么，不是来图来样转换加工，也不是主机厂给技术参数我们设计出与之性能匹配的零部件产品。

研发竞争是“十二五”活塞环行业的核心竞争，目前行业很多企业都在宣传为发动机或整车厂同步开发，实际却是制造，而非真正意义上的设计。

活塞环企业的技术国际化，就是要实现从来图来样测绘加工，到和主机厂同步开发，到储备掌握未来前延技术，对发动机和汽车工业发展支撑引导。

“国际化”，技术研发和人才国际化，提升核心竞争力。

活塞环行业。

现在以缸套活塞、活塞环、活塞销等组合供货已经屡见不鲜。

主机市场模块化供货在汽油机行业已经先一步推广，在柴油机行业同样有着快速发展的趋势。

在汽油机主机领域除自主品牌乘用车外，单个采购活塞环的已经很少。

整车企业一方面为了减少总装工序、节约成本，一方面为了收缩核心供应商队伍，对活塞环等相关件的采购要求企业组合装配好以后再供货。

现代汽车零部件企业，一方面在追求做强，在单一产品领域形成强有力的、他人无法超越的竞争优势；

一方面也在追求做大，在模块化思想或国外先进经验的推进下，部分企业在积极实施多品种或跨领域的经营。

因此本文主要通过活塞结构的设计及模具如何来制造的问题来讨论

一、活塞的结构

活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。

活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成部分。

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，而散热条件又差，所以活塞工作是温度很高，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，特别是做功行程压力最大，汽油及高达3~5MPa，柴油机高达6~9MPa，这使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用。

活塞在汽缸内以很高的速度（8~9m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就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作用。

现代的活塞设计主要有铸造和锻造两种，而铸造有比锻造简单便宜，但却不及锻造活塞能承受较大的热度和压力，通常在设计锻造活塞时，都会同时利用改变活塞顶部的形状来达到提高缩比的目的，但问题是选择锻造活塞时多少的压缩比才是适当的。

以汽油引擎来说，压缩比超过12.5:

1时燃烧效率就不容易再提升。

利用活塞顶部的形状改变来提高压缩比时，随着压缩比的提高会使气缸顶部燃烧室的空间变小，活塞顶部的锐角和凸出都可能导致爆震的发生。

对提高压缩比活塞来说，由于必须保留气门做功所需的空间，因此会在活塞顶部切出气门边缘形状的凹槽。

如果没有这个凹槽，当活塞到达上死点是就有可能就会打开气门，因此高压缩比活塞对气门动作精度的要求是非常严格的。

凹槽的大小也必须随着凸轮轴及气门摇臂的改装而改变。

（一）活塞的主体组成

根据活塞的作用，活塞可分为顶部、环槽部、裙部和活塞销座四部分。

活塞结构剖视图

a）全剖b）部分剖

1、活塞顶2、活塞头3、活塞环4、活塞销座5、活塞销

6、活塞销销环7、活塞裙8、加强筋9、环槽

1、顶部

顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。

顶部是指活塞顶部和环槽部分。

活塞顶端完全取决于燃烧室的要求。

汽油机活塞的顶部形状有以下几种。

（1）平底

受热面积小，广泛采用。

顶端采用平底或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。

多数汽油机采用平顶活塞如下图所示

（2）凹顶

高压缩比发动机为了防止碰撞气门，也可以用凹坑的深度来调整压缩比。

有些发动机为了混合气体的形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最低程度，需要活塞顶端具有较复杂的形状，设有一定深度的凹坑作为燃烧室的一部分，如上图

（3）凸顶

凸顶与半球形燃烧室配用，如上图

（3）环槽部

环槽部用以安装活塞环。

活塞环的作用是密封，包括防止漏气的气环和防止机油进入燃烧室的油环，其结构如图

3、裙部

裙部的作用是尽量使活塞在往复运动中保持垂直，使活塞的导向部分，为活塞运动导向和承受侧压力。

活塞裙部的形状极有研究，尤其是像轿车一类的轻型乘用车，从活塞裙部出发使发动机结构紧凑，运行平稳。

裙部的外表面出车、精车的余量不能太大。

粗车刀痕太深将导致精车使切向抗力发生周期性变化，刀痕难以清除而使表面存在台阶；

精车余量太大或精车切削排屑部畅，也会使表面存在台阶或各种杂乱痕迹，特别是在裙部最下方，最为严重。

精车时，椭圆长轴的偏离必须控制在一定范围内，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长轴于销孔不垂直。

会出现长轴数据小于图纸尺寸，在活塞分组时误差值大。

必须指出，椭圆长轴偏离和销孔偏心式有区别：

前者为加工的椭圆长轴离开图纸椭圆长轴规定位置，加工椭圆长轴轴线可以通过活塞轴线或不通过活塞轴线，是加工不当引起的；

而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，且生产规定偏离一般取0.7~1。

全裙是裙部位以一薄壁圆筒。

半拖板式裙部是将非承压面的裙部去掉一部分，以减少质量和防止碰到曲轴，见下图

（一）。

拖板是裙部是将非承压面的裙部全部去掉，见下图

（二）。

半拖板式活塞拖板式活塞

图

（一）图

（二）

（4）活塞销座

活塞销座用以安装活塞销。

在销座孔两端有卡环槽，用以安装卡环。

有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的，向做功行程中受主侧压力的一方便宜了1~2mm。

这种结构可使活塞在从压缩行程到做功行程中较为柔和地从压向气缸的一面过渡到压向气缸的另一面，以减少敲缸的声音。

在安装时，这种活塞销偏置的方向不能装反，否则换向敲击力会增大，是裙部受损。

（二）、活塞的结构特点

1、恒范钢片

为了减少铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。

由于范恒钢为含镍33%~36%的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的1/10，而销座通过恒范钢片与裙部相连，牵制了裙部的热膨胀变形量。

活塞在沿高度方向上的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。

为了使工作是活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须把活塞制成上小下大的阶梯形、锥形。

2、预先做成椭圆形

为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间隙，要求活塞在工作是具有正确的圆柱形。

但是，由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。

另外裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。

这样，如果活塞冷态时，裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成椭圆形，使活塞与气缸之间周围间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。

因此，在加工是预先把活塞裙部做出椭圆形状。

（三）、活塞的技术要求

由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣环境，又要考虑到发动机的运行平稳及耐用，因此要求活塞也必须要有足够的强度和刚度，导热性好，耐热度高，膨胀系数小，相对密度小，耐磨及耐腐蚀，还要成本低。

由于这些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项的材料。

现代发动机的活塞普遍用铝合金制造，因为铝合金材料具有密度小，导热性好的突出特点，同时又有膨胀系数大，高温强度差的特点，这些缺点只能通过合理的结构设计来满足要求。

对于活塞的技术要求如下。

（1）裙部外圆活塞裙部外圆于钢套壁要求精密配合，裙部外圆的尺寸在裙部椭圆长轴方向上测量，其尺寸公差等级为IT6~IT5.

（2活塞销孔销孔直径的尺寸精度一般在IT6以上，其圆度公差为1.5um左右。

销孔中心线与顶面的距离直接影响发动机的压缩比，所以要求一定的精度，其尺寸公差等级为IT8.

（3）活塞质量为保证发动机运转平稳，同一发动机的活塞，其相互间的质量差不得大于0.08N。

二、活塞铸造方式

（一）铸造的类型介绍及铝活塞的铸造方式

关于活塞的制造方法主要为铸造。

铸造的种类也很多，主要有以下几种：

1、砂型

适用于铸造铝各种合金，但只适用于进行小批量的生产，而且表面粗糙度值很大。

2、熔模铸造

适用于碳钢、合金、有色金属，但是适用于小于25kg的复杂铸件。

3、低压铸造

适用于有色金属、中小铸件、有时达数吨，适用于大批量生产，对高要求的铝、镁合金都可以适用。

4、压力铸造

适用于有色金属、中小铸件，但难以铸造内凹复杂的铸件，也适于大批量生产。

5、离心铸造

适于铸钢、铸铁、铜合金、中小铸件，最大达数吨，适用于中、大批量生产。

6、挤压铸造

适用于有色金属、铸钢、铸铁、30kg以下的铸件，大批量生产，主要用于生产轻合金的薄板形铸件。

有的活塞也可采用此方法成型。

7、金属型铸造

适用于各种铸造合金、中小铸件，大批量生产，适用于高要求的铝、镁合金。

综上所述，可知铸造铝合金只有低压铸造、金属型铸造和挤压铸造适用，但由于低压铸造成本高，而且本设计活塞的要求不是很高。

又由于挤压铸造主要用于尺寸较大的活塞成型，且是用于介于铸造和锻造之间的一种成型工艺，对于本设计的活塞不太适合。

因此本设计采用金属型铸造。

（二）铝合金的铸造方式介绍

由以上分析知，铝合金活塞的主要铸造方式为金属型铸造，金属型铸造是指液体金属在站立作用下，充填用金属材料所制成的铸型------金属型，随后冷却、凝固成型而获得铸件的一种铸造方法。

习惯上也称硬模铸造，它与砂型铸造有一些优点以不足；

优点是：

1）由于工序简化，所需控制的工艺因素少，所以容易实现生产过程的机械化、自动化。

铸件的质量较稳定，废品率可减少约50%。

2）由于不需要造型，从而减少了型砂的制备和输送以及造型、落沙和砂处理等工序，同样也节省了这些工序所需要的工时及设备。

因此显著的提高效率，改善劳动条件，减轻了对环境的污染。

3）由于金属型有高的导热性和蓄热性，液体金属在金属型中冷却较快，铸件的组织致密，力学性能较高。

如铝合金件的抗拉强度可增加10%~20%，伸长率提高约1倍。

4）金属型铸件具有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，因而减少铸件的加工余量。

金属型铸造的主要缺点是：

金属型结构复杂且要求高，加工周期长，成本高；

金属型的激冷作用大，且无退让性，本身又无透气性，因此，铸件容易出现冷隔、浇不到及裂纹等缺陷；

工艺参数对铸件质量影响较为敏感，应严格控制；

不适应生产形状复杂的薄壁铸件等。

金属型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制，如对黑色金属只能是形状简单的铸件；

铸件的重量不可能太大；

壁厚也有限制，较小的铸件壁厚无法铸出。

在决定采用金属铸造时，必须综合考虑下列各因素：

铸件形状和重量大小必须合适，要有足够的批量；

，金属型的制造周期比木模的制作周期长，因此，对试件产品必须要有充裕的时间。

三金属型的设计及制造

（一）冒口的设计

金属型铸造同砂型铸造一样，设置冒口的主要目的就是补缩。

避免铸件出现缩孔与缩松等缺陷。

金属型铸造冒口位置的确定，仍可以使用砂型铸造时常用的结晶等温法及内切圆法，找出铸件上可能产生缩孔的热节部位，在热节处设置冒口，如图（三）所示。

图（三）金属型铸造的结构模型图

1、冒口的形式与种类

金属型冒口可以根据具体的情况设计成不同的形式与结构，按是否与大气直接相通，可以分为明冒口和暗冒口，按位置的高低可分为顶冒口与侧冒口，具体形式的特点见表1.

表1冒口的设置与形状

种类

形式

应用

明冒口

明顶冒口

1）顶明冒口应用最广，形状为圆柱形，因为在同等断面是圆形周长最短，所以保温好，同时也与铸件需要缩形状相似，便于补缩。

2）为了使冒口的上端最后凝固，冒口尺寸多设计成下小上大，由上到下成5~8斜度。

在水平分型时，为了便于开型取件，才设计的。

3）冒口根部尺寸略小于铸件尺寸，与铸件圆角相连，并留有明显的切割线

明侧冒口

1）铸件厚大部位处于铸型中、下部，铸件顶部不便于设置顶冒口的情况下才设置侧冒口，侧冒口金属夜的消耗量比顶冒口多。

2）根部形状一般与铸件形状相仿，但尽可能为圆形或椭圆形

3）薄壁、板型镁合金件垂直浇注时，为了消除铸件中的缩松的缺陷也常设置侧冒口

暗冒口

暗顶冒口

铸件热节部位不便于设置明冒口，而在该处又必须补缩的情况下才设置暗冒口

暗侧冒口

2、冒口