气缸体的加工流程和夹具设计论文.docx
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气缸体的加工流程和夹具设计论文
安徽机电职业技术学院
毕业论文
气缸体的加工流程和夹具设计
系别汽车工程系
专业汽车制造与装配
班级汽车3112班
姓名刘亮
学号1601113053
2013～2014学年第二学期
摘要
随着我国经济的发展，国内汽车工业的迅速发展，提高汽车产品零部件的生产效率和加工质量对整个汽车工业的发展至关重要。
发动机汽缸体是汽车至关重要零部件之一，其生产效率和加工质量直接关系到汽车的生产效率和性能。
因此，研究汽缸体的加工工艺过程具有重要的意义。
汽缸体是汽车发动机中基础气缸和骨架，同时又是发动机的装配基准，发动机各机构和系统的零部件都安装在其内部和外部，汽缸体的作用是支撑和保护活塞，连杆，曲轴等运动部件工作时的准确位置；保证发动机换气，冷却润滑，提供各种辅助系统，提供部件及发动机的安裝基面。
气缸体的工作条件十分恶劣。
它要承受燃烧过程中压力和温度的急剧变化以及活塞运动的强烈摩擦。
气缸的工艺特点是：
结构，形状复杂；加工平面，孔多；内部空腔壁，厚不均匀，刚度低，加工精度要求高，属于典型的箱体类加工汽缸体。
本文在参考了国内外大量文献资料的基础上，对汽缸体的机械零件加工工艺过程进行深入的分析和研究，并提出了一种加工汽缸体零件加工方案。
本文对汽缸体机械加工工艺方案的研究兼顾了工序发散的原则，即具有较高的柔性，又提高了生产效率。
实践证明，该工艺方案的设备利用率高，生产能力稳定，可靠性较好，对同类产品的加工工艺设计具有一定的参考价值。
关键词：
汽缸体、加工精度、工序、机床
目录
第一章汽车汽缸体的发展现状................................5
1.1汽缸体的发展历程...............................................5
1.2汽车汽缸体生产的发展过程.......................................6
1.3汽车气缸体的发展现状分析.......................................7
第二章气缸的主要加工方法..................................8
2.1零件的作用.....................................................8
2.2零件的工艺分析.................................................8
2.3确定毛坯.......................................................9
第三章气缸的加工工艺过程..................................11
3.1定位基准的选择.................................................11
3.2制定工艺路线...................................................11
3.3选择加工设备及刀，夹，量具.....................................13
3.4加工工序设计...................................................14
第四章夹具设计............................................18
4.1夹具的基本要求与设计步骤.......................................18
4.2定位机构的确定.................................................18
4.3定位方案的论证.................................................19
总结........................................................21参考文献....................................................23
致谢........................................................24
序言
进入新世纪以来，我国加快了转变经济发展方式的步伐，从而有力地推动着各个领域的科学发展。
随着科技创创新能力的不断提高，科学技术的产业化进程日益加块，制造业不断优化结构，改善品种质量，并淘汰落后产能，汽车制造行业尤是如此。
《中华人民共和国国民经济和社会发展十二五规划纲要》提出的培育发展新能源汽车等新兴产业的战略目标就充分体现了这一点。
2010年，中国汽车销量已超过1800万辆，居全球首位，市场潜力巨大。
中国汽车与装备制造业已进入一个全新的发展阶段。
汽车工业的飞速发展带动了汽车与制造相关产业链的发展，为汽车和机械制造类相关毕业生提供了广阔的就业空间和很好的发展前景。
汽车被称为“改变世界的机器”。
然而汽车发动机缸体的研究和发展对汽车工业的发展密不可分。
汽缸体是发动机中的核心部件，它与发动机其他系统为汽车提供动力，关系到汽车的动力性、经济性、环保型。
简单来说汽缸体就是将汽车燃料通过在密闭的汽缸内燃烧气体膨胀，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机完成相应工作必不可少的。
汽车气缸的工作条件十分恶劣。
它主要承受燃烧过程中压力和温度的急剧变化以后以及活塞运动的强烈摩擦。
因此它应具有以下性能：
1.有足够的强度和刚度，变形小，保证各运动零件位置正确，运转正常，振动噪声小。
2.有良好的冷却性能，在缸筒的四周有冷却水套，以便让冷却水带走热量。
3.耐磨，以保证气缸体具有足够的使用寿命。
本文是对气缸体研究的一种新工序。
它能使气缸体的生产带来很大的方便，提高生产效率，减少劳动量，节约生产成本，提高气缸体性能。
第1章汽车汽缸体的发展现状
1.1汽缸体的发展历程
1680年，荷兰科学家霍因斯受到大炮原理的启发，心想如将炮弹的强大力量用来推动其它机械不是挺好吗？
他一开始仍用火药作燃烧爆炸物，将炮弹改成“活塞”，把炮筒作“气缸”，并开一个单向阀。
他在气缸内注入火药，当点燃火药后，火药猛烈地爆炸燃烧，推动活塞向上运动，并产生动力。
同时，爆炸气巨大的压力还推开单向阀，排出废气。
而后，气缸内残余废气逐渐变冷，气压变低，气缸外部的大气压又推动活塞向下运动，以准备进行下一次爆炸。
当然，由于行程过长，效率太低，他最终没有取得成功。
但是，正是霍因斯首先提出了“内燃机”的设想，后人在此基础上才发明了汽车用的发动机。
早期汽车使用单缸机，汽车鼻祖卡尔·奔驰和戴姆勒在当年设计制造汽车时，他们不约而同地只用了一个气缸的发动机。
就像我们认为一辆汽车不可能使用两台或更多台发动机一样，估计当时的人们也不会想象出还会用两个气缸或更多气缸的发动机。
然而现在不同了，先别说发达国家，看看国内汽车广告就会发现，不少厂家总拿发动机的气缸数目和排列形式来说事，卖微型车的极力吹鼓他的车用的是四缸机而非三缸，用v6发动机的一定要把v字弄得醒目惹眼，广告宣传确实起到了很大效果，不少车迷已认同了“4缸比3缸好”、“6缸比4缸好”、“v型比直列好”、“v型发动机是高级发动机”等概念。
国产车中已有近20种车装配了v6或v8型发动机。
图1-1单气缸发动机
直列发动机（lineengine），它的所有气缸均肩并肩排成一个平面，它的缸体和曲轴结构简单，而且使用一个气缸盖，制造成本较低，稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸紧凑，应用比较广泛。
其缺点是功率较低。
“直列”可用l代表，后面加上气缸数就是发动机代号，现代汽车上主要有l3、l4、l5、l6型发动机。
图1-2多缸发动机
1.2汽车汽缸体生产的发展过程
从世界汽车工业的发展历程来看，汽车发动机缸体的生产大致经历了传统机械制造自动化和现代机械制造自动化两个发展阶段，具体可分为一下几个阶段：
1.从单件、小批量生产到流水线生产阶段，1904年，国外在汽车发动机缸体生产中开始应用生产流水线，从而开辟了在断续生产中用连续方式组织生产道路，取得了良好的经济效益。
2.刚性自动生产线阶段，从20世纪初开始，国外汽车发动机缸体生产由机械化，半自动化发展到单机自动化，有流水线发展到自动线，基本解决了大量生产的加工过程的自动化问题。
1924年，英国Morris汽车公司通过对单机自动化和流水线的大量改进，建成了世界上第一条刚性的机械加工自动生产线。
1935年，元苏联研制成功第一条比较完整的汽车发动机汽缸体加工自动线。
二战后，美国福特汽车公司大量采用自动化生产线，汽车生产的生产效率成倍增加，汽车制造的成本大大降低。
3.数控机床（单工序）、加工中心（多工序）生产阶段进入20世纪50年代，国外汽车工业的发展和生产系统的复杂性和自动化程度的增加，出现和发展了现代控制理论。
现代控制理论的应用和计算机技术的发展，为汽车工业和汽车发动机生产的多品种、中小批量生产方式提供了新的自动化途径，汽车工业的自动化水平得到了迅速的提高。
4.柔性制造系统和柔性生产阶段从20世纪70年代前后开始，汽车发动机缸体的生产进入一个新的阶段。
一些国家发展了CAD/CAM集成系统、微型机CNC系统、柔性生产系统、多级计算机控制系统和计算机网络结构系统等，生产规模达到了车间和工厂的综合自动化。
这种形式适合于多品种中小批量生产，但具有一次性投资大，成本较高等缺点。
1.3汽车汽缸体的发展现状分析
气缸体是汽车发动机乃至汽车中最为重要的零部件之一，它的加工质量直接影响到发动机的质量品质，并进而影响到汽车的质量和品质，因而发动机缸体的加工长期以来受到国内外汽车制造企业和气缸生产企业的高度重视。
发动机缸体生产的常见形式从国内外的生产企业的资料显示来看，目前，汽车发动机气缸体的生产大致有一下几种形式：
1.以传统的组合机床自动线为基础的柔化改造这种以提高传统的组合机床自动化程度的技术改造已取得了相当的进展，传统的组合机床在移植了计算机数控技术以后，组合机床的柔化程度得到了很大的提高。
2.已加工中心为主体的准柔性生产线这里提出的是一种以加工中心为主体，以普通机床和组合机床为辅的“准柔性生产线”方案。
3.适用于多品种，大批量生产的柔性传输生产线（FTL）和柔性制造系统（ＦＭＳ）。
各国汽车气缸体的研究都将向气密性好，刚度强，耐磨性好，耐高温，耐腐蚀等方向发展，努力减少制造成本，提高效率。
第2章气缸的主要加工方法
2.1零件的作用
气缸体是发动机的主体，它将各个气缸和曲轴箱连成一体，是安装活塞、曲轴以及其他零件和附件的支承骨架。
气缸体的工作条件十分恶劣。
它要承受燃烧过程中压力和温度的急剧变化以及活塞运动的强烈摩擦。
因此，它应具有以下性能：
1.有足够的强度和刚度，变形小，保证各运动零件位置正确，运转正常，振动噪声小。
2.有良好的冷却性能，在缸筒的四周有冷却水套，以便让冷却水带走热量。
3.耐磨，以保证气缸体有足够的使用寿命。
气缸体上部是并列的气缸筒，目前多镶有气缸套。
气缸体的下部是曲轴箱，用来安装曲轴，其外部还可安装发电机、发动机支架等各种附件。
气缸体大多用铸铁或铝合金铸造而成，铝合金缸体成本较高，但重量轻、冷却性能好，得到越来越广泛的应用。
机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。
因此，机体必须要有足够的强度和刚度。
机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。
2.2零件的工艺分析
图2-1零件图
由零件图得知，其材料为HT250.该材料具有较高的强度、耐磨度、耐热性及减震性，适用于承受较大的应力、要求耐磨的零件。
该零件上的主要加工面为A面、B面，及气缸体的孔系。
为确保镗削的内孔系与车削外圆的同轴度要求，在镗削孔系时一定要以260圆心为定位基准且应采用一次镗削完成。
对于加工精度及表面粗糙度要求不高的内孔如254和233采用粗镗-半精镗即可。
对于加工精度及表面粗糙度要求都很高的孔如233（RA=1.6）、229H8（RA=1.6）应采用粗镗——半精镗——精镗的加工工艺。
对于A面上的各孔因为与缸体内孔系圆心的位置度都有要求，所以在加工这些孔时一定要以缸内孔圆心为定位基准，又因为这些孔对A面的垂直度要求也很高，所以在加工这些孔时应放在铣床上洗完A面后即开始钻销加工。
2.3确定毛坯
图2-2毛坯图
根据零件材料确定毛坯为铸件。
又由零件的生产纲领知零件的生产类型为大批生产，毛坯的铸造方法选用砂型机器造型。
又由于箱体零件的内腔及各孔均需铸出，故还应安放型芯。
此外，为消除残余应力，铸造后应安排人工时效。
参考《机械制造工艺设计简明手册》表2.2——4，用查表法确定各表面的总余量如表2-1所示。
表2-1各加工表面总余量
加工表面
基本尺寸（mm）
加工余量数值（mm）
说明
A面
140
4
顶面，双侧加工
B面
140
3
底面，单侧加工
C面
64
4
侧面，双侧加工
D面
310
5
侧面，双侧加工
E面
310
5
侧面，单侧加工
F面
422
6.5
双侧加工
φ260
mm外圆面
φ270
5
双侧加工
φ254mm孔
φ244
5
双侧加工
φ233
mm孔
φ225
4
双侧加工
φ233mm孔
φ225
4
双侧加工
φ229
mm孔
φ221
4
双侧加工
由《公差配合与技术测量》表2-2可得铸件主要尺寸及公差，如表2-2所示
零件尺寸
（mm）
总余量
（mm）
毛坯尺寸
（mm）
公差CT
φ254
10
φ244
0.155
φ233
8
φ225
0.155
φ229
8
φ221
0.155
φ260
10
φ270
0.21
表2-2主要毛坯尺寸及公差
第3章气缸的加工工艺过程
3.1定位基准的选择
精基准的选择：
气缸体的B面和φ260
mm外圆既是装配基准，又是设计基准，用他们作精基准，能使加工遵循“基准重合”的原则。
粗基准的选择：
因为该零件首先要保证缸套部分壁厚均匀，所以应选择φ229H8mm上偏差+0.072，下偏差0,孔心作为粗基准。
3.2制定工艺路线
根据各表面加工要求和各种加工方法能达到的经济精度，确定各表面的加工方法如下：
A.D.E.F面：
粗铣——半精铣；B面：
粗车——半精车——精车；C面：
粗车——半精车；凹槽：
粗铣——半精铣；φ254mm.φ233mm孔：
粗镗——半精镗；φ233mm上偏差+0.072，下偏差0，φ229mm上偏差+0.072，下偏差0孔：
粗镗——半精镗——精镗；7级~9级精度的未铸出孔：
钻——扩——铰；螺纹孔：
钻孔——攻螺纹。
因为缸体内各镗孔都有较高的同轴度要求，故他们的加工宜采用工序集中的原则，即分别在一次装夹下将所有内孔都镗削出来，除此以外A面上的各孔也有较高的位置度要求，所以也要在同一个钻夹具中加工完成。
根据先面后孔，先主要面后次要面和先粗加工后精加工的原则，将A面，B面，D面，E面，F面及缸体内各孔的粗加工放在前面，精加工放在后面，每一阶段中又首先加工A面，后再镗缸体内孔。
A面及下面上的孔及M10.M12螺纹孔等次要表面放在最后加工。
表3-1所示初步拟定加工工艺路线如下
工序
内容
10
铸造
20
时效
30
漆底漆
40
调整车削
50
（1）车端面C保持尺寸62mm
（2）车外圆φ260
mm至φ263m
（3）车B面保持尺寸63.5mm
60
（1）以B面为定位基准粗铣端面A,保持尺寸141.5
（2）粗铣凹槽保证2mm尺寸9×2mm
70
（1）以E面为粗基准，铣另一侧面D保证尺寸316m
（2）以加工好的侧面D为基准铣E面，保证尺寸312mm
80
以G面为定位基准铣F面，保证尺寸423mm
90
以φ260
mm圆心为定位基准
（1）镗φ229
mm至φ227mm
（2）镗φ233至φ231mm
（3）镗φ233
mm至φ231mm
（4）镗φ254mm至φ252mm
100
（1）车端面C保证尺寸62.5mm
（2）车外圆
（3）车B面保证尺寸63.5mmφ260
mm至φ260.4mm
110
（1）以B面为定位基准铣A面至图样要求
（2）铣凹槽至图样要求
120
（1）以E面为定位基准铣D面至图样要求
（2）铣另一侧面E至图样要求
130
以G面为定位基准铣F面至图样要求
140
以φ260
圆心为定位基准
（1）镗φ229
mm至φ228.5mm
（2）镗φ233mm至图样要求
（3）镗φ233
mm至φ232,5mm
（4）镗φ254mm至图样要求，孔口倒角1.5×45mm
150
（1）车外圆φ260
mm至图样要求，车倒角7×30mm
（2）车B面至图样要求
160
（1）以φ260
圆心为定位基准
（2）镗φ233
mm至图样要求镗φ229
mm至图样要求
170
以平面B及孔φ254mm为定位基准
（1）钻4-φ30mm通孔，扩4-φ32mm通孔
（2）钻4-φ14mm通孔，扩4-φ15.85mm.深14mm，孔口倒角1×45mm，粗铰4-φ15.95mm.深14mm，精铰4-φ16H7mm，深14mm（3）钻φ11mm通孔，扩φ11.85mm通孔，孔口倒角1×45,粗铰φ11.95mm通孔，精铰两端φ12H7×15mm（4）钻2-φ8.5mm.深30mm，攻螺纹2-M10-6H,深24mm
180
以G面为定位基准
（1）钻φ10.2mm通孔，攻螺纹M12-6H.深18mm，锪孔φ22mm
（2）钻螺纹底孔φ8.5mm，攻螺纹M10×1，刮平φ20mm深1mm
190
检测成品工件
3.3选择加工设备及刀,夹，量具
由于生产类型为大批生产，故加工设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机床，其生产方式以通用机床加专用夹具为主，辅以少量专用机床的流水生产线。
工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均有人工完成。
1.粗车端面C，B及外圆面。
考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设
计等问题，采用CA6140卧式车床（参考《机械制造工艺设计简明手册》表4.2——7）。
车刀选用90°外圆车刀YT15（参考《金属切削手册》表5——13）专用夹具和游标卡尺。
2.粗铣。
铣床X52K,采用直径为φ80mm的面铣刀（参考《金属切削手册》表9——7）专用夹具，游标卡尺。
3.粗镗，半精镗及精镗内孔都采用卧式镗床T612（参考《机械制造工艺设计简明手册》表4.2——19），选择双刃镗刀，专用夹具，专用检具。
4.工序170中钻4-φ30mm,4-φ14mm,φ11mm,2-φ8.5mm孔时选用摇臂钻床Z35，钻各孔时采用摇臂钻床Z35，选用锥柄麻花钻，扩铰各孔时采用摇臂钻床Z35，选用扩铰孔专用刀具，攻螺纹专用机用丝锥（《金属切削手册》表6——22）及丝锥夹头。
采用专用夹具和孔径用游标卡尺测量，螺孔用螺纹塞规检验。
3.4加工工序设计
1.切削用量的确定：
确定外圆面粗车.半精车.精车的切削用量
（1）确定切削深度ap
粗车选两次走刀切完，ap=1.75mm；半精车也选两次走刀完成ap=0.65mm；精车选一次走刀ap=0.2。
（2）确定进给量f
根据《金属切削手册》表4——86，在粗车外圆，倒杆尺寸为16mm*25mm，ap<=3mm,工件直径为100~400mm时，f=0.6~1.4mm/r,按CA6140机床的进给量，选择f=0.1mm/。
（3）确定切削速度v
参考《机械制造工艺设计简明手册》表4.2——8，取粗车的主轴转速为125r/min,半精车主轴转速为320r/min，精车主轴转速为500r/min，故相应的切削速度分别为：
V粗=1000v/d∏=3.14×270×125/1000m/min=106m/min
V半=1000v/d∏=3.14×263×320/1000m/min=264.3m/min
V精=1000v/d∏=3.14×260.4×500m/min=408.8m/min
由《机械制造工艺设计简明手册》表4.2——7得机床功率为7.5KW，若取效率为0.85，则7.5×0.85=6.375KW。
因为切断厚度Hd=fsinkr=0.64×1=0.64mm。
材料切除率Q=π·n·f·ap·（D–ap）=3.14×106×0.64×1.75×（270-1.75）=1×10
m
/min
查《金属切削手册》图1——16，得单位材料切除率的切削功率在（1.5~2.75）×10
KW·min/m
范围内，取PC=2.13×10
KW·min/m
于是切削功率PC=pc·Q=2.13×10
×1×10
=2.13KW因为PC=2.13KW<6.675KW故机床功率足。
2.确定A面粗铣，半精铣的切削用量
（1）确定切削深度ap
由于粗铣单边余量仅为2.5故可一次走刀完成取ap=2.5半精铣一次走刀完成ap=1.5mm。
（2）确定进给量f
参考《金属切削手册》表6——10，取粗铣的每齿进给量fz=0.2mm/z,每转进给量f=fz·z=0.2×12=2.4mm/r,取半精铣的每齿进给量fz=0.1mm/z，每转进给量f=fz·z=0.1×12=1.2mm/r。
（3）确定切削速度v
取粗铣的转速为150r/min,取半精铣的主轴转速为300r/min，又前面已选定铣刀直径D=φ80mm，故相应切削速度分别为：
V粗=1000v/d∏=3.14×80×150/1000m/min=37.7m/min
V半=1000v/d∏=3.14×80×300/1000m/min=75.4m/min。
则切削功率Pm=167.9×10
ap
fz
aeznk
，取Z=12个齿，n=150/60=2.5r/s,ae=168mm,ap=2.5mm,fz=0.2mm/z,k
=1。
将它们带入式中得：
Pm=167.9×10
×2.5
×0.2
×168×12×2.51=5.96kw,由《机械制造工艺设计简明手册》表4.2——10得机床功率为7.5kw，若取效率为0.85，则7.5×0.85=6.375kw>5.96kw，故机床功率足够。
3.确定孔4—φ30mm,4-φ14mm，φ11mm,2-φ8.5mm的切削用量
（1）确定切削深度ap
孔4—φ30mm：
ap=15mm:
；孔4-φ14mm：
ap=7mm；孔φ11mm：
ap=5.5m孔2-φ8.5mm：
ap=4.25mm。
（2）确定进给量f
参考《金属切削手册》表4.7及表4.8，取钻4—φ30mm孔的进给量f=0.16mm/r，取钻4-
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