汽车制造工艺学课程设计图文精.docx

汽车制造工艺学课程设计图文精.docx

《汽车制造工艺学课程设计图文精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车制造工艺学课程设计图文精.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

汽车制造工艺学课程设计图文精

汽车制造工艺学课程设计

题目：

设计活塞环的机械加工工艺规程

院系：

襄樊学院机汽学院

班级：

0713

姓名：

薛明

学号：

07131010

指导教师：

张进

二零一零年九月十四日

汽车制造工艺学课程设计任务书

一、设计目的

汽车制造工艺学课程设计是综合运用《汽车制造工艺学》及有关课程内容，分析和解决实际工程问题的一个重要教学环节。

通过课程设计培养学生制定零件机械加工工艺规程和分析工艺问题的能力。

在设计过程中，学生应熟悉有关标准和设计资料，学会使用有关手册和数据库。

汽车制造工艺学课程设计是作为未来从事机械制造技术工作的一次基本训练。

二、设计的题目和内容

1、课程设计的题目：

设计活塞环的机械加工工艺规程

条件：

年产5000件。

零件图如附件所示。

2、设计应完成的内容：

1）制定指定零件（或零件组）的机械加工工艺规程，编制机械加工工艺

卡片，选择所用机床、夹具、刀具、量具、辅具；（一套）2）对所制定的工艺进行必要的分析论证和计算；

3）确定毛坯制造方法及主要表面的总余量；

4）确定主要工序的工序尺寸、公差和技术要求；

5）对主要工序进行工序设计，编制机械加工工序卡片，画出的工序简图，

选择切削用量；（一份）6）设计加工该零件的毛坯图或者零件与毛坯合图；（一张）

7）编写设计说明书。

（封面、目录参考附后、不少于1万字）（一份）

2010年9月

目录

第一章概述-----------------------------------------------------------（

1.1活塞环的作用-----------------------------------------（

1.2活塞环的种类----------------------------------------（）

1.3活塞环的工作条件-------------------------------------（

1.4活塞环各部分名称及代号------------------------------（

第二章活塞环的结构尺寸及受力分析---------------------------（

2.1径向厚度a1--------------------------------------（

2.2环高h1--------------------------------------------（

2.3自由开口尺寸m-------------------------------------（

2.4活塞环组合----------------------------------------（

2.5活塞环的计算---------------------------------------（

2.5.1径向压力P

2.5.2工作状态下活塞环的闭口间隙S1

2.5.3切向弹力Ft

2.5.4平均比压P0

2.5.5活塞环的工作应力和安装应力

2.6课程设计中活塞环的主要参数选择------------------（

第三章活塞环的制造工艺-------------------------------------------（

3.1活塞环的生产特点----------------------------------（

3.2活塞环的加工方法----------------------------------（

3.3活塞环的加工工艺规程------------------------------（

3.4确定毛坯的制造方法与加工余量--------------------（3.4.1活塞环的制造方法

3.4.2加工余量的确定

3.5定位基准的选择--------------------------------------（

3.6活塞环一般工艺流程----------------------------------（

3.7端面加工----------------------------------------------（

3.8活塞环的热处理---------------------------------------（

3.9活塞环的平面加工--------------------------------------（

3.10活塞环的仿形加工------------------------------------（

3.11铣切开口加工-----------------------------------------（

3.11.1活塞环开口铣削加工的特点及工艺要求

3.11.2铣切开口的工艺要求

3.12内圆加工的工艺要求----------------------------------（

3.13精车外圆---------------------------------------------（

3.14精修开口--------------------------------------------（

3.15活塞环的表面处理------------------------------------（参考文献----------------------------------------------------------------（附件一活塞环零件图

附件二活塞环毛坯图

附件三活塞环机械加工工艺规程卡片

附件四活塞环机械加工工序卡片

第一章概述

活塞环是内燃机关键零件之一，它与活塞、气缸套相互联系在一起，组成发动机动力源组件。

随着内燃机向高强化、低排放、高寿命方向发展，对活塞环质量要求越来越高，不仅要求活塞环有很高的可靠性、经济性，而更重要的是要有最佳性能。

1.1活塞环的作用

活塞环在内燃机中，其主要作用有四点：

1密封

在往复式内燃机中，活塞环是一种运动件，亦是一种密封件。

活塞环在高速往复运动状态下，在高温、高压燃气的作用下，完成对燃烧室和曲轴箱之间的密封作

用，即阻止气缸中燃烧产生的高温高压气体窜到曲轴箱中，这是活塞环的主导功能。

一般，燃气通过活塞环有三条通道：

（1）活塞环与气缸内壁的周向间隙；

（2）活塞环与环槽上、下侧面间隙；

（3）活塞环开口间隙。

其中活塞环与气缸内壁的周向间隙是燃气漏泄的主要途径，为减少漏气量，要求活塞环与气缸内壁之间必须存在一条连续不断的线贴合区域，并使环的一个平面与相应活塞环槽的一个侧面处于良好接触状态，从而达到切断漏气通道的作用。

同时，由于环槽底燃气压力，把活塞环紧紧压向气缸内壁，亦有利于环的密封。

另外，活塞环与气缸内表面的几何形状贴合良好与否、环的截面形状以及环的数量等都对密封有很大影响。

2控制润滑油

活塞环控制润滑油作用就是活塞环对气缸壁润滑油膜厚度的控制和调节。

活塞环在气缸中阻止润滑油从曲轴箱进入燃烧室，从而降低滑油耗量。

我们知道，活塞环组中滑油是无规则的，中小型机多用飞溅方式，强载机则用压力循环润滑。

为了使活塞环正常滑动，必须不断地供给滑油，同时又要求活塞环能刮落气缸壁上的过多滑油，也就是既要保证活塞环润滑所需要的油膜厚度，又要保持较低的滑油耗量，以防止过多的滑油上窜到燃烧室，不仅滑油耗量增大，又会因燃烧产生的积碳影响传热性能。

3导热

活塞环在气缸中起着传热作用。

当内燃机工作时，活塞温度很高，一部分热量经活塞环传给气缸壁，再由气缸壁传至冷却水，从而降低活塞温度。

一般，冷却活塞中，活塞环传导的热量为30～40%；非冷却活塞中，活塞环传导的热量可达活塞顶所承受热量的70～80%。

活塞环的散热作用实际上与环的几何尺寸，截面形状，材料的导热性、热膨胀系数，环与环槽间的间隙以及有关表面精度等都有很大关系，应慎重选取。

4支承导向

活塞在气缸内运动靠环支撑。

因活塞受燃气的加热而膨胀，所以气缸与活塞之间必须留有间隙，以防活塞咬死。

对热负荷高的发动机，其间隙更要大一些，由于间隙的存在，活塞就必须依赖活塞环才能在气缸内保持运动平衡，防止活塞不断撞击气缸壁。

一旦减弱和破坏活塞环的支承作用，必将导致活塞组件失去运动平衡，从而产生噪声、偏磨、擦伤等故障，甚至出现融着、折损和拉缸等严重故障。

因此，活塞环基体材料的选择，活塞环断面形状，以及必要的结构力学计算，强度、应力计算，刚性、共振频率计算以及各种变形计算尤为重要。

1.2活塞环的种类

活塞环按功能分类，可以分为以气密功能为主导的气环和以控油功能为主导的油环。

1气环气环以安装位置分，有第一道压缩环、第二道压缩环和第三道压缩环。

气环以结构形状分，有矩形环、桶面环、锥面环、梯形环和扭曲环。

其中扭曲环又包括内倒角环、内台阶环、外台阶环、鼻形环和楔形环等。

（1）矩形环剖面是矩形的气环。

几何形状简单，在正常工作条件下具有足够的密封性，便于加工，曾为中小功率柴油机经常采用，但随着发动机的日益强化，活塞热负荷增加，热变形加大，活塞头摇摆加剧等原因，致使矩形环在工作中失去与气缸壁的良好贴合，其上缘与气缸壁接触，而下缘离开缸壁，就起不到刮油作用，反而向上泵油，增大滑油耗量，因此矩形环的使用受到限制，在低速十字头发动机中还广泛采用。

（2）桶面环桶面环的表面形状多呈凸圆弧形。

一般取公称直径的一半作桶形面的半径（即桶面半径等于气缸半径）。

它主要用作第一道气环（通常经镀铬处理），常与锥面环串联使用。

其优点如下：

a因桶面环的两面均是楔形，机油的入口间隙大，图则机油以楔形进入并产生一个使环浮起的油压形成液体润滑，因此磨损可以减小；b桶面环与气缸之间是线接触，能适应活塞的晃动，因改善接触情况，减少粘着磨损的发生；c磨合性能好，桶面环实质上是双向微锥面环，所以易于磨合；d密封性能好。

环与气缸线接触，即使表面发生变形时仍能保持良好的接触。

（3）锥面环锥面环的外圆呈锥形，锥度一般为8.7～26.2mＲ（0.5o～1.5o采用镀层或非镀层结构。

锥面环是在活塞环外圆面上加工一个很小的斜角，由于减少了环与气缸壁接触面，从而提高表面接触压力，有利于磨合和气密，同时，活塞下行时，易于刮油；活塞上行时，由于斜角的“油楔”作用，能在油膜上“飘浮”过去，不会引起熔着磨损。

锥面环斜角选取必须恰当，一般在20ˊ～60ˊ范图

围内。

安装时注意斜面角不能倒装，否则会引起很大的窜油现象。

一般用于中间环。

（4）梯形环两侧面倾斜的气环。

由于梯形剖面，环在径向运动时，侧隙将不断变化，因而能使燃烧室积碳减到最低程度。

a直角梯形b等腰梯形为了提高气环的抗结胶能力，梯形环结构应运而生了。

当活塞受侧压力的作用而改变位置时，环的侧隙发生变化，能将环槽中的结焦挤出，从而使活塞环槽处的许用工作温度比矩形环高20℃左右，能使活塞环在240～250℃下长期工作而不结焦。

梯形环的夹角一般为15o，也有用10o，20o的。

梯形环又分直角梯形环（环截面为直角梯形）和等腰梯形环（环截面为等腰梯形）。

梯形环在第一道环中使用最广，也可以用于第二、第三道环。

梯度可以是一边或两边都有，环槽也有相应的梯度。

选择一定的环槽和环的锥角和公差，使内外底面匹配良好，以优化窜气和机油控制。

环和环槽间的相对运动可避免积碳形成，以防止环在环槽中卡死现象。

直角梯形环适合于烧重油柴油机或航空发动机，等腰梯形环多用于烧重油强载柴油机，近年来，小功率柴油机和二冲程汽油机也开始采用。

（5）扭曲环角环；（h—鼻形环扭曲环的扭转角度一般为径向厚度上的扭曲量为环径向厚度的0.5～1.5%，而扭曲的斜角为15ˊ～30ˊ。

但倒角环[图（g）]和锥面环[图（f）]的斜角度比较大，倒角环可达10o～20o；

锥面环为2.5o～5o。

2油环油环具有回油孔或等效结构，能从缸壁上刮下机油的活塞环。

主要用来调节（或控制）气缸壁上润滑油并带有回油通道的活塞环。

油环又分外阶梯倒角环、鼻形环、开槽油环，弹簧胀圈油环、钢片组合环等。

（见图1-7）外阶梯倒角环鼻形环钢片组合环开槽油环弹簧胀圈油环ab图

（1）外阶梯倒角油环广泛应用于大缸径发动机，作为向下刮油和布油环。

（2）鼻形环切台呈鼻形外切扭曲环。

作为中速发动机的向下刮油环。

钩形切口保证了刮油边尖角的竖实性和不变形侧面接触宽度。

（3）开槽油环侧面平行，具有两个接触环岸，并有回油孔的油环。

由于环岸狭窄，可得到高的比压是最常见的一种油环。

它通过回油槽或油孔把刮油带一分为二，根据实际应用需要，通过控制刮油带的宽度，来改变油环表面接触压力和刮油效率。

（4）弹簧胀圈油环在油环背面加有各种形式的衬簧，称作弹簧胀圈油环，其结构型式很多。

螺旋弹簧由方形或圆形截面的钢丝制作，环的接触压力通过弹簧扩胀作用而获得。

衬簧可以使环的压力增高，环压均匀和弹性稳定，从而使油膜均匀、磨损下降，机油消耗下降。

为了减小油环背面与螺旋胀圈接触表面的磨损，可以将衬簧与环背面设计成面接触并镀铬抗磨。

该环广泛用于高速发动机。

（5）钢带组合油环钢带组合油环是一种较新的结构形式，在发动机上已得到广泛运用。

这种环有二种结构型式：

组合式刮片和胀圈以及分离式刮片和胀圈。

它与缸套变形有良好的适应性和较高的接触压力。

主要优点：

a接触压力高，压力分布均匀，普通铸铁油环比压为0.15～0.3MPa，组合油环为1.0～1.5MPa；b刮油能力好，有效防止窜油。

由于钢片具有柔软性，各个刮片独立工作，能很好地适应气缸的不均匀磨损和活塞晃动及变形的影响，达到良好地密封；c回油通路大。

通路开口的比率：

铸铁油环为10～15%，组合油环为30～50%，不但降低机油消耗，而且有效防止结胶积渣；d质量小。

比铸铁油环减轻一半以上，因为端面之间没有撞击，环槽磨损大为减少；e制造工艺简单，适合于大量生产。

当然，组合油环需使用高级钢材（如65Mn钢），而且需要有一系列加工设备，刮片表面要镀铬等，对于大规模推广使用，尚需努力。

1.3活塞环的工作条件活塞环在发动机中处于极其恶劣条件下工作的，具体是：

1高温内燃机气缸中燃气温度很高，经散热和冷却后，活塞环特别是第一道气环的工作温度始终保持在300℃左右。

2高压柴油机能产生80～150㎏/㎝2的压力，汽油机能产生30～40㎏/㎝2的压力，活塞环必须在这样的高压条件下保持密封工作。

3高速现代汽油机最高转速为11000转/分，活塞环运动线速度为11～16米/秒，柴油机的最高转速为4500转/分，活塞环运动线速度为10～14米/秒。

4变负荷活塞环在发动机中受燃气爆发力的冲击，活塞环在环槽中上下运动，产生径向振动和扭曲等交变应力。

5润滑困难活塞环运动时处在高温、高压条件下，润滑油膜难于保持完整，不能完全润滑而经常处于临界润滑状态下工作。

1.4活塞环各部份名称及代号

式中：

d1—公称直径表示标准缸径的活塞环工作直径；h1—环高，表示上、下端面的轴向距离自由开口尺寸；S1—闭口间隙，表示在工作状态下开口间的距离。

第二章2.1径向厚度a1活塞环的结构尺寸d1/a1d1d1mm）1—汽车拖拉机发动2—强化发动机图3-3活塞环d1/a1的推荐值图3-2活塞环d1/a1变化曲线径向厚度指环内、外圆之间的径向距离。

一般由缸径和活塞环槽底深度而定，此参数的大小直接影响活塞环的弹力、应力以及内燃机的性能。

总的说径向厚度α1小，则平均弹力就小，散热比较困难，显然对高速发动机是不利的。

近来，随发动机的高速化，环的径向厚度趋向于加大，对改善活塞传热，提高环的弹力、刚度是有利的，但若径向厚度过大，工作和安装时应力大，易折断，同时对气缸横向变形的适应性较差。

因此规定缸径d1与径向厚度α1的比值应在一定的范围内，一般d（图3-2、3-3）汽油机环宜取小，柴油机环宜取大。

1/α1=22～28。

2.2环高h1环高是环两端面沿其轴线方向的最大公称尺寸。

活塞环的高度不宜过高，因为：

1能较好地适应气缸的不均匀磨损和变形，可以避免棱缘集中负荷，从而提高环的抗粘着能力；2使活塞组往复质量和结构尺寸减少，活塞环槽磨损减少；3使环背和环槽间的空间变小，环背压力容易建立起来，提高了二次密封效能；4发动机摩擦功率损失小，气缸套的磨损将显著下降；5磨合快。

事物都是一分为二。

环高过小，将使活塞工作稳定性变差，从而可能引起活塞环与气缸壁之间表面接触应力集中，破坏缸壁油膜导致拉缸的可能。

还可能导致磨料磨损增加（见右图）易于折断、散热能力差等。

这些都是要在设计时加以权衡的。

图3-4环高与抗粘着能力关系但是，对于高速发动机而言，减少环高是活塞环发展的总趋势，存在问题可以从材料及表面处理，结构设计等方面努力克服的。

对于小功率柴油机，一般气环环高h1=2～4mm，近来还出现环高h1=1.5mm的实例。

图环高与开口间隙关系2.3.自由开口尺寸m

自由开口尺寸指在自由状态下，环开口两端径向中点的弦距。

它的大小既要满足活塞环弹力的要求，又要满足工作应力和安装应力的要求，m值过大，工作应力较大，会造成较大的弹性消失，m值过小，会产生较大的安装应力造成断环，或过度变形失去圆度。

一般，合金铸铁气环和整体油环m/d1=13～14%，最大不超过16%；球铁环m/d1=8～11%，最大不超过12%；内撑弹簧组合油环比相应平环小4-5mm。

2.4活塞环组合活塞环的组合，在强化发动机中特别重要，一般要求是：

1第一环要加倍强化，因为它工作条件最差，对窜气、窜油均有重大影响。

第一环要求避免发生逆倒角的情况。

2中间环的情况在二冲程和四冲程柴油机中是不同的。

二冲程柴油机的第二环，甚至全部压缩环与第一环都是相似的。

这是因为二冲程的活塞环经过气口时，工作条件不利。

四冲程柴油机的第二环的工作条件不很厉害，尺寸多较第一环薄一些。

在高速发动机上主要还是防窜油的作用，端面要求贴合承压，为此，多要求扭曲环，对高增压高平均有效压力的发动机上，第二环有采用高强度材料的趋向。

3在高速发动机中由于要缩短活塞长度，油环一般趋向于用一个，此时强化油环结构是有必要的。

4在目前强化发动机中不论油环、或压缩环，均要起密封和刮油双重作用，所以在组合时要考虑它们之间的配合。

不同结构和功能的活塞环通过适当的结合，安装在活塞各环槽内，以适应不同的用途。

活塞环数目实际上是按照发动机的型式，缸径大小和转速高低等不同情况来确定。

就内燃机而言，汽车发动机以三环组结构为主，农用柴油机以三环或四环结构为主，摩托车二冲程发动机以两环结构，四冲程为三环结构，中速发动机一般采用四道环。

从发展而言，以三环结构为主要方向，也就是流行结构“一桶二锥三内撑”。

2.5活塞环的计算2.5.1径向压力P活塞环在自由状态下不是圆形，其曲率半径沿环周各点是变化的，且大于气缸半径，只有当装入气缸后方成为正圆形。

环装入气缸前的形状称为自由状态，环的自由状态决定环装入气缸后的径向压力分布。

径向压力分布大致可分为：

均匀分布（等压环）、梨形分布（高点环）和苹果型分布（低点环）三种。

1等压环等压环从自由状态变到工作状态后，沿环周的径向压力是均匀分布，即P0=const。

等压环由于使用后磨损等原因，环周压力分布恶化，在开口处的径向压力急剧下降，所以使用寿命短，一般使用于二冲程中速发动机。

2高点环高点环开口处的径向压力P高于平均径向压力P0，P：

P0可达3：

1。

能提高环开口端的减震能力，耐磨性和气密封好。

现代高速四冲程柴油机和汽车发动机广泛应用高点环。

3低点环低点环主要用于二冲程柴油机和大型柴油机，开口处的径向压力低于平均径向压力，以防止环端跳入气口使环折断，或者是为了矫正热变形的影响，以保证均匀贴合。

2.5.2.工作状态下活塞环的闭口间隙S1闭口间隙一般按GB/T1149选取，或按产品图纸要求而定，但最小间隙必须大于下式计算值。

S1=πd1αΔt（mm式中：

d1—缸径，mm；α—热膨胀系数，合金铸铁按α=1.1×10/℃；Δt—温差，气环为100℃，油环为80℃2.5.3.切向弹力Ft切向弹力是在环的切口处径向厚度中点上沿切线方向施加力，使环从自由开口尺寸压缩到闭口间隙时所需的力。

尺寸系列的切向弹力值仅适用于平均弹性模量E=100000N/mm材料（即非调质铸铁环），其它材料则按弹性模量E由表3-7修正系数乘以尺寸系列表的切向弹力值即可。

镀铬或喷钼活塞环的切向弹力修正系数为表3-7推荐值的0.9倍。

2—5

活塞环材料调质铸铁球墨铸铁钢切向弹力Ft表3-7平均弹性模量N/mm2112776156906196200切口弹力修正系数1.151.62E·h1（m-S1）Ft=────────—K1·K2（kgf）14.14（d1/α1-13式中：

E—弹性模量，kgf/mm2；h1—环高，mm；m—自由开口，mm；S1—闭口间隙，mm；d1—缸径，mm；α1—径向厚度，mm；K1——断面减弱系数；K2—表面处理对弹力减弱系数。

镀铬环一般取8%～11%，球铁环取8%，合金铸铁对铬层厚度小于0.12mm，径向弹力小于3㎏f的取11%，其余均取10%。

活塞环设计时，首先确定切向弹力，然后再决定环的自由开口尺寸。

高速发动机活塞环设计通常用改变环的径向厚度方法来调节环的弹力。

2.5.4.平均比压P0比压P0是活塞环设计的重要参数之一，比压选择适合与否，将直接影响活塞环的密封性、摩擦损失、耐磨性。

比压过高，磨损加剧导致缸套磨损严重；比压过低，环密封性差，最终导致烧机油，加剧磨损，抗振性差，易产生断环。

一般选择原则：

合金铸铁为1.5～2㎏f/㎝2，球墨铸铁为1.5～2.5㎏f/㎝2。

2FtP0=───ｈ0d1MPa

式中：

ｈ0—环外圆面与气缸壁的接触高度，等于刮片数量与刮片高度的乘积，mmFt—切向弹力，Nd1—缸径，mm2.5.5.活塞环的工作应力和安装应力E·α1（m-S1）工作应力σ1=───────㎏f/mm22.35（d1-α1）2安装应力σ2=Eα1（8α1-m────────㎏f/mm22.35（d1-α1）2式中：

E—弹性模量，㎏f/mm2；α1—径向厚度，mm；m—自由开口尺寸，mm；S1—闭口间隙，mm；d1—缸径，mm。

按有关标准规定，合金铸铁σ1＜25㎏f/mm2，球墨铸铁σ1＜40㎏f/mm2，但实际σ1值可大于上述值，合金铸铁为30㎏f/mm2，球墨铸铁为50㎏f/mm2。

合金铸铁σ2≤50㎏f/mm2，球墨铸铁σ2≤80㎏f/mm22.6课程设计中活塞环的主要参数选择

第三章活塞环的制造工艺活塞环的性能对整台发动机系统的良好工作运转是十分重要的，活塞环组件必须有较长的使用寿命。

现在通过改进材料和表面制造工艺，活塞环已能满足这样的寿命要求。

3.1活塞环的生产特点活塞环是内燃机中的重要易损件，生产批量很大，可想而知，必须高度专业化，组织流水生产作业线。

活塞环流水生产具有下列特点：

1工作地专业化程度高。

每个