活塞加工及金属模设计

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，井通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞项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1二作。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卜工作，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卜工作，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，进而可以从活塞方而来提高引擎的性能。 本文以捷达EA113汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。一再次，应用三维CAD软件:Pro/Engineer建立了曲柄连杆机构各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用Pro/E软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后利用Pro/E软件的机构分析模块(Pro/Mechanism)，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟，研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基木一致，文章介绍的仿真方法为活塞组的结构，优化设计提供了一种新思路。 关键词: 活塞 气缸盖 燃烧室 曲轴 惯性力 附加载荷 ABSTRACT The piston of car motor is one of the main accessorieses in the motor ,it and the piston wreath ,piston sell etc .the spare parts constitute a piston set and cover with air cylinder etc. Constitute combustion room together , bear gas function the dint also sell through a piston and connect the pole motive song stalk to complete inside the work process of ran motor.the oil annoys the combustion produce of hot from the coping of piston absorb , and spread to air cylinder wall , and combustion empress thestrengh produced by air inflation have to also absorb through the piston , the piston will chase combustion air pressure and inertial dint through connect the spread to song stalk up , make use of connect the function of pole exercise the line back and forth of piston to convert revolving of song stalk sport. The effect of piston bears air pressure , and sell to pass to connect a pole to order about song stalk to revolve through a piston , constituting of the piston a coping still a combustion room part .piston under the condition that heat ,high pressure , high speed , lubricate bad work . The piston is exercised with very high speed back and forth in the air cylinder , and speed at constantly variety , this produced very greatly inertial inertial dint and made the piston been subjected to very big of the affixture carry a lotus . The piston is under this bad condition work , will produce to transform and accelerate to wear away , also produce affixture to carry lotus and heat in response to the dint , be subjected to chemistry of the gas corrosion function in the meantime . Modern of the piston design to mainly have the foundry forging 2 kinds , but cast again than forging simple cheapness , but cannot compare with forging piston can bear bigger heat and pressure . Piston and piston wreaths have to work under the appearance of the heat , high pressure and high speed and the critical lubrication , therefore for long time , the motor designs all continuously make great effort for providing a design , then can raise the function of from the piston .第一章 活塞的运行原理和工作条件2.1 活塞的运行原理 汽车发动机的活塞是发动机的重要配件之一，它与活塞环，活塞销等零件组成活塞组，与汽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，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成曲轴的旋转运动。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。2.2 活塞的机械负荷 在发动机的工作中，活塞承受的机械载荷包括周期变化的气体压力、往复惯性力以及由此产生的侧向作用力。在机械在和的作用下，活塞各部位承受各种不同的压力：活塞顶部动态弯曲应力；活塞销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪应力。此外，在环槽部及裙部还有较大的磨损。 为适应机械负荷，设计活塞时要求各处有适合的壁厚和合理的形状，即在保证足够的强度、刚度的前提下，结构要尽量简单、轻巧，截面变化处的过度要圆滑，以减少应力集中。2.3 活塞的热负荷活塞在气缸内工作时，活塞顶面承受瞬间高温燃气的作用，燃气的最高温度可达20002500。因而活塞顶的温度也很高。活塞不仅温度高，而且温度分布不均匀，各点间有很大的温度梯度，这就成为热应力的根源，正式这些热应力对活塞顶部表面发生的开裂起了重要作用。2.4 磨损强烈发动机在工作中所产生的侧向作用力是较大的，同时，活塞在汽缸中的告诉往复运动，活塞组与汽缸表面之间会产生强烈磨损，由于此处润滑条件较差，磨损情况比较严重。第二章 汽油机结构参数的选取1.1 汽缸直径的确定根据设计任务书所提供的设计条件:所一要设计的宇气油发动机的排量为2.0L.平均有效压力： p=0.81.2Mpa活寨平均速度：Cm18m/s根据内燃机学的基本公式：Pe=Pe* Vs * i* n/30tVm=S * n/30Vs=*D2*S/4 其中Pe为发动机的有效功率，Pem为汽缸的工作容积，依题为0.5Li为发动机的汽缸数目，依题为4n为发动机的转速vm为活塞的平均速度，依题为18m/sS为发动机活塞的行程D为发动机的行程数，依题为4根据以上的条件带入公式（1），（2），（3）得：70=0.8*D2*S*4*（30*Cm/S)/30*4计算化简后取D=84mm S=90mm带回原式可以确定n=5500r/m所以基本参数得以确定。 缸径行程比S/D 汽油机S/D的取值范围为0.81.2 S/D=90/84=1.071.2 转速n的确定根据内燃机设计(杨连生)P2，汽油机转速在2500-6000n/min之间取n=5000r/m活塞速度Vm=s*n/30=15m/s符合活塞速度小于18m/s的要求1.3 汽缸工作容积与升功率 气缸工作容积Vs=D2S/4=0.498L由于平均有效压力Pme范围在0.8Mpa1.2Mpa,取Pme=0.9Mpa。得Pe =Pme*Vs*n*i/30=75Kw气缸工作容积Vs=D2S/4=0.498L升功率 PL=Pme*n/30=37.5KW/L曲柄半径于连杆长度之比=r/1的范围在1/31/4之间，选取=0.3。又因曲柄半径r=45mm所以杆长度为L=r/=45/0.3=150mm1.4 缸心距的确定 由于汽油和干缸套的缸心矩Lo/D为1.12 -1.24所以初选Lo/D二1 .2，得Lo=84mm。1.5 压缩比与燃烧室容积Vc，总容积Va 压缩比范围为7一12，根据内燃机学（周保龙)P3O8，受爆燃限制，汽油机压缩比不超过10,取=9 则燃烧室容积Vc=Vs/(一1）62.3 mL汽缸总容积Va=Vc+Vs=(62.3+498.5)=560.8mL.第三章 活塞组的设计活塞组包括活塞，活塞销和活塞环等在汽缸里往复运动的零件，他们是发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作情况有关。3.1 活塞组的设计要求（1）要选用强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性的材料；（2）有合理的形状和壁厚。使散热良好，强度、刚度符合条件，尽量减轻重量，避免应力集中；（3）保证燃烧室气密性好，窜气。窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；（4）在不通工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；（5）减少活塞从燃气吸收的热量，而缸吸收的热量则能顺利地散走；（6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。3.2 活塞的材料根据上述对活塞设计的要求，活塞材料应满足如下要求：（1） 热强度高。即在300400C高温下任然有足够的机械性能，使零件不致损坏；（2） 导热性好，吸热性差。以降低顶部及环区得温度，并减少热应力；（3） 膨胀系数小。是活塞与气缸间能保持较小的间隙；（4） 比重小。以降低活塞组的往复惯性力，从而降低了曲轴连杆的机械负荷和平衡配重；（5） 有良好的减磨性能（即与缸套材料间的摩擦系数较小），耐磨、耐蚀；（6） 工艺性好，低廉。 在发动机中，灰铸铁由于耐磨性、耐蚀性好、膨胀系数小、热强度搞、成本低、工艺性好等原因，曾广泛的被作为活塞材料。但近几十年来，由于发动机转速日益提高，工作过程不断强化，灰铸铁活塞因此比重大和导热性差两个根本缺点而被逐渐被铝基轻合金活塞所淘汰。 铝合金的优缺点于灰铸铁正相反，铝合金比重小，约占有灰铸铁的1/3，结构重量仅占铸铁活塞的5070%。因此其惯性小，这对高速发动机具有重大意义。铝合金另一突出优点是导热性好，其热导系数约为铸铁的34倍，使活塞温度显著下降。对汽油机来说，采用铝活塞还为提高压缩比、改善发动机性能创造了重要的条件。 共晶铝硅合金是目前国内外应用最广泛的活塞材料，即可铸造，也可锻造。还硅9%左右的亚共晶铝硅合金，热膨胀系数稍大一些，但由于铸造性能好，适应大量生产工艺的要求，应用也很广。 综合分析，该发动机的活塞采用铝硅合金材料铸造而成。3.3 活塞各部分尺寸1 活塞高度HH=1D选择H=84mm2 活塞头部的设计设计要点 活塞头部包括活塞顶和环带部分，其主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。因此，活塞头部的设计要点是： （1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞的正常工作； （2）保证温度不过高，温差小，防止长生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂； （3）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度H1缩短1个单位，整个发动机高度就可以缩短1.52个单位，并显著减轻活塞重量。而H1则直接受头部尺寸的影响。压缩高度的确定活塞压缩高低的选取将直接影响发动机的总高度，以及汽缸套、集体的尺寸和质量。尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原则，压缩高度H1是有火力按高度h1、环带高度h2、和上群尺寸h3构成的，即 H1=h1+h2+h3为了降低压缩高度，应保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销控的直径。（1） 第一环位置 根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度h1。为缩小H1，当然希望h1尽可能小，但h1过小会使第一环温度过高，导致活塞环弹性松弛、粘接等故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般汽油机h1=（0.060.12）D，D为活塞直径，该发动机的活塞标准直径D=80.985mm，确定火力高度为： h1=0.09D=0.09x84=7.56 取h1=8mm （2）环带高度 为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度b应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但b太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高b=1.52.5mm，油高b=25mm。 该发动机采用三道活塞环，第一和第二称之为压缩环（气环），第三道环称之为油环。取b1=2mm,b2=2mm,b3=4mm。 环岸高度c，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸负荷小的多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此环岸高度一般第一环最大，其他较小。实际发动机的统计表明，c1=（0.040.05）D，c2=（12）b，汽油机接近下限。则 c1=0.045D=4mm, C2=1.5b1=4mm.因此，环带高度h2=b1+c1+b2+c2+b3=16mm。 （3）上裙尺寸 确定好活塞头部环的布置以后，压缩高度H1最后决定于活塞销轴线到最低环槽（油环槽）的距离h1。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡主而失效。所以在一般设计中，选取活塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不至因开槽而削弱，同事也不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。 综上所述，可以决定活塞的压缩高度H1。对于汽油机H1=（0.350.6）D，所以 H1=0.6xD=0.6x84=50mm. 则 h3=H1-h1-h2=26mm.3 活塞顶和环断面 （1）活塞顶 活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受热面积最小、加工最简单的活塞顶形状，即平顶。大多数汽油机正是采用平顶活塞，由于EA1135V1.6L发动机为高压缩比=9.3，因而采用近似于平顶的活塞。实际统计数据表明，活塞顶部最小厚度，汽油机为=（0.060.1）D，即=（0.08x84）=6.72mm。取=8mm。活塞顶接受的热量，主要通过活塞环传出。专门的实验表明，对无强制冷却的活塞来说，经活塞环传到气缸壁的热量占7080%，经活塞本身传到气缸壁的占1020%，而传给曲轴箱空气和机油的仅占10%左右。所以活塞顶厚度应从中央到四周逐渐加大，而且过度圆角r应足够大，使活塞顶吸收的热量能顺利的被导致第二、三环，以减轻第一环的热负荷，并降低了最高温度。 活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取（0.050.1）D，取0.1D，厚度则为8mm，活塞顶于侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取r=（0.050.1）D，取8mm。为了减少积碳和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角，所以尖角均自习修圆，以免在高温下熔化。 （2）环带断面 为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚使导热性良好，不让热量过多的集中在最高一环，起平均值为=(1.52.0)t、。正确设计环槽断面和选择环于环槽的配合间隙，对于环和环槽工作的可靠性于耐久性十分重要。槽底圆角一般为0.20.5mm。活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否则当岸部于刚壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡主，成为严重的漏气和过热的原因，但倒角过大又可能使活塞环漏气增加。一般该倒角为（0.20.5）x45。 （3）环岸和环槽 环岸和环槽的设计以偶那个保持活塞、活塞环正常工作，降低机油消耗量，防止活塞粘着卡死和异常磨损，起环槽下平面应与活塞轴线垂直，以保证环工作时下边于缸桶接触，减小向上窜机油的可能性。活塞环侧隙在不产生上述损伤的情况下越小越好，目前，第一环于环槽侧隙一般0.050.1mm，二、三环适当小些，为0.030.07mm，油环则更小些，这有利于活塞环工作稳定和降低机油消耗量，侧隙去诶电脑该油环槽中必须设有回油孔，并均匀的布置再主次推力面侧，回油孔对降低机油消耗量有重要意义，三道活塞环的开口间隙及侧隙如表3.1所示：表3.1 活塞环的开口间隙及侧隙活塞环开口间隙/mm侧隙/mm第一道环0.200.400.050.09第二道环0.200.400.030.06第三道环0.250.450.030.06 活塞环的背隙比较大，以免环于草底圆角干涉。一般气环=0.5毫米，油环的则更大些，如图3.1所示。 （4）环岸的强度校核 在膨胀冲程开始时，在爆发力作用下，第一道活塞环紧压在第一环岸上。由于节流作用，第一环岸上面的压力p1比下面几力p2大得多，不平衡力会在岸根产生很大的弯曲和剪切应力，当应力值超过铝合金在其工作温度下的强度极限或疲劳极限时，岸根有一可能断裂，专门的试验表明，当活塞顶上作用着最高爆发压力pmax时, p10.9pmax 。 p20.2pmax ，如图3.2所示。 已知pmax=4.5Mpa，则 p10.9x4.5=4.05Mpa , p20.2x4.5=0.9Mpa , 图3.1 环与环槽的配合间隙及环槽结构图3.2 第一环岸的受力情况环岸是一个厚c1, 内外圆直径为D、D的圆环形板，沿内圆柱面固定，要精确计算同定而的应力比较复杂，可以将其简化为一个简单的悬竹梁进行大致的计算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底(岸根)直径D=0.9D=0.8*84=67.2mm, 在槽深t为： t=0.1D=0.1*84=8.5mm于是作用在岸根的弯矩为（p1-p2）*(D2-D2)t/4*2=0.002pmaxD3而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于C12*0.9D/6=0.47c13D所以环岸根部危险断面上的弯曲应力 =0.0026pmaxD3/0.47c12D=0.055pmax(D/c1)2=0.055x4.5x(84/3.64)2=1.23N/cm2。同理得剪切应力为： =0.37pmaxD/c1=0.37x4.5x(84/3.64)=37.04N/cm2结合成应力公式为：=38.64N/mm2考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力=3040N/mm2，,校核合格。4 活塞裙部的设计活塞裙部是指活塞头部最低一个环槽以下的那部分活塞。活塞沿气缸往复运动时，依靠裙部起导向作用，并承受山于连杆摆动所产生的侧压力N。所以裙部的设计要求，是保证活塞得到良好的导向，具有足够的实际承压面积，能形成足够厚的润滑油膜，既不因问隙过大发生敲缸，引起噪音和加速损伤，也不因问隙过小而导致活塞拉伤。 分析活塞在发动机中工作时裙部的变形情况。首先，活塞受到侧压力的作用。承受侧向力作用的裙部表面，一般只是在两个销孔之间的弧形表面。这样，裙部就有被扭偏的倾向，使它在活塞销座力一向上的尺寸增大:其次，由于加在活塞顶上的爆发压力和惯性力的联合作用，使活塞顶在活塞销座的跨度内发生弯曲变形，使整个活塞在销座方向上的尺寸变大;再次，由于温度升高引起热膨胀，其中销座部分因壁厚较其它部分要厚，所以热膨胀比较严重。三种情况共同作用的结果都使活塞在工作时沿销座方向涨大，使裙部截面的形状变成为“椭圆”形，使得在椭圆形长轴方向上的两个端而与气缸间的间隙消失，以致造成拉毛现像。在这些因素中，机械变形影响一般来说并不严重，主要还是受热膨胀产生变形的影响比较大。 因此，为了避免拉毛现象，在活塞裙部一与气缸之间必须预先流出较大的间隙。当然间隙也不能留得过大，否则又会产生敲缸现象。解决这个问题的比较合理的方法应该使尽量减少从活塞头部流向裙部的热量，使裙部的膨胀减低至最小;活塞裙部形状应与活塞的温度分布、裙部壁厚的大小等和适应。 本文采用托板式裙部，这样不仅可以减小活塞质量，而且裙部具有较大的弹性，可使裙部.与气缸套装配间隙减小很多，也不会卡死。 把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线力一向上，短轴平行于销轴力一向的椭圆形。常用的椭圆形状是按下列公式设计的:=(D-d)(1-cos2)/4式中D、d分别为椭圆的长短轴，如图3.3所示。 缸径小于100mm的裙部开槽的活塞，椭圆度()的大小，一般为=0.10.25。图3.3 活塞销裙部的椭圆形状（1） 裙部的尺寸活塞裙部是侧压力N的主要承担者。为保证活塞裙表面能保持住必要厚度的润滑油膜，其表而比托q不应超过一定的数值。因此，在决定活塞裙部长度是应保持足够的承压面积，以减少比压和磨损。 在确定裙部长度时，首先根据裙部比压最人的允许值，决定需要的最小长度，然后按照结构上的要求加以适当修改。 裙部单位面积扭力(裙部比压)按下式计算:q=Nmax/DH2式中：Nmax最大侧作用力，由动计算求得，Nmax=2410.83N D活塞直径，mm； H2裙部高度，mm。取H2=0.46D=0.46X84=37.253mm则 q=2410.83/(80.985x37.253)=0.799Mpa 一般发动机活塞裙部比亚值约为0.51.5Mpa，所以设计合适。（2） 销孔的位置活塞销与活塞裙轴线不相交，而是向承受膨胀侧压力的一面(称为主推力面，相对的一面称为次推力面)偏移了12mm，这是因为，如果活塞销巾心布置，即销轴线与活塞轴线相交，则在活塞越过上止点，侧压力作用力一向改变时，活塞从次推力面贴紧气缸壁的一面突然整个地横扫过米变到主推力面贴紧气缸壁的另一面，与气缸发生“拍击”，产生噪音，有损活塞耐久性。如果把活寨销偏心布置，则能使瞬时的过渡变成分布的过渡，并使过渡时刻先于达到最高燃烧托力的时刻，因此改善了发动机的工作平顺性。（3） 活塞销座1）活塞销座结构设计活塞销座用以支承活塞，并由此传递功率。销座应当有足够的强度和适当的刚度，使销座能够适应活塞销的变形，避免销座产生应力集中而导致疲劳断裂;同时要有足够的承压表面和较高的耐磨性。 活塞销座的内径d。=22mm，活塞销座外径d一般等了于内径的1.41.6倍，取d=1 .5d0=33mm 活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销一销座系统的工作越可靠，所以，一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为4一5mm，但少当制造精度有保证时，两边共2一3mm就足够了，取间隙为3mm。2）验算比压力 销座比压力为： q=P/2d0(l-lp)=23.3Mpaq一般q4060Mpa。3.4 活塞总尺寸活塞总尺寸见下表：名称数值单位压缩高度取H142mm环带高度h216mm火力岸高度h18mm总高度84mm壁厚8mm内圆直径68mm外圆直径84mm第一道环的环岸高度4mm第二道环的环岸高度4mm第一道环槽高度2mm第二道环槽高度2mm第三道环槽高度4mm环槽深度8mm活塞顶壁厚度8mm活塞侧壁厚度8mm内部过渡圆角8mm上裙尺寸h326mm活塞孔内径22mm第四章 活塞加工 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止口为粗基准，裙部，底面和内置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。由于以内腔原棉作为粗基准来直接加工内口不方便，故第一工序先安排以内腔圆面为粗基准来粗车外圆面，第二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定位精度，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，要求内置口孔径要达到2级，活塞加工的工艺过程见下表活塞加工的工艺过程工序号工序名称机床10粗车上口车床20粗镗销孔镗床30粗切外圆，环槽及顶面多刀车床40钻油孔多轴专用钻床50去内腔毛刺沙轮机60精车止口，打中心孔专用机床70精车外圆并倒角多刀车床80精镗销孔金刚镗床90切卡环槽专用车床100车椭圆裙部活塞椭圆车床110精车顶面车床120挑渣吹净130表面镀锡140滚压销孔立式钻床150清洗160终检 第五章 活塞铸造方式的选取及优缺点5.1 铸造方式的比较 关于活塞的制造方法前而也略提及，活塞的铸造方式主要为铸造。铸造的种类很多，如何选取最合适的铸造方式是关键，以下对凡种铸造方式进行比较分析。1.砂型它适用于铸造各种合金，但只适用于进行小批量的生产，而且表而粗糙度值过大。2.熔模铸造适用于碳钢、合金、有色金属，但是适用于小于25Kg的复杂铸件。3.低压铸造适用于有色金属、中小铸件，有时达数吨，适用于大批生产，对高要求的铝、镁合金都可以铸造。4.压力铸造适用于有色金属、中小铸件，但难以铸造内凹复杂的铸件，也适用于大批量的生产。5. 离心铸造适用于铸钢、铸铁、铜合金、中小件，最大达数吨，适用于中、大批量的生产。6，挤压铸造适用于有色金属、铸钢、铸铁、3OKg以下的小件，大批量的生产，主要用于生产轻合金的薄板形铸件。现在有的活塞也用此种方法铸造。7.金属型铸造适用于各种铸造合金、中小件，有时达数吨，大批量生产，适用于高要求的铝、镁合金。 综合上述，可知铸造铝合金只有低压铸造、金属型铸造和挤压铸造适用，但是低压铸造成本过高，而且本设计活塞的要求不是很高，而低压铸造比金属型铸造的过程复杂。另一方而挤压铸造(又称液态模锻)主要应用于直径在200mm以上的大活塞，在个大、壁厚、用铝多、凝固慢和相对批量较少的情况下，对于本设计的活塞不太适合。所以本设计采用金属型铸造。 金属型铸造工艺有许多优点，但它是在高温下工作的，如果单纯用手工操作，体力劳动繁重，条件恶劣，不但生产率低，而且其优点也不能充分发挥。如果采用机械化或自动化生产，这一工艺的优点就得以体现了。 金属型铸造机由开合型机构、抽芯机构、顶出铸件机构、传动机构等部分组成。按照所需要的动力，金属型铸造机大致可分为手动金属型铸造机、气动金属型铸造机、液压传动金属型铸造机三类。5.2 铝合金的铸造方式的选取及优缺点由以上分析可知，铝合金活塞的主要铸造方式是采用金属型铸造。金属型铸造是将液体金属用浇注法浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。由于铸型是用金属铸成，可以反复使用多次(凡百次到几千次)，故又有永久型铸造之称.金属型铸造在技术上与经济上有许多优点和不足之处，优点是:1）金属型铸件的力学性能比砂型高。如侣合金铸件，其抗拉强度平均可提高约25%，屈服强度平均提高约20%，这是由于铸件在凝固时冷却速度高的结果。由于同样原因，铸件表层结晶组织细密，形成“铸造硬壳”，铸件的抗蚀性能和硬度亦显著提高。2)铸件的精度和表面粗糙度比砂型好，而且质量和尺寸稳定。如金属型产生的铸件，其精度平均为7级，而砂型铸件平均只能达到8级。(3)铸件的工艺收缩率高，液体金属消耗量减少，一般为15%30%(4)不用型砂或少用型砂，一般可节约造型材料80%100%相应减少型砂处埋和运愉设备，降低了车间粉尘含量，减轻环境污染，改善了劳动条件。此外，金属型铸造的生产效率高，使铸件产生缺陷的原因减少，工序简单，易实现机械化和自动化。 其不足之处是:(1)金属型制造成本高。(2)金属型不透气，铸件在其中冷速大，而且无退让性，易造成铸件浇不足、开裂或铸铁件白口等缺陷，因此对用金属型生产的铸件要有选择。(3)金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度、铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等铸造工艺对铸件的质量影响甚为敏感，故要求严格控制。金属型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方而还有一定的限制，如对黑色金属只能是形状简单的铸件;铸件的重量不可太大;壁厚也有限制，较小的铸件壁厚无法铸出。在决定采用金属型铸造时，必须综合考虑下列各因素:铸件形状和重量大小必须合适，要有足够的批量;金属型的制造周期比木模的制作周期长，因此，对试件产品必须要有充裕的时间。第六章 金属型的设计6.1 冒口的设计金属型铸造同砂型铸造一样，设置冒口的主要目的就是补缩。避免铸件出现缩孔与缩松等缺陷。金属型铸造冒口位置的确定，仍可以使用砂型铸造时常用的结晶等温法及内切圆法，找出铸件上可能产生缩孔的热节部位，在热节处设置冒口。1.1 冒口的作用 1)补充铸件凝固中的体积收缩.防止或减轻铸件的缩孔、疏松等缺陷; 2)调整铸件在凝固过程中温度的分布，控制铸件朝顺序凝固或同时凝固方式进行; 3)收集金属液上浮的熔渣，熔化金属液，排除型腔内的气体，减弱气垫反压，减少铸件的气孔、浇不到等缺陷; 4)使浇注操作者可利用明冒口观察探测所浇入金属液的充型情况。1.2 设计冒口的原则 1)要保证冒口比铸件被补缩部件(通常为肥大的热节部位)凝固得晚.其设置位置要比被补缩部位高，冒口下无易凝固结壳妨碍或截断液流流动的瓶颈，以确保冒口内的合金液能在重力作用下流人铸件的已收缩部位; 2)冒口应有足够大的体积，可容纳足够量的金属液补充给铸件的收缩部位的体积收缩; 3)对某些合金和结构形状奇异、难解决缩孔、疏松缺陷的铸件，还需把冒口与冷铁和浇注系统配合起来使用，以增大铸件的温度梯度，住顺序凝固的方式进行:1.3 冒口的补缩原理 冒口的补缩作用不是孤立的，它与冒口本身的形状和尺寸、铸件的结构和形状、浇入的合金特性、使用冷铁的形状和安放位置等因素均有密切的关系，铸造工作者必须了解冒口的补缩原理及这些相关因素的影响，才能正确地设计和设置冒口，发挥其应有的作用。 保持冒口里金属液在冒口与铸件待补缩部位之间有畅通的补缩通道(流路)，是实现冒口作用的必要条件。这种补缩通道又因铸件的结构形状不同而异。板状铸件的补缩通道较宽阔，冒口的有效补缩距离也大;棒状铸件的补缩通道比较狭窄，冒口的有效补缩距离也小些。要保持金属液(特别是结晶温度间隔较宽的合金)有畅通的补缩通道，必须保证在铸件的凝固方向上有较大的温度梯度。配合使用的冷铁，就在于增大此处铸件与冒口方向的温度梯度，使铸件朝着有利于顺序凝固的方向冷却凝固，因此也扩大了冒口的有效补缩距离;同时，须保证要补缩的部位在冒口的有效补缩范围(补缩距离)之内;铸型型腔中的气垫反压大，会使冒口的补缩液的流动阻力增大，缩短冒口的有效补缩距离，降低其补缩效果。1.4 冒口的形式与种类金属型冒口可以根据具体的情况设计成不同的形式与结构，按是否与大气直接相通，可以分为明冒口与暗冒口，按位置的高低可分为顶冒口与侧冒口，具体形式的特点见表： 冒口的种类与应用种类形式应用明冒口明顶冒口 1.顶冒口应用最广，形状一般为圆形，因为在同等断面时圆形周长最短，所以保温良好。同时也与铸件需要补缩形状相仿，也便于补缩 2.为了使冒口的上端最后凝固，冒口的尺寸多设计成下小上大，由上到下成5到8度得斜度。在水平分型时，为了便于开型取件，才设计成下小上大，用涂料控制冷却 3.冒口根部尺寸略小于铸件尺寸，于铸件圆角相连，并留有明显的切割线明侧冒口 1.铸件厚大部位处于铸型中，下部，铸件顶部不便于设置顶冒口的情况下才设置侧冒口。侧冒口金属液的消耗量比顶冒口大 2.根部形状一般与铸件形状相仿，但尽可能为圆形或椭圆形 3.博壁，板行镁合金件垂直浇注时，为了消除铸件中缩松的缺陷也常设置侧冒口暗冒口暗顶冒口 铸件热节部位不便于设置明冒口，而在该处又必须补缩的情况下，才设置暗冒口暗侧冒口1.5 冒口尺寸的确定冒口的尺寸大小可按热节圆的直径来确定，一般情况下参考下列公式即：明冒口： D=(1.21.5)d D=10mm暗冒口： D=(1.22)d D=10mmD为冒口根部直径；d为铸件热节圆直径。 热节圆直径大、补缩条件好的情况下，冒口尺寸取下限;热节圆直径小或补缩条件差的情况下，冒口尺寸取上限。当铸件热节所处的高度不大，而水平尺寸较大，要求冒口有横向补缩作用时，计算公式为D=（24)d。冒口高度计算参考公式如下。顶冒口:H =(0.81.5）D H=30mm侧冒口:H=(23)D H=50mm暗冒口:H =（1.2一2)D H=30mm式中，H为冒口高度，D为冒口根部直径。 冒口高度太低，补缩效果不好;太高则金属消耗多，并可能引起内浇道过热。直径较大的冒口，在补缩条件好的情况下，高度取下限。冒口的直径不宜过小也不宜过大，太大的冒口会使铸件靠冒口处产生缩松，当冒口的位置与铸件分不清时，应设计冒口切割线。 在活塞冒口的设计中结合以上经验，再根据活塞自身的特点，将冒口设置成为暗冒口，并根据公式进行了尺寸计算。6.2 浇注系统的设计 金属型的浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等部分组成。小型铸件的金属型一般不设浇口杯，有时为了浇注方便，直浇道上部加大。直浇道断而最好是圆的，这样可以避免热量的散失和气体的卷入，垂直直浇道由于几金属液对底部的冲击比较大，所以高度一般不超过150mm;斜浇道的高度一般不超过250mm。横浇道起缓冲、稳流和挡渣的作用，并将金属液分配给内浇道，但是金属型往往受分型而的限制，除水平分型外，有的浇注系统不设横浇道，内浇道的大小、形状与位置直接影响铸件的质量，设计内浇道时应考虑铸型热量的分布、合金液在型腔中流动平稳、操作方便等因素。从热分析的角度考虑，内浇道的宽度与厚度比应大于3，比例越大热分析越均匀。从工艺简单的角度来考虑，内浇道尽量开在分型而上。在设计活塞的浇注系统时就充分的考虑到这些要求，以使工艺简单化，尽量符合现代生产的要求。 根据金属型铸造的某些特点，在设计浇注系统时须注意下而凡点:首先，金属型浇注速度大，超过砂型约20%;其次，在液体金属充型时，型腔里的气体要能顺利排除，其流向应尽可能与液流方向一致，顺利地将气体挤向冒口或出气冒口;此外，应注意使液体金属在充型时流动平稳，不产生涡流，不冲击型壁或型芯，更不可产生飞溅。 金属型的浇注系统一般分为顶注式、底注式和侧注式三种。 1）顶注式铸件温度分布较合理，有利于顺序凝固，可减少金属液的消耗，但金属液流动不平稳，易进渣，铸件高时易冲击型腔底部和型芯。若用于浇注铝合金件，一般只适用于铸件高度小于100mm的简单件。2.）底注式金属液流动较平稳，有利于排气，但温度分布不合理，不利于铸件顺序凝固。3） 侧注式兼有上述两种的优点，金属液流动平稳，便于集渣、排气等，但金属液消耗大，浇口清理上作量大。金属型浇注系统的结构与砂型铸造基本相似，但由于金属型壁不透气，异热能力强，因此要求浇注系统结构能有利于降低金属液流速，流动平稳，减少其对型壁的冲刷，除应保证型腔内气体有充裕的时间排除外，还应保证在充型过程中不得产生喷溅。如浇注铝合金时，直浇道可作成斜弯浇道或者蛇行浇道。浇道的尺寸既要保证铸件质量，.又要求金属液消耗量和铸件清理一作量最小。要做到这些，一般可用计算或凭经验确定，然后再经过生产验证，就可得出较合理的尺寸。关于飞浇注系统最小截而积的计算，可以利用砂型铸造中的计算公式，由于金属型铸件比砂型铸件冷却快，根据经验，浇注时间一般比砂型减少20%、约%，使金属液在型腔内快速上升。由于浇注的合金不同，浇注系统的尺寸也有区别。在这里，我们采用铝合金活塞常采用的浇注方式:侧注式。因为第一次设计浇注系统，对其本身还有很多不了解的地方，所以就没有采用斜弯浇道或者蛇行浇道，而采用了直浇道，以使设计得到简化。6.3 金属型的设计分型面形式一般有垂直、水平和综合分型(垂直、水平混合分型或曲而分型)三种。在选择分型方案时，必须从多方而比较，从而找出最合理的方案。选择分型而的原则如下。(1)为简化金属型结构，提高铸件精度，对形状较简单的铸件最好都布置在半型内，或大部分布置在半型内。(2)分型而数目应尽量少，保证铸件外形美观，铸件出型和下芯方便。(3)选择的分型而应保证设置浇冒口方便，金属液充型时流动平稳，有利于型腔里的气体排出。(4)分型而不得选在加工基准面上。(5)尽量避免曲而分型，减少拆卸及活块数量，因曲而分型及采用活块不仅使金属型制造复杂，寿命缩短，而且降低生产率。3.1 金属型的主要结构形式及应用金属型的主要结构形式及应用，见下表：整体金属型 浇出来的铸件没有分型面，保证了铸件的尺寸精度，适于从铸型中方便取出简单铸件，所以受到一定的限制铰链式金属型 不用铸造机，操作方便，要求铸件外形不阻碍两个半型围绕轴心做弧形运动，适于圆形或类似于圆形铸件半开式金属型 金属型的一半固定在通用或专用的工作台上，另一半做开型动作，铸件往往留在固定的半型中，由于取出铸件较难，应用较少对开式金属型 无通用铸造机，仅安装在铸件平台上浇注，适合于中等复杂的小铸件，这种铸型，外郭尺寸一般不大于220mmX150mmX80mm，型壁做出减轻孔 用于在齿条传动式铸造机上铸造小型，简单，多品种成批生产的铸件，铸型结构简单，常采用铸造毛呸 用于电动，气动 ，液压铸造机上铸造大型，复杂铸件，铸型结构复杂程度取决于铸件的复杂程度，采用铸造毛培 铸件形状简单，便于加工，安装在通用的金属型铸造机上，适用于多品种成批生产的中，小复杂