机械制造专业毕业设计.docx

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机械制造专业毕业设计

中南大学

2009届毕业“论文”设计

题目:

活塞加工及金属模设计

学院：

铁道学院

专业：

机械设计及自动化

姓名：

林金虹

班级：

机械设计自动化101班

指导教师：

何玉辉

设计地点：

中南大学

起止日期：

2011年1月20日——2011年5月5日

●摘要……………………………………………………………………………………………4

●ABSTRACT………………………………………………………………………………5

●第一章活塞的结构6

1.1活塞的结构……………………………………………………………6

1.2活塞的主体构成…………………………………………………………………7

1.21顶部…………………………………………………………………………………………7

1.22环槽部……………………………………………………………………………………….8

1.23裙部…………………………………………………………………………………………8

1.24活塞销座……………………………………………………………………………………8

1.3活塞的结构特点…………………………………………………………………9

1.4活塞的技术要求…………………………………………………………………10

●第二章活塞的加工设计11

2.1铝合金活塞的加工工序……………………………………………11

2.2活塞的裙部加工……………………………………………………12

2.3活塞销孔加工………………………………………………………12

2.4活塞的检验…………………………………………………………14

2.41活塞的终检项目……………………………………………………………14

2.42裙部直径和椭圆度的检验…………………………………………………15

2.43销孔与裙部中心偏移量的检验……………………………………………15

2.44销孔与裙部中心线垂直度的检验…………………………………………15

2.45销孔直径检验………………………………………………………………15

2.46环槽上、下表面的平面度误差……………………………………………15

2.47活塞上、下边缘及环岸、活塞环之间的关系……………………………16

●第三章活塞的铸造方式17

3.1铸造方式的比较……………………………………………………17

3.2铝合金的铸造方式…………………………………………………18

●第四章金属型的设计及制造19

4.1冒口的设计…………………………………………………………19

4.11冒口的形式与种类……………………………………………………………19

4.12冒口尺寸的确定………………………………………………………………20

4.2浇注系统的设计………………………………………………………21

4.3金属型分型面的选择………………………………………………23

4.4金属型的结构设计……………………………………………………24

●第五章金属型型芯和型腔的设计28

5.1型腔的设计…………………………………………………………29

5.2型芯的设计…………………………………………………………32

5.3活塞模具制作的其他方法…………………………………………33

全文总结………………………………………………………34

致谢……………………………………………………………35

参考文献………………………………………………………36

摘要

汽车发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，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由活塞来吸收，活塞会把燃烧气体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆的作用将活塞的线性往复运动转换曲轴的旋转运动。

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。

活塞在气缸内以很高的速度往复运动,且速度在不断地变化,这就产生了很大的惯性力,使活塞受到很大的附加载荷。

活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，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，而铸造又比锻造简单便宜，但却不及锻造活塞能承受较大的热度和压力。

由于活塞与活塞环都必须在高温、高压、高速及临界润滑的状态下工作，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引擎的性能。

关键词：

活塞气缸盖燃烧室曲轴惯性力附加载荷

ABSTRACT

Thepistonofcarmotorisoneofthemainaccessoriesesinthemotor,itandthepistonwreath,pistonselletc.thesparepartsconstituteapistonsetandcoverwithaircylinderetc.constitutecombustionroomtogether,beargasfunctionthedintalsosellthroughapistonandconnectthepolepassmotivesongstalktocompleteinsidetheworkprocessofRanmotor.Theoilannoysthecombustionproducesofhotfromthecopingofpistonabsorb,andspreadtoaircylinderwall,andcombustionempressthestrengthproducedbyairinflationhavetoalsoabsorbthroughthepiston,thepistonwillchasecombustionairpressureandinertialdintthroughconnectthepolespreadtosongstalkup,makeuseofconnectthefunctionofpoleexercisethelinebackandforthofpistontoconvertrevolvingofsongstalksport.

Theeffectofpistonbearsairpressure,andselltopasstoconnectapoletoorderaboutsongstalktorevolvethroughapiston,constitutingofthepistonacopingstillacombustionroompart.Pistonundertheconditionthatheat,highpressure,highspeed,lubricatebadwork.Thepistonisexercisedwithveryhighspeedbackandforthintheaircylinder,andspeedatconstantlyvariety,thisproducedverygreatlyinertialdintandmadethepistonbeensubjectedtoverybigoftheaffixturecarryalotus.Thepistonisunderthisbadconditionwork,willproducetotransformandacceleratetowearaway,alsoproduceaffixturetocarrylotusandheatinresponsetothedint,besubjectedtochemistryofthegascorrosionfunctioninthemeantime.Modernofthepistondesigntomainlyhavethefoundryandforging2kinds,butcastagainthanforgingsimplecheapness,butcannotcomparewithforgingpistoncanbearbiggerheatandpressure.Pistonandpistonwreathshavetoworkundertheappearanceoftheheat,highpressureandhighspeedandthecriticallubrication,thereforeforlongtime,themotordesignsallcontinuouslymakegreateffortforprovidingabestdesign,thencanraisethefunctionofenginefromthepiston.

keywords:

PistonTheaircylindercoversBurnableroomSongstalkInertialdintAdditionalcarryalotus

第一章活塞的结构

1.1活塞的结构

汽车发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，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由活塞来吸收，活塞会把燃烧气体压力及惯性力经由连杆传到曲轴上，利用连杆的作用将活塞的线性往复运动转换曲轴的旋转运动。

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，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，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,汽油机高达3~5MPa,柴油机高达6~9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用。

活塞在气缸内以很高的速度（8~12m/s）往复运动,且速度在不断地变化,这就产生了很大的惯性力,使活塞受到很大的附加载荷。

活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，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，而铸造又比锻造简单便宜，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压缩比的目的，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，当活塞到达上死点时可能就会打到气门，因此高压缩比活塞对气门动作精确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。

不锈钢及特殊合金的活塞环已广泛应用在赛车及改装套件市场，这些特殊设计的合金活塞环可以在活塞往上行时释放压力，但在往下爆发行程时却能保持密闭的状态以维持压力。

这种活塞环虽然贵，但是却能有效地提高引擎效率。

由于活塞与活塞环都必须在高温、高压、高速及临界润滑的状态下工作，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引擎的性能。

1.2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。

1.21顶部

顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。

顶部是指活塞顶端和环槽部分。

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）平顶受热面积小，广泛采用。

顶端采用平顶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，如图6—1（a）所示。

（2）凹顶高压缩比发动机为了防止碰撞气门，也可用凹坑的深度来调整压缩比。

有些发动机（例如直喷式柴油机和新型的缸内喷注汽油机）为了混合气形成的需要，提高燃烧效率，将爆燃减少到最小程度，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，如图6—1（b）所示。

（3）凸顶凸顶与半球形燃烧室配用，如图6—1（c）所示。

1.22.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6—2所示。

图6—2活塞环的结构

1.23.裙部

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

活塞裙部的形状极有讲究，尤其是像轿车一类的轻型乘用车，设计者从发动机的结构和性能出发，常在活塞裙部上动脑筋，以使发动机结构紧凑、运行平稳。

裙部外表面粗车、精车的余量不能太大。

粗车刀痕太深将导致精车时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时切屑排除不畅，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，情况更为严重。

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与销孔不垂直，会出现长轴值小于图纸尺寸，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是有区别：

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，且生产规定偏离量一般取0.7~1。

全裙式裙部为一薄壁圆筒。

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，见图6—3。

拖板式裙部是将非承压面的裙部全部去掉,见图6—4。

1.24.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偏移了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，以减小敲缸的声音。

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，使裙部受损。

图6—3半拖板式活塞

图6—4拖板式活塞

1.3.活塞的结构特点

1.31恒范钢片

为了减小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。

由于恒范钢为含镍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。

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

1.32．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，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。

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厚，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，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。

因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状。

椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向，这样活塞工作时趋近正圆。

1.4.活塞的技术要求

由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，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，耐热性高，膨胀系数小（尺寸及形状变化要小），相对密度小（重量轻），耐磨及耐腐蚀，还要成本低。

由于有些要求互相矛盾，很难找到一个能够完全满足各项要求的活塞材料。

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、导热性好的突出优点，但同时又有膨胀系数比较大，高温强度比较差的缺点，这些缺点只能通过合理的结构设计以满足使用要求。

所以，汽车发动机的质量优劣，不但要看采用的材料，同时也要看设计的合理性。

对活塞的技术要求如下。

（1）裙部外圆活塞裙部外圆与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1.5µm左右。

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

（3）活塞重量为保证发动机运转平稳,同一台发动机的活塞,其相互间的重量差不得大于0.08N

第二章活塞的加工设计

2.1铝合金活塞的加工工序

活塞是比较复杂和精密的零件。

加工时通常选择活塞头部内腔和内止口为粗基准，裙部,底面和内止口为大多数工序的精基准，有时还要用外圆表面、销孔及顶面作为精基准和定位基准。

由于以内腔圆面作为粗基准来直接加工内口不方便，故第1工序先安排以内腔圆面为粗基准来粗车外圆面，第2工序则以外圆表面和顶面内壁定位，加工内止口和裙部底面，这样可保证外圆表面和内腔之间的壁厚的均匀性及顶面的壁厚，并为后面的工序准备好定位基准。

另外，内止口在夹具的短圆柱销上定位时，为了保证最小间隙和提高定位精度，以保证以后各工序加工表面之间的位置精度和加工余量的均匀性等，要求内止口孔径要达到2级，活塞加工的工艺过程见表6—1。

在这个过程中，最重要的是活塞裙部的加工和活塞销孔的加工，下面就对这两个方面进行分析。

2.2.活塞的裙部加工

活塞的裙部椭圆加工已经逐步有车削取代磨削。

早期活塞裙部大多数采用单椭圆，即沿整个裙部高度上椭圆度不变。

椭圆度沿活塞裙部高度方向变化的活塞称为变椭圆活塞。

除了椭圆度变化外，由于裙部上端温度高、膨胀量大，所以活塞在制造时应使活塞裙部上端尺寸小于下端尺寸，就是说椭圆度为下小上大，而直径为下大上小。

就直径变化规律来说，以前裙部母线多采用直线，即裙部是一个椭圆锥面。

从发展趋势来看，目前裙部母线已较多地采用折线或曲线，而曲线则大多数采用抛物线。

由于裙部椭圆和直径变化是相互独立的，因此，裙部椭圆加工机床应该能够分别独立调整裙部不同截面上的直径尺寸及椭圆度的变化。

车削椭圆活塞主要有两种方法：

用凸轮杠杆机构的活塞车床加工；采用套车法车床加工。

2.3.活塞销孔加工

铝合金活塞的毛坯预先铸有销孔，铸出的孔带有锥度，不宜用来夹紧活塞，否则会压坏销孔。

活塞销孔的加工是活塞加工的主要工序。

由于活塞销孔的技术要求非常高，一般都用高精度的金刚镗床进行加工。

金刚镗床的特点是切削速度高、切削面积小、加工精度高。

为了保证活塞销孔的尺寸、形状和位置精度，金刚镗床的主轴回转精度要求很高，镗头一般都采用静压轴承。

加工时，活塞以止口的内圆及端面定位，限制5个自由度。

在圆周方向用尾座中的长菱形销插入待加工销孔中定位以消除转动自由度，然后在活塞顶面上夹紧。

此种定位方法由于存在基准不重合误差，势必要提高止口端面到销孔中心线的尺寸加工要求。

如果采用肩面、顶面及销孔定位加工活塞销孔的方案，可以直接获得销孔中心线至顶面的距离，与前一种装夹方式比较，更容易保证加工精度。

铝合金活塞销孔精镗后，孔的尺寸公差等级可达IT5,表面粗糙度Ra可达0.4µm,由于活塞销孔的表面粗糙度Ra要求为0.1µm,高速精镗后仍然达不到要求。

为降低活塞销孔的表面粗糙度，生产上要采用下面两种方法。

1.脉冲滚压

脉冲滚压过程实质上是许多小滚针在被加工表面上进行间断冲击和滚压。

由于滚针对孔壁变形做的功较小，塑性变形深度不大，仅起到将表面微观不平压光的作用。

正因为这样，脉冲滚压不会引起工件的宏观变形，所以它特别适合于对于强度低、刚性差的零件进行光整加工。

脉冲滚压的质量取决于滚压前的表面质量、滚压过盈和滚针冲击加工表面的次数。

由于脉冲滚压仅改善微观表面的不平度，因此，孔的尺寸精度及形位公差均需要在滚压前的工序中加以保证。

过盈量是脉冲滚压的重要工艺参数。

过盈量过小则不能压光微观表面不平，起不到降低表面粗糙度的作用。

过盈量太大则产生过度的塑性变形，使工件表面产生疏松、胶皮现象，表面粗糙度反而恶化。

过盈量的大小由实验确定。

在主轴转速一定的条件下，滚针对工件表面的冲击次数取决于滚针数及轴向进给量。

滚针数量多、轴向进给量小，则冲击次数多。

滚针数量和滚压工具转速决定了冲击频率。

一般冲击频率在100HZ左右,进给量则以0.25~0.5mm/r为佳。

最初，随着滚针对工件孔的冲击数增加，表面粗糙度也逐渐变小。

当冲击次数过多时，由于塑性变形过度而产生金属疲劳，表面粗糙度反而变大。

2.镜面镗削

镗削活塞销孔。

工件的尺寸稳定、形状误差小，表面粗糙度完全满足要求，可以稳定的得到质量符合要求的销孔。

在镜面镗刀端部中心孔上加工有锥管螺孔，螺孔部分开有轴向槽，拧动螺塞可使锥管螺纹张开，从而可精确调节镗刀直径，两镗刀刃应该与回转中心线严格对称，两块硬质合金刀片的前后刀面都应研磨到表面粗糙度Ra小于0.25µm。

镜面镗削与脉冲滚压加工相比较,镜面镗削对孔的预加工要求可以低一些。

镜面镗刀由于结构原因，尺寸较小的孔加工较难掌握，但有的工厂已在生产中成功地使用φ14mm镜面镗刀。

2.4.活塞的检验

2.41.活塞的终检项目

活塞的技术要求很高，为了保证达到规定的技术条件，在每个重要加工工序之后，一般都安排有中间检验工序。

终加工之后，还要进行一次较全面的最终检验。

外观检查，其中包括不得有与毛坯铸造有关的缺陷，如裂缝、蜂窝孔、夹渣及疏松等。

加工表面不得有由于加工不善及运输过程所造成的刻痕、毛刺、尖角和碰伤等。

销孔尺寸及销孔的形状和位置误差检查，销孔尺寸在终检是按尺寸大小进行分组，并用不同颜色油漆标记不同的尺寸组别。

上述项目要百分之百进行检验。

此外，还需要按重量分组，其重量差不大于+0.04N和不小于-0.04N。

如果活塞加工工艺中安排有专门工序，对不符合规定重量的活塞，可在裙部止口内圆上切去部分金属。

以下项目只对一部分工件进行检验；销孔对裙部中心线的偏移量；销孔中心线与裙部中心线的垂直度；销孔中心线至顶面的距离。

2.42