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沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）基于UG的变椭圆活塞仿形加工装置设计Design of Variable-ellipse Piston Machining Equipment Based on UG 摘 要随着我国交通行业的飞速发展,对发动机的需求越来越多，同时对发动机产品的性能和质量的要求也在不断提高。薄壁零件活塞作为发动机的核心零件，其设计与加工都起着举足轻重的作用。现今广泛采用的各种变椭圆形的活塞，为保证在高温高压的条件下活塞与汽缸体内壁之间自上而下间隙均匀，把活塞制成裙部各截面上的椭圆度不断变化，并且裙部母线也多为曲线的形状。加工制造这种特殊形状的工件，虽然在大型企业可以用先进的数控加工技术解决，但对于产品品种多变，批量小，设备较陈旧的中小企业则是一个难题。为了解决这种状况，我们研究了一种操作简单、质量可靠、经济适用的工艺装备及加工方法。对现有的车床进行改进设计，可以完全满足加工精度要求，并取得了良好的效果。为了解决中小企业加工变椭圆活塞既要节省设备投资，又要保证加工精度的实际问题，介绍了一种在现有车床上使用专用工装设备加工变椭圆的活塞的加工方法及工艺装备的设计。通过实际使用证明，此工装设计合理,能保证活塞加工精度及要求。本文针对加工变椭圆活塞的装置及其设计原理进行阐述，其加工部件主要有立体靠模装置和摆动刀架，对其进行参数设计，同时，利用CAD以及UG对立体靠模装置和摆动刀架进行设计。最后本文对摆动刀架的UG画法难点进行阐述。关键词:车床；活塞；变椭圆AbstractAlong with our country transportation professions swift development, engines demand is getting more and more, and engine products performance and the quality request is also enhancing unceasingly. The thin wall components piston takes engines core components. Its design and the processing are playing the pivotal role. Nowadays widely uses each kind changes the ellipse the piston, the gap is from the top downward even for the guarantee between the high temperature high pressures condition lower piston and the cylinder block endophragm, makes on skirt department various sections the piston the ellipticity to change unceasingly, and skirt department bus bar also many for curve shape. The processing makes this kind of special shape the work piece. It although may use the advanced numerical control process technology solution in the Major industry, but changeable regarding the product variety a difficult problem to those small and medium-sized factories whose batch are small and the equipment obsolete. In order to solve the practical problem that the small and middle scale enterprises need not only to cut down the investment in equipment, but also to ensure the processing precision and requirement, this article introduced a machining method with a special-purpose equipment to process variable-ellipse piston, and briefed the equipment design method. In order to solve the practical problem that the small and middle scale enterprises need not only to cut down the investment in equipment, but also to ensure the processing precision and requirement, this article introduced a machining method with a special-purpose equipment to process variable-ellipse piston, and briefed the equipment design method.This article changes in view of the processing oval pistons installment and the principle of design mainly carries on the elaboration, its processing part has the three-dimensional duplicator and the clapper, carries on the parameter design to it, simultaneously, carries on the design using CAD and UG to the three-dimensional duplicator and the clapper. Finally this article carries on the elaboration to clappers UG drawing technique difficulty. Keywords: Lathe; Piston; Variable-ellipse目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题目的及意义11.2变椭圆活塞仿形加工装置的目前发展状况11.3活塞简介21.3.1活塞裙部变椭圆曲线及加工要求41.4课题主要内容5第2章 立体靠模装置的设计62.1 立体靠模装置简介62.2 加工原理82.3加工要点92.4回转靠模尺的设计制作102.5 立体靠模装置的相关参数确定112.5.1弹簧的计算112.5.2齿轮的计算142.5.3几何尺寸计算162.5.4齿轮的验算162.5.5 立体靠模与靠模指最佳摩擦副匹配162.5.6立体靠模与靠模指的润滑装置172.5.7活塞加工中常见的质量问题18第3章 摆动刀架的设计193.1摆动刀架工作原理193.2摆动刀架简介203.3 摆动刀架部分零件功用223.4 弹簧的设计及计算253.4.1 刀具的参数确定253.4.2 弹簧的相关计算27第4章 三维建模304.1 UG介绍304.2摆动刀架三维建模314.2.1 UG三维建模难点314.2.2 摆动刀架模型图34第5章 结论36参 考 文 献37致 谢3974沈阳建筑大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1课题目的及意义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。工作条件活塞在高温、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600700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，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(812m/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。发动机工作时，活塞在气体力和侧向力的作用下发生机械变形，而活塞受热膨胀时还发生热变形。这两种变形的结果都是使活塞裙部在活塞销孔轴线方向的尺寸增大。为使活塞工作时裙部接近正圆形与气缸相适应，在制造时应将活塞裙部的横断面加工成椭圆形。沿活塞轴线方向活塞的温度是上高下低活塞的热膨胀量自然是上大下小因此为使活塞工作时裙部接近圆柱形，须把活塞制成上小下大的圆锥形或桶形1。1.2变椭圆活塞仿形加工装置的目前发展状况活塞是内燃机中的重要部件，内燃机就是燃烧室内的高压气体推动活塞通过曲轴、连杆将动力传递出去，进而带动其他机械做功2。活塞与缸体的配合程度极大地影响着括塞的工作性能，是衡量活塞质量的重要标志。为提高活塞的工作性能，活塞裙部型面不断得到改进，如今广泛采用的中凸变椭圆形就是一种公认的活塞裙部优良型面。所谓中凸变椭圆活塞，形状如图1所示:其裙部横截面是椭圆形，过轴线的纵截面是一形状不对称的中凸鼓形，而且，横截面椭圆的椭圆度沿轴向是变化的。这种活塞在工作时，裙部变形后横截面成近似圆形，使裙部与缸套之间有足够的接触面积，压力分布均匀，从而避免了活塞与缸套之间的边缘接触，改善润滑条件。同时裙部的纵向鼓形曲线使缸壁与裙壁之间形成一双向油楔，使活塞具有良好的润滑条件和对中性，可避免发生尖角负荷，减少振动和噪声，提高活塞的工作性能和使用寿命。由于具有以上诸多优点，中凸变椭圆活塞的应用越来越多3。然而在国内活塞生产厂家中，目前该类活塞仍然主要是采用平面靠模车床和套车机床进行加丁，它们具有维护成本高、精度低、系统柔性差等缺点。因而开发实用的中凸变椭圆活塞数控车床成了生产对科研的迫切要求4，（见图1-1）图1-1 中凸变椭圆活塞形状1.3活塞简介一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞这个小东西分为头部、裙部和活塞销座三个部分。 如图1-2所示5。 图1-2 活塞头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，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，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。活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。 活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。 活塞裙部的形状极有讲究，尤其是象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，以尽量使发动机结构紧凑运行平稳。活塞裙部如图1-3（CAD截图）活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。高速发动机活塞销座的特别之处在于销座孔不一定与活塞在同一中心线平面上，可向一侧偏移一点点，即向作功行程时活塞接触缸壁的一侧偏移，这样当活塞到上止点变换方向后活塞敲击缸壁的程度会减少，从而减少了发动机噪声。 图1-3 活塞裙部CAD图1.3.1活塞裙部变椭圆曲线及加工要求表1-1表示了活塞裙部的变椭圆曲线，即给出了在不同高度上椭圆度(长轴与短轴之差)的变化和裙部母线尺寸(长轴或短轴的尺寸)的变化6。表1-1活塞裙部的变椭圆和母线的尺寸mm高度短轴椭圆度长轴198.5239.2650.250239.515186239.3000.240239.540180239.3150.234239.549160239.3600.215239.575140239.4000.196239.596120239.4300.183239.613100239.4650.163239.62881239.4950.147239.64263239.5200.134239.65445239.5480.116239.66428239.5700.100239.67010239.5790.085239.6643.5239.5800.080239.6601.4课题主要内容随着我国交通行业的飞速发展，对发动机的需求越来越多，同时对发动机产品的性能和质量的要求也在不断提高。薄壁零件活塞作为发动机的核心零件。其设计与加工都起着举足轻重的作用。现今广泛采用的各种变椭圆形的活塞，为保证在高温高压的条件下活塞与汽缸体内壁之间自上而下间隙均匀，把活塞制成裙部各截面上的椭圆度不断变化，并且裙部母线也多为曲线的形状。加工制造这种特殊形状的工件。虽然在大型企业可以用先进的数控加工技术解决，但对于产品品种多变，批量小，设备较陈旧的中小企业则是一个难题。为了解决这种状况。我研究了一种操作简单、质量可靠、经济适用的工艺装备及加工方法。对现有的车床进行改进设计,可以完全满足加工精度要求，并取得了良好的效果。第2章 立体靠模装置的设计2.1 立体靠模装置简介为了提高性能，各种变椭圆形的活寒已经在发动机上得到了普遍应用。这些活塞不仅在裙部各截面上椭圆度不断变化，并且裙部母线也大多采用曲线形式。目前加工这类活塞.仁要采用两种方法7。一种是用专用机床直接加工变椭圆活塞，另一种是采用靠模仿形加工。后种方法生产率高，操作简单，特别适合大批最生产。但是在采用这种加工方法之前，。必须首先制造出仿形使川的变椭圆靠模。针对国内工厂现行生产情况，下面介绍一种加工变椭圆活塞靠模的装置。主轴立体靠模与活塞联接方式(如图2-1):它是在普通车床上附加一套装置，根据不同活塞的变椭圆规律，分别设计制做好靠模尺后，能方便地加工出所需要的变椭圆活塞靠模8，如图2-2。1.活塞2.拔块3.定位块4.立体靠模5.联接轴6.机床主轴图2-1主轴立体靠模与活塞联接方式34-靠模尺（轴） 51-刀架体 63-靠模轮图2-2 立体靠模装置2.2 加工原理 经过分析可以发现，活塞裙部各截面上的椭圆度不断变化，并且变化规律非线性的，这就给活塞靠模的加工带来了难度。目前，生产中活塞加工一般采用车削工艺，因此我们设想能否利用普通车床，根据活塞靠模加工的特殊要求，设计一套附加装置，将车床改装成为专用活塞靠模加工机床。拆下附加装置仍不影响原车床的使用。根据上述思路，我们在普通车床上拆去大拖板，加上一套附加装置，成功地加工出变椭圆活塞的靠模。该装置的工作原理如图2-3所示9。刀架部分是由圆柱靠模轮1、回转靠模尺7、顶杆6、小滚轮2、刀架5和小刀头3等组成。圆柱靠模轮1与回转靠模尺7一起回转，回转运动是通过齿轮传动链经工件心轴与机床主轴相联接，从而严格保证圆柱靠模轮1与工件4之间的完全同步回转。当圆柱靠模轮1在顶杆6的作用下绕自身轴线偏转角后，它回转所形成的运动轨迹是一个标准椭圆。随着角不断变化，该椭圆的长短轴之差即半径变化量也不断改变，在刀架上通过小滚轮2和摆动刀架5，椭圆的半径变化量传递给了小刀头3。如果圆柱靠模轮1回转一周，小刀头3则往复摆动两次。这样，当工件4回转带动回转靠模轮1回转时，小刀头3就把椭圆的半径变化量按一定规律传递给了工件4，从而实现了靠模的椭圆加工。当刀架5左右移动进给时，由于回转靠模尺7左右不移动(仅与靠模轮1一起回转)，靠模尺7上靠模曲线的不同坐标通过顶杆6的作用，便可按要求不断地改变圆柱靠模轮1的自身转角的大小，从而得到椭圆度连续变化的变椭圆活塞靠模。因此，预先根据活塞椭圆度的变化规律，设计制作好回转靠模尺的坐标曲线，即可加工出所需要的按一定规律变化的变椭圆活塞靠模。 上述机械只影响活塞裙部的椭圆度大小，而不影响活塞裙部大径部位的母线形状。为了简便可靠，该装置通过另外一根中凸靠模尺8，利用小滚轮直接顶大拖板，即可方便地得到所需的裙部中凸曲线。1-圆柱靠模轮；2-小滚轮；3-小刀头；4-工件；5-刀架；6-顶杆；7-回转靠模尺 8-中凸靠模尺图2-3 加工原理图 2.3加工要点调整刀架位置使L2/L1= 2:1，然后试切10。再根据实测的变椭圆尺寸，对触头与车刀的位置进行适当的调整使其达到要求。必须保证小滚轮与圆柱靠模轮偏转中心与小滚轮的接触点在同一直线上，否则，设计的回转靠模尺的坐标会有误差。由于刀架5随着圆柱靠模轮偏转而作少许回转，在一个回转周期内刀架5上的车刀刀尖会产生一定的误差，即不是一个标准的椭圆。但由于其误差较小，并且在仿形加工时，靠模的误差的影响可以减小一半，所以加工精度能够满足实际需要。2.4回转靠模尺的设计制作 使用上述加工装置时，必须先设计制作回转靠模尺。现在介绍如何根据某一截面上活塞的椭圆度，计算出回转靠模尺靠模曲线的坐标值。 有些机械仿形机构加工活塞时，为降低误差，采用比例仿形，即靠模与活塞之间不是1:1传递，而是1:1或2:1，有时仿形比例是可调的19。也就是说，靠模与活塞的椭圆度不一样，两者相差仿形系数。因此在设计靠模尺以前，应先选定仿形系数，并将活塞各截面上的椭圆度乘以仿形系数，转换为靠模各相应截面上的半径变化量。回转靠模尺是一根半径为12.5mm的圆轴，如图2-4所示。图2-4 回转靠模尺设靠模距原始点处截面上的半径变化量为，根据加工装置的有关尺寸和几何关系，可得到下列计算靠模曲线坐标的公式：x =+40-41.905cosy=12.5-41.907sin其中，=arctan-arccos 式中的40为圆柱靠模轮半径。利用计算器即可方便地求得靠模曲线坐标(x、y）值。当然，也可利用计算机辅助设计和绘图技术，输入活塞各截面椭圆度和仿形系数后，计算机根据.上述公式进行计算并光顺圆整，然后直接输出回转靠模尺的工作图17。2.5 立体靠模装置的相关参数确定2.5.1弹簧的计算1）刀架弹簧的计算由已知结构建立数学模型如图2-5所示图2-5 数学模型（1）对该图进行受力分析，得： （2-1） （2-2）解得已知：弹簧中径，最小载荷0 N，最大载荷,最大变形量，最小变形量 根据实际情况，选用钢丝材料为炭素弹簧钢丝，依据机械零件设计手册，查表得， （2-3） 因为 （2-4） 其中，取C=6， （2-5）所以取查表得G=80Gpa （2-6）取 所以，弹簧的总长度弹簧的刚度 （2-7）2）底座弹簧的计算由已知结构建立数学模型如图2-6所示。对该图进行受力分析，得：图2-6 数学模型（2） （2-8） （2-9）其中， 由经验公式可知， （2-10）其中, 所以,解得 已知：弹簧中径，最小载荷0 N，最大载荷,最大变形量，最小变形量根据实际情况，选用钢丝材料为炭素弹簧钢丝，依据机械零件设计手册，查表得因为,其中，取C=6，所以取查表得G=80Gpa取 。所以，弹簧的总长度弹簧的刚度2.5.2齿轮的计算1）齿轮的计算查表，加工工件的，则主轴的切削功率 （2-11）主轴的转速 （2-12）所以，与主轴相连接的齿轮转速由设计所选取的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度（GB0095-88）。齿轮材料选为45钢（调质）硬度为240HBS。齿数比选主轴相连接的齿轮齿数,则与相连的齿轮齿数，取。2）齿轮的校核按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 （2-13）确定公式内的各计算数值(1)试选载荷系数(2)计算小齿轮传递的转矩(3)由表选取齿宽系数(4)由表查得材料的弹性影响系数(5)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限;大齿轮的接触疲劳强度极限 ；(6)由式计算应力循环次数 （2-14）(7)查得接触疲劳寿命系数；(8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数,由式得 （2-15） （2-16）计算（1）计算小齿轮分度圆直径,带入中较小的值 （2-17）（2）计算圆周速度 （2-18）（3）计算齿宽b（4）计算齿宽与齿高之比b/h模数 （2-19）齿宽 （2-20）（5）计算载荷系数根据,7级精度，查得动载系数；直齿轮，假设 ，查得；查得使用系数；查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时由,，得；故载荷系数 （2-21）按实际的载荷系数较正所算得的分度圆直径得 （2-22）计算模数m取。2.5.3几何尺寸计算计算分度圆直径计算中心距 （2-23）计算齿轮宽度取。2.5.4齿轮的验算 （2-24） （2-25）合理2.5.5 立体靠模与靠模指最佳摩擦副匹配立体靠模工作时以60 r/ min的速度旋转，靠模指同刀具一起前进S=0.192 mm。这时靠模指采用何种材料能使这一对摩擦副为最佳匹配，将提高活塞车床的生产效率。进行了靠模指材料对比试验。试验机床、转速、行程速度、润滑油材料流量、弹簧压力、靠模直径、长度等条件都相同16。磨损结果见图2-7。图2-7 磨损效果图注：铝青铜材料为德国引进的靠模车床(FD3)靠模指材料，经过化验分析后确定。试验结果紫铜与胶木材料做靠模指与立体靠模作一对摩擦副，其匹配为最佳11。2.5.6立体靠模与靠模指的润滑装置活塞在高速旋转中切削产生大量切屑和灰尘15，同时靠模与靠模指摩擦产生热量，传统上是用毛刷上加机油来冷却和去尘，这种方法冷却效果差会导致靠模指磨损快，从而严重影响零件加工质量，并增加调整时间,降低生产率。为解决这一矛盾，利用机床原有冷却泵把油箱中的20号机油抽上来，通过油管送入靠模指中心油孔喷向立体靠模对其进行冷却。冲刷灰尘及切屑，润滑油经过滤后可重复使用。但需在立体靠模外圆周上围装着密封防护罩以免机油喷出。2.5.7活塞加工中常见的质量问题活塞是由铝合金制成的薄壁零件，其裙部加工是断续切削，要想生产出高质量的活塞，主要靠设备及立体靠模等工装的高精度。其次在生产过程中需要利用精密仪器进行测量，对日常生产过程中发现的质量问题要及时进行改进、调整。活塞加工中常见的质量问题14：a.大直径尺寸公差值超差；b.大直径偏移；c.中凸线尺寸超差；d.变椭圆度值超差；e.粗糙度达不到图纸要求；f.表面产生振纹。第3章 摆动刀架的设计3.1摆动刀架工作原理摆式刀架仿形靠模加工方法，其原理如图3-1所示。车床的刀架部分拆除后，将摆式刀架7装在车床的滑板上，再将变椭圆靠模3的心轴2插入车床的主轴孔内。调整定位工件6用的定向螺栓5，使工件6与靠模长短轴方向一致(靠修磨心轴上的调整垫)。工件6装在心轴上的止口胎4上，其右端用顶尖顶住。最后调整好摆动刀架的仿形触头8与车刀9的位置。由于设备上的工件与靠模、车刀与仿形触头完全同步,因此保证了工件形状尺寸精度。由于摆动刀架的仿形触头8与车刀9的位置与摆动刀架中心的距离L1和L2成2倍的关系，即L2=2L1，又因摆动刀架的摆角很小可以忽略摆杆的弦与弧的差别，所以加工出的工件与靠模的椭圆度成2倍的关系，从而反映到工件上的靠模加工误差也可以减小一半，很大程度上保证了加工精度。1- 主轴；2-心轴；3-变椭圆靠模；4-止口胎；5-定向螺栓；6-工件；7-摆动刀架8-仿形触头；9-车刀图3-1摆式刀架仿形靠模加工方法图3.2摆动刀架简介摆动刀架是CA6140上的一套附属设备，可将CA6140上刀架部分拆除后装在CA6140上。摆动刀架如图3-2所示图3-2 摆动刀架CA6140车床如图3-3所示图3-3 CA6140车床CA6140车床：主要用于内圆、外圆和螺纹等成型面加工的金属切削机器。车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床12。 车床发展：古代的车床是靠手拉或脚踏，通过绳索使工件旋转，并手持刀具而进行切削的13。1797年，英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代车床，并于1800年采用交换齿轮，可改变进给速度和被加工螺纹的螺距。1817年，另一位英国 人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速。为了提高机械化自动化程度，1845年，美国的菲奇发明转塔车床。1848年，美国又出现回轮车床1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床，不久他又制成三轴自动车床 20世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的车床。第一次世界大战后，由于军火、汽车和其他机械工业的需要，各种高效自动车床和专门化车床迅速发展。为了提高小批量工件的生产率，40年代末，带液压仿形装置的车床得到推广，与此同时，多刀车床也得到发展。50年代中，发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制车床。数控技术于60年代开始用于车床，70年代后得到迅速发展20。主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身18。主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。刀架、尾架和床身。3.3 摆动刀架部分零件功用35-螺母 37-摆动架图3-4 摆动刀架局部图（1）21-球 22-支承座 23-螺母图3-5 摆动刀架局部图（2）1）如图3-4所示螺母35为上下2个，由于摆动刀架悬伸臂比较长，但是其悬臂精度也需要保证，所以要对其进行调整和限制，图示3-4螺母35即是对其进行调节，通过上下两个螺母35和球21、支承座22、螺母23则可以保证悬臂的水平位置，使其保证精度。2）如图3-5所示摆动架37为空心圆柱体，通过上下顶尖可以保证其正确位置。3）如图所示左侧刀架体为靠模刀，右侧为切削刀，悬臂上面有导轨凹槽，可使刀架体在上面移动，以确保刀架体在加工时的正确位置。2-内六角圆柱头螺钉 图3-6 摆动刀架局部图（3）1-把手位置 2-螺栓 3-把手位置 4-凸板图3-7 摆动刀架把手示意图（1）1-块 2-板 3-螺母 图3-8 摆动刀架把手示意图（2）4）如图3-7、图3-8所示，为摆动刀架把手示意图的二视图，当把手由图3-7的1运动到3时，把手带动凸板4一起运动，使其带动螺栓2运动，由图3-7可以看出，当把手下压时，可时螺母及螺栓3向图3-8中左侧移动，并最终脱离块1，使摆动刀架上的弹簧处于自然状态，所以，当把手下压时，可使摆动刀架处于静止状态，即可以装配或拆除摆动刀架或其中零件。3.4 弹簧的设计及计算3.4.1 刀具的参数确定刀具材料：高速钢，活塞大部分采用硅铝合金前角：=30后角：=20 刀倾角：s=5 主偏角：Kr=60 对工件材料的修正系数，当=0.343Gpa 对主偏角的修正系数，=时， 当前角=30时，当刃倾角s=5时， 当刃尖角半径时 于是： = =0.98 = =0.53 = =1.36 代入 所消耗的功率 设计一弹簧，用于承受负载，作用次数N在以内，安装负载P1取稍大于Fy=500N，工作负荷P2=610。工作行程h应取0.5mm（应为椭圆度的2倍左右）。3.4.2 弹簧的相关计算 （1）选择材料 根据要求选用油淬火碳素弹簧钢丝B类。 初步假设钢丝直径d=5mm。 材料切变模量G=-7.9X103N/mm2 最大试验切应力=0.44 =369.6 此值小于最大值，符合要求 取试验切应力=1.2=336 （2）材料直径=根据题意取外径D2=16mm时，则弹簧中径D=D2-d=11 从而取旋绕比C=D/d=11/5=2.2 查图得曲率系数K=1.28 将有系数值代入公式得 假设基本相符按GB1358等列值，取d=5mm。（3）弹簧直径弹簧中径：D=cd=2.25=11弹簧内径：弹簧外径：（4）弹簧所需刚度，按公式计算弹簧刚度（5）弹簧的圈数和实际刚度弹簧圈数：取n=12圈则弹簧实际刚度（6）弹簧的初拉力当C=2.2时，初拉切应力取。则初拉力（7）弹簧变形量安装变形量工作变形量工作行程 符合要求。 （8）结构参数自由长度安装长度试验长度节距螺旋角弹簧开展长度（钩环部分） （9）校核 满足的要求。第4章 三维建模4.1 UG介绍UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。 UG的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。 一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值数学)及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密（adaptivemeshrefinement）和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。 UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。一个如UG NX这样的大型软件系统通常需要有不同层次抽象的描述。UG具有三个设计层次，即结构设计(architecturaldesign)、子系统设计(subsystemdesign)和组件设计(componentdesign)。 至少在结构和子系统层次上，UG是用模块方法设计的并且信息隐藏原则被广泛地使用。所有陈述的信息被分布于各子系统之间。4.2摆动刀架三维建模4.2.1 UG三维建模难点对于同一个部件的复制粘贴且围绕同一轴线进行循环粘贴，利用UG内含有的实例特征进行操作。其步骤如下：1）调用一个摆动刀架的局部UG模型，如下图4-1所示图4-1 摆动刀架局部模型2）点击“插入”“关联复制” “实例特征”3）生成下面对话框，点击“圆形矩阵”。图4-2 条件对话框4)生成下面对话框，点击选取需要的体，然后点击确定。图4-3 条件对话框5）生成下面对话框，选取“数字”及“角度”后点击确定。图4-4 条件对话框6）生成下面对话框后点击“基准轴”。图4-5条件对话框7）点击所需基准轴后点击“确定”，生成下面模型。图4-6 摆动刀架局部模型4.2.2 摆动刀架模型图本次设计利用UG三维建模软件对摆动刀架的全部179个零件进行了三维建模，摆动刀架见图4-7，图4-8，图4-9。.图4-7 摆动刀架（1）图4-8 摆动刀架（2）图4-9 摆动刀架（3）第5章 结论通过本次的设计完成了对活塞变椭圆的理解，着重对摆动刀架的结构和动态特性进行设计以及用UG对其工作原理进行动态分析。活塞在缸体内原则上是完全密封的，也只有这样，才能保证活塞在运动中具有很高的效率。但是事实上并非如此，由于缸体内气体在膨胀时会产生很高的温度，由活塞本身的材料决定了其膨胀的幅度，活塞裙部由上至下温度逐渐变低，导致活塞裙部由上至下的变形改变。为使得活塞的效率高原则，必须使活塞裙部由上至下加工成变椭圆，用以保证在受热膨胀时活塞与缸体匹配。摆动刀架即是这种可以将活塞裙部加工成变椭圆的工件。摆动刀架具有体积小，成本低，操作灵活，无需特殊设备等优势，在加工变椭圆活塞具有很大优势，并且摆动刀架本身设计的很巧妙，解决了很多在加工变椭圆上的问题。由于摆动刀架本身的一些特征，所以其加工精度也很高，通过靠模系数可得到想要加工的零件尺寸，同时满足精度要求。立体靠模装置是关键，想要得到高精度的变椭圆活塞，必须用到它，通过对靠模尺的设定参数，可以实现这一切。立体靠模装置同样设计巧妙，利用倾斜圆柱体在水平面的投影是椭圆这一特性设计，当倾斜角度变化时，椭圆度也进行同步变化。参 考 文 献1 史振平， 彭春华。16V240J柴油机钢顶铝裙活塞加工工艺S。机车车辆工艺，1998(1)：1518。2 彭春华，杨志顺。230钢顶铝裙组合活塞的研制J.机车车辆工艺，1999(1)：913。3 张晓峰，东风4C型机车16v240ZJC柴油机钢顶铝裙活塞的加工工艺J。内燃机车，1999(1)。4 孙永强，冯之敬，赵广林.国内活塞异形外圆车削加工技术的现状S。机械工程师，2002(3)：79。5 丛新春。数控加工技术在活塞加工中的应用D。铁道车辆，1998(4) ：9194。6 刘廷章，卢秉恒，李彦生等。中凸变椭圆活塞裙面车削系统的开发J。内燃机： 1996(1)：4-7。7 王大庆，丁崇生，葛思华。中凸变椭圆活塞加工数控车床数控系统的研究J。组合机床与自动化加工技术。 2000(4)：38-42。8 秦月霞，胡德金。活塞异型截面曲线数控加工中的一种逼近方法J.制造技术与机床, 2003(11)： 65-66。9 颉潭成，王红茹，刘陆群等。活塞异型面数控加工的一种逼近方法及其加工实现J机械制造。2005(11)： 22-24。10 苏金明，张莲花，刘波等。 Matlab工具箱应用M。北京：电子工业出版社， 2004。11 顾崇街等。机械制造工艺学M。西安；陕西科学技术出版社，第3版，1994。12 宾鸿赞等。机械制造过程的计算机控制M。武汉；华中理工大学出版社，1987。13 肖秀华。汽车发动机活塞裙部的外形型面J。内燃机工程，1979：（1）。14 刘艳婷。OC曲面活塞中凸型线加工数控系统开发D.西安交通大学硕士学论文，1992。15 钱磊。开放式全数字非圆截面车削数控系统及其在位检测的研究D。北京；清华大学，1999。16 David Young K, Vadim I Utkin, Umit Ozguner. 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Pattern Recognition Letters, 2000, 21: 969 -979.致 谢附件：大学本科生毕业论文(设计)规范一、毕业论文（设计）格式规范一份完整的毕业论文（设计）材料一般应包括下列内容：（一）题目；（二）目录；（三）论文主体（包括中英文摘要及关键词；正文；致谢；参考文献等）；（四）附录。具体分述如下： （一）题目题目应力求简短、精确、有概括性，直接反映毕业论文（设计）的中心内容和学科特点。题目一般不超过20个汉字，如确有必要，可用副标题作补充。（二）目录毕业论文（设计）必须按其结构顺序编写目录，要求层次分明，体现文章展开的步骤和作者思路。目录格式是论文的结构层次，反映作者的逻辑思维能力，所用格式应全文统一，每一层次下的正文必须另起一行。目录独立成页，以章、节、小节来编排。