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1、05第四章活塞环的制造工艺第四章 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。4.1 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。每个工作地固定完成一道或几道工序，而每一道工序都在固定的工作地加工。如活塞环粗磨两端面统一在粗磨组进行加工。2 产品在流水线上按单向运输路线移动，生产过程具有良好的连续性。活塞环单向运动移动路线为：粗磨去油热处理细磨去油半成品检查

2、切削流水工作线表面处理成品检查配组入库。3 在整个加工过程中，产品按平行移动方式在各工序的工作地之间移动，生产具有明显的节奏性；4 工艺过程是封闭的，产品的所有工序在流水线内全部完成，如活塞环切削流水线在两端面加工完成后，内圆、外圆、开口间隙等加工全部在切削生产线上完成，加工过程象流水一样从上一工序转到下一工序，连续生产。4.2 活塞环的加工方法 依照活塞环成型的方法不同，制造活塞环的方法主要有两种： 1 热定型法（整体正圆法）：即浇铸出圆筒形活塞环毛坯，然后在普通车床上切削加工，切割成单环；按工作间隙尺寸铣出切口，最后扩张至所需要的自由切口间隙尺寸，并在此状态下热处理定型，即成所需尺寸的活塞

3、环。 2 单体椭圆法：即浇铸出单个的椭圆形活塞毛坯，然后在靠模车床上切削加工，并按自由切口间隙尺寸切口，就成为所需尺寸的活塞环。这两种方法都获得广泛采用，但有几点需指出：（1）单体椭圆法属于机械定型。既可用于制造等压环，又可用于制造非等压环；但主要用于制造非等压环。它在造型过程中，设计椭圆形状时就考虑了弹力和环的结构尺寸等方 面的关系。热定型法，环自由形状的形成主要靠热定型，因此在高温下会发生回火，促使环的弹力消失。由于定型性质不同，所以在用前一种方法制成的活塞环寿命比较长。热定型法主要用于制造等压环。 （2）从加工过程看，单体椭圆法在铸造和机械加工时要用专用模具和靠模车床，设备复杂，而热定型

4、法无论从铸造或机械加工看都比前法简单，所以它的生产率高，成本低。前一种方法适用于大批量生产，后一种方法大、中、小批量生产均可。（3）单体椭圆法节省金属材料，因为它的切削加工裕量可以留得很少。 图4-1 活塞环热定型加温曲线4.3 活塞环的铸造目前活塞环的铸造方法主要有单体叠箱铸造、双片叠箱铸造、筒体砂型铸造和筒体离心铸造，按毛坯的形状来分又可分为正圆和椭圆两种。早期的活塞环毛坯的铸造方法多数用正圆筒体砂型铸造，这种方法的最大特点是容易铸造、废品率低、补缩效果好，其缺点是铸件需要切片、加工余量大，大大增加了机械加工的工作量，机械性能也较差。目前由于铁球环补缩问题还未得到很好的解决，故多数铁球环采

5、用这种生产方式，但其他材料的中、小活塞已很少用这种方法了。筒体离心铸造的优点是不用砂型，大大减少运输量，节省人力、设备简单、工装制造容易、操作方便、易实现机械化、自动化、劳动强度低、劳动条件好、占地面积小、铸件补缩能力强、不易产生缩孔、气孔、金属基体致密等，其缺点是毛坯是正圆的、壁的厚度很厚、要切片、内外园加工余量大、偏析比较严重、机械性能不够稳定。因此，这种方法除少量用于球铁环生产外，其他材质的活塞环一般不用这种方法。单体环铸造的优点是：加工余量小、组织致密、机械性能好。其缺点：设备要求比较先进，否则废品率较高、补缩能力差。 由于合金铸铁环不存在补缩问题，故目前绝大多数合金铸铁环采用这种生产

6、方式，而且随着管理水平和工艺水平的提高，以及不断采用先进设备，废品率高的缺点正在逐步被克服。权衡之下，单体铸造工艺是目前被公认的好方法，但由于存在补缩问题，目前铁球环没有采用这种方法。然而，随着技术的不断发展，也可能有朝一日这种生产方法会用于铁球环。双片铸造的优缺点介于单体铸造和筒体铸造之间，合金铸造环一般不用这种生产方式，目前这种方式只用于生产铁球环。正圆的优点是型板制造简单、加工设备简单。缺点是要进行热定形、开口对面应力大，开口处径向压力低，热稳定性差，弹力消失厉害。椭圆环的优缺点与正圆环的相反。4.4 活塞环的加工工艺规程4.4.1 基准的种类和选择基准是确定零件上某些点、线、面的位置时

7、所依据的该零件上的点、线、面。基准的概念只有在研究点、线、面之间的相互位置关系时才有意义。在加工过程中，选择哪些点、线、面作基准将直接影响工件表面的相互位置精度。按照基准的作用和应用场合的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。下面对工艺基准作一介绍。1 工艺基准在机械加工和装配过程中，常用的工艺基准有工序基准、定位基准、测量基准和装配基准四种。图 4-2 工序基准示例（1）工序基准 在加工工序图中，用来规定本工序和加工表面的位置的基准，称为工序基准。加工表面与工序基准之间通常有两项相对位置要求：一是加工表面对工序基准的距离位置的要求。另一是加工表面对工序基准的角度位置要求。工序基准除采用实

8、际表面外，还可以是表面的几种中心、对称线等。图4-2为工序基准示例。工序基准不同于设计基准。设计基准是零件图纸上所使用的基准。工序基准是加工过程中使用的基准。只有当作为工序基准的表面已经加工，本工序又是对表面进行最终加工时，工序基准才与设计基准重合。（2）定位基准 定位时，用以确定工件在夹具中的位置的表面，称为定位基准，它使工件的工序尺寸方向上相对刀具获得确定的几何位置。（3）测量基准 测量基准是用以测量已加工表面位置的某些点、线、面或其组合。（4）装配基准 装配时用以确定零件在部件中位置的基准，称为装配基准。例如活塞环的外圆与平面为该零件装配基准。2 定位基准的选择（1）选择定位基准时，要使

9、定位基准与工序基准重合（即基准重合原则），以避免因不重合而产生定位误差。在最初的工序中，零件的定位基准是铸造或锻造等得到的表面，这种未经加工的基准称为粗基准。用粗基准定位加工出光洁的表面，以后的工序就该用已加工过的表面（精基准）作定位基准。另外，当零件上没有合适的表面作定位基准时，为了便于定位，可以在工件上特意作出专供定位使用的表面，这种定位基准称为辅助基准。例如，轴类零件两端的中心孔就是为外圆加工而设置的辅助基准。（2）粗基准的选择 在第一道工序的加工种，一般选用粗基准定位，如图4-3所示的铸件，在铸造时内孔2与外圆1有偏心，如果以不需要加工的1面作粗基准定位加工内孔，则内孔与外圆同心，但内

10、孔的加工余量不均匀；如选用内孔作粗基准，即用卡盘夹住外圆，然后按内孔找正，则内孔的加工余量均匀，但加工后工件的壁厚不均匀。因此，粗基准的选择对加工面的余量分配以及工件面上加工表面与不加工表面的相互位置影响极大。选择粗基准应考虑下列原则：a 对于具有不加工表面的工件，为了保证不加工表面与加工表面间的相对位置要求，一般应选择不加工表面为粗基准。如果在工件上有很多不需要加工的表面，则应以其中与加工面的相互位置要求较高的表面作粗基准；b 如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀时，则应选择该表面作粗基准；c 选择粗基准时，必须考虑定位准确，夹紧可靠以及所用的夹具结构简单。因此要求粗基准尽可能平整，不允

11、许有锻造飞边、铸造浇冒口等缺陷；d 如果能用精基准定位时，则粗基准一般不应重复使用。当毛坯精度较低时，如果在两次安装中重复使用同一粗基准，则会造成较大的定位误差。因此在粗基准定位加工出其他表面后，就应以加工出的表面作精基准来进行其它工序加工。（3）精基准的选择精基准的选择，主要考虑的问题是如何保证加工精度和安装准确、方便。因此选择精基准时应遵循下列原则。a 为了易于获得加工表面与其设计基准的相对位置精度，应选择设计基准作为精基准，这一原则通常为基准重合原则。b 当工件以某一精基准定位，可以比较方便地加工其余各表面时，则应尽早地在开始几道工序中就把该基准加工出来，以后各道工序都以它为精基准。这就

12、是基准统一原则。这个原则经常用于加工复杂的零件，以保证各加工面的相互位置精度。例如轴类零件一般用两个顶针孔作精基准；圆盘类零件常用一个端面和一个短孔作精基准；箱型零件一般用一个较大的平面或两个距离较远的孔作精基准。采用基准统一原则有一系列的优点，它不但可以简化工艺过程的制定及统一夹具设计，而且还可以避免因基准转换所带来的误差，由于基准统一，就可能在一次安装中加工更多的表面。c 选择精基准时，必须考虑定位准确、稳定，夹紧可靠，并使夹具的结构简单。d 选择精基准时，有时还要遵循互为基准的原则。例如磨削精密齿轮时，为了保证齿面硬度均匀，一般在齿面淬硬后，以齿面定位磨内孔，再以孔为基准磨齿面，以保证齿

13、面余量的均匀。e 选择精基准时，有时还要遵循自为基准的原则。为了使加工余量少而均匀，有的精加工工序就选择加工表面本身作为精基准，而该加工表面与其他表面之间的位置精度则由前道工序保证。在实际选择基准的过程中，有时也会有这样的情况，即为了使夹具的结构简单，就放弃了基准重合的要求。在选择定位基准时，必须根据具体情况定出最合理的定位基准。4.4.2 活塞环的工艺规程为了进行科学管理，将工艺过程的各项内容写成文件，用来指导生产和组织生产，工厂的各种工艺规程是将有关内容编写成各种文件图纸和表格等形式来表达的，这些文件统称为工艺文件。零件生产所用的工艺文件的种类很多，也没有统一的规定格式，由各工厂自行规定。

14、主要的工艺文件有工艺过程卡片、工序卡片、调整卡片、检验卡片等。1 工艺过程卡片：也称综合卡片或工艺流程卡片。在卡片上规定了制造该零件所经过的各个车间，经过的全部工艺过程。按照零件工艺过程的加工顺序列出所有的工序，表示零件的生产路线。以及对每个工序所使用设备，工艺参数等作出简要说明，表示零件加工完整的工艺过程。在单件、小批生产中一般只用工艺过程卡。2 工序卡片：这种卡片也称操作卡片，用来具体指导工人进行生产，这是为零件生产过程中的每一道工序编写的，是工艺过程卡上每一道工序的详细规定。在工艺过程上绘有工序简图，注明定位基准和加工表面的工序尺寸，光洁度、技术要求等，并分出工步的次序和内容、切削规范和

15、工时定额以及使用的设备工、夹、量、辅具的具体情况等。对于大批量生产的零件和小批量生产的关键零件，除了工艺卡片，还要详细编制工艺装备明细表。3 调整卡片：对于在自动和半自动机床上完成的工序，往往不用工序卡片，而要编制调整卡片，供机床操作人和调整人使用。4 检验卡片：它是检查人员使用的主要文件，其中对检验对象、检验项目、检查方法及使用检具均有具体规定。零件加工完毕按检验卡检收。对于成批大量产品，一般需要检验卡。活塞环加工工艺卡是活塞环加工中的必不可少的技术文件，是长期生产实践经验的总结，是保证产品质量的法规。 4.5 活塞环一般工艺流程 活塞环的典型加工工艺如下：铸 造 单体毛坯 简体毛坯 粗磨两

16、端面（去油） 切 片热处理精磨两端面（去油）半成品检验靠模车外圆铣切开口粗车内圆 精车外圆 精车外圆 精车外圆 切 槽 切 油 槽 细车内圆 精车内圆 倒 外 角 细车内圆 铣 油 孔 镀铬环 镀 铬 精车外圆 镀 铬 精修开口 切扭曲槽 车 梯 面 细车内圆 铣 油 孔 切扭曲槽 镀 铬 磨 梯 面 精修开口 车内圆弧槽磨开口内圆弧表4-1 工艺流程简介（以解放平环流程为例）工序号工序内容工序参数设 备备 注1粗磨端面见工艺文件略双端面磨床外圆端面基准2去油去油炉3细精磨平面双端面磨床外圆面基准导板导向连续穿磨4去油去油炉5半成品检查6仿形车椭圆仿形车床内圆端面，凸块定位7粗车内圆专用车床外

17、圆端面，气动夹紧8细车外圆专用车床外圆端面，气动夹紧9内台专用铣床外圆端面定位，气动夹紧10外台专用铣床外圆端面、开口定位11细车内圆车床外圆端面12修口专用铣床外圆开口，端面定位基准13磷化表面处理14成品检查15上油配组16入库4.6 活塞环定位夹紧的特点和方法 活塞环定位夹紧受活塞环的形状、材质的影响，有其本身的生产特点，这些特点是：a） 单片高效连续生产；b） 仿形加工；c） 在变形量很大的情况下加工；d） 成组加工。活塞环的装夹就是依照以上特点进行定位与夹紧。1 定位基准的选择 （1）定位基准的选择活塞环的两端面是一切加工尤其是外圆和内圆加工的基准面。同时，两端面的加工质量对活塞环的

18、性能影响很大。因此，有必要将两端面的加工作为活塞环加工工艺中的最初工序，并且要求尽可能提高加工精度。这就符合统一基准原则。在后续工序中，除了使用两端面为定位基础外，根据各工序的特点，再选择内圆或外圆定位，实现各工序的定位。活塞环两端面的加工是以其自身作定位基准的，以外圆的导向反复加工。加工精度高，环高公差一般为0.01-0.05mm，同一片环环高公差0.008 mm，表面粗糙度 。保证这些精度要求，对以后叠放成组加工时减小环高积累误差的影响，有着重要的意义。（2）外圆仿形加工基准的选择外圆仿形加工可选择外圆定位与内圆定位两种方法。这两种定位方法都采用心轴螺母装夹a)外圆定位即选定毛坯外圆为定位

19、基准。这种定位方法无内衬支承，由三个同时移动的卡爪组成定位元件，卡爪与一组环的外圆接触。这种定位方法的优点是外圆加工余量均匀。但由于定位元件与夹紧装置分离，因此，三爪的位置是可调的，以保证环的几何中心与心轴的轴线重合。由于内部无支承件，所需夹紧力较大。见图4-4。b)内圆定位即选择毛坯内圆为定位基准。这种定位方法是在夹紧心轴上以内衬铝套支承定位。内圆定位具有装夹简单，操作方便的特点。但由于毛坯面粗糙，支承铝套磨损大，因而定位精度低，铝套消耗量大，见图4-5。在外圆仿形加工和铣切开口后的其他工序中所用精基准都是选用外圆与端面，与设计基准重合。活塞环椭圆毛坯的外形曲线是活塞环在自由状态下的外形曲线

20、的等距曲线，为了保证仿形加工外圆时工件外形与仿形运动相对应，必须限制工件绕心轴轴线转动的自由度。为此在毛坯上设有定位凸块或定位凹槽，见图4-6。定位凸块的定位精度比定位凹槽要高。2 活塞环的夹紧活塞环的机械加工大部分工序都是采用成组叠置、经过弹性变形把环从自由状态收拢为正圆。并利用专门设计的胎套或利用夹紧力使其保持在正圆状态来进行加工。因此，活塞环的夹紧除了考虑切削力的影响外，还必须考虑环的弹力影响。（1）夹紧力的方向活塞环的两端面是最基本的定位面，而且在磨削加工后具有高尺寸精度、表面精度及形位精度（即高平行度）这样就给叠置成组加工的夹紧创造了有利条件。所以活塞环夹紧力方向选择在与环的端面垂直

21、的方向上。其特点是：图4-6 a）以基本定位面作基准，可靠地保证活塞环在加工中的正确位置。b）以一个方向的夹紧力能满足不同方向的加工要求，结构简单可靠；c）环的两端面已加工完毕，平行高度，在多片夹紧时受力均匀，端面变形最小。d）活塞环外圆形状在夹紧力方向无变形。（2）夹紧力的作用点夹紧机构是夹具的一个组成部分，是由夹紧装置对定位元件夹紧，作用到活塞环上。夹紧点是指夹紧元件作用在工装或工件上的一小块位置。这个位置的选择，首先是要不破坏工件的定位。夹紧力作用点靠近支承表面的几何中心，这样可使夹紧力较均匀地分布在接触表面上。夹紧力作用点还应尽量接近加工处，这样可使切削力对作用点产生力矩较小。所以活塞

22、环的夹紧点安排在其几何中心位置上。（3）夹紧力大小的确定活塞环夹紧力的大小取决于切削用量和活塞环弹性变形力的大小及适当保险系数。根据生产经验在30005000之间。3 活塞环的夹紧方法活塞环的夹紧方法有两个方面，一是要克服从自由状态收拢为正圆的夹紧，二是要克服切削力而进行的夹紧。由于生产的批量大，夹紧方法要准确、高效、方便、省力。实际生产中根据不同工序分别采用手动、电动、气动进行夹紧。（1）椭圆收拢为正圆的夹紧方法活塞环自由状态收拢为正圆状态的基本方法有二种，一种是锥套收正圆法，另一种是半圆套收正圆法。a）锥套收正圆法锥套收正圆的方法见图4-7。这是车或铣内台肩时所使用的装夹方法。活塞环装入锥

23、套后，将压板压下，环进入圆锥部分后即产生弹性变形，直径逐渐缩小，直至压入胎套内。这里应注意的是，锥套上部圆柱部分的直径应比环在自由状态下的长轴直径大。此外，在精修开口和镗内圆等工序中也使用这种收正圆的方法。这种方法的优点是工装简单，送料与夹紧同时进行， 辅助时间短，劳动强度低。b）半圆套收正圆法半圆套收正圆的方法见图4-8所示。两个半圆夹具铰接在一起，半圆套内径略小于工件胎套，装入一组活塞环后，合拢活动夹具体，利用气动力将其夹紧，从而将工件收拢成为正圆，胎套置于半圆套上，压紧后将环压入胎套内。这种方法用于粗、细内车圆工序。精车外圆、车油沟及铣回油孔等工序也采用这种收正圆方法，不过在收正圆时多采

24、用偏心轮手动夹紧。见图4-9，转动偏心轮将引起距离h的变化（图4-10），h的变化范围由（R-e）（R +e），所以偏心的最大工作行程为2e。在夹紧过程中，偏心轮逆时针转动，就将工件（环）逐渐收拢。为便于调整闭合尺寸，在夹具体上装有垫块。工作收拢至需要尺寸后，放松手柄，靠偏心轮的自锁性能保持闭合状态。（2）夹紧方法a）螺旋夹紧活塞环的外圆加工的夹紧是利用专用心轴，用螺旋夹紧，这是生产过程中最通用的方法，具有结构简单、使用方便等特点。再配备专用电动机械扳手，对提高工作效率，减轻劳动强度有显著效果。但活塞环生产装卸频繁，螺旋副磨损快，工装消耗量大。例如细车外圆经夹具夹紧后，成为简单圆柱体，用前后顶

25、尖定位，简单可靠（如图4-11），其夹具心轴2与螺帽7就是螺旋夹紧机构。b）气动夹紧活塞环的内圆加工不能采用心轴夹紧。所以广泛采用气动夹紧。以下对气动夹紧作一些简单介绍。气动夹紧是使用最广泛的一种方式，气动夹紧的能量来源为压缩空气。动力装置为各种形式的气缸。压缩空气由集中的压缩空气站通过管路供应。一般压缩空气站所供应的压缩空气压力在7-9个大气压左右，经过管路损失后，进入夹具的空气压力可以通过辅助装置控制，稳定在4-6个大气压之间，以保证所需的夹紧力。气缸与压缩空气管路的连接如图4-12所示。管路来的压缩空气经分水滤气器1，调压阀2，油雾器3，单向阀4以及配气阀5等附件进入气缸6，推动气缸工作

26、。有时管路中还 安有气压继电器7，由它控制机床主电路，一旦管路中气压突然降落时，能停止机床工作，防止发生事故。分水滤气器的作用是滤去压缩空气中的污物和水分。过分潮湿的空气容易引起零部件生锈。调压阀的作用是控制进入夹具的空气压力，并使其保持稳定。因此当管路中的气压稳定或对气压大小无严格要求时，也可以不用调压阀。油雾气的作用是使空气含油以润滑气缸。一般将分水滤气器、调压阀和油雾器称为气动三大件。使用单向阀是为了当管路突然停止供气时，夹具不至于立即松开造成事故。配气阀的作用是控制进气方面，操纵气缸动作。活塞环与气动夹具系统按其作用可分为控制元件和执行元件两类。控制元件有压力控制元件和方向控制元件。方

27、向控制元件为方向控制阀。活塞环的机械加工中常用的方向控制阀有两种，一种是电磁换向阀，如XG-3专用铣床上就是用的电磁换向阀。另一种是人力换向阀，如车内圆夹具上所使用的转阀。压力控制元件控制夹紧系统的工作压力；方向控制元件则控制进气方向。执行元件主要是气缸。气缸是将压缩空气的压力能转换为机械能，并驱动工作机构作往复直线运动的装置。气缸结构简单，制造容易，动作速度，工作压力适中，在生产中被广泛采用。活塞环夹具使用的气缸按其使用特点不同可分为回转式气缸与固定式气缸两种。气缸工作原理夹紧时，压缩空气经换向阀进入气缸左腔，右腔经换向阀与大气接通，压缩空气推动活塞环向右移动，将工件夹紧。松开时，压缩空气进

28、入右腔，左腔与大气接通，活塞向左移动。气缸压力的计算对如图4-13所示双向作用气缸，由于活塞左、右受压面积不同，所产生的压力也不一样，其压力计算分别为：D2 P左 = （） 4 （D2- d2）P右= （） 4式中： d活塞杆直径（） D活塞直径（） 压缩空气的单位压力（/2） 气缸的机构效率，取0.850.9。4.7 活塞环机械加工典型工序分析4.7.1 端面加工 1 活塞环两端面是一切加工尤其是内外圆加工的基准面。同时，两端面的加工质量对活塞环的性能影响很大。因此，有必要将两端面的加工作为活塞环加工工艺中的最初工序，并且要求尽可能提高加工精度。一般活塞环的两端面要经过粗磨、半精磨、精磨三道

29、工序，其特征是两端面同时进行磨削。过去采用单面加工，但因易于产生加工变形而降低端面的平面度，所以除中型和大型活塞环外，均采用在双面磨床上用同时磨削的方法加工。两端面的总加工余量在0.91.3 mm之间。（1）加工精度表面粗糙度：尺寸精度：环高H-0.01200.015;平行度：0.003；不允许擦伤、欠磨等缺陷。（2）切削用量：吃刀深度粗磨：0.2-0.6mm中磨：0.05-0.015mm精磨：0.005-0.015mm切削速度粗磨：750转/分 砂轮最大线速度29.45米/秒中磨：730转/分 砂轮最大线速度28.66米/秒精磨：465转/分 砂轮最大线速度18.26米/秒进刀量（送环速度）

30、粗磨：13-18米/分，110-160片/分。 中磨：13-18米/分，110-160片/分精磨：15.8-31.6米/分，130-180片/分。全部加工余量分8-10次磨削，可分为粗磨3-4次，中磨1-2次，精磨4-5次。（3）工艺对砂轮要求：磨削加工中加工余量逐步减少，加工精度逐步提高。粗磨以高效率，高切削能力为主，细精磨以保证加工精度为主。粗磨（24-36粒度）中磨(46-60粒度) 细磨（60-80粒度）精磨（100-120粒度）。（4）工艺及技术要求a）粗磨同一高度公差0.03mm同一批环高度公差0.05mm穿磨次数 3次-4次加工余量 第一次 0.50-0.60mm第二次0.20-0.30mm第三次0.15-0.20第四次0.10-0.15 用0#轻柴油冷却，两平面光洁度Ra5m。b）细磨：用一片环高公差0.01mm穿磨一次加工余量0.07-0.1 0#轻柴油冷却。端面光洁度Ra