ZB4H95Q发动机缸体机加工艺设计.docx

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ZB4H95Q发动机缸体机加工艺设计

毕业设计

ZB4H95Q发动机缸体设计

ZB4H95Qstraightclamshell-typeengine

系　　　　　　别：

机电工程系

专业名称：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

学　　　　　　号：

指导教师姓名、职称：

完成日期2013年4月18日

摘要

随着各门科学技术的进步和全球化经济的发展，制造业发生了深刻的变革，先进制造技术正在改变着传统的制造业。

ZB4H95Q型直蚌式发动机是我国独创的具有完全独立知识产权的新型发动机，是一种无连杆发动机，它在转子发动机的基础上发明而成，其核心是采用圆滑块机构作为发动机机构。

在保留转子发动机优点的同时，在结构上对往复活塞式发动机有很好的继承。

其结构原理具有先进，体积小、重量轻、运转平稳、功率大、扭距大、彻底改变传统结构形式、耗油低、排污少等特点。

2004年参加了上海第五届中国国际发明展览会，获唯一的日内瓦最新发明创造奖。

缸体是发动机的最主要也是最关键的部件，其缸体加工的质量直接影响发动机的功率。

一无工艺文件指导，二无工艺装备，通过自己的努力克服和解决了一个又一个难题，顺利地完成了发动机缸体的毕业设计。

关键词：

发动机缸体；夹具设计；工艺分析；加工路线

Abstract

Withdevelopmentofallkindofsciencetechnologyandglobaleconomy,Manufacturehavetakenplacegreatlyreformation.

ZB4H95Qstraightclamshell-typeengineiscompletelyIndependentofouroriginalintellectualpropertywithanewengine,itisanon-rodengine,itisbasedontheinventionoftherotaryenginefromitscoreinstitutionsastheengineblockwithsleekbody.Whileretainingtheadvantagesoftherotaryengine,whilethestructureofthereciprocatingpistionenginewithagoodinheritance.Thestructuralprincipleofadvanced,smallsize,lightweight,smoothoperation,power,largetorque,completelychangethetraditionalstructure,lowfuelconsumption,lessemissionsandothercharacteristics.2004participatedintheFifthChinaInternationalInventionExhibitionShanghai,wasonlythelatestGenevaInventionAward.Cylinderisthemostimportantandmostcriticalenginecomponents,thequalityofitsdirectimpactcylinderprocessingpoweroftheengine.aprocessfilewithoutguidance,nortechnicalequipment,intheinstructorguidanceandhelptoovercomeandsolveproblemsoneafteranother,thesuccessfulcompletionoftheengineblockofthegraduationprojecttasks.

KeyWords：

engineblock;fixturedesign;processanalysis;processroute

1绪论

毕业设计是培养学生工作能力的最后一个实践性学习环节，是大学教育的最后环节。

它不但是对我们这四年来所学知识的一次综合性的复习和考核，也是对以后从事的专业技术工作做准备,因此在整个教学环节中占有极为重要的地位。

通过这次综合技能训练，不但培养了我们综合运用所学知识来分析和解决本专业一般技术问题的能力，而且也进一步巩固扩大和深化了我们所学的基本理论，基本知识和基本操作技能，同时也培养了我们树立正确的设计思想和生产观念、经济观念、全局观念。

养成了理论联系实际和严谨的工作作风，使我们掌握了机械加工的一般工艺规程，独立正确的使用技术文献和正确的表达自己设计思想。

本次毕业设计的题目是有关工艺工装的问题，所以就更注意工艺这门内容广泛的课题。

作为新时代的大学生，应该把“新”字贯串在整个设计过程中。

在专业基础方面继承前人的观点，但是我们决不能犯教条主义，比如在工艺的编排上，夹具的设计上应大胆突出个性，不能沿袭现成的编排思路设计方案。

本次设计题目为ZB4H95Q直蚌式发动机缸体的工艺工装。

我将踏踏实实完成此次设计，力争给自己的大学生活画上一个圆满的句号。

在这次毕业设计时间里，通过进行预习相关的专业知识、查阅相关的技术资料（手册）、绘制图纸、撰写论文、编制工艺卡等工作。

在毕业设计及加工过程中，我感谢老师给予的帮助，他给我提出了很多的宝贵意见,在经过多次调查研究和指导老师的细心指导下,使我正确分析与解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线的合理拟定问题，从而保证了零件的加工质量、生产率、经济性；学会了调查研究、收集有关技术资料的方法；使我建立了正确的设计思想，掌握了工程设计的一般程序、规范和方法，并进一步巩固、提高了我识图和自身专业的了解与认识。

总之，在各个方面都是我得到了充分的锻炼。

在这次毕业设计中,我充分运用了这几年来所学的专业知识及实习经验，此课题使自己的专业知识和实践经验得到了很好的应用和检验。

由于能力有限和缺少实际经验，设计尚有不足之处，望各位老师给予指正，我将及时改正。

1.1缸体的结构原理和结构分析

1.1.1缸体的结构原理

ZB4H95Q发动机缸体结构如图1.1，其结构原理具有先进，体积小、重量轻、运转平稳、功率大及无连杆传动等特点。

图1.1发动机缸体

1.1.2缸体结构分析

ZB4H95Q发动机缸体总体看来，是一个长方体结构，它的外形尺寸为274×257×249，结构尺寸较大，要求也比较严格，缸体的核心所在为缸孔，它是由两个Φ95.50+0.022孔轴线、Φ940+0.022孔轴线在此平面相交，Φ940+0.022孔轴线又与垂直方向的Φ95.50+0.022相交。

油道孔孔径Φ8，长度分别为211.5、242。

深环槽槽深为15。

缸体两端面的M12螺纹底孔Φ10.3和Φ120+0.018孔、M8螺纹底孔Φ6.7、M10、M8、M6螺纹底孔Φ8.5、Φ6.7、Φ5和其他孔Φ14.5、Φ10.3、Φ9、Φ8。

缸体底面的M20、M16、M8、M6螺纹底孔Φ18、Φ14、Φ6.7、Φ5。

机械加工精度是指工件在机械加工后的尺寸，几何形状以及表面相对位置等实际几何参数，与设计图所规定的数值相符合的程度。

零件的精度可以从两个方面来表示：

（1）表面本身精度：

如尺寸，形状，粗糙度；

（2）表面间相对位置精度：

如位置尺寸，位置关系。

任何一种加工方法都不可能加工出绝对准确的零件，总会产生一些误差的。

因此，

在制定工艺规程时，应考虑加工的需要与可能来适当规定加工精度。

本工件设备本身保证精度。

采用的是“自动获得精度”方法中的“由设备本身保证”的方法。

主要加工表面是精铣底面（基准面）和定位孔为用去除材料的方法获得，Ra要求为1.6μm。

并且有平行度要求，也就是说缸体的上下面要平行。

1.2缸体的生产纲领及生产类型

生产纲领是指企业在计划期间内应当生产的产品产量和进度计划。

生产类型是指企业（或车间，工段，班组，工作地）生产专业化程度的分类，一般分为大量生产，成批生产和单件生产三种类型。

生产类型可根据生产纲领和产品及零件的特征或工作地每月担负的工序数来具体划分。

零件生产纲领计算见式（1.1）

N=Qn（1+α%）（1+β%）（1.1）

式中N---零件的年产量（件/年）；

Q---产品的年产量（台/年）；

n---每台产品中，该产品的数量（件/台）；

α%---备品的百分率；

β%---废品的百分率

本领建年产量为：

N=4000×1×（1+3%）（1+2%）=4202（件/年）

根据生产纲领及本零件的复杂程度和本零件所用的轻型机床生产，所以缸体的生产类型为中批生产。

1.3缸体的材料分析

1.3.1缸体的材料

1.3.1.1材料名称:

HT250（灰铁250）

1.3.1.2力学性能:

抗拉强度σb（MPa）：

250

　　硬度（RH=1时）：

209HB

1.3.1.3性能特点：

%n8Y4_2M*n为铁素体加珠光体类型的灰铸铁。

其铸造性能好，工艺简单，铸造应力小，不用人工时效处理，有一定的机械强度和良好的减振性能。

强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好，铸造性能较优，需进行人工时效处理。

1.3.1.4适用范围：

（1）用于机床底座、床身、工作台等。

（2）在化工机械中，可制作泵壳、容器、塔器、法兰等。

1.3.2热处理规范及金相组织

热处理规范：

铸态

金相组织：

片状石墨+珠光体

　　HT250淬火可达HRC60，但是灰口铸铁（HT200、HT250等）一般都是在退火或正火状态下使用,不进行淬火处理.如果是局部需要硬度的话,可进行高、中频淬火既可。

　　中频淬火：

淬硬层3-5毫米，硬度HRC50，工件变形较小。

高频淬火：

淬硬层1-2毫米，淬火温度850，表面硬度HRC50以上；淬火温度900-1000度，表面硬度可达HRC60。

经过以上对缸体材料的分析，该材料的最终性能能满足缸体的技术要求，所设计的缸体在保证使用性能的前提下，能用生产率高，劳动量小，材料消耗小和生产成本低的加工方法制造出来，至此工艺性能良好。

2毛坯的确定

2.1毛坯制造形式和毛坯尺寸及余量的确定

2.1.1确定毛坯制造形式

工艺设计时，毛坯制造形式的选择应全面考虑下述因素的影响：

（1）零件的结构形状外形尺寸

（2）生产纲领的大小

（3）具体生产条件

毛坯的选择原则是：

毛坯的形状和尺寸，越接近零件，那么毛坯的精度就越高，则零件的机械加工余量就越小，同时材料的消耗也就越少，机械加工的生产率也可以提高，零件的成本降低了，但毛坯的成本却提高了。

因此，确定毛坯要从机械加工和毛坯制造两个方面综合来考虑，以求得最佳的方案。

毛坯的类型有很多，如锻，压制，冲压，焊接，冷轧，热轧，型材和板材等。

因缸体为中批生产，且根据缸体的生产纲领，经济价值及复杂程度，所以毛坯选铸件。

2.1.2毛坯尺寸及余量的确定

为节约材料和能源，随着毛坯制造向专业化生产发展，目前毛坯制造方面的新工艺、新技术和新材料的发展很快。

根据缸体的结构特征和尺寸要求及考虑到经济性，所以毛坯铸件的尺寸为284×267×259。

所谓毛坯余量,是为了保证零件献宝的质量要求,在加工过程中从其表面上切除的金属层,加工余量的大小必须合适,余量过大浪费材料,同时增加工步或走刀次数,而降低了生产率,增加了工时,刀具和电力等消耗。

加工余量过小,刚不能切去表面的缺陷层,有时还会使刀具处于恶劣的工作条件,使刀具磨损加剧,因此应当合理地确定加工余量。

确定加工余量的大小,取决于加工过程中,各工序的余量之和,所以毛坯的加工余量是影响各个工序的主要因素。

确定加工余量的方法有计算法,查表法和经验估计法。

综合考虑到毛坯制造和机械加工的工艺技术水平,缸体所产生变形等方面的原因,缸体的毛坯公差按照经验估计法确定。

3缸体的工艺规程设计

3.1各加工表面加工方法和加工顺序

3.1.1各加工表面加工方法的选择

缸体各表面加工方法的选择，会影响加工质量、生产率和制造成本。

为了正确选择加工方法，应了解各种加工方法的特点，掌握加工经济精度和经济粗糙度的概念。

3.1.1.1加工经济精度

加工经济精度是指在正常的加工条件下（采用符合质量标准的设备、工艺装备及标准技术等级的工人），以最有利的时间消耗所能达到的经济精度和表面粗糙度等级均已制定表格，在相关机械加工工艺手册中都能查到。

3.1.1.2选择加工方法时考虑的主要因素:

（1）工件的加工精度、表面粗糙度和其它技术要求。

在分析研究零件图的基础上，根据各加工表面的加工质量要求，选择合适的加工方法；

（2）工件材料的性质；

（3）工件的结构形状和尺寸大小；

（4）结合生产类型考虑生产率和经济性。

选择加工方法应与生产类型相适应。

根据现有生产条件。

选择加工方法时应首先考虑充分利用现有设备和合理安排，同时要充分发挥人的积极性和创造性其原则为：

（1）首先取决于加工表面的技术要求，在满足加工表面技术要求的前提下，根据各种加工方法的经济精度，经济表面的粗糙度和工艺特点来确定加工方法及分几次加工；

（2）充分考虑利用新工艺、新技术和可能性，提高工艺水平；

（3）工件材料的性质。

不同的材料，具有不同的加工性能，其加工方法均不尽相同；

（4）考虑生产类型即生产率和经济性问题；

（5）缸体的结构，形状、尺寸；

（6）现场条件的分析也是影响表面加工方法选择的因素；

（7）特殊要求。

通过以上原则，缸体各主要表面加工方法为：

（1）精铣底面（基准面）、定位孔：

铣削加工

（2）精铣四个面：

铣削加工

（3）精镗缸孔Φ95.50+0.022、倒角1×45°：

镗削加工

（4）钻缸盖安装螺纹孔、钻中心孔、钻螺纹孔、钻孔：

钻削加工

（5）钻孔6—Φ10.5、钻孔3—Φ6.7、钻孔：

钻削加工

（6）镗孔：

镗削加工

（7）铣油泵孔、铣水泵安装孔：

铣削加工

（8）钻油道孔、钻中心孔：

钻削加工

（9）钻中心孔、钻孔：

钻削加工

（10）镗孔：

镗削加工

（11）铣环形孔：

铣削加工

（12）钻螺纹孔M16、钻中心孔、钻孔：

钻削加工

（13）铣平面：

铣削加工

3.1.2加工阶段的划分

零件的加工质量要求较高时，应划分成若干个加工阶段。

一般分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。

如果加工精度和表面粗糙度要求特别高，还可增加光整加工和超精密加工阶段。

3.1.2.1加工阶段的划分

（1）粗加工阶段

切除各个加工表面大部分的加工余量，并作出精基准。

此时零件加工精度和表面质量都较低，加工余量大，因此应采取措施尽可能提高生产率。

（2）半精加工阶段

半精加工阶段是介于粗加工和精加工的切削加工过程，通过切削加工削除主要表面粗加工留下来的较大误差，为精加工作好准备（达到一定的加工精度，并保证一定的精加工余量），同时完成一些次要表面的加工（如钻孔、攻丝、铣键槽等）。

（3）精加工阶段

保证各主要表面达到图纸规定的质量要求。

（4）光整加工阶段

对于尺寸精度要求很高和表面粗糙度要求很细的表面，还需要进行光整加工阶段。

一般不能用来提高位置精度和形状精度。

有时若毛坯余量特别大，表面极其粗糙，在粗加工前没有去皮加工，称为荒加工阶段，常在毛坯准备车间进行。

应当指出：

加工阶段的划分是批零件加工的整个过程而言，不能以某一表面的加工或某一工序的性质来判断。

同时，在具体应用时，也不可以绝对化，对有些重型零件或余量小、精度不高的零件，则可以在一次安装中完成表面的粗加工和精加工。

3.1.2.2划分加工阶段的原因

（1）利于保证加工质量。

工件在粗加工阶段因萧用量大产生较大的切削力和切削热，以及加工时所受较大的夹紧力，它们共同作用引起工件的变形，如不分阶段需要分开。

粗、精加工分开后，一方面各阶段之间的时间间隙相当于自然时效，有利于内应力消除；另一方面不会破坏已加工表面的质量。

（2）合理使用机床设备。

粗加工时可采用功率大、刚性好、精度不高的高效率机床；精加工时可采用小功率的高精度机床。

划分加工阶段后，能充分发挥机床设备各自的性能特点，并且能延长高精度机床的使用寿命。

（3）便于安排热处理工序，使冷热加工配合得更好。

例如，粗加工前可安排预备热处理－退火或正火，消除毛坯的内应力，改善零件切削加工性能；粗加工后可安排时效或调质，消除粗加工的内应力或提高零件的综合力学性能；半精加工之后安排淬火处理，淬硬后安排精加工工序。

热处理引起的变形可通过后续切削加工消除。

这样冷、热加工工序交替进行，配合协调，有利于保证加工质量和提高生产效率。

（4）便于用时发现毛坯缺陷。

毛坯的各种缺陷如气孔、砂眼、裂纹和加工余量不足等，在粗加工后即可发现，便于用时修补或决定报废，以免后期加工才发现而造成浪费工时和制造费用。

精加工、光整加工安排在最后，可保护精加工后的表面在搬运和夹紧中不受损伤。

3.1.3加工顺序的安排

加工顺序通常包括切削加工工序，热处理工序和辅助工序等。

3.1.3.1加工工序的安排原则：

（为了达到精度要求）

（1）先基准后其它

（2）先主后次

（3）先面后孔

（4）先粗后精

根据缸体的结构特点和复杂程度，主要加工表面和加工顺序安排如下：

先以毛坯铸件500×500×500为粗基准，粗铣底面，再以粗铣后的底面为精基准，钻定位孔、精铣四个面、精镗缸孔、倒角，然后钻孔，即钻螺纹孔、钻孔6—Φ10.5、钻孔3—Φ6.7、钻油道孔，最后以小端为精基准，精铣大端各个特征，保证大端的各个尺寸精度及位置要求。

3.1.3.2热处理：

由于缸体为铸件，所以选择的热处理的方法为人工时效。

人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为底。

3.2确定工序集中与分散和定位基准

3.2.1确定工序集中与分散的程度

3.2.1.1工序集中就是零件的加工集中在少数工序内完成，而每一工序的加工内容却较多。

特点：

（1）采用高效专用设备及工艺装备，生产率高；

（2）工件装夹次数越少，越易于保证表面间位置精度，还能减少工序间运输量，缩短生产周期；

（3）工序数目少，可减少机床数量，操作工人数量和生产面积，还可简化生产计划和生产组织工作；

（4）因采用结构复杂的专用设备及工艺装备，投资大，调整和维修复杂，生产准备工作量大，转换新产品比较费时。

3.2.1.2工序分散就是将工件的加工分散在较多的工序内进行。

每道工序的加工内容很少，最少时即每工序仅一个简单工步。

特点：

（1）设备及工艺装备比较简单，调整和维修方便，工人容易掌握，生产工作准备量少，又易于平衡工序时间，易适应产品更换；

（2）可采用最合理的切削用量，减少基本时间；

（3）设备数量多，操作工人多，占用生产面积也大。

根据以上所述，本工件为中批生产，结合本工件结构特点和技术要求，决定应尽可能采用效率较高的数控机床，这样可以使加工工序集中，提高生产效率。

3.2.2定位基准的选择

正确地选择定为基准是设计工艺过程的一项重要内容，也是保证零件加工精度的关键。

定位基准分为粗基准、精基准和辅助基准。

在最初的加工工序中，只能用毛坯尚未加工的表面作为定位基准（粗基准）。

在后续的工序中，则使用已加工的表面作为定位基准（精基准）。

在制定工艺规程中，首先考虑了选择怎样的精基准以保证达到工精度的要求并把各个加工表面加工出来，然后考虑了怎样选择合适的粗基准把精基准面加工出来。

在前述的零件特点、设计基准以及技术要求的基础上，根据粗、精基准的选择原则，合理的选定零件加工过程中的定位基准。

3.2.2.1粗基准的选择

粗基准的选择应该符合“基准重合”、“基准统一”、“互为基准”、“自为基准”四条原则。

依据粗基准的选择原则，当零件有不同的加工表面时，应以这些不加工表面为粗基准，若零件有若干不加工表面时，则应以与加工表面要求相对应位置精度较高的不加工表面作为粗基准。

（1）基准重合原则：

就是尽可能选用设计基准作为定位基准，这样可以避免定位基准与设计基准不重合而引起定位误差；

（2）基准统一原则：

位置精度要求较高的某些表面加工时尽可能选用同一定位基准，这样有利于保证各加工表面的位置精度；

（3）自为基准和互为基准原则；

（4）选择等级较高，安装稳定可靠的表面作精基准，而且所选的基准应使夹具的结构简单，安装和加工工件方便。

3.2.2.2精基准的选择

精基准的选择主要应该考虑基准重合的原则，而当设计基准与工序基准不重合时，应进行尺寸的换算。

精基准的选择要求定位准确、夹具结构简单、夹紧可靠，使每个工序都有合适的基准和定位夹紧方式，以便正确解决所有工序的基准选择问题。

（1）对于所有表面都要加工的零件，应选择余量和公差最小的表面作基准，以避免余量不足而造成废品；

（2）选择光洁平整的表面，并且面积足够大，装夹稳定的表面作为粗基准；

（3）粗基准一般都只能用一次，尽量避免重复使用。

在实际工作中，定位基准的选择要符合上述所有的原则有时是不可能的，因此应根据具体情况进行分析，选出最有利的定位基准。

由于采用数控机床加工，根据数控加工特点为了计算方便，轴向尺寸以两侧端面为工序基准，径向尺寸以轴心线作为基准。

符合基准重合原则。

4缸体的加工工艺分析与过程

4.1加工工艺分析和工艺过程

4.1.1加工工艺分析

4.1.1.1缸孔：

图4.1是缸体底面向上155处的剖面图。

这是缸体的核心所在，它是由两个Φ95.50+0.022孔轴线、Φ940+0.022孔轴线在此平面相交，Φ940+0.022孔轴线又与垂直方向的Φ95.50+0.022相交。

且形位公差都标注在此图中，如：

、

、

、

、

、等，同时，也有许多相关联的基准要素对其约束，若在加工中有一个尺寸超差，就可导致整个缸体报废。

在没有定位胎（夹）具的情况下，还要四面加工，所以加工此缸体的困难是可想而知了。

经过仔细认真研究了图纸和以往的实践经验，采取了不完全定位法、靠夹紧力来保持工件的定位且不得有微量的窜动，那么就要在加工时：

（1）首先对各个加工面进行粗加工去掉大量的余量，还要保证缸体厚度均匀；

（2）选择较小的吃刀量切削；（3）除加工面的其他三面都抵上检测表，随时检测工件的位移情况；（4）在转换切削面时，单个松、夹紧固件并时刻观察检测表的指针情况。

本方案征得指导教师的同意，认为可以实验操作。

后经对首件加工结果的检测，结果基本可行。

图4.1缸体剖面图

4.1.1.2油道孔：

根据图4.2标注的尺寸：

孔径Φ8、长度分别为211.5、242。

选择的钻头长度必然长于242mm（超长）。

在钻孔时，若一次直接用这么长的钻头钻孔，很难保证孔位且容易折断。

依据经验先采用短钻头钻浅孔，依次递深，再以此孔为导向孔，用超长钻头至目标尺长孔的技术难题。

图4.2油道孔剖面图

4.1.1.3与某一基准面成一角度的孔：

图4.3是一个油道孔，在Φ94孔的上方，即与底面成45°角。

若选用一般机床加工，必须将孔的轴线调整至与主轴轴线重合或平行，方可钻孔。

而我