活塞机械加工工艺规程及粗镗销孔夹具设计.docx
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活塞机械加工工艺规程及粗镗销孔夹具设计
摘要
机械产品的生产过程是一个复杂的过程。
机械制造工艺是机械制造方法和过程的总称。
而生产过程中改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程，则称为工艺过程。
它是生产过程中的主要部分，其他过程称为辅助过程。
本次毕业设计的课题是活塞的工艺设计，主要内容如下：
首先，进行零件的分析，主要是零件作用的分析和工艺分析，通过零件分析可以了解零件的基本情况，而工艺分析可以知道零件的加工表面和加工要求。
根据零件图提出的加工要求，确定毛坯的制造形式和尺寸的确定。
第二步，进行基面的选择，确定加工过程中的粗基准和精基准。
根据选好的基准，制订工艺路线，通常制订两种以上的工艺路线，通过工艺方案的比较与分析，再选择可以使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证的一种工序。
第三步，根据已经选定的工序路线，确定每一步的切削用量及基本工时，并选择合适的机床和刀具。
对于粗加工，还要校核机床功率。
最后，设计第5道工序的夹具。
先提出设计问题，再选择定位基准，然后开始切削力、夹紧力的计算和定位误差的分析。
然后把设计的过程整理为图纸。
根据以上的概述完成本次设计。
关键词：
活塞；机械加工工艺设计；夹具设计；
ABSTRACT
Themechanicalproductproductionprocessisacomplexprocess.Themachinemanufacturecraftisthemachinemanufacturemethodandtheprocessalwayscalled.Butintheproductionprocesschangestheproductionobjecttheshape,thesize,therelativepositionandthenatureandsoon,causesittobecometheendproductorthehalf-finishedproductprocess,theniscalledthetechnologicalprocess.Itisintheproductionprocessmainpart,otherprocessesarecalledthesupportingprocess.Thisgraduationprojecttopicisthepistontechnologicaldesign,maincontentasfollows:
Firstofall,itismainlyanalysisofthefunctionofthepartandcraftanalysistocarryontheanalysisofthepart,throughpartanalysescanfindoutaboutbasicsituationofpart,andcraftanalysesmayknowtheprocessingsurfaceofthepartandisitrequiretoprocess.Theprocessingdemandputforwardaccordingtothepartpicture,confirmthemanufactureformoftheblankandsurenessofthesize.
Thesecondstep,carryonthechoicethebase,confirmthickdatumandprecisedatumintheprocessingcourse.Accordingtothedatumchosen,makethecraftroute,usuallymakethecraftrouteofmorethantwokinds,withanalysingthroughthecomparisonofthecraftscheme,andthenchoosingbeabletomakesuchspecificationrequirementsastheprecisionofgeometryform,sizeofthepartandprecisionofposition,etc.getakindofprocessoftherationalassurances.
Thethirdstep,accordingtothealreadyselectedprocessroute,confirmforeverystepsofcuttingconsumptionandbasicman-hour,choosesuitablelatheandcutter.Toroughmachining,willcheckthepowerofthelathe.
Finally,designsthe5thworkingprocedurethejig.Firstproposedthedesignquestion,thethenpreferredorientationdatum,thenstartswork,toclampthestrengththecomputationandthepositionerroranalysis.Thenthedesignprocessreorganizationistheblueprint.
Accordingtoaboveoutlinecostdesign.
KeywordsPiston;Machine-finishingtechnologicaldesign;Clampstool
design;
目录
摘要I
ABSTRACTII
1对零件进行工艺分析1
1.1活塞的作用1
1.2活塞的结构特点1
1.3活塞的主要技术条件分析2
26120活塞工艺规程的设计3
2.1活塞的材料及毛坯的制造3
2.2定位基面的选择3
2.3制定工艺路线4
2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定8
2.5重点工序的加工说明9
2.6确定切削用量及基本工时.（重点工序）12
2.7活塞的检验13
3夹具的设计17
3.1问题的提出17
3.2夹具的设计17
3.3切削力和夹紧力的计算和校核19
总结22
致谢23
参考文献24
附录25
1对零件进行工艺分析
1.1活塞的作用
由于柴油的物理化学特性，所以柴油机的构造是一个非常复杂的系统。
而油缸就是这个系统中一个很关键的部位，对整个动力系统起着决定性影响，在某种意义来说它是柴油机里面的“心脏”。
而活塞则是柴油机机里“心脏中的心脏”。
活塞位于发动机汽缸内,作往复运动,当燃烧室里的混合气体（空气和燃料）点燃并膨胀时,活塞受到气体的压力,并经过活塞销及连杆将压力传送给曲柄。
气体的吸入,压缩,废气的排除,也都由活塞的运动来完成.因此活塞工作的主要特点是在高温高压下作长时间的连续变负荷往复运动。
为了提高活塞的工作性能和寿命,它必须具有如下的要求:
（1）在高温高压下具有足够的强度和刚度;
（2）较轻的结构重量;
（3）良好的耐磨性和耐蚀性;
（4）良好的导热性,热膨胀系数小;
（5）保证气缸内部空间密封。
本次设计加工的是6120柴油机的活塞。
1.2活塞的结构特点
6120活塞顶部有燃烧室,混合气体在里面进行燃烧,它的容积大小就决定着里面能够容纳混合气体多少,也就决定了燃烧后所产生的压强大小。
近顶部的环槽分为气环槽和油环槽，为放置活塞环用,在气环槽内放置的活塞环使活塞头部与气缸不接触,并用以密封活塞的顶部,防止漏气。
远离顶部的环槽钻有油孔,它把飞溅到气缸套内壁上的多余润滑油刮去,并通过油孔流回,使之不致进入燃烧室。
活塞的裙部在活塞的工作过程中起导向的作用,底部有精加工的止口,它是为加工活塞而设置的辅助精基面,在结构和功能上没有起到直接的作用。
由于燃料燃烧会产生很大压力，所以在工作过程中活塞将产生受力变形和热变形,由于活塞裙部在圆周方向刚度不同,在活塞的轴线方向的弹性变形比垂直于该方向的弹性变形大,使活塞裙部在受力后变成椭圆,另一方面,在高温的工作环境下也要产生热变形。
销孔轴线方向的金属层比较厚,热鼓胀比垂直于该方向上的大,也将使活塞裙部变形后成为椭圆,这样的话将必然使活塞与气缸套的间隙不均匀的减少甚至消失,以至产生强烈的摩擦甚至咬住。
为了补偿上述的变形,所以把活塞的裙部设计制造成椭圆形,椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上。
此外，活塞在工作时顶部是直接和高温气体接触的,而裙部是间接传来的热量,故而头部的热鼓胀量要比裙部的大,为了补偿这种不均匀的变形,故把活塞头部的外径设计得比裙部小,同时头部也设计成上小下大的锥形。
同时在活塞裙部的销孔附近加工出凹坑,用来增加裙部与气缸套内壁的间隙。
1.3活塞的主要技术条件分析
1.3.1活塞裙部外圆与气缸的配合
活塞裙部外圆与气缸要求是一种精密地配合,因而裙部外圆一般要求公差等级IT6,为减少机械加工的困难,将活塞裙部和气缸套孔径的制造公差均放大二倍,装配时按裙部的尺寸分成二组对应装配,以保证大致要求的间隙。
要求裙部外圆的粗糙度Ra≤1.6μm。
1.3.2活塞销的要求
为了使活塞销在工作过程中能在孔中自由转动,销孔的公差等级大小要求IT6级,同时为了减少机加工工作量,活塞和活塞孔的装配也采用分组装配法,要求销孔内圆的粗糙度Ra≤0.2μm。
1.3.3销孔（活塞的）的位置公差的要求
销孔（活塞的）的位置公差也应有严格要求，销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比,也就影响着发动机的效率,因此应该控制在90±0.05内。
销孔轴心线对裙部轴心的垂直度影响着活塞销,销孔和连杆的受力情况过大将使活塞销、销孔、连杆单侧受力。
活塞在气缸套中倾斜,加剧磨损,因此这里垂直度在100mm长度上公差为0.03mm。
销孔轴心线对裙部轴心线的对称度误差也会引起不均匀摩损,故而应该限制。
1.3.4活塞重量的要求
为了保证发动机运转平稳,在同一发动机上各活塞的重量不应相差太大,对于6120柴油机活塞,同级活塞的重量差不能超过20克,即活塞的重量差不得大于活塞名义重量的±2.5%.活塞在装配的时候应按重量进行分组.
26120活塞工艺规程的设计
2.1活塞的材料及毛坯的制造
活塞在发动机内是做高速的往复运动,根距它的工作特性，为了减少其惯性的作用采用的材料为共晶铝硅合金。
它的化学成分为:
共晶铝硅合金 （％）
Ｓi11-13;Cu1-2;Mg0.4-1;
Mn0.2-0.7;Fe≤0.8;其余 Ａl
与铸铁相比具有以下的优点：
（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。
由于是大批大量的生产３０万件每年，为了提高毛坯的精度，铸出活塞的销孔及燃烧室，减少机加工余量，故而毛坯的铸造是采用金属模铸造。
毛坯在机械加工前先要去铣浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力，增加活塞的强度及硬度。
时效处理的方法是将活塞加热到１８０°－２００°Ｃ，保温６－８小时后自然冷却。
2.2定位基面的选择
定位基准选择的准确性对保证零件表面间的位置精度、位置尺寸和安排加工顺序都有很大的影响，直接影响零件的加工精度和生产效率。
基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。
一个几何关系就有一个基准。
活塞是一种薄壁型零件，在外力作用的情况下是很容易产生变形的，而活塞主要表面的尺寸精度和位置精度的要求都很高，因此应以一个统一的基面定位来加工这些要求高的表面，如直接采用外圆定位的话（即设计基准）将有可能产生很大的变形。
故在这里采用活塞的止口和端面来作为统一基准。
在精车外圆和精磨外圆这两工序中用止口处的锥面和顶面上的中心孔定位，其余工序都采用止口和端面定位。
精镗销孔则由于精度要求很高，为避免产生基准不重合误差，而采用的是设计基准做为定位基准。
采用止口和端面（或锥面和中心锥）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、销孔等主要及其它次要表面，而且在这一道工序中，一次安装就可以车削外圆、顶面、环槽,实现了工序的集中。
既可提高生产率，又能保证这些表面的位置精度。
（2）活塞裙部在半径方向的刚性差，利用止口和端面定位可以沿活塞轴向夹紧，就不至引起严重的变形，同时又可以进行多刀切削提高生产效率。
当然这些定位也有一些缺点：
如果加工一些本来不需要加工的表面，而且是一些精度要求级高的要经过两次加工的。
止口对裙部外圆的同轴度误度将影响环槽的位置精度。
但总的说来，采用止口端面作为统一基准虽然增加了加工工时和设备，但它更有利于保证加工质量，故而采用它来定位是可行的。
2.3制定工艺路线
关于工艺路线的拟订，目前还没有一套精确的计算方法，而是采用经过生产实践总结出来的一些带有经验和综合性的原则。
制订工艺路线的出发点是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证，在生产纲领已确定为大量生产和条件，故可以适当地采用专用机床配以专用夹具。
除此还应考虑经济效果，使生产成本尽量下降。
它是制定工艺规程的关键阶段。
此次设计拟订了几套工艺路线方案：
2.3.1工艺路线方案一
工序号
内容
1
粗车止口
2
粗外切槽及顶部
3
钻斜面油孔
4
钻环槽油孔
5
钻销座油孔
6
滑销座油孔
7
粗镗销孔
8
精车止口及顶锥
9
精切细外环岸及倒角
10
精镗销孔（顺镗）
11
挖销孔卡簧
12
切小槽
13
靠模车裙部
14
车凹部
15
车燃烧室
16
精车顶部及导角
17
钻R7凹坑
18
车燃烧室口
19
铣喷油道曲线
20
清洗
21
滚压
2.3.2工艺路线方案二
工序号
内容
1
粗车止口
2
粗镗销孔
3
粗切外槽及顶部
4
钻斜面油孔
5
钻环槽油孔
6
钻销座油孔
7
滑销座油孔
8
精车止口及顶锥
9
精切梯形槽
10
精镗销孔（顺镗）
11
挖卡簧槽
12
切小槽
13
靠模车裙部
14
车凹部及去毛刺
15
滑油池底
16
车燃烧室
17
精车顶部及倒角
18
钻R7凹坑
19
车燃烧室口
20
铣喷油道曲线
21
去毛刺锐边
22
清洗
23
滚压销孔
2.3.3工艺方案的比较与分析
（1） 通过比较可以发现在方案一中，将粗镗销孔放在第七道工序，而在方案二中第二道工序就是粗镗销孔,在实际工厂的生产中,活塞的毛坯一般都是铸造出锥形销孔（便于拔模）,而销孔是许多工序加夹紧力的部位,故应在粗镗止口之后即对销孔进行粗镗,以便在以后的工序中夹紧力能较均匀的分布,而不至于压坏销孔所在的搭子。
（2）在方案一中,所有环槽的粗、精加工都是一次一起加工的,而在方案二中将梯形槽单独的精加工,而环槽加工是活塞加工中重要的工序之一,它的精度要求高,而切削力又较大,故应采用方案二中的方法,来加工环槽,才能保证其精度的要求。
（3）在方案一中,加工燃烧室打算一次加工成功,用成形车刀。
而燃烧室的形状为一般球形,成形车刀是一种半圆形的,由于成形车刀有进给运动,是很难加工出球形燃烧室和保证燃烧室的容积的。
故应按照方案二那样,光滑油池底,在燃烧室底部钻一个孔后再用成形车刀加工。
（4）另外,精镗销孔是活塞加工中保证精度的关键性的工序,在这里将着重分析一下它的工艺。
由于销孔的尺寸、形状和位置精度以及粗糙度的要求都很高,因此要采用高精度的镗刀和金刚镗床,同时对精镗销孔工序定位基准的选择也必须予以充分的重视。
上述的两种方案采用的是顺镗镗销孔,它用止口及端面来定位,消除了五个自由度。
剩下的转动自由度用一根装在尾座套筒中的菱形销插入销孔中来定位,从而保证精镗的加工余量均匀,当活塞被压紧后,再将菱形销退出即可加工.但销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比,在零件图中有95±0.08的要求,即设计基准是顶面,而定位基准是止口及其端面,产生了基准不重合的误差。
这种情况下要对工序尺寸进行换算,提高某些尺寸精度,这种就会使成本提高。
图3.1端面和止口定位精镗销孔
为了使工艺基准和设计基准重合,可以用顶面代替端面作为基面,即倒镗销孔,。
同时在零件图中由于活塞的轴心线和销孔的轴心线也有较高的精度要求,故倒镗时采用外圆和顶面来定位的话,就能很好保证其精度要求。
则采用外圆定位时应采用V形块,而一般形状下是用两V形块夹紧,但这里活塞是薄壁零件,这样的夹紧方法将会产生变形,故是采用一个V形块的内部夹紧。
这样才能有利于保证加工质量,但夹具的结构复杂,同时也应适当的施加夹紧力。
如图3.2所示
图3.2用裙部外圆和顶面定位夹具简图
工序的安排为：
先加工阶段的划分,划分加工阶段应将粗精加工分开,才能使变形所引起的误差减小到最小。
分析上面活塞加工的工艺过程,可分为粗、精加工两个阶段。
工序6以前为粗加工阶段,包括对各主要表面如止口、外圆、环槽等进行的粗加工,同时将一些要求不高的又要切除的较多金属余量的表面如油孔等加工出来。
从工序7开始为精加工阶段。
工序7为转折点,在此工序中对精基准进行修整,以保证以后精加工工序的定位精度。
此外,为了避免精加工后的表面受到损伤,主要表面的精加工应尽量放在最后进行。
如精磨裙部外圆和滚压销孔都放在最后加工。
其次是工序的集中与分散,上述活塞的加工工艺过程属于大量生产,它的特点是按工序集中原则,采用了较多的高效率的专用机床和专用工夹量具,组成生产流水线。
如在第三道工序的多刀车床,在一次安装下同时加工出外圆、环槽和顶面;第四第五道工序在专用多轴钻床上同时钻六个和八个孔,大多数工序都由复合工步组成。
由于工序集中减少了机床的数量,相应地操作工人数和生产面积,由于工序集中,而且采用自动化程度较高的专用机床和工夹量具,大大提高了生产效率,又由于工序集中,在一次安装中加工尽量多的表面,不但减少了辅助时间,而且有利于保证各表面的相互位置精度。
综上所述,在方案一和方案二中的基础上加以综合修改后,确定的加工路线最后如下:
工序号
工序内容
设备
1
外圆定位粗车端面及其止口
在C620-1上加工
2
止口定位粗镗销孔
双头镗床
3
止口定位粗切外圆、槽及顶部
多刀半自动车床C730
4
钻斜面油孔
Z512
5
钻环槽油孔
Z512
6
钻、滑销座孔
转塔钻床
7
精车止口及顶锥（外圆定位）
专用立镗
8
止口定位精切细外环岸、倒角
多刀自动车床
9
止口定位切小槽及精切梯形槽
C620车床
10
靠模车裙部
靠模车床
11
车凹部
普通车床
12
车顶面及倒角
C620
13
外圆定位以顶面为基准倒镗（精）销孔
金刚镗
14
挖卡环槽
车床
15
滑油池底
Z535
16
车燃烧室
C620
17
钻R7凹坑
Z535
18
车燃烧室口
车床
19
铣喷油曲线
Z535
20
去毛刺、锐边
手钻、砂纸
21
清洗
22
滚压销孔
钻臂钻床
2.4机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
加工余量是指加工过程中所切去的金属层的厚度。
加工余量的大小对于工作的加工和生产率均有较大的影响。
零件图样上的设计尺寸及其公差是经过各加工工序后得到的。
没道工序的工序尺寸都不相同，它们是逐步向设计尺寸接近的。
为了最终保证零件的设计要求，需要规定个工序的工序及其公差。
6120活塞的零件材料为铜硅铝合金,毛坯重量约为2300克,生产类型为大批大量生产,采用的毛坯为金属模铸造出来的。
根据上述原始资料及加工工艺,分别确定各加工表面的机械加工余量,工序尺寸及毛坯尺寸如下:
Φ126x156（mm）
2.4.1止口的加工余量
总余量为:
3mm
粗车余量为:
2.6mm
精车余量为:
0.4mm
2.4.2端面及顶面的加工余量
端面的总余量为：
4mm
粗车余量为：
3.8mm
精车余量为：
0.2mm
顶面的总余量为：
5mm
粗车的加工余量为：
3.5mm
半粗车的加工余量为：
1.37mm
精车的加工余量为：
0.13mm
2.4.3销孔的加工余量
滚压的加工余量:
0.15mm
精镗的加工余量为:
0.30mm
粗镗的加工余量为:
3.55mm
则总的加工余量为:
4mm
2.4.4外圆的加工余量
毛坯的总加工余量为:
3mm
精车之后细车加工余量为:
0.25mm
粗车之后精车的加工余量为:
0.6mm
粗车的加工余量为:
2.15mm
2.5重点工序的加工说明
2.5.1止口的加工
止口的加工分为粗加工和精加工两步,由于止口是作为整个加工过程中的工艺基准,其加工精度要求当然是相当高的,所以必须采用合理的加工方法才能保证精度和要求。
由于工作外圆是毛坯表面，如图2.5.1所示：
图2.5.1以外圆定位粗车止口
用一般的三爪卡盘夹持不够牢固,所以把长爪加长以避免工件在切削力作用下产生倾斜,工件的初始位置由支承钉确定轴向位置,而被加工的止口和端面由最终位置由装在刀架的长杆决定。
即当刀架进给时,长杆和刀架一起移动,当长杆的头部与活塞的内顶部接触时,微动开关（连在长杆上的）被触动而使刀架停止进给,以保证工序尺寸。
这种用长杆控制工序尺寸的好处在于:
毛坯的制造误差不会影响燃烧室的壁厚,但是它同样也会带来一个缺点,如果毛坯的外圆和内壁有较大的同轴度的误差,用外圆加工出的止口与外圆同轴而与内壁不同轴,以后再用止口定位加工出的外圆表面就会造成壁厚不均匀,如果毛坯的外圆与内壁的同轴度误差不大时,则用上述方法就不会造成很大的壁厚差,由于6120活塞的毛坯采用的是金属浇注,精度较高,故采用上述定位方法基本能保证壁厚差。
粗加工止口后,再进行斜面及孔座的加工,精车止口的加工。
这是因为在精车止口是统一的基准,因此在精加工之前必须先提高它的精度对它先进行精加工。
这时由于外圆已加工过而精车止口的切削用量不大,故可以用V型块对外圆进行夹紧,又由于顶面需加工出一顶锥,所以可以用两个支承导轨来支承顶面,这样就限制了工件的5个自由度,只剩一个垂直方向的转动自由度,这样就可以同时在上面精车止口,下面车出顶锥,这种定位方法能够保证止口和外圆的同轴度,搞高工作效率。
2.5.2环槽的加工
在零件图的技术要求中对环槽侧面的垂直度。
圆跳动和槽宽的尺寸精度都有较高的要求,加工中由于切槽刀在宽度方面的刚性较差,端面到环槽的距离不可避免的
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