毕业设计说明书格式

1、中北大学2012届毕业设计说明书1.绪论1.1 活塞加工工艺研究意义活塞是柴油机上最关键的零部件之一1，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏1，特别是坦克和军舰军用车船用内燃机活塞则要求更高，他已成为制约内燃机发展的一个突出问题。它的工作情况直接关系到高速柴油机提高燃油效率和使用耐久性的关键2，同时直接影响到内燃机的排放性能。活塞的结构和所处的工作环境十分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度高，且温度分布不均匀导致活塞产生热应力和热变形。热负荷和机械

2、负荷耦合将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸3等。因此，活塞设计在内燃机的设计中十分关键。1.2 活塞加工工艺国内、外研究概况1.2.1 活塞的概述1.2.1.1 活塞的功用及工作条件活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分4，活塞是曲柄连杆机构的重要零件主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转并输出动力5。此外，活塞又是燃烧室的一个运动零件6。活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件之一7。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的6，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达1416MPa。而且，在气体压力、往复惯性力和侧压力的

3、共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下降8，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。而且，柴油机活塞的销与销孔之间的润滑油膜厚度为0.515um9，过高的温度会使润滑油结焦10，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。活塞运

4、动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。正确分析活塞的工作条件及变形可以为合理设计与加工活塞外轮廓提供依据，改善在受载工况下活塞与汽缸壁之间的配合状况，提供活塞组件的综合工作性能。各种CAE技术的发展应用为这一研究工作的展开提供了极大的便利11。1.2.1.2 活塞的材料现代内燃机广泛使用铝合金活塞。铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提高热稳定性和高温机

5、械性能。铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。1.2.2 活塞加工工艺国内外研究概况我国活塞制造技术经过40多年的发展，具有一定的基础，特别是经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，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。12现阶段, 国内活塞行业基本采用以下活塞制造工艺, 采用的技术比较落后, 生产成

6、本高、环境污染严重。以下是国内大多数活塞制造企业采取的工艺技术路线:购进铝锭 熔化铝锭 合金化 变质处理 精炼处理( 除气、除渣) 毛坯铸造( 手工模具) 铣冒口 固熔加热后淬火+ 人工时效处理 机加工 表面处理 包装入库。13活塞加工的精工序和比较重要的工序采用数控机床, 粗工序采用普通车床加工。这是国内大数多活塞企业普遍采用的加工形式, 但还存在很大一部分民营企业仍然采用普通车床加工活塞, 活塞精度低, 尺寸难以保证, 生产效率低, 废品率高, 工人劳动强度也比较大。目前国内外比较先进的活塞加工路线如下：高温电解铝液利用余热合金化利用余热进行变质处理精炼处理( 除气、除渣)毛坯铸( 铸造机

7、械化)铣冒口铸造余热直接淬火+ 时效( 通过高效连续时效热处理炉) 热处理处理机加工表面处理包装入库。利用高温电解铝液合金化、变质处理通过优化缩短活塞铸造工艺路线, 直接利用 利用高温电解铝液（930）熔配合金(760800) 后浇注毛坯, 去掉了原熔化铝锭工序。该工艺不但节约了熔化铝锭所需的能耗, 而且减少了铝的烧损, 提高了原材料的利用率; 同时, 也减少了铝锭熔化过程中的废渣、废气的排放, 保护了环境, 经济效益和社会效益极为显著。随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压、中冷技术的应用以及大缸径高压缩比、低排放要求的不断提高。传统铝合金活塞材料已无法满足其使用要求，目

8、前国内已产业化的活塞用材有14:铝合金活塞铸铁活塞铸钢活塞镶体活塞15。在国外，除上述4类活塞材料产业化外，已将铝基复合材料应用于活塞上。1982年日本已将这种铝基复合材料活塞成功应用于丰田汽车上16.2 活塞的加工工艺2.1.活塞的结构特点活塞位于发动机汽缸内，作往复运动。当燃烧室里的混合气（空气和燃料）点燃并膨胀时，活塞受到气体的压力，并经过活塞销及连杆将压力传给曲轴。气体的吸入、压缩和废气的排放也都由活塞的运动来完成。因此，活塞工作的主要特点是在高温高压下作长时期的连续变负荷往复运动。为了提高活塞的工作性能和寿命，它必须具有如下要求17： 1) 在高温高压下具有足够的强度和刚度；2) 较

9、轻的结构重量；3) 良好的耐磨性和耐腐性；4) 良好的导热性，热膨胀小；5) 保证汽缸内部空间密封；图2-1所示为活塞的一般结构18： 图 2-1 活塞结构1) 顶面 它承受气体的压力和高温。本此研究的活塞顶面呈凹面，这是由于燃烧室的需要和为了换气时引导气体的流动方向。2) 环槽 位于活塞头部，分为气环槽和油环槽。在气环槽中放置活塞环，使活塞头部与汽缸部接触，并使燃烧室密封，防止漏气。油环槽中放置的油环，将汽缸壁上多余的润滑油刮去，使之不进入燃烧室。3) 油孔 使刮下的润滑油流回活塞内腔。4) 裙部 它起导向作用。活塞工作时受到高温气体作用产生热膨胀，如图2-2所示。由于裙部圆周上厚度不均匀，

10、销孔座处厚，膨胀量大。同时，越靠近顶部温度越高，膨胀量也越大。因此，为了补偿热变形，将裙部设计成椭圆形，椭圆长轴垂直于销孔轴心线，长短直径之差有一定要求，同时裙部应有锥度，大端在下方。活塞与汽缸壁之间应保证有0.050.4mm的间隙。这样活塞在工作时受热膨胀后能有比较均匀的间隙，而不致使摩擦增大，磨损加快，保证活塞正常工作。图 2-2 活塞的热变形5) 销孔 装活塞销用，并由装在锁环槽中的弹簧挡圈防止活塞销轴向移动。为了使活塞销磨损均匀，采用“浮动”设计，使活塞销在工作条件下（即在销孔和销均发生热膨胀之后）能在销孔和连杆小头的孔中自由转动。6) 止口 包括止口内圆、锥面及端面，是活塞加工的统一

11、基准面。从活塞的工作性能上看，对它并没有要求。2.2 活塞的主要技术要求1) 尺寸精度和光洁度(1) 活塞销与销孔的配合精度要求高，如果采用完全互换法进行装配，则销子和销孔的尺寸公差都应很小，比IT6级精度还要高。因此采用分组选配的方法，将销子和销孔的制造公差都放大到经济加工精度，然后按实际尺寸进行分组选配，这样使零件制造容易而又能达到很高的装配精度。本次研究的活塞销孔的制造尺寸为，粗糙度为Ra0.4。(2) 活塞裙部外圆与汽缸的配合精度要求也很高，其尺寸精度通常为IT7级，高速发动机活塞的裙部要求为IT6级。为了减小机械加工的困难，也采用分组选配法，将活塞裙部直径和汽缸直径都放大3倍，各分三

12、组装配，以保证达到原设计的间隙要求。本次研究的活塞裙部外圆直径（长轴）的制造尺寸为，粗糙度为1.6。(3) 环槽应保证活塞环能随汽缸套孔径大小的变化而自由地胀缩。其宽度公差约为IT8级精度，粗糙度为Ra6.3。(4) 销孔轴心线到底面的距离是29.50.05mm，主要考虑影响发动机工作时的压缩比。(5) 活塞槽部外圆不与汽缸接触，直径公差取为IT9级精度，粗糙度为Ra6.3。2) 几何形状精度(1) 销孔椭圆度和素线平行度不超过1.5um。(2) 裙部要求为椭圆，长轴在销孔垂直方向。(3) 裙部外圆为锥体，大端在下方。椭圆度和锥度公差在其分组尺寸的公差范围内。3) 相互位置精度 (1) 销孔轴

13、心线对裙部外圆的对称度误差将引起汽缸不均匀磨损，一般当活塞直径小于100mm时为0.1mm，活塞直径大于100mm时为0.15mm。由于本次研究的活塞的直径为71mm，所以销孔轴心线对裙部外圆的对称度误差为0.1mm。(2) 销孔轴心线对裙部外圆轴心线的垂直度误差使活塞在汽缸内偏斜，运动时产生倾侧力，加剧了磨损。本次研究的活塞规定这一垂直度公差为0.07mm。(3) 环槽两侧面应垂直于裙部外圆轴心线，两侧面对裙部中心线的跳动量为0.05mm。4) 活塞的重量差 为了保证发动机运转平稳，同一发动机各个活塞的重量相差不应很大，本次研究的活塞的重量为1762g 。因此活塞还应按重量分组装配。2.3

14、活塞工艺设计的意义活塞是发动机的重要部件之一，它与活塞环、气缸套、气缸盖构成了工作容积和燃烧室1。它承受燃气作用力并把它传递给连杆，也通过活塞顶部接受的热量通过气缸壁传入冷却介质中。它还可以密封气缸以防燃气泄漏及润滑油窜入燃烧室2。活塞也是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，它是在高温、高压、高速、润滑不良的条件下作长时间连续变负荷的往复运动的。一般车用柴油机中，燃烧室的瞬时温度可达2000左右。活塞还受100公斤/厘米2 左右的燃气压力，或八百倍于重力的惯性力作用3。活塞环槽特别是第一环槽，对活塞的寿命影响很大。因为机械磨损是活塞在正常工作中主要损坏形式4。销孔是交变应力高度集中的部位之

15、一，易产生开裂和磨损，影响工作性能和使用寿命，必须提高销孔尺寸精度。而活塞的外形也会在复杂的机械负荷和热负荷的作用下变形膨胀5。此外，由于活塞在工作过程中受到高温高压的作用，所以必须产生热形和受力变形。活塞的顶面受到汽缸内气体压力的作用，产生弹性变形。由于活塞裙部在圆周方向刚性不同，在活塞销轴线方向的弹性变形量比垂直于该方向的弹性变形量大，使活塞裙部在受力后变成椭圆。另一方面，活塞顶面与高温气体接触，致使销座部位的裙部向外扩张。热量通过活塞顶部传到活塞裙部，温度升高产生热变形。再是活塞裙部圆周上壁厚不均匀，销孔轴线方向厚，热膨胀量大，垂直销孔方向热膨胀量小，从而使活塞裙部由于热变形变成椭圆。所

16、以无论是受力变形还是热变形，都使原来的圆柱形的裙部变成椭圆形，椭圆的长轴在活塞销孔的轴线方向。这样必然使活塞与汽缸壁间的间隙不均匀甚至消失，以至于发生剧烈磨损甚至咬死。为了补偿上述变形，把活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上，椭圆度的大小随活塞的型号而不同。活塞工作时，顶面与高温气体直接接触，热量由头部传到裙部，头部温度高，热膨胀量大，裙部温度低，热膨胀量小。为了补偿这种部均匀的热变形，把活塞头部的外径设计得比裙部外径小，同时活塞裙部也设计成中间大，上下两端小的腰鼓形，以保证其具有良好的导向性。由上可知，由于活塞长期在高温高压的环境下工作，承受高温及机械交变负荷，

17、在发动机各零部件中，活塞的损伤率远远大于其它部件6。活塞出现的故障约占整个柴油机故障半数以上，仅从其直接经济效益来讲，活塞的价格在整台发动机中所占比例仅为1.5%左右，如果活塞出现相应损坏，严重时将导致整台发动机报废，仅从发动机方面直接损失数万元。因此，活塞在发动机中的重要性和工作环境的恶劣性决定了活塞制造工艺的重要性7。2.4 活塞工艺的难点活塞主要表面尺寸及各表面间的相互位置精度要求较高，在加工后还要求保证活塞裙部及活塞顶的壁厚均匀。上述特点与要求，使得活塞机械加工比较困难，其加工工艺特点主要有以下方面：1) 活塞壁薄，径向刚度差，若按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削力影响下很容易变形，

18、所以在制订工艺及选择设备时，应同时注意夹压点及夹具的选用。2) 活塞加工表面较多，不仅各加工面尺寸要求较高而且相互位置精度要求较高。因此，在考虑工艺时，应正确选择定位基面以减小因定位基准变换而引起的加工误差8。3) 活塞销孔精度要求很高，粗糙度要求很小，故一般采用镗削加工。4) 由于活塞壁薄，刚性差，为防止切削力过大而引起变形，在加工时，进刀量要小，切削速度要大，同时，重要表面（销孔、裙部外圆）的精加工要放在最后进行9 。 活塞的工艺特点决定了不同的定位装夹形式，如表1-1。由于采用止口定位配合以销孔或活塞顶面的装夹方式简单可靠，应用范围广，可实现定位基准的统一，同时保证了活塞的各种位置精度1

19、0。表3-1活塞主要定位装夹形式定位装夹方式适用加工范围 止口定位+销孔夹紧活塞顶面、头部、裙部外圆特征的加工 止口定位+顶面（中心孔）夹紧顶面、头部、裙部外圆特征的加工 止口+销孔（预）定位+顶面夹紧销孔部位特征的加工 头部外圆定位及夹紧环槽、裙部外圆、止口、销孔、内腔特征的加工 销孔定位及夹紧销孔部位特征的加工3 活塞材料及毛坯3.1活塞材料分析由前面分析可知，活塞工作的主要特点是在高温高压下作长期的连续变负荷往复运动。为了提高活塞的工作性能和可靠性，本次研究的活塞的材料是硅铝合金。铝合金具有下列有点19：1) 导热性好，使活塞顶面的温度降低较快，可以提高活塞的压缩比，又不致引起混合气体的

20、自燃，因而可以提高发动机的功率；2) 质量小，惯性力小；3) 铸造性能好；但它也有下列缺点：1) 材料价格较贵；2) 热膨胀系数大；3) 机械强度及耐磨性较差；总体来看，铝合金还是较为理想的材料。3.2活塞毛毛坯的选择本次活塞工艺设计采用的毛坯为金属模浇铸。因为它可铸出形状不太复杂的铸件，金属模浇铸的毛坯有较高的精度，单边机械加工余量可减小到11.2mm，尺寸精度可达0.10.2mm，表面粗糙度Ra可达12.56.3um。铸件力学性能好，是用于中小型零件大批量生产，特别适合有色金属的制造，销孔也可铸出，材料利用率高。铝活塞毛坯需经过时效处理，以消除内应力和获得所需要的硬度。3.3活塞加工工艺过

21、程分析3.3.1定位基准的选择定位基准的选择直接影响零件的加工精度和生产效率。1) 精基准的选择活塞各加工表面的相互位置精度有：销孔轴心线与裙部外圆轴心线垂直且相交；环槽两侧面与裙部外圆轴心线垂直。从保证上述技术要求来看，应以裙部外圆表面为精基准。但实际生产中大多不用裙部外圆而用止口作为统一基准。精车外圆和精磨外圆工序中用止口锥面和顶面中心孔定位，其余工序都采用止口和端面定位。采用止口端面或止口中心孔作为精基准，有其特有的优点21：(1) 它可以作为加工裙部、头部、顶面和销孔等主要表面的定位基准，而且可以在一次安装中车削外圆、顶面、环槽，实现工序集中。(2) 活塞是薄壁零件，裙部沿半径方向容易

22、产生变形，利用止口和中心孔定位，可以沿活塞轴向夹紧，因而不会引起严重的变形，可以进行多刀切削。(3) 适合于多品种生产和配件生产。因为用止口定位，产品改变时更换夹具方便。特别是配件生产中，同一型号发动机，当汽缸磨损后，须用加大外径的活塞以保证配合精度。活塞外径加大，止口尺寸可以不变，就不需要更换定位元件。当然，采用活塞的止口定位也有其缺点：(1) 定位误差较大 由于止口是工艺基准，其与活塞各主要技术的设计基准不一致，这就存在基准不重合的误差，影响加工精度。如销孔到顶面间的距离（封闭环）公差本来就很小，采用止口定位，活塞高度（组成环）也参与尺寸链，使工序尺寸公差缩小，给加工带来困难。另外，止口与

23、活塞头部外圆的同轴度及止口与定位销的配合间隙（产生基准位移误差）也会影响活塞裙部、环岸、环槽、销孔等的位置精度。(2) 增加了多余加工工序 止口与活塞性能无关，加工止口实际上是多余的，且止口精度要求较高，不仅增加了工序，还给加工带来了一定的难度。综上所述，采用止口和顶面作精基准虽有以上缺点，但从保证加工质量方面来看，采用统一基准的优点比较明显，且其缺点可以采取措施克服。2) 粗基准的选择止口加工安排在第一道工序。由于活塞内腔表面是不加工的，所以加工止口的粗基准的选择必须考虑不加工表面的要求。活塞零件要求壁厚均匀，否则活塞相对其轴心线重量不对称，影响工作时的平稳性。因此所选的粗基准必须保证壁厚差

24、也即内壁和裙部外圆的同轴度达到规定的要求。如图3-1所示采用长三爪卡盘，它以活塞外圆和顶面为粗基准。如果毛坯精度低，内外表面偏心大，就不能保证壁厚差。由于铝活塞采用永久型金属模浇铸，毛坯精度高，因此可以采用这种定位方法。加长三爪可防止工件受切削力后发生倾斜，使夹紧可靠。图 3-1 粗基准采用外圆表面3) 精基准的使用与修整如上所述，止口作为活塞加工的统一基准，但也并非用于每道工序。精镗销孔为了避免止口定位时的夹紧变形，改用顶面定位。止口经第一道工序加工后精度不可能很高，在活塞粗加工阶段，切除余量多，夹紧力和切削力较大，止口精度可能降低。因此，在各主要表面精加工之前，需修整基准面，提高精度。3.

25、4.拟定工艺过程a工艺过程:第一道工序：粗车止口，端面 外圆及顶面定位第二道工序：粗车外圆止口及端面定位第三道工序：粗镗销孔止口及端面定位 第四道工序：粗车外圆环槽、顶面止口及端面定位第五道工序：钻油孔止口及端面定位第六道工序: 铣直横槽止口及端面定位第七道工序: 去内腔毛刺第八道工序：精车止口外圆及顶面定位第九道工序：精车外圆、止口及端面定位第十道工序：精车环槽及倒角止口及端面定位第十一道工序：精镗销孔止口及端面定位第十二道工序：车锁环槽止口及销孔内端定位第十三道工序：精车顶面及倒角 止口及端面定位第十四道工序：精磨外圆 止口及端面定位第十五道工序：滚压销孔止口及端面定位b热处理方法:时效处

26、理：为了消除残余应力，对于尺寸大、结构复杂的铸件，需在粗加工之前、后各安排一次时效处理；对于一般铸件在铸造后或粗加工后安排一次实效处理；对于精度高、钢度低的零件，在粗车、粗磨、半精磨后需要各安排一次实效处理。铝合金热处理安排在机加工前，铝活塞毛坯在机械加工前要切去冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而带来的内应力。时效处理是将活塞加热至180200摄氏度，保温68h后，自然冷却。活塞经过时效处理后还能增加强度和硬度。C. 其它辅助工序的安排：检查、检验工序、去毛刺、平衡、清洗工序等也是工艺规程的重要组成部分。检查、检验工序是保证产品质量合格的关键工序之一，每个操作过程中和操作结束以后都

27、必须自检。在工艺规程中，下列情况下应安排检查工序：零件加工完毕之后；从一个车间到另一个车间的前后；工时较长或重要的关键工序前后。故根据以上原则，在零件加工完毕后安排一次终验工序。在工艺过程的适当之处安排去毛刺处理。在工艺过程的最后一般安排清洗工序。表面镀锡：在活塞表面镀锡可以改善活塞初期磨合性，因为锡的质地软，亲油性好，可以提高冷启动时活塞的抗拉缸性能。d. 集中与分散：同一个工件，同样的加工内容，可以安排两种不同形式的工艺规程：一种是工序集中，另一种是工序分散。前者是使每个工序中包括尽可能多的工步内容，因而使总的工序数目减少，夹具的数目和工件的安装次数也相应的减少。后者是将工艺路线中的工步内

28、容分散在更多的工序中完成，因而每道工序的工步少，工艺路线长。它们各有所长。前者有利于保证各加工面间的相互位置精度要求，有利于采用高生产效率的机车，节省安装工件的时间，减少工件的搬动次数。而后者可使每个工序使用的设备和夹具比较简单，调整、对刀也比较简单，对操作工人的技术水平要求比较低。考虑到此活塞零件的结构特点和技术要求、以及工厂机床设备、工人技术水平等条件，本设计采用工序相对集中的原则，也就是每个工序所包含的内容相对较多，所使用的工艺设备与装备少，同时选择合理的切削用量，减少了工件的搬运、装夹等辅助时间，它的设备数量少，加工过程中大量使用组合夹具、刀具和机床，生产效率高，厂房占地面积小，总投资

29、少，但该加工方式对工人的技术水平要求相对较高，不利于产品快速更新换代，总体考虑还是适合此活塞零件的生产加工的。3.5活塞加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定完成某工序所需切除的材料层的厚度称为工序余量，从毛坯到成品的整个工艺过程中所切除的材料层的厚度称为总余量。加工总余量的大小取决于加工过程中各个工序所切除的金属厚度的总和。每一工序所切除的金属层厚度称为工序余量。本设计主要以简明机械加工工艺手册为依据来确定加工余量。应用时再结合加工实际情况进行修正。由于加工工序相对集中，故对各加工部位的加工余量，工序尺寸及毛坯的尺寸、公差、表面粗糙度就毛坯的尺寸确定如下：1) 止口的加工止口尺寸66mm，Ra为

30、3.2um，公差为0.03mm，精度等级IT6IT7，所以所选加工方法为：精车止口粗车止口。表 3-1 加工止口各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余(mm)表面粗糙度Ra（um）经济度工序尺寸(mm)精车止口0.33.2IT7粗车止口1.212.5IT12毛坯1.512.52) 顶面加工顶面尺寸为55mm,粗车后的加工经济度为IT12,Ra为12.5um（零件的设计要求）。表 3-2 加工顶面各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余量(mm)表面粗糙度Ra（um）经济度（mm）工序尺寸(mm)粗车顶面0.412.5IT1255.4±0.06毛坯0.412.555.4±0.063)

31、端面的加工端面尺寸为55.4mm，粗车后的经济度为IT12,Ra为12.5um（零件的设计要求），所以所选加工方法为：粗车端面。表 4-3 加工端面各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余量(mm)表面粗糙度Ra（um）经济度（mm）工序尺寸(mm)粗车端面0.412.5IT1255.8±0.06毛坯0.412.555.8±0.064) 外圆的加工外圆的尺寸为：头部mm、裙部外圆mm, Ra为1.6um，公差为0.02m精度等级IT6，所以所选加工方法为精磨外圆精车外圆粗车外圆。表 3-4 加工外圆各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余量(mm)表面粗糙度Ra（um）工序公差（mm）

32、工序尺寸(mm)精磨外圆0.11.6IT6精车外圆0.35IT7粗车外圆1.412.5IT12毛坯1.872.8 ±1.15) 销孔的加工销孔的尺寸为mm，Ra为0.5um，精度等级IT7，所以所选加工方法为：滚压销孔 粗镗销孔精镗销孔。表 3-5 加工销孔各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余量(mm)表面粗糙度Ra（um）工序公差（mm）工序尺寸(mm)滚压销孔0.060.50IT7精镗销孔0.12.5IT8粗镗销孔1.35IT12毛坯146.17.54±0.581) 环槽的加工环槽的粗糙度Ra为0.63um，等级精度为IT6，所以所选加工方法为：粗车环槽精车环槽。表 3-

33、6 加工第一环槽各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余量(mm)表面粗糙度Ra（um）工序公差（mm）工序尺寸(mm)精车环槽10.63IT7粗车环槽第二次走刀2.112.5IT10第一次走刀2.712.5IT11毛坯5.812.570.1表 3-6 加工第二环槽各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余量（mm）表面粗糙度Ra（um）工序公差（mm）工序尺寸(mm)精车环槽16.3IT7粗车环槽第二次走刀2.112.5IT10第一次走刀2.8512.5IT11毛坯5.9570.1表 3-6 加工第三环槽各工序间及毛坯尺寸工序名称工序间余量(mm)表面粗糙度Ra（um）经济度工序尺寸(mm)精车环槽16.

34、30.263.6粗车环槽第二次走刀2.512.5IT10 第一次走刀312.5IT11毛坯6.531.51.970.13.6 确定切削用量及基本工时正确的选用切削用量，对保证产品质量，提高切削效率和经济效益，具有重要的作用。切削用量选择主要依据工件材料，加工精度和表面粗糙度的要求，还应考虑刀具合理的耐用度，工艺系统刚度急机床功率等条件。 其基本原则是：（1）应首先选择一个尽可能大的切削深度；（2）其次选择一个较大的进给量；（3）最后在刀具和机床功率允许条件下选择一个合理的切削速度。切削用量的选择方法有：计算法和查表法，本设计基本上采用查表法。考虑以上因素并查简明机械加工工艺手册确定如下：（1）

35、止口的加工在粗加工时，尽可能一次切除粗加工全部余量，即选择切除深度值等于粗加工余量值。计算单边总余量h=mm， 查简明机械加工工艺手册取粗车ap=0.6，选取车刀刀杆BXH为20X30取进给量f=0.3mm/r，取v=5m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=20r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s(2)粗车外圆计算单边总余量h=mm， 查简明机械加工工艺手册取粗车ap=0.7，选取进给量f=0.3mm/r，取v=5m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=20r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s（3）粗车外圆第一环槽计算单边总余量h=mm， 查简明机

36、械加工工艺手册取粗车第一次走刀ap=1.35，选取进给量f=0.3mm/r，取v=5m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=20r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s查简明机械加工工艺手册取粗车第二次走刀ap=1.05，此时切削速度为m/s;则切削工时t=s（4）粗车外圆第二环槽计算单边总余量h=mm， 查简明机械加工工艺手册取粗车第一次走刀ap=1.35，选取进给量f=0.3mm/r，取v=5m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=20r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s查简明机械加工工艺手册取粗车第二次走刀ap=1.05，此时切削速度为m/s;则切

37、削工时t=s（5）粗车外圆第三环槽计算单边总余量h=mm， 查简明机械加工工艺手册取粗车第一次走刀ap=1.5，选取进给量f=0.3mm/r，取v=5m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=20r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s查简明机械加工工艺手册取粗车第二次走刀ap=1.25，此时切削速度为m/s;则切削工时t=s（6）钻油孔选用高速钢钻头，Z535钻床查简明机械加工工艺手册f=0.090.11mm/r，由于活塞刚度较低所以f=0.50.090.11=0.0450.055，取f=0.05mm/r；取=1.5m/s；则n=r/s;取n=195r/st=s(7)精车止口

38、查简明机械加工工艺手册取粗车ap=0.15，选取进给量f=0.2mm/r，取v=8m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=32r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s(8)精车外圆查简明机械加工工艺手册取精车ap=0.15，选取进给量f=0.1mm/r，取v=8m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=32r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s（9）精车外圆第一环槽 查简明机械加工工艺手册取精车ap=0.5，选取进给量f=0.25mm/r，取v=7m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=32r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s（10）精

39、车外圆第二环槽 查简明机械加工工艺手册取精车ap=0.5，选取进给量f=0.25mm/r，取v=7m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=32r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s（11）精车外圆第三环槽 查简明机械加工工艺手册取精车ap=0.5，选取进给量f=0.25mm/r，取v=7m/s,则车床主轴转速n=r/s;取车床主轴转速n=32r/s;此时切削速度为m/s;则切削工时t=s4 夹具的设计4.1 精镗销孔家具的设计4.1.1 活塞销孔加工夹具的定位误差分析铝活塞的毛坯一般都铸出锥形销孔（便于拨模）。由于销孔是许多工序施加夹紧力的部位，所以在精加工之前即对销孔进行

40、精镗加工，以便在其后的工序夹紧力能较均匀地分布，保证活塞重要表面精加工能得到较高的精度，又不至于破坏销孔精度。4.1.1.1 定位方式和定位元件设计夹具时原则上应选该工艺基准为定位基准。无论是工艺基准还是定位基准，均应符合六点定位原理。一个物体在三维空间中可能具有的运动，称为自由度。在空间体系中，物体可以有沿X、Y、Z轴的移动及绕X、Y、Z轴的转动，共有六个独立的运动，即六个自由度。所谓工件的定位，就是采用适当的约束措施，来消除工件的六个自由度，以实现工件的定位，即六点定位原理。根据前面的生产工艺，本工序夹具采用活塞止口、端面及销孔定位，为了与止口相配合，采用止口盘为定位元件。活塞止口和端面与

41、止口座接触，限制了除沿Z轴的转动以外的5个自由度；剩下的绕Z轴的转动自由采度用菱形销插入销孔中来定位。工件的六个自由度全被限制，为完全定位。4.1.1.2 定位元件尺寸及公差计算(1) 菱形销的直径、宽度及公差的确定可先按下表4-1查D2，选定，再按计算式算出菱形销与孔配合的最小间隙，再计算菱形销的直径。表 4-1 菱形销尺寸D36>68>820>2025>2532>3240>4050b12345568BD0.5D1D2D3D4D5D5 ( 11 )式中菱形销宽度（mm）； 工件上菱形销定位孔直径（mm）； 菱形销定位时销孔最小配合间隙（mm）； 夹具上两销

42、孔中心距公差（mm）； 工件上两孔中心距公差（mm）； 菱形销名义尺寸（mm）；菱形销配合为基孔制间隙配合，它的公差也可按配合H/g，销精度等级高于孔精度1级来确定。本工序中菱形销与销孔的配合为H7/g6，菱形销公差0.014mm，直径为52mm，根据GB220480，查得其长度为35mm。另外止口座与活塞止口的配合为基孔制间隙配合，止口的尺寸和公差同样可根据配合来确定。154.1.1.3 定位误差分析与计算(1) 产生定位误差的原因a. 基准不重合带来的定位误差夹具定位基准与工序基准不重合，两基准之间的位置误差会反映到被加工表面的位置上去，所产生的定位误差称之为基准转换误差。b. 间隙引起的

43、定位误差在使用心轴、销、定位套定位时，定位面与定位元件间的间隙可使工件定心不准产生定位误差。单菱形销与孔的定位情况，最大间隙为 ( 12 )式中定位孔最大直径；定位销最小直径；销与孔的最小间隙；销的公差；孔的公差；由于销与孔之间有间隙，工件安装时孔中心可能偏离销中心，其偏离的最大范围是以为直径，以销中心为圆心的圆。若定位时让工件始终靠紧销的一侧，即定位以销的一条母线为基准，工件的定位误差仅为。精镗销孔时菱形销与活塞销孔的配合为H7/g6，所以，=52.12+0.0552.17mm，520.01451.986mm，菱形销与孔的最大间隙为52.1751.9860.184mm。c. 与夹具有关的因素

44、产生的定位误差这类因素基本上属于夹具设计与制造中的误差，如：1）定位基准面与定位元件表面的开关误差。2）导向元件，对刀元件与定位元件间的位置误差，及其形状误差导致产生的导向误差和对刀误差。3）夹具在机床上安装误差，即对定误差导致工件相对刀具主轴或运动方向产生的位置误差。4）夹紧力使工件或夹具产生变形，产生位置误差。5）定位元件与定位元件间的位置误差，以及定位元件、对刀元件、导向元件、定向元件等元件的磨损。上述定位误差的分析计算，一般是在成批大量生产中用调整法加工时，需要分析，对于具体夹具的定位误差需要具体分析，要找出各个产生定位误差的环节及大小，然后按照极值法或概率法求出总的定位误差。如果采用

45、试切法加工，一般就不作定位误差的分析计算了。164.1.2 工件的夹紧装置的设计4.1.2.1 夹紧装置的组成典型的夹紧装置，是由下列几个部分组成。(1) 中间递力机构: 中间递力机构是介于力源和夹紧元件之间的传力机构。它把力源装置的夹紧作用力传递给夹紧元件，然后由夹紧元件最终完成对工件的夹紧。一般递力机构可以在传递夹紧作用力过程中，改变夹紧作用力的方向和大小。本夹具设计为了一压杆形式和拉头的组合递力机构。(2) 夹紧元件与夹紧机构: 夹紧元件是夹紧装置的最终执行元件。通过它和工件受压面的直接接触而完成夹紧动作。本夹具的设计根据零件的特点设计螺旋夹紧装置。样式见总装配图。4.1.2.2 夹紧力

46、的确定(1) 夹紧力的计算夹紧力的大小需要准确的场合 ，一般需要实验来确定。通常，由于切削力本身是估算的，工件与支撑件间的摩擦因数也是近似的，因此夹紧力也是粗略估算。在计算夹紧力时，将夹具和工件看作一个刚性系统，以切削力的作用点、方向和大小处于最不利于夹紧的状况为工件的受力状况，根据切削力、夹紧力（大工件还应考虑重力，运动速度较大时应考虑惯性力），以及夹紧机构的具体尺寸，列出工件的静力方程式，求出理论夹紧力，再乘以安全系数，作为实际所需夹紧力。17本设计中，夹紧机构选用最常用的螺旋夹紧机构。加工活塞时采用的夹紧工件的劳动强度也不是很大，为节约成本，动力装置采用手动夹紧机构。此时夹紧力的方向也符

47、合“夹紧力的方向应用有利于工件的准确定位，不会破坏定位。实际所需夹紧力的计算如下。螺旋夹紧机构是夹紧机构中应用最广泛的一种，螺旋夹紧机构夹紧力的计算与斜契夹紧机构的计算相似，因为螺旋可以看作一斜契绕在圆柱体上而形成。图4-1所示为螺杆受力图，该螺杆为矩形螺纹。原始动力为，力臂为作用在螺杆上，其力矩为T。工件对螺杆的反作用力有垂直方向的反作用力W（等于加紧力）、工件对其摩擦力。该摩擦力存在于螺杆端面上的一环面内，可视为集中作用于当量半径为的圆周上，因此摩擦力矩。螺母为固定件，其对螺杆的作用力有垂直于螺旋面的作用力R及摩擦力，其合力为。该合力可分解成螺杆轴向分力和周向分力，轴向分力与工件的反作用轴

48、向力平衡。周向力可视为作用在螺纹中径上，对螺杆产生力矩。螺杆上的力矩T、和平衡。18根据机械加工工艺手册可查螺旋夹紧的夹紧力的计算公式为： ( 13 )图 4-1 螺杆受力示意图式中: 夹紧力 （N）； 原始作用力 （N）； 作用力臂 （mm）；d2 螺纹中径 （mm）； 螺纹升角（）； 螺纹处磨擦角（）； 螺纹端部与工件（或压块）的磨擦角（）； 螺纹庙疗与工件（或压块）的当量磨擦半径 （mm）。螺纹形状选用三角螺纹，取螺纹公称直径d = 10mm，螺纹中径为d 2= 9.132，作用力臂L = 212mm，原始作用力Q = 20N。其余尺寸查机械加工工艺手册表63-5、63-6、63-7、6

49、3-8可得，代入工公式可算得:W = 1780N。实际所需夹紧力的计算是一个很复杂的问题，一般只能作粗略估算。为了简化计算，在设计夹紧装置时，可只考虑切削力对夹紧的影响，并假定工艺系统是刚性的，切削过程稳定不变。对于镗削加工的切削力在设计手册上没有明确的公式计算，由于本工序为精镗销孔加工，根据其削用量并参照相关车削加工经验数据，镗削力估算为F =520（N）。由于工件是以平面定位，夹紧力与切削力垂直，则 ( 14 ) 式中： 实际所需夹紧力（N）； 切削力（N）； 夹紧元件与工件间的摩擦因数； 工件与夹紧支撑面间的摩擦因数； 为安全系数。安全系数一般可取23。或根据下式计算 ( 15 )式中

50、一般安全系数，考虑工件性质及余量不均匀等引起的切削力变化，1.52； 加工性质系数，粗加工1.2，精加工1； 刀具钝化系数，1.11.3； 断续切销系数，断续切削是1.2，连续切削时1。1.6×1×1.2×11.92 安全系数K的计算结果小于2，达不到安全要求，取K=2.5，将以上结果代入到公式计算可得 ： 螺旋夹紧机构及其源动力与实际所需夹紧力之间的关系为： ( 16 ) 2046.5 N 式中： 原动力通过螺母施加在压杆上的力（N）； 原动力（N）； r 螺杆端部与压杆之间的当量摩擦半径（mm），其值视螺杆端部的结构形式而定； 螺杆端部与压板间的摩擦角（

51、76;）； 螺纹中径之半 （mm）； 螺纹升角 （°） 螺旋副的摩擦角 （°）。4.1.3 对定装置夹具体底面是夹具的主要基准面，要求底面经过比较精密的加工，夹具的各定位元件相对于此底面应有较高的位置精度要求。为了保证夹具具有相对切屑运动的准确的方向，夹具体底平面的对称中心线上开有定向槽，安装上两个定向键，夹具靠这两个定向键定位在工作台面中心线上的T型槽内，采用良好的配合，一般选用H7/h6，再用T型槽螺钉固定夹具。由此可见，为了保证工件相对切屑运动方向有准确的方向，夹具上的第二定位基准（导向）的定位元件必须与两个定向键保持较高的位置精度。4.1.4 标准件的选取压板连接夹

52、具体压紧螺栓的选取GB/T57832000，螺纹规格为直径dM8，长L45mm,性能等级为88级，表面氧化，材料35钢，全螺纹螺栓，标记为： GB5783 M8×45。固定衬套的螺钉规格按照 GB/T652000选取，螺纹直径分别为dM4，公称长度为L10mm,性能等级为4.8级，材料35钢，不经表面处理开槽圆柱头螺钉，标记为： GB/T65M4×10。连接转动手柄和压紧螺杆的销选取GB/T119.12000,公称直径d10mm,公差为m6,公称长度l38，材料35钢，不经淬火，不经表面处理的圆柱销，标记为： 销 GB/T119.1 10m6×38。连接夹具与机床

53、定位键选取GB220680，宽度B20mm，热处理：HRC4045,偏差为h6的A型定位键，标记为： 定位键 A20h6 GB220680。与定位键配合使用的螺钉同样选取GB/T652000，螺纹直径分别为dM6，公称长度L10mm,性能等级为4.8级，材料35钢，不经表面处理开槽圆柱头螺钉，标记为： GB/T65 M6×10。与销孔配合定位的菱形销选取GB220480可换定位销，材料20钢，表面渗碳处理，深度0.81.2mm，HRC5560。连接菱形销与衬套的键选取GB/10961979，圆头普通平键（A型），宽度b10mm,h8mm，长度L80mm，材料45钢，标记为： 键 10×80 GB/T1096。194.1.5 夹具体的设计4.1.5.1 夹具体的毛坯结构在选择夹具体的毛坯结构时，应以结构合理性、工艺性、经济性、标准化的可能性以及工厂的具体条件为依据综合考虑。根据夹具的工作条件和受力情况，本夹具的毛坯采用铸造结构可满足要求。4.1.5.2 夹具体外形尺寸的确定夹具制造属单件生产性质，为缩短设计和制造周期，减少设计和制造费用，所以夹具体设计，一般不作复杂的计算。通常都是参