活塞加工工艺及夹具设计

一、设计题目活塞零件的工加工艺及工艺夹具设计二、原始资料(1)被加工零件的零件图1张(2)生产类型:（中批或大批大量生产）三、上交材料1．绘制零件图1张2．毛坯图1张3．编制机械加工工艺过程综合卡片1套4．编制机械加工工艺卡片（仅编制所设计夹具对应的那道工序的机械加工工艺卡片）1套5．绘制夹具装配图（A0或A1）1张6．绘制夹具中1个零件图（A1或A2。装配图出来后，由指导教师为学生指定需绘制的零件图，一般为夹具体）。1张7．编写课程设计说明书（约5000-8000字）。1份四、进度安排本课程设计要求在3周内完成。1．第l～2天查资料，熟悉题目阶段。2．第3～7天，完成零件的工艺性分析,确定毛坯的类型、制造方法和机械加工工艺规程的设计并编制出零件的机械加工工艺卡片。3．第8～10天，完成夹具总体方案设计（画出草图，与指导教师沟通，在其同意的前提下，进行课程设计的下一步）。4．第11～13天，完成夹具总装图的绘制。5．第14～15天，零件图的绘制。6．第16～18天，整理并完成设计说明书的编写。7．第19天，完成图纸和说明书的输出打印。五、指导教师评语成绩：指导教师日期摘要机械制造技术基础课程设计是我们在学完了大学的全部基础课、专业基础课以及专业课后进行的。这是我们在进行毕业设计之前对所学的各科课程一次深入的综合性总复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，他在我们的大学五年生活中占有重要的地位。我这次设计的是CA6102发动机的活塞，有零件图、毛坯图、夹具装配图、各一张，机械加工工艺过程卡片和与所设计夹具对应那道工序的工序卡片各一张。首先我们要熟悉零件，题目所给的零件是CA6102发动机的活塞。了解了活塞的作用，接下来根据零件的性质和零件图上各端面的粗糙度确定毛坯的尺寸和机械加工余量。然后我们再根据定位基准先确定精基准，后确定粗基准，最后拟定活塞的工艺路线图，制定该工件的夹紧方案，画出夹具装配图。就我个人而言，我希望通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进一步适应性的训练，希望自己在设计中能锻炼自己的分析问题、解决问题、查资料的能力，为以后的工作打下良好的基础。由于能力有限，设计尚有很多不足之处，希望各位老师给予指导。AbstractCoursedesignofmachinerymanufacturingtechnologyisthatwelearnallthebasiccoursesUniversity,professionalbasiccoursesandspecializedcoursesfor.Thisisourpriortograduationdesignofsciencecoursesanin-depthandcomprehensivereviewofthetotal,isalsoatheorywithpracticaltraining.Therefore,heoccupiesanimportantpositioninourfouryearsofUniversitylife.ThisdesignistheCA6102enginepiston,partsmap,MaoPitu,fixtureassembly,afixturepartsofthemapsheet,processcardmachiningprocesswiththecardandthecorrespondingfixturedesignedbytheprocessofeachone.Firstofallwemustfamiliarwiththeparts,thepartssubjecttotheCA6102enginepiston.Understandingofthepistoneffect,thenaccordingtothenatureofpartsandcomponentsinthefaceofthemapontheroughnessdeterminethesizeandmechanicaljiagongyuliang.Accordingtoanotherlocationandthenwesetthebenchmarkfinefirstbase,establishedafterthebenchmarkcrude,finalizingthepistonoftheroadmap,theenactmentoftheworkpiececlampingprogramme,todrawfixtureassembly.Personally,Ihopethatthroughthecurriculumdesignoftheirfuturetrainingwillbefurtherengagedintheworkofadaptive,hopetheycanexercisetheiranalysisoftheproblem,problemsolving,checktheinformationinthedesignoftheability,tolayagoodfoundationforthelaterwork.Becauseoflimitedcapacity,therearealotofdesigndeficiencies,Ihopethatteachersgiveguidance.目录TOC\o"1-3"\u前言 11零件的分析 21.1活塞的功用、结构特点及工作条件 21.2活塞的主要加工表面及技术要求 32工艺规程设计 42.1活塞的毛坯材料及制造方法 42.2定位基准的选择 42.3制定工艺路线 52.3.1工艺路线方案一 52.3.2工艺路线方案二 62.3.3工艺方案的比较与分析 62.4机械加工余量及工序尺寸 62.5切削用量的选择 82.6工序时间的计算 103专用夹具设计 153.1设计主旨 153.2夹具的设计 153.2.1定位基准的选择 153.2.2定位误差分析 153.2.3定位误差分析计算 153.2.4切削力及夹紧力的计算 173.2.5夹具设计及操作的简要说明 174结论 18参考文献 20前言我国的汽车行业正在飞速发展，汽车的动力部分也在不断改进，活塞是汽车动力不可缺少的一部分，它的工作情况会直接影响汽车的运行状态。所以，如何能使活塞的生产高效率、高质量，省成本、省时间是我们今天汽车行业的努力方向。随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格，活塞已发展成为集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的导向性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放。为满足以上的功能要求，通常将活塞的外圆设计成异型外圆(中凸变椭圆)，即垂直于活塞轴线的横剖面为椭圆或修正椭圆，且椭圆度沿轴线方向按一定的规律变化(如图1所示)，椭圆度精度达0.005mm；活塞纵剖面的外轮廓为高次函数的拟合曲线，轮廓精度为0.005～0.01mm；为提高活塞的承载能力，以提高发动机的升功率，通常将高负荷活塞的销孔设计成微内锥型或正应力曲面型(异型销孔),销孔尺寸精度达IT4级，轮廓精度为0.003mm。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。本文根据活塞加工的一个特殊工序来对其夹具的设计，使其加工过程得以顺利进行，保证活塞销孔的位置及精度的准确性，同时也借助这个夹具的设计，来提高活塞加工的效率，解决活塞的定位、夹紧问题，为活塞的加工提供一个更方便的路径。由于能力有限，设计尚有很多不足之处，希望各位老师给予指导。1零件的分析1.1活塞的功用、结构特点及工作条件活塞是曲柄连杆机构中的主要零件之一，是发动机的心脏。在活塞压缩行程终了时，燃烧室内的工作混合气被火花塞点燃后爆发，产生强大的压力，推动活塞沿气缸向下运动，并通过连杆使活塞的直线往复运动变为曲柄的旋转运动，这就是发动机动力的来源。活塞的第一个作用就是使发动机做功。发动机做功是由进气、压缩、爆发、排气四个行程来完成的一个工作循环的。不断地循环，发动机才能连续地工作，这就要求发动机内活塞顶以上的空间要有非常好的密封效果。密封是活塞的第二个作用。发动机在点燃爆发时，温度高达2000~2500，主要靠活塞和活塞环将高温传给气缸壁，再由气缸壁外侧水套内的循环水将热量带走。活塞的第三个作用是传热。活塞由头部（环槽、环岸和绝热槽）、裙部和顶部三部分组成。1顶部。汽车发动机大多采用平顶式活塞，这是因为与其它形式的活塞相比，具有工作可靠、制造简单、重量最轻和受热面积最小等优点。一般选用优质铝合金。2头部。活塞环的主要功用是保证燃烧室和气缸工作腔的密封性。它的高度主要取决于必须安装的活塞环数。3活塞裙。活塞裙是指活塞油环槽以下的部分。为保证在正常工作条件下活塞与气缸内壁之间自上而下间隙均匀，必须把活塞制成上小下大的阶梯形或截锥形。活塞裙部的横截面应作为椭圆形，并使椭圆的长轴方向垂直于活塞销孔轴线方向。活塞裙部内有一止口。它由一小段内孔、倒角和端面构成。它是专为活塞加工过程中定位而设置的辅助精基准面，在活塞工作过程中没有任何用途。4销座。销座位于活塞裙部内，且有厚筋与活塞顶相连。其作用是保证把作用于活塞上的力可靠地传给活塞销孔，在活塞销座上有一个油孔，用作润滑活塞销与活塞销孔，减少它们的摩擦。总之，活塞为薄壁零件，它是在高温高压的条件下，在气缸内做高速往复直线运动。为减小活塞在做高速往复运动时的惯性力，一般活塞材料采用铝合金。1.2活塞的主要加工表面及技术要求1．环岸及环槽底对活塞裙部轴心的径向跳动最大允差为0.1mm~0.15mm.全部槽底Ra3.2μm.2.环槽侧面对活塞裙部轴心线垂直度不超过25：0.07，环槽侧面对活塞裙部轴心线跳动不超过0.05mm，全部槽侧Ra0.4μm。3．活塞销孔尺寸及精度为φ（28±0.075）mm；销孔圆柱度为0.00125mm；表面粗糙度Ra0.125μm；两销孔同轴度误差，在最大实体状态时为零；销孔轴心线对裙部轴心线垂直度为100：0.035；这些参数超差会使活塞销与活塞孔配合不正常，破坏活塞、活塞销、连杆的正确装配位置，不能保证正常的润滑，并产生不正常磨损。4．裙部保留有0.2mm，深0.008mm~0.016m5．为了改善活塞的机械加工性能，在活塞的制造过程中对销孔尺寸、外圆尺寸和重量分别进行分组，然后按装配工艺要求进行分组装配。2工艺规程设计2.1活塞的毛坯材料及制造方法活塞的材料除少数采用铸铁外，大部分采用导热系数高、热膨胀系数较底的硅铝合金。为了增加其刚性、隔热性和避免环槽早期磨损，也有在其头部或裙部铸有钢护圈、铸铁圈或钢片，这类活塞称为双金属活塞。铝活塞除了导热性能好外，还具有重量轻、易加工等特点。所以目前中小型发动机的活塞大部分采用铝合金材料。由于铝合金和铸铁材料的不同，造成线膨胀系数不一样，亦可能出现广泛选用铸铁活塞的趋势，用以取代铝活塞。一般的铝活塞大多采用金属模浇铸，这样不仅可以获得较高精度的毛坯，减少机械加工余量，同时还可以保证活塞间较小的重量差。2.2定位基准的选择由于毛坯的精度较高，所以毛坯的外表面、内圆及顶面可直接作为粗基准，如粗车外圆、环槽、顶部、裙部及端面。由于液态模锻后的毛坯内孔与外圆的同轴度及内孔、外圆对内顶面的垂直度误差均较小，因此，车削后顶部及裙部的壁厚均匀，可为以后的半精加工及精加工留有较均匀的余量。活塞属薄壁筒形零件，径向刚度很差，而主要表面尺寸精度及个主要表面之间的位置精度要求又较高，所以在产品设计时就针对活塞的结构特点，设计了专供加工时定位用的辅助精基准——止口内孔及端面。在回油槽、外圆、环槽、顶面等加工时，就采用了该精基准定位。这不仅符合“基准统一”和“工序集中”原则，而且便于轴向夹紧，可采用一套夹具即可。但以此作为精基准不仅不符合“基准重合”原则，而且还为此增加了工序和设备。由于活塞销孔沿活塞轴线方向位置尺寸的设计基准是顶面，所以精镗削孔时以顶面为轴向定位基准，而止口的精加工以顶面为定位基准，这样可以减少因基准不重合而产生的定位误差。在钻、扩销孔时采用了以销座外端作为角向定位基面。这是因为若采用销孔自定位，定位元件不易布置，夹具结构复杂。而由于活塞毛坯精度较高，以此作为角定位可以满足加工要求。在镗、滚挤销孔时，以销孔为角向定位基准，遵循了“自为基准”原则，使加工余量均匀，容易保证精度要求。2.3制定工艺路线2.3.1工艺路线方案一：1．钻活塞销孔使用设备：Z148组合机床2．铣两侧销座凹坑80618专用机床3．粗车外圆、环槽、裙部及端面504680四轴数控车床4．粗车定位止口C2-112车床5．铣回油槽ZF041活塞专用铣床6．扩活塞销孔Z149组合机床7．钻销座油孔4023抬钻8．去毛刺9．粗精镗活塞销孔T617A卧式铣镗床10．销孔内侧倒角80226专用机床11．车削孔锁环槽C2-115车床12．精车止口504690二轴数控车床13．车外圆、环槽、环岸及倒角504700三轴数控车床14．滚挤活塞销孔ZA125立式钻床15．去毛刺16．清洗吹净活塞DTX40-I-G通过式清洗床17．终检18．装配前裙部分组尺寸复检2.3.2工艺路线方案二：1．粗车底面止口使用设备：C2-112车床2．粗镗活塞销孔T617A卧式铣镗床3．粗车顶面，外圆及环槽504680四轴数控车床4．精车下端面，内止口504690二轴数控车床5．精车环槽、外圆面、顶面504700三轴数控车床6．精车燃烧室C2-115车床7．铣裙部圆弧ZF041活塞专用铣床8．精细镗活塞销孔JL6静压镗床9．车锁环槽504700三轴数控车床10．液压销孔液压销孔车床11．精磨裙部外圆仿型磨床12．清洗吹净活塞DTX40-I-G通过式清洗床13．终检14．装配前裙部分组尺寸复检2.3.3工艺方案的比较与分析上述两个工艺方案的特点在于：方案一是先钻销孔，再车定位止口，然后以此为基准加工活塞；而方案二是直接粗车止口，然后镗销孔加工活塞；从工艺路线上分析两套方案都可行，但经比较可见，第一套方案更具体，更适合活塞的批量生产。2.4机械加工余量及工序尺寸本设计主要以《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确定如下：（1）外圆的加工:外圆加工为粗～精车,根据其尺寸选精车加工余量为0.3mm,粗车加工余量为3.7mm。金刚石车裙部椭圆时长短轴之差为。（2）端面的加工:端面的加工:端面的加工采用一次性加工。机械加工余量则选为1.0mm。（3）止口的加工:止口采用粗～精车加工，精车加工余量为0.3mm，粗车加工余量为1.2mm。（4）销孔的加工:销孔的最终加工为滚压，故根据其尺寸选其加工余量为0.10mm，滚压前的精镗的加工余量可选为0.20mm，而粗镗双边加工余量可选为2.7mm。（5）直油孔和斜油孔的加工:它们的加工方法都是钻,加工余量直接由它的孔径来决定。（6）环槽的加工:对环槽的加工采用粗～精车加工，根据零件和毛坯的尺寸确定其总加工余量为12.79mm，粗车余量为12.69mm,精车余量为0.3mm。（7）顶面的加工：顶面加工路线为粗车—铣气门内、外槽，根据零件和毛坯的尺寸确定其总加工余量为14.17mm，粗车加工余量为3.17mm,粗铣加工余量均为11.0mm。（8）销孔卡环槽的加工：销孔卡环槽在精镗销孔后一次性车削完成，加工余量为4.8mm。以上对于加工余量的确定只是初步确定,还有待进一步的检验与修正。2.5切削用量的选择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)活塞外圆的车削加工：a.已知条件：工件材料ZL101,金属型铸造，时效处理，＝202MPa。加工要求：外圆车削，表面粗糙度Ra＝0.4μm,使用机床：CA6140b.确定粗加工时的切削用量：（1）确定切削深度计算可得单边总余量＝4.0/2＝2.0mm,留0.15mm作为半精车余量，取粗车切削深度＝1.85mm。（2）确定进给量由《机械加工工艺手册》可查得＝0.8~1.2mm/r，初步选定＝1.0mm/r。（3）确定切削速度由《机械加工工艺手册》可查得＝1.667~4.667m/s，取＝2.0m/s。（4）确定主轴转速由公式＝π/1000即π×132.3×/1000＝2.0，得＝4.81r/s，根据机床说明书，取n＝5.0r/s,此时切削速度为V＝πdn/1000＝π×132.3×5.0/1000＝2.08m/s。c．校核机床功率由《机械加工工艺手册》可查得切削力的公式及相关数据。（1）主切削力：(5)代入相关数据可求得＝1953(N)（2）切削功率：＝×＝1953×2.08＝4062(kw)＝4.06(kw)由机床说明书查得，机床电机功率PN=7.5(kw),取机床传动效率η=0.8时：＝4.06≤×0.8＝7.5×0.8＝6(kw)所以机床功率足够，最后选定粗车的切削用量为＝0.625mm，＝1.0mm/r，＝2.08m/s。同理可算得，精车时的切削用量为＝0.15mm，＝0.5mm/r，＝1.66m/s。车床转速＝4.0r/s。同理可算得其它表面加工的切削用量如表8所示。表8切削用量及工时定额表工序号工序名称切削深度ap（mm）进给量f（mm/r）切削速度v（m/s）车床转速（r/s）基本时间Tj（s）工序时间Tg（s）1金属型铸造20.023.62铣浇冒口11.013.03时效处理8h9h5粗车外圆1.851.02.085.030.034.94粗车止口、端面0.61.061.694.04.56.05.07.05.86粗镗销孔511.07.68.97粗切外圆环槽、顶面0.350.620.621.51.511.013.08钻直油孔515.03.74.49钻斜油孔515.05.05.910去内腔毛刺1011.811精车止口，打中心孔32.514.617.217.212精车外圆、环槽并倒角26.01.518.410.721.712.613精镗销孔0.11.01.710.011.013.014切卡环槽35.02.12.515车椭圆裙部1.215.015.017.716铣气门内槽92.015.318.017铣气门外槽9.02.00.30.621.520.424.118镀锡、打字10.011.819滚压销孔0.050.350.720清洗6.07.021成品检验5.05.922分组包装5.05.92.6工序时间的计算所谓时间定额是指在一定条件下完成一道工序所需要消耗的时间。它是安排作业计划、进行成本核算、确定设备数量、人员编制以及规划生产面积的重要依据。时间定额订的过紧，容易导致忽视产品质量的倾向，或者会影响工人的主动性、创造性和积极性。时间定额订的过松又起不到指导生产和促进生产发展的积极作用。因此合理的制订时间定额对保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本都是十分重要的。（1）工时定额的基本组成单件工时定额由下列公式组成：(6)式中：—基本时间，对机床加工工序来说，就是机动时间。它是直接改变生产对象的形状、尺寸、表面质量等消耗的时间。—铺助时间，为保证基本时间的完成进行的辅助动作所消耗的时间。如装卸工件、操作机床、测量、改变切削用量等。可从有关表格中查取，也可按估算；—工作地点的服务时间，如调整和更换刀具、修砂轮、润滑檫试机床，清除切屑等。一般可按（0.02～0.07）×（）计算；—休息时间，可按0.02×（）计算；—准备终结时间，成批生产时间，每加工一批之前工人要熟悉工艺文件、领取毛坯、领取和安装工艺装备、调整机床等，加工终了时拆下和归还工装，送成品等。在大批量生产中，每个工作地点常期固定完成一道工序内容，故单件定额中不计入；基本时间和工序时间之和称为工序时间，以表示。即：(7)（2）现在根据技术时间定额的组成确定工序的时间定额a、工序四基本时间(8)(9)代入数据得＝30.0(s)其中：—刀具的行程长度（mm）；—主轴每转刀具的进给量（mm/r）；—进给次数；—机床主轴每分钟转数（r/min）；—加工长度（mm）；—刀具的切入尺寸（mm）；—刀具的切出尺寸（mm）；—试切附加长度（mm）。辅助时间：辅助时间按估算,在这里取系数为0.18。则工序时间为带入数据可得＝35.4(s)b、工序五中端面的加工基本时间带入数据得=5.0(s)其中：——端面外径（mm）——端面内径（mm）辅助时间按估算在这里取系数为0.17则工序时间为带入数据可得＝5.8(s)把将所有工序切削用量和工时定额如表8。单个活塞的加工时间定额：(10)其中工作地点的服务时间Tw系数取0.05，由于本设计为大批量生产，准备终结时间Tk不考虑，则＝（1＋0.02＋0.05）×9.083＝9.719(h)机械加工工艺过程卡片新疆大学加工工艺卡片产品型号产品名称CA6102活塞零件名称零件图号数量材料名称材料规格mm毛料重量kg活塞A24000ZL101112+（-）0.9-99+（-）0.81023g序号工序名称工序内容设备名称1钻削钻活塞销孔φ22.9钻床2铣削铣两侧销座凹坑铣床3车削粗车外圆、环槽、裙部及端面车床4车削粗车定位止口车床5铣削铣回油槽铣床6车削扩活塞销孔车床7钻削钻销座油孔钻床8钳工去毛刺9镗削粗精镗活塞销孔镗床10磨削销孔内侧倒角磨床11车削车削孔锁环槽车床12车削精车止口车床13车削车外圆、环槽、环岸及倒角车床14钻削滚挤活塞销孔钻床15钳工去毛刺16磨工磨削拨叉脚两端面磨床17清洗吹净活塞18终检编制标准化校对会签更改单号更改标记更改处数更改人更改日期审核批准机械加工工序卡片机械加工工序卡片产品型号CA6102产品名称零件名称活塞工序号工序名称材料名称02ZL101毛坯种类每毛坯可制件数每台件数铸件11设备名称设备型号同时加工件数1工步号工步内容工艺设备2粗精镗削孔T167A卧式镗床设计（日期）签字3专用夹具设计为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。这里的夹具为铣工件的专用夹具，φ10的刀头。3.1设计主旨本夹具主要用来铣活塞凹坑，且有一定的技术要求。但加工本道工序时，采用销孔定位。因此，主要应该考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度，同时还要达到要求的精度。3.2夹具的设计3.2.1定位基准的选择由零件图可知，凹坑定位基准为销孔中心，活塞圆柱表面的圆跳度为0.1mm,由于毛坯的精度较高，所以毛坯的外表面、内圆及顶面可直接作为粗基准，立式铣床，用顶尖定位，夹紧。3.2.2定位误差分析（1）定位元件尺寸及公差的确定。本夹具的主要定位元件为一定位销，定位销与夹具体上相应的孔采用过赢配合且能保证零件的公差要求，即为：定位销A22f725GBJB/T8014.2—1999（2）顶尖定位。由于活塞的圆柱表面不是均匀的大小，所以顶尖的定位对活塞表面的夹紧会产生相应的误差。3.2.3定位误差分析计算 机械加工过程中，产生加工误差的因素很多。在这些因素中，有一项因素与机床夹具有关。使用夹具是，加工表面的位置误差与夹具在机床上的对定及工件在夹具中的定位密切相关。为了满足工序的加工要求，必须使工序中各项加工误差之和等于或小于该工序所规定的工序公差。（4-2-1）式中：——与机床夹具有关的加工误差；——与工序中除夹具外其他因素有关的误差；——工序公差。与机床夹具有关的加工误差，一般可用下式表示（4-2-2）式中：——夹具相对于机床成形运动的位置误差；——夹具相对于刀具位置的误差；——工件在夹具中的定位误差；——工件在夹具中被夹紧时产生的夹紧误差；——夹具磨损所造成的加工误差。由式（4-2-1）可知，使用夹具加工工件时，应尽量减少与夹具有关的加工误差，在保证工序加工要求情况下，留给加工过程中其他误差因素的比例大一些，以便较易控制加工误差。由（4-2-2）式可知，正确地计算出工件在夹具中的定位误差和减小其他各项误差，是设计夹具时提高精度的关键所在。下面计算一下定位误差，其他各项暂不考虑。止口盘为平面定位方式，则（4-2-3）