活塞杆与活塞零件机械加工工艺规程及工艺装备设计

本科 生毕业设计（）题 目 活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计学生姓名学 号专业班级指导老师2012 年 05 月 01 日摘 要本设计通过对内燃机活塞杆与活塞环加工技术的发展、活塞杆与活塞环的工作环境以及结构特点的分析，确定了活塞杆与活塞环的加工过程及加工方案，其中主要包括：生产纲领和生产类型的确定、材料的选择、毛坯的制造方法、机械加工余量的确定、加工工序切削用量的确定、工序时间的计算以及工序卡片的编制。最后，进一步选择并设计了两套典型的机床夹具，活塞杆夹具设计和铣开口夹具设计，其中注意包括：定位方案与夹紧方案的设计，两套夹具的工作原理以及在夹具设计过程中应该注意的问题。经过设计分析和论证，活塞杆与活塞环的工艺设计与夹具设计是可行的。关键词:活塞杆与活塞环、工序、机床夹具、机械加工、定位夹紧IIn the paper of this graduationAbstractdesign,through the comprehensive explication of thedeveloping of piston rod and piston rings of the internal-combustion engine whose the machiningtechnologies,the surrounding of working and the analysis of structural of the piston.It isconformed the technology process and arrange for process of piston.It mainly includes:produceoutline and produce type to be conformed,choose material,the manufacturing method of thesemi-finished product of material,the amount of remaining of machine process to beconformed ,the cutting dosage of each process to be conformed,calculated the working proceduretime and draw up the working procedure.Lastly,chose and designed two sets of typical model oftool machine tongs,designed the tongs of drilling the oil bore and designed the tongs of themilling machine.It mainly includes among them:the position project and the pressuredesigned,the cet degree design,two sets of wrok principles of tongses and what we must benotice 2in the process of the piston design.Through the analysis and argument,the arts andcrafts design and the tongs design of the piston is viable.Keywords：Piston rod and piston rings;porking procedure; machine tongs;manufactureprocess technology;locating and clampingII目 录绪论.1第 1 章 活塞杆工艺分析及生产类型的确定. 21.1 零件的功用、结构及特点. 21.2 零件的技术要求. 21.3 零件的工艺性. 21.4 确定零件的生产类型. 3第 2 章 活塞杆毛坯的选择. 42.1 确定毛坯的类型. 42.2 确定毛坯的制造方法和尺寸及其公差. 42.3 确定毛坯技术要求. 42.4 绘制零件-毛坯合图. 4第 3 章 基准的选择. 6第 4 章 拟定机械加工工艺路线. 74.1 确定各表面的加工方法. 74.2 拟定工艺路线. 74.3 工艺路线方案的分析与比较. 10第 5 章 确定机械加工余量、工序尺寸及公差. 11第 6 章 选择机床及工艺设备. 126.1 选择机床. 126.2 选择刀具. 126.3 选择夹具. 126.4 选择量具. 13第 7 章 确定切削用量及基本工时. 147.1 工序 1 数据计算. 147.27.37.47.57.67.77.87.9工序 4 数据计算. 16工序 8 数据计算. 17工序 9 数据计算. 18工序 10 数据计算. 20工序 10 数据计算.22工序 11 数据计算. 23工序 12 数据计算. 24工序 14 数据计算.257.107.11工序 14 数据计算.26工序 18 数据计算. 27.第 8 章 活塞环概述.298.1 活塞环的作用 298.2 活塞环的工作条件. 308.3 活塞环各部份名称及代号. 31第 9 章 活塞环的结构尺寸. 329.1 径向厚度 a1.329.2 环高 h1. 329.3.自由开口尺寸 m. 339.4 活塞环的计算. 34第 10 章 活塞环的制造工艺. 3810.1 活塞环的生产特点. 3810.2 活塞环的加工方法. 3810.3 活塞环的加工工艺规程. 3910.4 确定毛坯的制造方法与加工余量. 4010.510.610.710.8定位基准的选择. 41活塞环一般工艺流程. 42端面加工. 45活塞环的热处理. 47.10.9 活塞环的平面加工10.10 铣切开口加工.485010.11 内圆加工的工艺要求. 5110.12 精车外圆. 5310.13 精修开口. 5310.14 活塞环的表面处理. 54第 11 章 夹具设计.5511.1 问题的提出.5511.2 夹具设计.55总结.59参考文献.60致谢.61活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）绪论机械加工工艺规程及工艺装备设计是机械制造知识的运用。而机械制造是机械类专业学生必修的实践性很强的技术基础实践课。学生在设计过程中通过独立的思考，将有关机械制造的基础工艺知识、基本工艺方法和基本工艺实践等有机的结合起来，进行工程实践综合能力的训练级进行思想品德和素质的培养与锻炼。本次设计是对大学四年知识的一个巩固和加强，是理论联系实际的重要环节，也是恰当地利用所学基础知识，专业基础知识和设计基础等资料对零件制造工艺设计，对我们而言，是一个比较重要的环节，可为今后的学习及从事的工作打下良好的基础。1（）活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）第 1 章 活塞杆工艺分析及生产类型的确定1.1 零件的功用、结构及特点活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、汽缸等运动部件中，是一个运动频繁、技术要求高运动部件。0.025擦其表面，所以该处精度高又耐磨。活塞杆采用 38CrMoAlA 表面渗氮深度 0.2 0.3mm ，硬度达到 62 65HRC 。这样使活塞杆内部有一定的韧性，外部又具有较好的耐磨性。1.2 零件的技术要求1 20 锥度接触面积不少于 80% 。 500.025 770mm 部分氮化层深度为 0.2 0.3mm ，硬度为 62 65HRC 。材料 38CrMoAlA。 500.025 mm 自身圆度公差为 0.005mm ，表面粗糙度 Ra 为 0.4um 。左端 M 392 6g 螺纹与活塞杆 500.025 mm 中心线的同轴度公差为 0.05mm 。1 20 圆锥面轴心线与活塞杆 500.025 mm 中心线的同轴度的公差为 0.02mm 。1 20 圆锥自身圆跳动 0.005mm ，表面粗糙度 Ra 为 0.8um 。1.3 零件的工艺性活塞杆结构比较简单，但长径比很大，属于细长轴类零件，刚性较差，为了保证加工精度，在车削时要粗、精车分开，而且粗、精车时一律使用跟刀架，以减少加工时工件的变形，在加工两端螺纹时要使用中心架。在磨削外圆表面时，工件易产生让刀，弹性变形，影响了活塞杆的精度。因此，在加工时应修研中心孔，并保证中心孔的清洁，中心孔与顶尖间松紧程度要适宜，并保证良2（）0活塞杆在正常使用中，承受交变载荷作用，50 mm 770mm 处有密封装置往复摩0000活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）好的润滑。砂轮一般选择：磨料为白刚玉WA ，粒度 60 #，硬度中软或中，陶瓷结合剂，另外砂轮宽度应选窄些，以减少径向磨削力，加工时注意磨削用量的选择，尤其是磨削深度要小。在选择定位基准时，为了保证零件同轴度公差及各部分的相互位置精度，所有的加工工艺均采用两中心孔定位，符合基准统一原则。0.025度时，要先磨削试件，检查试件合格后才能正式磨削工件。120 圆锥面的检查，是用标准的 1 20 环规涂色检查，其接触面积应不少于 80% 。为了保证活塞杆加工精度的稳定性，在加工的全过程中不允许人工校直。渗氮处理时，螺纹部分等应采取保护装置进行保护。0.025又耐磨。表面经渗氮后，硬度增强，符合既有一定的韧性，又有较好的耐磨性。1.4 确定零件的生产类型该工件为大批量生产。3（）0在磨削50 770mm 外圆和 1 20 锥度时，两道工序必须分开进行。在磨削 1 20 锥0活塞杆承受交变载荷作用， 处有装置往复摩擦其表面，所以该处精度高活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）2.1 确定毛坯的类型第 2 章 活塞杆毛坯的选择毛坯选择 38CrMoAlA 经渗氮处理的合金结构钢。因为合金结构钢经调质处理和表面渗氮后，有很高的心部强度、优良的耐磨性和耐疲劳性能，热处理变形很小。活塞杆连接活塞运动，承受交变载荷，应具有一定的抗拉和抗压强度、刚度，因此选用锻造的方法，以改善机械性能。2.2 确定毛坯的制造方法和尺寸及其公差该活塞杆应首先车削成形，对于精度要求较高，表面粗糙度值较小的外圆，在车削后还应磨削，车削和磨削时，以两端中心孔作为精基准定位符合基准统一原则，中心孔可在粗车之前加工。因此，该活塞杆的工艺过程主要有加工中心孔、粗车、精车和磨削四个阶段。要求不高的外圆在精车时加工到规定尺寸。退刀槽、倒角、螺纹在半精车时加工。六方形棱柱在精车后，进行铣削至图样尺寸。调质处理后要修研一次中心孔，以消除热处理变形与氧化皮。2.3 确定毛坯技术要求毛坯不允许有内部缺陷，承受一定的抗拉、抗压而不出现裂纹或折断。2.4 绘制零件-毛坯合图参考文献1中表 3-6 可知，台阶轴类锻件机械加工余量 a 10 4mm ，取 a 10mm ，4（）活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）绘制零件毛坯合图如下：5（）活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）第 3 章 基准的选择该活塞杆零件图中较多尺寸及形位公差是以两端中心孔及其端面为设计基准的，因此，必须首先加工出两端中心孔及其端面，为后续工件作为基准。根据基准统一原则，选两中心孔及其端面作为定位基准。1)粗基准的选择。粗基准的选择是否合理，直接影响到各个加工表面加工余量的分配，以及加工表面的相互位置关系。对零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准。而对有若干个不加工表面的工件，则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作粗基准。应尽量选择没有飞边、浇口、冒口或其他缺陷的平面作为粗基准，根据这些基准选择原则，活塞杆现以50 的外圆表面一端及活塞杆另一端中心孔作为粗基准。以卡盘及活动顶尖作为定位元件限制五个自由度，然后在进行车削。活塞环现以圆筒的外圆表面及活塞环另一端作为粗基准。以卡盘作为定位元件限制四个自由度，然后在加紧进行车削。2)精基准的选择选择精基准时，应考虑如何减少工件的定位误差，保证加工精度，并使夹具结构简单，工件装夹方便，应考虑的原则：基准重合原则，基准统一原则，自为基准原则，互为基准原则。其中主要考虑基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算，在这以后还要专门计算，此处不再重复。6（）活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）4.1第 4 章确定各表面的加工方法拟定机械加工工艺路线根据各加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求，选定如下加工方法：1 M 3926g 两 端 螺 纹 ： 与 活 塞 杆 500.025 770mm 中 心 线 的 同 轴 度 公 差 为0.005mm ，表面粗糙度为 Ra3.2um ，公差等级为 IT8 级，参考文献1中表 4-4 知采用粗车半精车。2 六方形棱柱：表面粗糙度 Ra3.2um ，公差等级 IT8 级，参考文献1中表 4-4 知采用粗车-半精车，再经铣削即可。用三爪自定心卡盘夹持工件，卡盘上安装万能分度头，用面铣刀每加工一表面后，万能分度头旋转 60 ，再加工另一表面。3 500.025 770mm 外圆：表面粗糙度 Ra 0.4um ，公差等级为 IT6 级，参考文献1中表 4-4 知采用粗车半精车磨削粗磨精磨。4 1 20 锥度外圆：表面粗糙度 Ra0.8um ，轴心线与活塞杆 500.025 770mm 中心线的同轴度公差为 0.02mm ，自身圆跳动为 0.005mm ，公差等级为 IT7 级，参考文献1中表 4-4 知采用粗车- 半精车精车粗磨半精磨。4.2 拟定工艺路线根据分析，加工方案有以下两种，分别如表 4-1 表 4-2 所示：表 4-1 加工方案一：7（）工序号工序名称 内容 定位基准 设备0000活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）0010203040506070锻造热处理车车车钳工车铣下料80760mm ，模锻成最大直径为60mm 的阶梯轴正火。夹 一 端 ， 切 端 面10mm，车另一端，打中心孔，粗车外圆至55mm ，车退刀槽 1.57 mm ,倒角C2夹另一端，切端面10mm，车端面，打中心孔，粗车外圆至55mm ，保证总长为 1090mm ，车退刀槽 1.5 7mm ，倒角 C2半精车台阶、锥度，余量为 2mm修研中心孔精车台阶、锥度，余量为 2mm铣正六边形棱柱外圆表面外圆表面外圆表面外圆表面顶尖顶尖锯床CA6140CA6140CA6140钳工台CA6140X 62W8（）活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）8090100110钳工车磨钳工修研中心孔车 两 端 螺 纹39 2 6g粗磨外圆、锥度修研中心孔至 顶尖顶尖钳工台CA6140MQ1350钳工台MQ1350120130140150磨热处理磨半精磨外圆、锥度渗 氮 热 处 理 至62 65HRC精磨外圆、锥度清洗、检验顶尖顶尖 MQ1350表 4-2 加工方案二9（）工序号 工序名称 内容 定位基准设备00 锻造 下料 80760mm ，模锻成最大直径为 60mm 的阶梯轴外圆 锯床10 热处理 退火。20 车 夹一端，切端面 10mm，车另一端，打中心孔，粗车外圆至 55mm ，车退刀槽 1.5 7mm ，倒角 C 2外圆中心孔CA614030 车 夹另一端，切端面 10mm，车端面，打中心孔，粗车外圆至 55mm ，外圆中心孔CA6140活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）保证总长为倒角 C 21090mm ，车退刀槽，CA614040 车 半精车台阶、锥度，余量为 2mm 中心孔506070钳工车车修研中心精车台阶、锥度，余量为 2mm车两端螺纹至 392 6g外圆中心孔中心孔钳工台CA6140CA61408090100110120130140150铣钳工磨钳工磨热处理磨铣正六边形棱柱修研中心孔粗磨外圆、锥度修研中心孔半精磨外圆、锥度渗氮热处理至 62 65HRC精磨外圆、锥度清洗、检验外圆外圆中心孔外圆中心孔中心孔X 62W钳工台MQ1350钳工台MQ1350MQ13504.3 工艺路线方案的分析与比较方案一与方案二的不同之处在于是先铣正六边形棱柱还是先车螺纹。因为先车螺纹，可以减少装夹次数以及装夹带来的误差，综合比较分析，考虑选择方案二更为合适。10（）活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）第 5 章 确定机械加工余量、工序尺寸及公差根据上述加工工艺，查各种表面加工余量表分别确定各加工表面的加工余量、工序尺寸及公差，如表 5-1 所示：表 5-1 加工余量及工序尺寸11（）工序号 工序内容 双边余量/mm 工序尺寸/mm 经济精度/ IT表面粗糙度 Ra/um4、5切端面车端面粗车外圆14651096109055IT12IT12IT1212.512.512.58 半精车台阶半精车锥度33 5300.150.3IT1000.1 6.36.39 精车台阶精车锥度11 5100.06228IT 900.062 3.23.211 车螺纹 39 3.212 铣正 六边形 棱柱47.3 IT 9 3.2活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）141618粗磨外圆粗磨锥度半精磨外圆半精磨锥度精磨外圆精磨锥度0.10.10.0450.100.03950.040.025500.025IT 8IT 7IT 700.03900.02500.0251.60.80.46.1 选择机床第 6 章 选择机床及工艺设备（1）工序 10、20、30、40、60：为了减少装卸时间，这几部工序的车端面、打中心孔、倒角、切槽、车螺纹、车外圆、车锥度都在同一车床上完成，该零件为批量生产，选用机床使用范围较广的为最佳，因此，选用 CA6140 型机床能满足加工要求。且在粗、精车时 ，一定要分开。车外圆时，要使用跟刀架，以减少加工时工件的变形；在车螺纹时，要使用中心架。（2）工序 80: 铣正六边形棱柱时，用三爪自定心卡盘夹持工件，卡盘上安装万能分度头，用面铣刀每加工一表面后，万能分度头旋转 60 ，再加工另一表面，在卧式铣床上加工，选用 X 62W 型卧式铣床。0.025查，1 20 锥度接触面积不少于 80% ，可以用标准的 1 20 环规检查，因为外圆精度要求高，参考文献2中表 4.2-29 选用外圆磨床 MQ1350 。6.2 选择刀具12（）00000（3）工序100、120：粗磨、半精磨锥度，精磨外圆 至图样尺寸。并涂色检活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）由于零件材料为合金结构钢，为保证刀具切削性能，因此刀具材料选用硬质合金钢38CrMoAlA，表面渗氮处理。车外圆采用主偏角为 90 P30的车刀，车端面采用主偏角为45 P10的车刀。切断刀材料取高速钢 ，125mm 20mm 20mm ，切刀宽度 a 5mm 。车螺纹时选用牙型为 的螺纹车刀。铣正六边形棱柱时，选硬质合金套式面铣刀，主偏角 Kr 75 ，直径 d 80mm 。磨削外圆和锥度时，选用白钢玉平行砂轮。 （磨料为白钢玉，粒度 60 # ，硬度为中软，陶瓷结合剂，砂轮宽度应窄） 。6.3 选择夹具该零件加工可采用三爪卡盘（ 400 ） 、顶尖、跟刀架。6.4 选择量具零件为成批生产，一般可采用通用量具。各端面、正六边形棱柱、外圆精度要求不高，可选用 0-1000mm 的游标卡尺，即能达到测量目的。长度测量选用钢板尺。测量螺纹选用螺纹规。锥度环规：1 20 锥度外圆的精度要求高，所以可使用 1 20 锥度环规来检查。13（）0000活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）7.1第 7 章工序 1 数据计算确定切削用量及基本工时切端面、车端面、车外圆切端面确定背吃刀量 ap ：端面总加工余量为 10mm ,先用切段刀切掉 7mm ，一次走刀完成，ap mm .确定进给量 f ：参考文献1表 5-106 查得 f mm / r ;参考文献1表 5-5 机床的横向进给量取 f mm / r ；c v v vr具的寿命 T=60min14（）确定切削速度 ：参考文献1表 5-109 和 5-110 查得 。修正系数： k 0.57, k 1.0, k 0.8, k 0.86,k 1.0 参考文献1表 5-108 查得道vc cv活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）kvT m a p f yv 0.25 210 0.66 0.57 1.0 0.80.861.060 5 0.1510.35m / min确定机床主轴转速 ndw 3.143984.47r / minvc参 考 文 献 1 表 5-59.80m / min取 相 近 较 小 机 床 转 速 80r / min 因 此 实 际 的 切 削 速 度计算基本时间 Tjo切削加工长度为得：ap7mm，切断刀选用主偏角 kr =75 ，背吃刀量 ap 5mm ，查表 5-138 和表 5-139l1 tank r (2 3) ，d d1取 l1 4mm ，39l2 (3 5)mm 批量生产 l3 0L 2 l1 l2 l3 2 4 40 27.5mmTj Lnf i 27.5840.15 1 2.18 min辅助时间 T f ：参考文献1表 5-153 得：装夹工件的时间为 0.8min,启动机床时间为 0.02min 启动调节切削液时间为 0.05min，取量具并测量尺寸的时间为 0.5min车端面，共计 T f =1.37min。确定背吃刀量 a p：端面加工余量 3mm ，一次走刀完成， a p mm 。确定进给量 f ：参考文献1表 5-102 查得 f mm / r ;参考文献1表 5-5 机床的横向进给量取 f mm / r ；c ： 参 考15文 献 1 表 5-109 和 5-110 查 得（）x1000v 100010.35n 确 定 切 削 速 度活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）cv 242, m 0.20, xv 0.15, y v 0.35 。 修 正 系 数 ：kMv Hv hv 0.8,k Kr V tv 1.0 参考文献1表 5-108 查得刀具的寿命为T=60min，则vc T m cvap f yvkv 0.20 2420.15 0.35 0.571.180.80.811.060 3 0.6147.16m / min确定机床主轴转速 ndw 3.1439384.91r / minvc参 考 文 献 1 表 5-5 取 相 近 较 小 机 床 转 速 400r / min98m / min因 此 实 际 的 切 削 速 度计算基本时间 Tjo切削加工长度为和表 5-139 得：3mm ，切断刀选用主偏角 kr =45 ，背吃刀量 ap mm ，查表 5-1381 (2 3)mm ，d dl2 (3 5) mm 339mmL 2 1 l1 l2 l3 2 2 45 30.5mmTj Lnf i 30.53500.61 10.15min辅助时间 T f ：参考文献1中表 5-153 得：变换刀架的时间为 0.05 min ，,变速或变换进给量的时间为 0.02min， 启动调节切削液时间为 0.05min，共计 Tf =0.12min。7.2 工序 4 数据计算16（）0.57, k 1.18, k 0.81, kx1000v 100047.16nl 批量生产 l活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）a粗车外圆pp：外圆总加工余量为 5mm ，则单边余量为 2.5mm ，一次走刀完成，确定进给量 f ：参考文献1表 5-102 查得 f mm / r ;参考文献1表 5-5 机床的横向进给量取 f mm / r ； 确 定 切 削 速 度 vc ： 参 考 文 献 1 表 5-109 和 5-110 查 得cv 242, m 0.20, xv 0.15, y v 0.35 。 修 正 系 数 ：kMv Hv hv 0.8,k Kr V tv 0.65 参考文献1表 5-108 查得刀具的寿命为T=60min。则vc T mcvap f yvk v 60 2422.5 0.61 0.570.810.810.65m / min确定机床主轴转速 ndw 3.1450170.06r / minvc参 考 文 献 1 表m / min5-5 取 相 近 较 小 机 床 转 速 160r / min ， 因 此 实 际 的 切 削 速 度计算基本时间 Tj ：o切削加工长度为600mm ，切断刀选用主偏角 kr = 90 ，背吃刀量 ap mm ，查表5-138 和表 5-139 得：1 l2 (3 5) mm 3 mmT j L l1 l2nf l 3 i 60 1600.61 1 6.27 min辅助时间 T f ：17（）确定背吃刀量 a。0.57, k 1.0, k 0.81,kx0.20 0.15 0.351000v 100026.70nl ( 2 3)mm ， 批量生产 l活塞杆与活塞环零件机械加工工艺规程及工艺装备设计（）Tf参考文献1中表 5-153 得：变换刀架的时间为 0.05mm ，变速的时间为 0.02min，共计=0.07min。7.3 工序 8 数据计算半精车外圆 53 770mma确定背吃刀量 ap mm 。p ：外圆总加工余量为 2mm ，则单边加工余量 1m