毕业设计（论文）-465发动机活塞工艺规程编制及典型夹具的设计【全套图纸】 .pdf

哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 摘 要 本文介绍了活塞加工工艺过程以及活塞加工方面和夹具设计上的相关知识。 综述了国内外目前微型车活塞的制造技术及发展趋势。通过对活塞的使用性能、 工作条件、结构和技术要求的了解，对活塞的加工工艺进行改进，提出了在加工 过程中常出现的问题及改进的办法，使活塞的精度和表面质量得到很大提高，降 低了废品率，提高了劳动生产率。再者，在考虑活塞夹具设计的合理性时，进行 了典型的切削用量的计算和夹具夹紧力的校核。在对国内外夹具的设计现状进行 分析的基础上，针对中小企业广泛使用夹具常出现的情况，对夹具进行设计，具 有现代机床夹具设计的相关知识，可有效地提高夹具设计的速度和质量，从而提 高企业效益。 关键词：活塞；工艺规程；夹具设计；工艺分析 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) abstract this paper introduces the relevant knowledge of the machining process and pistons processing and fixture design. and also summarized the current small size manufacturing technology and development trend of inland and abroad. through the understanding of use of performance, working conditions, structure and technical requirement on the piston processing process improvement, put forward the process questions that often appears and the way of improvement, make the precision and surface quality is greatly improved, and to reduce the scrap, increase the productivity of productions. moreover, considering the piston the rationality of the design of fixture, a typical of cutting parameter calculation and fixture clamping force of checking. in domestic and abroad fixture design based on the analysis of the present situation, in view of the small and medium- sized enterprise widely used often appear of the fixture, it is necessary for us for fixture design, modern machine tool of fixture design knowledge, which can effectively improve the speed and quality of fixture design, so as to improve the enterprise benefit. key words: pistons; procedure; fixture design; process analysis 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) i 目 录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 国内外活塞加工工艺的发展趋势 . 1 1.3 选题的目的和意义 . 4 1.4 课题研究的主要内容 . 4 1.5 课题研究的主要方法 . 5 第第 2 章章 活塞零件的分析活塞零件的分析 6 2.1 零件的生产纲领及生产类型 . 6 2.2 活塞零件的分析 . 6 2.3 毛坯与材料 . 9 2.4 本章小结 . 10 第第 3 章章 工艺规程设计工艺规程设计 11 3.1 定位基准的选择 . 11 3.2 零件的表面加工方法的选择 . 12 3.3 确定机械加工余量及毛坯尺寸 . 13 3.4 制定工艺路线 . 14 3.5 典型的切削用量的确定及切削力的计算 . 15 3.6 活塞尺寸链的计算 . 17 3.7 本章小结 . 19 第第 4 章章 典型夹具的设计典型夹具的设计 20 4.1 概述 . 20 4.2 夹具设计中需注意的问题 . 21 4.3 钻活塞直油孔夹具的设计 . 23 4.4 镗活塞销孔的夹具设计 . 27 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) ii 4.5 本章小结 . 32 结结 论论 33 参考文献参考文献 34 致致 谢谢 35 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 1 第 1 章 绪论 1.1 选题背景 微型汽车在我国有很大的市场，从 0.9l 到 1.3l，价格也适合我国国情，同时 适合正在发展的中国的现况。 作为汽车发动机的心脏，活塞承受着交变的机械负荷和热负荷，是发动机中 工作条件最恶劣的关键零部件之一。其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，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， 汽油机高达 35mpa，柴油机高达 69mpa，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。由于活塞工况条件 恶劣，因此对活塞的材质、毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理、表面强 化和动平衡等要求都十分严格。其中任何一个环节的质量对活塞的寿命和整机的 可靠性都具有很大的影响。因此世界各国对活塞的加工都十分重视，都在不断地 改进活塞加工工艺，最大可能地提高活塞寿命。 近年来，我国内燃机活塞专业生产厂家通过引进技术消化吸收和自行开发， 总体水平有了较大的提高。但是我国距世界先进水平仍相差很远，甚至于还满足 不了我国内燃机工业技术发展的要求。我们只有充分了解国内外内燃机活塞制造 技术现状及发展趋势，及时改进和提高活塞制造技术水平，才能制造出具有世界 一流水平的内燃机活塞，以实力参与市场竞争 1。 1.2 国内外活塞加工工艺的发展趋势 我国内燃机活塞制造技术四十多年的发展，具有一定的基础，特别是通过技 术改造和技术合作，加快了活塞制造技术的发展，产品质量不断提高，新产品的 比重逐渐加大。但是，由于内燃机铝活塞的结构类型、要求、各制造企业的工艺 条件不同，使活塞机械加工工艺过程存在一定的差别。国内大多数企业采用以专 用机床和改装的普通车床、专用工装和夹具组成的单机流水线的加工方式生产。 流水线设备排列为一机一序，或一机多序，流程较长。典型的活塞加工工艺过程 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 2 如：粗车外圆平、顶面车止口、打中心孔粗镗销孔半精车外圆、顶面 粗、精切环槽精车外圆、顶面精车燃烧室精镗销孔车卡环槽检验。 上述工艺过程主要考虑了活塞裙部头部外圆、销孔和顶面等主要表面的尺寸 精度和位置精度，选择了以止口和中心孔作为精基准加工，裙部、头部、顶面和 销孔等主要表面和燃烧室、气门坑等次要加工表面。传统工艺过程的优点是:一次 装夹可车削外圆、顶面和环槽；沿活塞轴向夹紧可进行多刀切削。存在的主要问 题是：采用止口为工艺基准,流程较长；环槽的位置精度低；轴向夹紧对活塞的加 工精度，特别是对薄壁活塞裙部外圆的加工精度有较大的影响。 20 世纪 80 年代至今，我国微型汽车工业已占全国汽车工业比重的 30%以上， 微型汽车的年平均增长率达 31.6%，成为我国汽车市场中的不可缺少的车型。微型 车因用途多样、价格低廉、节能、少污染、占地面积小和较高的性能价格比赢得 了广阔的中国市场，目前我国微型汽车已形成了 100 多万辆的年生产能力。作为 微型车用活塞从市场角度必须适应微型车的需求，特别是批量、价格低廉和较高 性价格比的要求。同时微型车用活塞结构多为薄壁结构，外圆等表面精度又要求 较高，如 462 机型活塞的壁厚仅 1.5mm 左右，国内传统铝活塞机械加工工艺已较 难适应要求。而研制一种工艺路线短、效率高、适宜微型车用活塞的机械加工工 艺已成为当务之急。 针对中小型汽油机活塞批量大和薄壁的特点，新型微型车用铝活塞机械加工 工艺过程典型流程为：粗车外圆、顶面粗镗销孔、镗卡环槽、倒角半精车外 圆粗、精切环槽精车圆精镗销孔检验。该工艺过程采用活塞面和头部环 岸外圆为定位基准，与国内传统铝活塞工艺中采用的止口和中心孔为定位基准比 较起来，不仅使定位基准和设计基准重合，消除了基准不重合误差，更重要的是 夹紧点选择合理，工件夹紧变形小，可大大提高活塞的加工精度，如裙部外圆的 加工精度和环槽的位置精度2。 微型车用铝活塞机械加工工艺过程的主要加工工序如下： 粗车外圆、顶面工序是将活塞安装在气动胀紧式定心夹具中，即用内腔表面 定位夹紧,粗车外圆、顶面，从而保证活塞有较均匀的壁厚和一定的活塞顶厚。用 内腔表面定位的夹具如图 1- 1 所示，夹具由本体 1、顶紧销 2 和 4、楔杆 3 和 5 等 几部分组成。气缸传动和活塞杆使楔杆 2 和 4 在本体 1 中移动，并依靠斜面使排 列在活塞两个截面上的顶紧销 3 和 5 涨开。为了保证在活塞的两个截面上的均匀 地夹紧，楔杆 3 和 5 能够各自独立地涨开，以保证其均匀地夹紧。本体 1 的支撑 块靠活塞的内腔顶面对活塞的轴向进行定位。这种夹具可同时实现外圆、顶面、 端面的加工,生产效率高。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 3 图 1- 1 内涨式粗车外圆夹具 半精车、精车外圆和粗、精切环槽工序采用活塞头部外圆、顶面定位和夹紧, 内腔顶面辅夹紧。该工序夹具如图 1- 2 所示，由弹性夹头 1、定位盘 2、辅助顶爪 3 等组成。 弹性夹头 1 自由状态的直径大于被加工活塞直径， 辅助顶爪主要由爪体。 图 1- 2 夹头部粗车外圆夹具 两个顶杆和一个底杆组成。当被加工活塞靠紧定位盘后，弹性夹头向前由 a 移动到 b 位，到达 b 位后，弹性夹头受定位盘 b 面阻挡，夹爪围绕 c 点旋转，实 现工件定心夹紧，辅助顶爪向左移动，二个顶杆依靠底杆及斜面自动适应，顶紧 活塞内腔铸造顶面，开始进行粗、精切环槽的加工。然后，在切削过程中，弹性 夹头自动由 b 位移至 a 位，让开头部，完成头部和裙部外圆的加工。依据加工批 量,半精车外、精车外圆和粗、精切环槽工序可采取集中或分散工序的方式进行。 该夹具具有：夹紧头部直接定心，定心精度高；弹性夹头 1 可适应一定直径范围 内活塞的加工，减少了工装的准备量；以头部环岸外圆和内腔顶面夹紧活塞，消 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 4 除了止口、中心孔定位方式中的活塞顶紧变形的缺点，可提高活塞的加工精度； 活塞环槽加工以头部外圆和顶面定位，位置精度高的特点。粗镗销孔、镗卡环槽、 倒角工序和精镗销孔工序均采用头部外圆和顶面定位夹紧，菱形销角向定位的形 式，夹具结构与精车外圆类似,但是活塞为立式布置。粗镗销孔、镗卡环槽、倒角 工序中，机床主轴上联接一个偏心进刀结构，一次装夹分两个工步完成粗镗孔和 镗卡环槽、倒内外角的加工。其原理是：镗杆几何中心和镗头实际回转中心存在 一定的偏心距离，粗镗刀和卡环槽镗刀布置在镗杆上，当粗镗完销孔之后，镗杆 依靠偏心进刀装置，使之绕镗头轴线相对偏转一定的角度，从而使卡环槽镗刀和 倒角刀进刀，粗镗刀退刀，完成精镗销孔工序与粗镗销孔工序基准统一，保证销 孔余量均匀分配，同时以顶面定位加工销孔,直接保证活塞的压缩高尺寸3。 1.3 选题的目的和意义 了解活塞的功用及工作条件和受力情况，及了解相关零部件的材质及加工和 使用特点。确定加工工艺方案，通过对加工工艺方案的改进及加工工艺分析，提 出相应加工方案，从而达到对活塞在发动机运转的工况了解和原理认知，为将来 设计发动机打下坚实基础。同时了解机床夹具的功用、组成和分类。以及机床夹 具设计的步骤和方法，夹具总图的设计和绘制方法，及了解活塞三维图的画法。 活塞是发动机中承受冲击载荷，传递动力的重要零件，在发动机五大件中最 难以保证加工质量。由于活塞工作条件恶劣，因此对活塞工艺规程的编制和夹具 的选择都要有严格的要求。如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重 影响活塞的使用寿命和整机的可靠性，因此我们应不断改进活塞加工工艺。 我国活塞专业生产厂家不是很多，且整体规模小、专业化程度低、企业设备 陈旧、产品设计和工艺落后、性能寿命和可靠性差、品种杂乱和“三化”程度低，这 些都影响了整机适应国内及国际市场的能力。随着我国加入 wto，内燃机零部件 行业将面临更加激烈的市场竞争，也将迎来新的发展机遇。我们只有充分了解国 内外内燃机活塞制造技术现状及发展趋势，及时改进和提高活塞制造技术水平， 才能制造出具有世界一流水平的内燃机活塞，以实力参与市场竞争。 1.4 课题研究的主要内容 收集有关国内外活塞工艺相关资料，通过对微型车发动机活塞工艺的功用及 工作条件和受力情况的了解，提出微型车发动机活塞的加工工艺方案，进行微型 车发动机活塞的加工工艺分析，从工艺设计方法、结构原理、材料及应用等方面 分析微型车发动机活塞工艺和夹具设计和加工技术，提出问题，提出自己的观点， 解决问题，设计典型工序的夹具，并对相关夹具部件进行受力分析和校核，从而 保证夹具设计时的合理性。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 5 1.5 课题研究的主要方法 通过收集有关国内外微型活塞相关资料，来了解活塞实际使用及加工情况， 掌握先进的活塞加工技术，并通过 autocad2008 来编制工艺规程及设计图。 从设计方法、结构原理和材料及应用等方面分析四缸发动机活塞加工技术， 提出自己的设计思想、加工方法及改进方法。通过各种途径收集资料，广泛阅读 有关工艺编制和夹具设计方面的书籍，广泛了解夹具设计方面的信息。对夹具设 计的一些原理及方法、设计的基本要求及步骤和夹具体等设计进行系统的研究， 设计两道重要工序上的夹具设计图纸一份。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 6 第 2 章 活塞零件的分析 2.1 零件的生产纲领及生产类型 生产纲领是指企业在计划期内应当生产的汽车产品的产量和进度计划。汽车 零件的生产类型是由汽车零件的结构特征（汽车零件的外形尺寸、质量要求等） 和生产纲领决定的。汽车零件的年生产纲领 n 可按公式 2- 1 计算 )+)(1+=%a%qn(1nb (2- 1) 式中 q汽车产品的年生产纲领； n一辆汽车产品中相同零件数量； %a备品率； %b废品率。 一般 465 活塞的备品率为 5%，废品率为 1%。 因此12726001%)(15%)(14300000n=+=件。 汽车产品和汽车零件的生产类型划分为：单件生产、成批生产和大量生产三 种。汽车零件因零件结构特征、质量及年产量不同，具有不同的生产类型。东安 每年生产近 30 万发动机，所以活塞生产类型为大量生产，所以在制定工艺路线的 时候应充分考虑其生产特点，制定合理的工业路线，选择合理的机床、刀具、量 具和检具，以提高生产率，降低成本。 2.2 活塞零件的分析 2.2.1 活塞使用的性能与工作条件分析 活塞是汽车发动机的心脏，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作 条件最恶劣的关键零部件之一。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、高速和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，汽油机高达 35mpa，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(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， 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 7 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4。 2.2.2 零件的结构分析 活塞结构如图 2- 1 所示。该活塞采用铝合金材料铸造，它由顶部、头部和裙部 三部分组成。 图 2- 1 活塞简图 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， 本活塞与其他活塞相比的优点是其在最下面的油环上钻有 8 个直油孔和 10 个斜油孔，直油孔与斜油孔分别相对于活塞轴线成 18 o，如图 2- 2 所示，这有利于活塞在工作过程中有良好的润滑性能，而且减少机油进入燃烧室， 进一步降低机油的消耗量。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 8 图 2- 2 活塞简图 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，本活塞群部是采用椭圆形，此形状有利于活塞在 工作中，在高温下，活塞壁与汽缸壁保持均匀的间隙，从而避免了活塞在工作中 出现卡死在汽缸内或出现局部磨损现象 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。 此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，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。在活塞轴线成 o 15 的 位置上钻有活塞销油孔，这使得活塞在工作过程中有相对良好的润滑效果4。 活塞作为典型的汽车关键零部件，在切削加工方面具有很强的工艺特点。目 前，国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用设备组成机 加工生产线，因此，专用设备就成为活塞切削加工的关键设备，其功能和精度将 直接影响最终产品的关键特性的质量指标5。 2.2.3 活塞的主要技术条件分析 本课题研究的活塞材料为 ld8 铝合金，其主要用于 465 发动机，现在 465 发 动机主要用于微型汽车上，而且微型汽车在我过有着很大的市场，而活塞是发动 机的心脏，所以我们对活塞的加工要求必须严格，下面介绍主要的活塞加工工艺 要求。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 9 (1)活塞外圆的要求 活塞群部外圆与汽缸要求是一种精密地配合，因而群部外圆一般要求公差等 级 ct6，要求群部外圆的粗糙度m0.8ram，活塞群部椭圆偏转不得大于 3 o 。 (2)活塞销孔的要求 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,要求销孔内圆的粗糙度m0.8ram。 (3)销孔的位置公差的要求 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0.117.9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 要保证加工精度。 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。 (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 465 汽油机活塞，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，以保证发动机在 工作中动平衡，减少汽缸与活塞的磨损。 该零件上的主要加工表面为外圆、顶面、环槽、油孔和销孔。加工时要特别 注意销孔中心线与活塞中心线的垂直度，并且保证外圆的加工精度，以提高发动 机的寿命6。 2.3 毛坯与材料 正确的选择毛坯是工艺技术人员应该高度重视的问题。零件加工过程中工序 的内容或工序的数目，材料消耗，热处理方法，零件制造费用等都与毛坯的材料、 制造方法、毛坯的误差和毛坯的余量有关，应慎重对待。 在高速柴油机中，为了减少往复直线运动部分的惯性作用，都采用了铜硅铝 合金作为活塞材料，在低速、重负荷、低级燃料的发动机中，有时用铸铁作为活 塞材料，在汽车工业中很少用铸铁活塞7。 铜硅铝合金比铸铁具有下列优点： (1)导热性好，使活塞顶面的温度降低较快，可以提高发动机的压缩比，又不 至于引起混合气体的自燃，因而可以提高发动机的功率； (2)重量轻，惯性力小； (3)可切削性好； (4)可以得到精确的毛坯。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 10 但它也有一些缺点： (1)材料的价格比较贵； (2)热膨胀系数大，约为铸铁的两倍； (3)机械强度及耐磨性较差。 但总的来说，铝合金的优点超过缺点，所以在高速内燃机中都用它，而且耐 磨性方面可以通过镶嵌一高镍铸铁环来提高其气密性和耐磨性，增加其寿命。本 活塞的零件形状并不复杂，因此毛坯形状可以与零件的形状尽量相似，铸造成型， 毛坯尺寸通过确定加工余量后最后确定8。 2.4 本章小结 本章对活塞的生产纲领经行了简单的计算，同时，对活塞的工作环境和活塞 的技术要求进行了详细分析，通过研究，进一步了解活塞的技术要求，为下一章 工艺规程的设计及其加工余量的确定奠定了楚，同时也对活塞的毛坯形状进行了 分析，对本课题所做的活塞材料与其他材料进行对比，进一步的了解了铝合金活 塞的优缺点。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 11 第 3 章 工艺规程设计 3.1 定位基准的选择 3.1.1 基准的概念 在构成零件形状的点、线和面中，总有这样的一些点、线和面是用以确定其 他点、线、面相对位置或方向的，这样的一些点、线和面称作基准。选择基准也 是加工的第一步。 3.1.2 选择工艺定位基准必须遵循的原则 (1)尽可能选用设计基准作为工艺定位基准，以保证基准统一，避免或减少定 位时产生的误差。 (2)在工件的各个主要加工工序中，尽可能使各加工表面选用同一基准，尤其 是有相互位置精度要求的表面更应如此。 (3)粗加工后定位基准应尽量选用不加工或加工余量小的平整面，可提高加工 精度。 (4)精加工工序定位基准应是已加工表面。 (5)所选用的定位基准应保证必须使工件定位和夹紧方便，加工时稳定可靠。 主要定位基准面应尽量选用工件上较大的表面。 (6)所选用的定位基准面应保证工件在一次安装中能加工出尽可能多的表面， 以保证各加工表面间的位置精度和提高加工效率。 3.1.3 粗基准的选择 选择粗基准时，主要要求保证各加工表面有足够多的余量，一般应考虑下列 原则： (1)如果必须首先保证工件上各表面加工余量均匀，则应选择此种表面为粗基 准。 (2)若在设计上要求保证加工面与不加工面间的相互位置精度，则应选不加工 面为粗基准。 (3)作为粗基准的表面，应尽量平整光洁，有一定面积，不能有飞边、浇口、 冒口或其他缺陷，以使工件定位可靠，夹紧方便。 (4)粗基准一般只在第一工序中使用一次，以尽量避免重复使用。因为毛坯面 粗糙且精度低，重复使用将产生较大的误差。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 12 综上所述，活塞应选择内腔表面作为粗基准，并且活塞加工前应对活塞内部 进行清沙处理，使活塞粗加工的精度尽可能高些。 3.1.4 精基准的选择 选择精基准时，考虑的重点是有利于保证工件的加工精度并使装夹准确、牢 固、方便。其选择的原则有： (1)基准重合原则 应尽量选用零件的设计基准作为定位基准，以避免定位基准与设计基准不重 合而引起的定位误差。 (2)基准统一原则 应尽可能采用同一组基准定位加工零件上加工尽可能多的表面，这就是基准 统一的原则。 (3)互为基准原则 当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时，需要用两个表面 互相作为基准，反复加工，以保证位置精度要求。 (4)自为基准原则 某些加工工序，加工余量小而不均匀，常选择加工表面本身作为定位基准。 综上所述，活塞应以粗加工的加工表面为精基准，从而确保加工精度尽可能 的高，从而使活塞产品的合格率高。 3.1.5 基准的选择 本零件是近似圆柱型的托板式活塞，中心轴线是其的设计基准，为避免由于 基准不重合而产生的误差，应选外圆为定位基准，使误差降为最低，从而提高加 工精度。 由于活塞大部分表面都需要加工，而外圆作为精基准应该首先进行加工，因 此应该先以内圆为粗基准先加工活塞外表面和顶面，再以外圆及顶面为精基准加 工活塞销孔和环槽，再以外圆以及活塞销孔为精基准加工活塞销油孔、直油孔和 斜油孔。 3.2 零件的表面加工方法的选择 本零件的加工面有外圆、顶面、环槽、销孔、油孔等材料为铝合金。参考机 械加工手册的有关资料，其加工方法选择如下： (1)64.3mmf外圆面，表面粗超度为ra0.8um，加工时应以内腔为定位基准， 需要进行粗车、半精车及精车。 (2)车活塞顶面，表面粗糙度度为ra1.6um，加工时应以外圆为定位基准，直 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 13 接通过粗车和半精车加工即可。 (3)18mm 的活塞销孔，表面粗超度为ra0.8um，加工时应以外圆和活塞内部 销孔多肉为定位基准，需经过粗镗和精镗两步完成。 (4)活塞油孔，表面粗糙度为ra1.6um，加工时需以外圆为定位基准，由于所 需精度相对较低，直接钻即可。 (5)活塞环槽，表面粗糙度为ra0.8um，加工时以外圆为定位基准，需要粗切 和精切两步完成。 (6)进排气门坑，表面粗超度为ra1.6um，加工时应以外圆及活塞销孔为定位 基准，加工时直接通过铣床加工即可获得。 3.3 确定机械加工余量及毛坯尺寸 活塞的加工余量按有关标准确定。确定时，根据加工方法和加工精度，查找 有关机械加工手册，确定活塞的加工余量及加工工序，具体如下： 活塞外圆的加工精度要求为ra0.8um，需要经过粗加工、半精加工和精加工 才能获得，采用普通车床加工，粗加工所需的加工余量为2mm，半精加工的加工 余量为1.2mm，精加工的加工余量为0.5mm，又因为活塞的直径要求为64.3，所 以根据活塞的加工余量确定其毛坯外圆直径为68mm。 活塞顶面的加工精度要求为ra1.6um，需要粗加工和半精加工两步获得，采 用普通车床加工，粗加工所需的加工余量为2mm，半加工所需要的加工余量为 1mm，所以确定活塞毛坯的高度为64.5mm。 活塞环槽的加工精度要求为上下壁精度为ra0.8um，内壁为ra1.6um，加工 时，需要通过粗切和精切两步完成，粗切环槽时，需要给精切环槽留加工余量， 所以粗切环槽时，气环尺寸确定为厚度为1.4mm，内径为57.5mm，油环厚度为 2.7mm，内径为57.5mm，然后再通过精加工加工到所需的尺寸。 活塞销孔的加工精度要求为ra0.8um，需要通过粗镗和精镗两步完成，加工 时，粗镗需给精镗预留出0.4mm的加工余量，粗镗加工到17.6mmf，然后在通过 精镗加工出粗糙度为ra0.8um的18f的销孔。 通过以上的途径得出活塞的毛坯的基本尺寸，活塞毛坯直径为68mm，活塞高 度为64.5mm，图 3- 1 为活塞毛坯图9。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 14 图 3- 1 活塞毛坯图 3.4 制定工艺路线 活塞的加工工艺路线一般是先进行外圆的粗加工，再以外圆为定位基准对活 塞上的环槽、油孔、气门让坑及销孔进行加工，按照先加工基准面及先粗后精的 原则，活塞加工可按表 3- 1 工艺路线进行10。 表 3- 1 工序目录表 工序号 工序名称 设备名称 10 粗车外圆及顶面 卧式车床 20 粗镗销孔 数控镗床 30 粗切环槽 专用车床 40 半精车外圆及顶面 卧式车床 50 铣进气门坑 专用铣床 60 铣排气门坑 专用铣床 70 钻直油孔 专用钻床 80 钻斜油孔 专用钻床 90 钻销油孔 专用钻床 100 精切环槽 数控车床 110 精车外圆 数控车床 120 精镗销孔 数控镗床 130 钳工 140 尺寸检验 150 最终检查 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 15 3.5 典型的切削用量的确定及切削力的计算 3.5.1 粗车外圆 车刀选择直头焊接式车刀，车床选择普通 c620- 1 车床 (1)确定切削深度 p a 由于粗加工余量仅为 2mm，可在一次走刀内完成，故 mm p 1 2 6668 a= - = (2)确定进给量 f 查表易得，在粗车铝合金材料时，当 3ap 以及工件直径为 60100mm 时 f=0.81.0mm/r，选 f=0.9mm/r。 (3)确定切削速度 查切削用量简明手册表 1.10，当切削深度0.97mm/rf1.4,ap时，切削速度 为97.0m/min= t v。 切削速度的修正系数为0 . 1= tv k，8 . 0= krv k，7 . 0= sv k，23. 1= tv k，0 . 1= kv k（均 见切削用量手册表 1.28） ，故切削速度和转数可按以下公式计算 vtc kvv= 1 (3- 1) d n p 1000 = (3- 2) 将修修正系数及直径带入公式得 327r/minn 66.8/min 1.230.70.897 1 = c v 根据机床 c620- 1 车床说明书，选择320r/min= c n 这时实际切削速度65m/min= c v 最后确定的切削用量为1ap= ，0.9mm/rf =，320r/minn =，65m/min= c v (4)计算切削力 切削力计算公式为 z zy f z f f nf y x pfzc kvfacf = (3- 3) 查机械加工工艺手册易得 490= fz c，1.0= fz x，0.75= fz y，0= fz n，1= fz k 带入公式(3- 3)计算得453n= c f 3.5.2 粗车活塞顶面 (1)确定切削深度 p a 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 16 由于粗加工余量仅为 2mm，且为平面切削，查表选切削用量 2mm。查切削用 量手册易知切削深度为 2mm。 (2)确定进给量 查表易得，在粗车铝合金材料时，3a p 以及工件直径为 60- 100mm 时 1.0mm/r-0.8f =，选0.9mm/rf =。 (3)计算切削力 查机械加工工艺手册易得 490= fz c，1.0= fz x，0.75= fz y，0= fz n，1= fz k 带入公式(3- 3)得切削力901n= c f (4)确定切削速度 查切削用量简明手册表 1.10，当切削深度0.97mm/rf3,ap时，切削速度 为138m/min= t v。 切削速度的修正系数为1.0= tv k，0.8= rv k，0.7= sv k，1.23= tv k，1.0= kv k（均 见切削用量手册表 1.28） ，带入公式(3- 1)和公式(3- 2)得 465.9r/minn 95.1/min 1.230.70.8138 1 = c v 根据机床 c620- 1 车床说明书，选择450r/min= c n 这时实际切削速度min/ 8 . 91 1000 mn d v cc = p 最后确定的切削用量为2ap= ，0.9mm/rf =，450r/minn =，91.8m/min= c v。 3.5.3 钻直油孔 选择高速麻花钻头，其直径3mmd =。 (1)决定进给量 f 按加工要求确定进给量：根据切削用量简明手册表 2.7，当加工材料硬度小 于 200hbs，d=3 时，f=0.180.22mm/r。 由于6 3 181 = d ，故应乘孔深修正系数95.0= lf k，则 rmmrmmf/20.017.0/95.0)22.018.0(= 按钻头强度决定决定进给量：据切削用量简明手册表 2.8，当440mpa= b d， 3mmd =时，钻头强度允许的进给量0.38mm/rf =。 按机床进给机构强度决定进给量：据切削用量简明手册表 2.9，当 640mpa b d，10.2mmd ，机床进给机构允许的轴向力为 3430n 时，进给量为 0.52mm/r。 从以上三个进给量比较可以看出，受限制的进给量是工艺要求，其值为 r/0.20=mm0.17f。根据 z325 钻床说明书，选择0.17mm/rf =。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 17 由切削用量简明手册表 2.19 可查出钻孔时的轴向力，当0.17mm/rf =， 12mmd 时，轴向力1230nf =。 (2)确定切削速度 由切削用量简明手册表 2.14 得，mpa b 440=da 的铝合金加工性属于 1 类。 由切削用量简明手册表表 2.13，加工性为第 1 类，0.17mm/rf =，双横刃磨的 钻头，3mmd =时，min/12mvt=。 切削速度的修正系数为：0 . 1= tv k，0 . 1= cv k，85 . 0 = lv k5，0 . 1= tv k=，带入切 削速度公式(3- 1)和转速公式(3- 2)得 min/2 .10min/85. 00 . 10 . 10 . 112mmv= min1083rn = 3.5.4 镗活塞销孔 由机械加工工艺手册表 1.2- 33 卧式镗床的镗削用量查得，本活塞零件粗镗销 孔的min/150100mv =，rm /=m1.50.4f，85ap=。 精镗时的min2150v/00=m，0=1.0.2f，1.20.6ap=。 3.6 活塞尺寸链的计算 3.6.1 尺寸链的定义及组成 在零件的加工或测量以及产品的装配过程中，经常会遇到一些互相联系的尺 寸组合，这种互相联系且按一定顺序排列的封闭尺寸组合，称为尺寸链。 尺寸链有以下三个特征： (1)具有尺寸封闭性，即组成尺寸链的各尺寸是按一定顺序排列的封闭尺寸图 形； (2).尺寸的相关性， 即尺寸链中存在一个尺寸， 它的大小是受其它尺寸的影响； (3)尺寸链至少是由三个尺寸构成的。 尺寸链的每一个尺寸都分别称为该尺寸链的环。尺寸链是由一个封闭环和若 干个组成环组成的。而组成环又可分为增环和减环11。 3.6.2 尺寸链的计算 计算尺寸链的目的是要求出工艺尺寸链中某些环的基本尺寸及上、下偏差。 计算方法有极值法和概率法两种。其中概率法用于生产批量大的自动化及半自动 化的生产或者尺寸链环数较多的场合。这里主要介绍极值法。 用极值法解尺寸链，是以尺寸链中各环的最大极限尺寸和最小极限尺寸为基 础进行计算的。图 3- 2 为车活塞外圆尺寸链图，表 3- 2 列出了计算工艺尺寸链时所 用到的尺寸符号12。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 18 图 3- 2 尺寸链 工序尺寸链计算的基本公式如下： (1)闭环的基本尺寸等于增环的基本尺寸之和减去减环的基本尺寸之和，即 - += s -= 1 11 n mi i m i i aaa (3- 4) (2)闭环最大极限尺寸等于增环最大极限尺寸之和减去减环最小极限尺寸之 和，即 - += s -= 1 1 min 1 maxmax n mi i m i i aaa (3- 5) (3)闭环最小极限尺寸等于增环最小极限尺寸之和减去减环最大极限尺寸之 和，即 - += s -= 1 1 max 1 minmin n mi i m i i aaa (3- 6) 式中 n包括封闭环在内的尺寸链总环数； m增环的数目。 下面是活塞中其中一个尺寸链的换算。 根据加工过程可知 a，b，c 组成的是一个封闭环。 基本尺寸： c=a- b=68- 64.3=3.7mm 闭环最大极限： mmaaa n mi i m i i 3 . 0)15. 0(15. 0 1 1 min 1 maxmax =-=-= - += s 闭环最小极限： mmaaa n mi i m i i 3 . 015. 0)15. 0( 1 1 max 1 minmin -=-=-= - += s 所以求得3mm3.70c= 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 19 表 3- 2 工艺尺寸链的尺寸符号 环名 符号名称 基本尺寸 最大尺寸 最小尺寸 封闭环 s a maxs a mins a 增环 i a maxi a mini a 减环 i a maxi a mini a 3.7 本章小结 本章主要介绍了对活塞加工的基准选择、加工方案的确定、加工工序的安排、 活塞加工的要点和原则、具体加工工序的分析，以及活塞加工时加工余量的确定 和加工用量的计算等作了介绍。重点在活塞加工工艺分析，并制定出先进的工艺 规程，不断提高活塞的加工精度，保证产品的合格率。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 20 第 4 章 典型夹具的设计 4.1 概述 4.1.1 夹具的定义和作用 (1)夹具的定义 夹具是用以装夹工件的装置。机械制造过程中广泛地使用各种夹具，包括机 床夹具、装配夹具、焊接夹具、热处理夹具和检验夹具等。机床夹具用于切削加 工。在切削加工中，用以固定加工对象，使之定位。机床、夹具、刀具和工件在 加工时组成加工系统，工件实现定位和夹紧。 (2)夹具的作用 保证加工精度；减少安装工件的辅助时间，提高劳动生产率；改善劳动条件， 减少劳动量和劳动强度；降低加工成本，扩大机床的使用范围；保证安全生产， 提高夹具使用多样性等。 4.1.2 夹具的分类 机床夹具一般按适用对象、使用特点、使用机床和动力源分类。具体有： (1)通用夹具 用以加工两种或两种以上工件的同一夹具。特点：能较好地适应加工工序和 加工对象的变换，一般结构均已定型，尺寸和规格均已系列化。 (2)专用夹具 专为某一工件的某一工序而设计的夹具。 (3)可调夹具 通过调整或更换个别零部件，能适用多种工件加工的夹具。特点：夹具的使 用对象在设计前并不非常确定，通用性范围大。 (4)成组夹具 根据成组技术原理设计的用于成组加工的夹具。设计成组夹具的前提是成组 工艺。特点：只需对个别定位和夹紧元件进行调整或更换，即可用于加工成组内 的所有零件。 (5)组合夹具 由可循环使用的标准夹具零部件组装成易于联接和拆卸的夹具。 (6)随行夹具 用以装夹工件，并由工件输送带送至自动线各工位的装置。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 21 4.1.3 进行夹具设计的意义 夹具是机械制造厂里使用的一种工艺装备。对工件进行机械加工时，为了保 证加工要求，首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置，并使这个位置在加 工过程中不因外力的影响而变动。为此，在进行机械加工之前，先要对其进行夹 具设计。 4.2 夹具设计中需注意的问题 在夹具设计过程中，对于被加工零件的定位。夹紧等主要问题，设计人员一 般都会考虑的比较周全，但是，夹具设计还经常会遇到一些小问题，这些小问题 如果处理不好，也会给夹具的使用造成许多不便，甚至会影响到工件的加工精度。 在此归纳一下在夹具设计中经常遇到的一些小问题，具体如下： 4.2.1 清根问题 在设计端面和内孔定位的夹具时，会遇到夹具体定位端面和定位外圆交界处 清根问题。端面和定位外圆如不连接就无此问题。 夹具要不要清根，应根据工件的结构而定。如果零件定位内孔孔口倒角较小 或无倒角，则必须清根；如果零件定位孔孔口倒角较大或孔口是空位，则不需要 清根，而且交界处可以倒为圆角r 。端面与外圆定位时，也采取一样的规则。 本设计所做的套夹具图均需清根处理，尤其加工活塞油孔的具图，由于装配 的需要，必须清根，保证加工过程中的准确配合，从而保证加工精度。 4.2.2 让刀问题 在设计圆盘类刀具（如铣刀、砂轮等）加工的夹具时，会存在让刀问题。设 计这类夹具时，应考虑铣刀或砂轮完成切削或磨削后，铣刀或砂轮的退刀位置， 其位置大小应根据所使用的铣刀或砂轮的直径大小，留出超过刀具半径的尺寸位 置即可。 本设计加工过程中，也需考虑让刀问题，如加工活塞销孔夹具图中所涉及到 的可动滑块中的燕尾槽，因加工过程中两面间的夹角很小，现实中的刀具无法加 工，所以必须加以退到槽，从而在实践中被加工。 4.2.3 更换问题 在设计加工结构相同或相似，尺寸不同的系列产品零件夹具时，为了降低生 产成本，提高夹具的利用率，往往会把夹具设计为只更换某一个或几个零件的通 用型夹具。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计(论文) 22 定位件外圆与夹具体孔之间的配合不能有间隙，若有了间隙就会影响夹具的 定位精度；但是，两者之间也不能有太大的过盈量，如果过盈量太大，就使得零 件更换困难。所以，设计时一般采用较紧的过渡配合。为了使定位件能够顺利拆 下来，可以在定位件中心设计一螺孔，用一螺杆拧入螺孔内，定位件就能顺利地 被顶出。当然，此螺孔直径应小于夹具体孔。 本设计中加工活塞销孔中就才用了快换钻套，快换钻套的作用是确定对刀位 置和保证刀具使其不弯曲，才用快换钻套在加工过程中能降低加工时间，提高加 工效率，从而提高企业的效率。 4.2.4 防松问题 在夹具设计中，经常会使用双头螺柱，双头螺柱一端固定于夹具上，另一端 用螺母压紧于加工的零件。双头螺柱与夹具的固定端一般采用六角薄螺母锁紧， 然而用螺母锁紧后，在使用中常常会出现松动。如果把螺柱的固定端与夹具体背 面基本拧平（螺柱头略低于夹具体） ，在背面（即左端面）螺纹旋合处，沿圆周均 匀铆三点，就能够起到防松作用。而且省去锁紧螺母，需要时还可以进行更换。 4.2.5 对夹具体的要求 (1)有适当的精度和尺寸稳定性 夹具体上的重要表面，如安装定位工件的表面.导向元件的表面以及夹具体的 安装基面等，应有适当的尺寸和形状精度，他们之间应有适当的位置精度。 为使夹具体尺寸稳定，铸造夹具体要进行时效处理，焊接和锻造夹具要进行 退火。 (2)有足够的强度和刚度 加工过程中，夹具体要承受较大的切削力和夹紧力。为保证夹具体不产生不 允许的变形和振动，夹具体应该