CA6110型铝活塞的机械加工工艺设计及夹具设计

目目 录录 第一章 活塞的技术要求-2 第二章 活塞的加工-5 2-1 生产类型的确定-5 2-2 毛坯的分析-5 2-3 制定工艺路线-7 2-4 确定加工余量-16 2-5 确定各工序的工艺装备-20 2-6 确定切削用量-25 2-7 工序时间的确定-28 第三章 钻油孔夹具设计-32 3-1 工件的定位方案-32 3-2 工件的夹紧方案-33 3-3 夹具其它装置的设计-34 3-4 钻油孔夹具的工作原理-35 第四章 铣气门夹具设计-37 4-1 基本概念-37 4-2 工件的定位方案-37 4-3 工件的夹紧方案-38 4-4 分度装置设计-41 4-5 夹具体的设计-43 4-6 铣气门夹具的工作原理-44 结束语 -46 参考文献-47 2 第一章第一章 活塞的技术要求活塞的技术要求 一一 、活塞的结构组成、活塞的结构组成 在发动机汽缸内，活塞在一部分工作循环压缩气体，而在另一部分工作循环，汽缸内的混合气 体燃烧膨胀，活塞承受高温气体的压力，并把压力通过活塞销、连杆传给曲轴。可见活塞是在高 温高压下工作长时间变负荷的往复运动，活塞的结构就要适应这样的工作条件。 图 1 表示一个铝活塞.弧面 1 称为活塞的曲顶面,它承受气体的压力,并受到高温气体的直接作 用.四个圆环形的槽 2,3,4 称为环槽,其中 4 的两个环槽称为气环槽,在气环槽中放置有弹性的活塞 环,用以密封活塞顶面以上的燃烧室;2,3 分别为矩形槽和梯形槽,在油环槽中放置油环(或称刮油 环),它把飞溅到汽缸套内壁上的多余润滑油刮去,使油从油环槽的小孔 5 中流回曲轴箱. 包刮曲顶 面和油环在内的部分 6 称为活塞头部,其余部分 7 称为活塞裙部,在活塞工作过程起到向作用.活塞 中间的贯穿孔 9 称为活塞销孔.图中 10 是一个短圆柱面和圆锥面的组合,通常称为止口,它是专门 为加工活塞而设置的铺助精基面.在结构上和功能上没有作用.镶嵌环 11 为高镍铸铁，作用是提高 活塞该部位的强度和耐磨性，提高活塞的气密性和寿命。 3 2 4 5 6 9 10 7 图1 8 3 图2 图3 活塞在工作过程中将产生受力变形和热变形.如图 2 所示,活塞的曲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,在销孔轴线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,活塞顶部与高温气体接触,热量通过活塞顶部传到活塞裙部, 温度升高产生变形. 由于活塞裙部圆周上金属分布不均匀，销孔轴线方向金属厚，热膨胀量大；垂直于销孔轴线 发向热膨胀量小。从而使活塞裙部由于热变成椭圆，如图 3 的虚线所示。 所以无论是受力变形或热变形都使原来的圆柱形的裙部变成椭圆形，椭圆的长轴在活塞的销 孔的轴心线方向上。这样，比然使活塞与汽缸的间隙不均匀地减少甚至消失，以至于发生强烈的 磨损甚至咬住。为了补偿上述变形，由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，并在活塞裙部的销孔附近铸出两块凹吭，增加裙部与汽缸内壁的间隙。椭圆 度的大小随活塞的型号不同。C6110 活塞上，椭圆的长轴和短轴要控制在离圆位置 5以内，相互 位置误差在 5以内。 此外，活塞工作时，顶面和高温气体直接接触，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。为了补偿这种不均匀的热变形，把活塞头部的外径设计的比裙 部小，同时活塞裙部也设计成上小下大的锥形。C6110 型柴油机活塞裙部的锥度是 0.020.05mm。 为了减少向裙部传导的热量，在活塞上铣有横槽，以减少向下传热的面积。在活塞上还铣有 纵向槽（稍斜）以增加活塞裙部的弹性（横向槽也有类似作用）。为了活塞的气密性和耐磨性， 增加其寿命，在下气环槽镶嵌一高镍铸铁环。使铸铁的热膨胀系数更接近 ZL109，以便满足零件 要求。 活塞销孔内装活塞销与连杆小头孔相连接。为了使活塞销的磨损均匀，在工作温度下，应使 活塞销在活塞孔及连杆小头衬套孔中能自由转动，即所谓“浮动式”活塞销。为了避免活塞销在 工作过程中轴向窜动，在锁环槽中装有锁环。 二、活塞的一般技术要求二、活塞的一般技术要求 由于铝活塞的技术条件已由国家科技委员会制定了国家标准，对个部分的尺寸公差、形状和 4 位置公差以及表面粗糙度均作了详细的规定，现根据 JB393185 标准摘要说明如下： （1） 、活塞裙部外圆要求与气缸很精密的配合，因为裙部外圆尺寸公差一般为 IT6，对于高速 内燃机的活塞甚至要达 IT5。为了减少机械加工的困难，将活塞裙部和气缸套孔径的制造公差均 放大三倍，装配时将活塞按裙部尺寸分寸三组，气缸套按孔径尺寸分成三组，将对应的组进行装 配，以保证达到要求的间隙。裙部的椭圆度和锥度公差在分组尺寸公差范围内。裙部外圆粗糙度 0.4um。Ra （2） 、对于浮动式活塞销孔，为了使活塞销在工作过程中能在孔中自由转动，销孔尺寸公差 IT6 级以上。为了减少机械加工工作量，活塞销孔和活塞销的装配也采用分组装配法，销孔的圆 度不大于 0.001mm，圆柱度不大于 0.06mm。销孔内圆表面粗糙度0.2 a Rum （3） 、活塞的销孔的位置公差也有一定要求，主要是： 1） 、销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比，即影响发动机的效率，因此必须控制在一 定的范围内。对于 C6110 活塞这一距离为 1020.08mm。 2） 、销孔轴心线到裙部轴心线的垂直度影响活塞销、销孔和连杆的受力情况。垂直度误差过 大将使活塞销、销孔和连杆单侧受力，活塞在气缸套中倾斜，加剧了磨损。对于 C6110 活塞。这 一垂直度在 25.4mm 长度上公差为 0.014mm。 3） 、销孔轴心线在裙部轴心线的对称度误差也会引起不均匀磨损。对于 C6110 活塞，规定对 称度公差为 0.13mm 。 （4） 、为了使活塞患能随气缸套孔径的大小的变化而自由地膨胀，对活塞环槽作下列规定： 1） 、活塞环槽平面母线对裙部轴线的垂直度： 环槽呈碟形向上倾斜时不大于 25：0.07； 环槽呈伞形向下倾斜时不大于 25：0.03。 2） 、活塞环槽平面对裙部轴线圆跳动不大于 0.05mm。 3） 、活塞环槽底径对裙部轴线圆跳动不大于 0.15mm。 4） 、活塞环槽上下面平面的粗糙度 Ra0.4um （5） 、为了保证发动机运转平稳，同一发动机个活塞的重量不应相差很大。对于 C6110 型柴油 机活塞，重量差不得大于活塞名义重量的2.5%。活塞应按重量分组装配。 5 第二章第二章活塞的加工活塞的加工 2-12-1 生产类型的确定生产类型的确定 生产类型是企业生产专业化程度的分类，一般分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型。 其中成批生产又可以分为大批生产、中批生产和小批生产。如果从工艺特点方面来看单件生产其 产品数量少，每年产品的种类、规格较多，是根据定货单位的要求确定的，多数产品只能单个生 产，大多数工作地的加工对象是经常改变的，很少重复。成批生产其产品数量较多，每年产品的 结构和规格可以预先确定，而且在某一段时间里是比较固定的，生产可以分批进行，大部分工作 地的加工对象是周期轮换的。大量生产其产品数量很大，产品的结构和规格比较固定，产品生产 可以连续进行，大部分工作地的加工对象是单一不变的。因此生产类型的确定，对于工艺规程的 制定是非常重要的。显然，产量愈大，生产专业化程度应该愈高。但生产类型的划分一方面要考 虑生产纲领即年产量；另一方面还必须考虑产品本身的大小和结构的复杂性。下面对该 C6110 活 塞的生产类型确定如下： N=Qn（1+a%）（1+b%） 式中 N-零件的年生产纲领 （件/年） Q-产品的年生产纲领 40 万台/年 n-每台产品中含该零件的数量 1 件/台 a-备品率 一般而言，以上的备品率根据易磨损和损坏的程度定为 3%-5%。现取 4%。 b-废品率 由于属于机械零件，故取为 1%。 则 N=40（1+4%）（1+1%） =401.05 =42 万台 另一方面由于本产品属于轻型机械，且生产纲领为 42 万台，远远大于 5 万台。所以 C6110 活塞的 生产类型属于大量生产。 2-22-2 毛坯的分析毛坯的分析 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、毛坯的误差与毛坯 的余量有关。应慎重对待。 一、材料：一、材料： 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. 6 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. 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; 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。 二、毛坯的选择二、毛坯的选择 1、应考虑的因素包括： （1） 、生产批量 （2） 、零件的结构形状和尺寸大小 （3） 、零件的力学性能 （4） 、工厂现有设备和技术水平 （5） 、技术经济性 主要依据一般是零件在产品中的作用和生产纲领以及零件本身的结构。 2、从生产批量来看： 此零件属于大批量生产，宜采用精度和生产率高的毛坯制造方法，以减少材料消耗和机械加 工工作量。可考虑用金属铸造、熔模铸造、模锻、精锻等方法获得毛坯。 3、从零件的结构来看： 由于此零件属于外形较复杂的小型零件，而且它的壁厚不算薄。故可以考虑采用压铸、金属 铸造、熔模铸造等精密铸造方法。同时可以减少切削加工或不进行切削加工。 4、从毛坯的制造方法来看： 毛坯的制造方法应与材料的制造工艺性相适应。故铸铁、铸钢、铸铝和铸铜等有色金属材料 适合用铸造方法获得毛坯。 5、从铸铝件的强度来看： 从铸铝件的强度来看可以考虑采用金属型铸造的铸件、金属型浇注的铸件、砂型浇注的铸件。 且强度依次递减,毛坯质量依次降低.故从以上可以看到该活塞毛坯可以采用金属型铸造。 金属型铸造则适用于成批大量生产、以锌合金、铝合金、镁合金以及铜合金为主的中小型形 状复杂不进行热处理的非铁合金的零件。也可用于铸钢、铸铁的厚壁、简单或中等复杂的中小铸 7 件。对于这些材料则金属型铸造（浇铸）更为合适 6、从工厂现有设备和技术水平来看： 从这一方面来看，金属型浇铸也是可以考虑的。 7、从经济合理性来看： 零件最大的外轮廓尺寸小于 160mm，且复杂程度属于中等，生产类型属于大量生产，故金属 型或压力铸造均适合，但在成批生产下金属型铸造比较合适。 综上所述，该活塞零件的材料选用 ZL109，毛坯采用金属型铸造。 三、毛坯的机械加工余量三、毛坯的机械加工余量 由简明机械加工工艺手册表 10-6 查得：金属型铸件的尺寸公差等级为 68。故查表 10- 13 可查得： 1、外圆的加工余量为 4mm。 2、销孔的加工余量为 3mm。 其它表面基本为一次性加工，故加工余量由零件尺寸决定。 2-32-3 制定工艺路线制定工艺路线 这是制订机械加工工艺规程的核心。其主要内容有： 1、选择定位基准 2、确定加工方法 3、安排加工次序 4、安排热处理、检验 5、安排其它工序 机械加工工艺路线的最终确定，一般要通过一定范围的论证，即通过对几条工艺路线的分析 与比较，从中选出一条适合本厂条件的、确保加工质量、高效和低成本的最佳工艺路线。下面将 从以上几个方面来确定 C6110 型活塞的机械加工工艺路线。 一、基准的选择一、基准的选择 基准是机械制造中应用得十分广泛的一个概念，是用来确定生产对象上几何要素之间的几何 关系所依据的那些点、线或面。机械产品从设计、制造到出厂经常要遇到基准问题：设计时零件 尺寸的标注、制造时工件的定位、检查时尺寸的测量以及装配时零、部件的装配位置等都要用到 基准的概念。 基准一般包括： 1、设计基准： 设计者在设计零件时，根据零件在装配结构中的装配关系以及零件本身结构要素之间的相互位 置关系，确定标注尺寸（或角度）的起始位置。简言之，设计图样上所采用的基准就是设计基准。 2、工艺基准： 8 零件在加工、测量和装配过程中所采用的基准称为工艺基准。它又可以分为： （1） 、定位基准：加工时用于工件的定位的基准。它又可分为粗基准、精基准。另外还有附加 基准。其中粗基准是未经机械加工的定位基准。反之经过机械加工的定位基准称为精基准。而附 加基准是指零件上根据零件机械加工工艺需要而专门设计的定位基准。 （2） 、测量基准：在加工过程中或加工后用来测量工件的形状、位置和尺寸误差所采用的基准。 （3） 、装配基准：在装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准。 在这里主要考虑定位基准的选择，而测量基准、装配基准则在后面的设计中进行选择。 3、定位基准的选择 （1） 、一般原则 1） 、选最大尺寸的表面为安装面，选最长距离的表面为导向面，选最小尺寸的表面为支承面。 2） 、首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度。 3） 、应尽量选择零件的主要表面为定位基准。 4） 、定位基准应有利于夹紧，在加工过程中稳定可靠。 下面根据以上一般原则分别进行粗基准和精基准的选择。 （2） 、粗基准的选择： 粗基准的选择除了应考虑以上的一般原则外，还必须考虑以下几个原则： 1） 、选加工余量小的、较准确的、光洁的、面积较大的毛面做粗基准。 2） 、选重要表面为粗基准。 3） 、选不加工的表面做粗基准。 4） 、粗基准一般只能使用一次。 上述的选择粗基准的四条原则，每一条都只能说明一个方面的问题。综合以上各个原则并考 虑零件的实际情况选择如下： 粗基准一般都是为了加工出精基准，而在活塞零件加工中,为了提高零件的生产精度,在以活 塞毛坯内腔为粗基准加工完外圆和端面后,在以外圆为基准加工精基准止口.因为粗车后的外圆面 是加工余量小、较准确的、光洁的、面积较大的平面，而且它也是一个重要的表面，它的余量比 较均匀。 （3） 、精基准的选择： 和粗基准一样，精基准的选择除了要考虑一般原则外，还有它自身应当注意的原则： 1） 、基准重合原则：也就是选设计基准为定位基准。 2） 、基准统一原则：也就是在零件的加工过程中，采取统一的基准。 3） 、互为基准原则：也就是对某些位置精度要求很高的零件，通常采用互为基准、反复加工 的原则。 4） 、自为基准原则：也就是以加工表面本身定位，待到夹紧以后将定位元件移去，再进行加 工。这样可以使得面的加工达到很高的精度。 9 那么根据以上的各个原则，结合实际情况对精基准的选择如下： 活塞是一个薄壁零件,在外力作用下很容易产生变形.活塞主要表面的尺寸精度和形位精度的 要求都很高,因此希望以一个统一基面定位来加工这些要求高的表面.目前生产活塞的工厂大多采 用止口和端面做为统一基准.在精加工时,除精车外圆用止口处的锥面和顶面上的中心孔定位,其余 工序都采用止口和端面定位。 采用止口和端面（或锥面和中心孔）作为基面有下列优点： （1） 、用这种定位方法可以加工裙部、头部、顶面、销孔等主要表面及其他次要表面。 （2） 、活塞裙部在半径方向的刚性差，利用止口和端面（或锥面和中心孔）定位可以沿活塞轴 向夹紧，就不致引起严重的变形，从而可以进行多刀切削。 二、加工方法的确定及工序的安排二、加工方法的确定及工序的安排 零件表面的加工方法，首先取决于加工表面的技术要求。这些技术要求还包括由于基准不重 合而提高对某些表面的加工要求。根据各加工表面的技术要求，首先选择能保证该要求的最终加 工方法，然后确定各工序、工步的加工方法。 选择加工方法应考虑每种加工方法的加工经济精度范围、材料的性质及可加工性；工件的结 构形状和尺寸大小；生产率要求；工厂或车间的现有设备与技术条件。下面将从以上各个方面与 以考虑并最终确定加工方法。 （一） 、加工经济精度： 各种加工方法所能达到的加工经济精度和表面粗糙度都是在一定的范围内的。任何一种加工 方法只要精心操作、细心调整、选择合适的切削用量，其加工经济精度就可以得到提高，其加工 表面粗糙度值就可以减少。但是加工经济精度提高得愈高，表面粗糙度值减少得愈小，则所消耗 的时间与成本也会愈大。 生产上加工经济精度的高低是用其可以控制的加工误差的大小来表示的。加工误差小，则加 工精度高；加工误差大，则加工精度低。一般来说，加工误差和加工成本之间成反比例关系。 可以看出：对一种加工方法来说，加工误差小到一定程度，加工成本提高很多，加工误差却 降低得很少；加工误差大到一定程度以后，即使加工误差增大很，加工成本降低得很少。 因此所谓加工经济精度是指在正常加工条件下所能保证的加工精度和表面粗糙度。 （二） 、材料的性质及可加工性： 本零件的材料采用 ZL109，它的化学成分是:Si46%,Cu58%,Mg0.20.5%,Fe1%,其余为 Al。 这种材料的工艺性能如下： 1、切削性能：ZL109 的硬度为 100HB，为易切削材料。 2、热处理性能： 铝活塞毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因 冷却不均匀而产生的内应力。时效处理是将活塞加热至 180200，保温 68h 后，自然冷却， 活塞经过时效处理后能增加强度和硬度。 （三） 、工件的结构形状和尺寸大小： 本活塞零件属于结构形状并不十分复杂，而尺寸也不很大的零件，因而起来也不是和困难的。 10 （四） 、生产率的要求： 本活塞零件的生产类型属于大批大量生产。因而对生产率要求就相对的比较高。 （五） 、综合以上几点，再考虑工厂的工艺能力和现有设备的加工经济精度，查机械加工工 艺手册表 5.2-6、5.2-8 对本零件的加工方法拟订如下： 1、对于活塞零件外圆的加工 由于活塞外圆的精度要求为 IT6，材料为 ZL109，这样对于活塞外圆的加工可以考虑选用：粗 车半精车精车，这样可以达到的粗糙度为 Ra=0.60.1um。 2、对于活塞端平面的加工： 由于条件是端面的精度要求为 IT8 级、材料为 ZL109，故可采用一次车削完成，这样能达到 的精度等级为 IT810，粗糙度为 Ra=3.21.6um 满足要求。 3、对于活塞止口的加工： 由于这个部分表面是为了加工出精基准而加工的，粗糙度要求不是很高，为 Ra1.6um，精 度要求为 IT6，故可采用两次车削完成，即采用粗车精车的加工方法,这样能达到的精度等级 为 IT86，粗糙度为=3.21.6um 满足要求。 a R 4、对于活塞销孔的加工： 由于该孔的表面的精度要求为 IT6，要求较高，又是对于孔的加工，故可考虑采用：粗镗 精镗细镗，这样可以达到的精度等级为 IT68，粗糙度为 Ra=0.10.6um 满足要求。 5、对于活塞斜油孔的加工： 这个圆孔的表面粗糙度也为 Ra 小于等于 12.5m，对于它的也精度要求也不高，性质它的孔 径也小于 20mm，故它的加工方法也可以考虑采用钻来实现，精度也为 IT11-IT12。 6、对于活塞直油孔的加工：这个圆孔的表面粗糙度也为 Ra 小于等于 12.5m，对于它的也 精度要求也不高，性质它的孔径也小于 20mm，故它的加工方法也可以考虑采用钻来实现，精度也 为 IT11-IT12。 7、对于活塞油环槽的加工： 在这里只它的位置精度要求较高，而尺寸精度要求也不是很高，故可以考虑采用直接车削完 成。精度等级为 IT810，粗糙度为 Ra=3.20.8um 满足要求。 8、对于活塞油环环岸及倒角的加工： 在这里只它的位置精度要求较高，而尺寸精度要求也不是很高，故可以考虑采用直接车削完 成。精度等级为 IT810，粗糙度为 Ra=3.20.8um 满足要求。 9、对于活塞梯形槽的加工： 在这里只它的位置精度要求较高，而尺寸精度要求也不是很高，故仍可以考虑采用直接车削 完成。精度等级为 IT810，粗糙度为 Ra=3.20.8um 满足要求 10、对于活塞头部外圆的加工： 这个部分的精度要求为 IT810，而外圆开始已经进行一次粗车，故可以用一次半精车就可 11 以达到要求，这样可以达到的精度等级为 IT68，粗糙度为 Ra=0.10.6um 满足要求。 11、对于活塞镶圈槽、的加工： 在这里只它们的位置精度要求较高，而尺寸精度要求也都不是很高，故仍可以考虑采用直接 车削完成。精度等级为 IT810，粗糙度为 Ra=3.20.8um 满足要求 12、对镶圈槽槽底的加工： 因为前面已经对镶圈槽进行过一次加工了，在这里对槽底的修复加工只要进行一次精车就行 了，这样可以达到的粗糙度为 Ra=0.60.1um。满足要求。 13、对于活塞燃烧室的加工 ： 燃烧室的精度要求较高，它的加工余量也较大，所以可以考虑采用：粗车精车 这样能达到的精度要求为 IT67，粗糙度为 Ra=0.60.1um。满足要求 。 对其圆角的加工也是采用一次车削完成。 14、对于活塞气门内、外槽的加工： 在这里只它的位置精度要求较高，而尺寸精度要求也不是很高，故仍可以考虑采用直接一次 铣削完成。精度等级为 IT1112，粗糙度为 Ra=3.20.8um 满足要求 15、对于活塞销孔外端挡圈槽及其倒角的加工： 在这里只它的位置精度要求较高，而尺寸精度要求也不是很高，故仍可以考虑采用直接车削 完成。精度等级为 IT810，粗糙度为 Ra=3.20.8um 满足要求。 （六） 、加工阶段的划分 按加工性质和作用不同，工艺过程一般划分如下加工阶段：粗加工阶段；半精加工阶段；精 加工阶段；光整加工阶段。它们的主要工作与要求如下： 1、粗加工阶段：主要是去除各加工表面的余量，并作出精基准，因此这一阶段关键问题是提 高生产率。 2、半精加工阶段：在半精加工阶段减小粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度，为 精加工作好准备。 3、精加工阶段：在精加工阶段，应确保尺寸、形状和位置精度达到或基本达到图纸规定的精 度要求以及表面粗糙度。 4、精密、超精密加工、光整加工阶段：这是对那些要求很高的零件安排的，是为了达到零件 最终的精度要求。 一般情况下，若将加工表面从毛坯面开始到最终的精加工或精密加工都集中在一个工序中连 续完成，则难以保证零件的精度要求或浪费人力、物力资源。这是因为粗加工是切削层厚，切削 热量大，无法消除因热变形带来的加工误差，也无法消除因粗加工留在工件表层的残余应力产生 的加工误差；后续加工容易把已加工好的加工表面划伤；不利于合理地使用设备；不利于合理地 使用技术工人，让高技术工人完成粗加工任务是人力资源的一种浪费。 但是当加工质量要求不高，工件刚度足够，毛坯质量高，加工余量小，可以考虑一次性完成 加工。如自动机上加工的零件；装夹，运输不便的重型零件，在一次安装下完成粗加工和精加工， 但在粗加工后，重新以较小的夹紧力夹紧。而本零件对于外圆以及主要的销孔孔的加工质量要求 12 比较高，其余的加工质量要求并不很高，毛坯质量比较高，加工余量小，工件也是有足够的精度， 故除了外圆加工时安排了粗车，半精车，精车三个阶段。加工销孔时安排了粗镗，精镗和滚压三 个加工阶段。车燃烧室时安排了粗车和精车两个加工阶段。其余的均安排在一个性完成加工。 （七） 、机械加工顺序的安排： 按照以下的几个原则，也就是： （1） 、先加工基准面，再加工其它表面。 （2） 、一般情况下，先加工次要表面。 （3） 、先加工主要表面，后加工次要表面。 （4） 、先安排粗加工工序，后安排精加工工序。 将该活塞的工序进行安排，为了获得一条适合的、能确保加工质量、高效和低成本的最佳工 艺路线，本设计将通过两个方案的比较分析来最终确定一个最佳的方案。 1、方案一： （1） 、工艺过程 第一个工序：粗车外圆 第二个工序：车端面 第三个工序：车止口、打中心孔 第四个工序：粗镗销孔 第五个工序：半精车外圆 第六个工序：钻斜孔 第七个工序：钻直油孔 第八个工序：切油环槽 第九个工序：车油环槽环岸及其倒角 第十个工序：切梯形槽 第十一个工序：半精车头部外圆 第十二个工序：切镶圈槽 第十三个工序：切镶圈槽 第十四个工序：切镶圈槽槽底 第十五个工序：精车外圆 第十六个工序：粗车燃烧室 第十七个工序：粗车燃烧室圆角 第十八个工序：精车燃烧室 第十九个工序：铣气门内槽 第二十个工序：铣气门外槽 第二十一个工序：精镗销孔 第二十二个工序：车销孔外端挡圈及倒角 第二十三个工序：细镗销孔 13 图形见所附工艺过程卡片. （2） 、热处理工序及表面处理工序的安排： 铝合金热处理安排在机加工前。 （3） 、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，在本零件中外圆以及销孔的粗、精加工之后均安排一次检验工序，个个环 槽加工完后也要进行一次检验。在零件加工完毕后再安排一次检验工序。 切削加工之后，安排去毛刺的处理。零件表层或内部的毛刺，影响装配操作、装配质量以至 会影响整机性能，因此应给以充分的重视。 在工件进入装配之前，一般都应安排清洗。工件的内孔、壳体的内腔易存留切屑，清洗时应 给以特别注意。在工件加工完毕进入装配之前必须安排一次清洗的工序。 （4） 、工序的组合： 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。 因此考虑到本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，并看 到工序集中和工序分散的优缺点，本零件采用工序分散的原则，也就是每个工序所包含的内容不 多，所使用的工艺设备与装备比较简单，易于调整和掌握，同时有利于选用合理的切削用量，减 少基本时间。它的设备数量多，生产面积大，设备投资少，易于更换产品，比较适合本产品的加 工。 2、方案二： （1） 、工艺过程 第一个工序：粗车外圆、车端面 第二个工序：车止口、打中心孔 第三个工序：半精铰 第四个工序：半精车外圆 第五个工序：车油环槽及梯形槽 第六个工序：车油环槽环岸及其倒角 第七个工序：钻斜孔 14 第八个工序：钻直油孔 第九个工序：半精车头部外圆 第十个工序：车镶圈槽、 第十一个工序：车镶圈槽槽底 第十二个工序：精车外圆 第十三个工序：粗车燃烧室 第十四个工序：粗车燃烧室圆角 第十五个工序：精车燃烧室 第十六个工序：铣气门内槽 第十七个工序：铣气门外槽 第十八个工序：精铰 第十九个工序：车销孔外端挡圈及倒角 第二十个工序：细铰 热处理及其他的同方案一。 3、工艺方案的比较与技术经济分析： 本设计主要通过对以上两条工艺路线的分析与比较来选择一条最佳的工艺路线。以上两个工 艺方案中除了第一、第四、第十、第十八、第二十不太相同之外，其他的工序基本上是相同的。 因此对于这两个方案的分析与比较将从工艺方案的技术经济特性指标、工艺成本，技术经济对比 等各个方面进行。 （1） 、产品工艺方案技术特性主要指标： 1） 、劳动力消耗率：方案一与方案二相比，工时数与台时数比较多，生产率相对低，但 同时所达到的精度比较高 2） 、设备构成比：在这一方面，两个方案基本相同。 3） 、工艺装备系数：在这一方面，两个方案基本相同。 4） 、工艺过程的分散与集中程度：本产品属于大批大量生产，故第一个方案的分散集中 程度比较适中，而第二个工序则过于集中。 5） 、金属消耗量：两个方案基本相同。 6） 、占用生产面积数：两个方案基本相同。 （2） 、机械加工工艺过程技术特性指标： 机械加工工艺过程技术特性指标包括：出厂量、毛坯数量、制造毛坯所需金属质量、毛坯净 重、毛坯的成品率、设备总功率、专用夹具装备系数、量具装备系数、刀具装备系数、操作工人 的平均等级；钳工修整劳动量及其占机床工作量的比列；生产面积总数、总面积、平均每台机床 占用生产面积、平均每台机床占用总面积，对于这些指标，两个方案是相同或相近的。因而不于 分析。 另外还有机械加工工序总数、各类机床总数、专用夹具数量，这些第一个方案比第二个方案 要多一些。而机床负荷系数第一个方案要比第二个方案小，机动时间系数则比第二个方案大。 15 综合以上指标，并看到方案二的加工精度要高于方案一，但表面粗糙度也大于方案一，而方 案一的加工精度与表面粗糙度又是适中的。故相比之下，方案一要优于方案二。 （3） 、工艺成本的分析 表 1 零件成本的组成表 计量单位： 元 全年零件成本 全年工艺成本 Sn其它费用 全年可变费用 NV全年不变费用 Cn行政员的工资 Sc-每件材料费Stz-调整工人工资总务人员工资 Sz-每件机床工人工资Szz-专用机床折旧费办公费用 Sw-每件机床维持费Szdz-专用刀具折旧费厂房维持费 及折旧费 Stjz-每件通用机床折旧费Szjz-专用夹具折旧费照明费等 Sdz-每件刀具维持费及通用 刀具折旧费 运输费 Sjz 每件夹具维持费及通用夹 具折旧费 注:有些费用是随生产批量而变换的,如调整费、用于在制品占用资金等,一般情况 下不于单列. 零件的全年工艺成本: Sn=VNCn 式中 V-每件零件的可变费用, 元/件 N-零件的生产纲领, 件 Cn-全年的不变费用, 元 而单个零件的工艺成本应为: Sd=VCn/N 16 由于这两个工艺方案中只有少数工序不同,多数工序是相同的,故可以通过计算少数不同的工 序的单件成本来进行比较。 在这里选择第五个工序来进行计算并比较，其他的也都类似类似的计算。 对于第一个工序： Sp1=V1C1/N =NV1/NC1/N 其中 NV1=Sc1Sz1Sw1Stjz1Sdz1Sjz1 故 V1= Sc1Sz1Sw1Stjz1Sdz1Sjz1/N C1=Stz1Szz1Szdz1Szjz1 对于 Sp2=V2C2/N 同样有 V2= Sc2Sz2Sw2Sdz2Sjz2/N C2=Stz2Szz2Szdz2Szjz2 由于两个方案对于环槽及镶圈槽等的加工工不同在于一个采用的是车削，另一个采用的是铣 削。 故 Sp1Sp2= Sz1Sdz1Sjz1（Sz2Sdz2Sjz2） 其中 Sz=Tmz（1a/100）/60 式中 Tmz-单件时间 min Z-机床工人每小时工资 元/小时 a-与工资有关的杂费 元 在上面各量中取 a=13 Sjz=Cj（Pj1Pj2） 式中 Cj-夹具成本 元 Pj1-夹具折旧率 每年 33% Pj2-维护费折合百分数 取为 26% Sdz=（CpKcw）TmT（K1） 元/件 式中 Cp-刀具价格 元 T-刀具耐用度 min K-可重磨次数 Cw-每磨一次刀所花费用 元 代入数据： Sp1Sp2= Sz1Sjz1（Sz2Sjz2） 由于 Sz1Sz2 Sjz1Sjz2 所以有 Sp1Sp2 综合以上的分析比较可知：采用方案一相对的比较经济合理，故本设计将采用方案一。 2-42-4 确定加工余量确定加工余量 17 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 的材料层的厚度成为总余量。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。 一、加工余量的确定方法一、加工余量的确定方法 加工余量的确定通常有三种方法： （一） 、经验法：由有经验的工程技术人员或工人根据经验确定加工余量的大小。而由经验确 定的加工余量往往偏大。故这种方法多在单件小批生产中采用。 （二） 、分析计算法：采用这种方法是在影响因素清楚的情况下，可以获得比较准确的加工余 量。而要作到对余量影响因素清楚，必须具备一定的测量手段和掌握必要的统计分析资料。在掌 握了各个误差因素大小的条件下，才能进行余量的比较准确的计算。 （三） 、查表修正法：这种方法是以生产实践和试验研究材料制成的表格为依据，在查表应用 是结合加工实际情况进行修正来确定加工余量。 对于本设计加工余量的确定主要采用第三种方法。因为考虑到对于影响加工余量的个个误差 因素并不是很清楚，而且也没有一定的测量手段和掌握必要的统计分析资料，所以采用分析计算 法是不适合的。而经验法确定的加工余量又往往偏大，所以采用查表修正法是最适合的。 二、各工序的加工余量二、各工序的加工余量 本设计主要以表格简明机械加工工艺手册表 113-125 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，拟定如下： 在本设计中由于总加工余量已经在前面确定了,在这里不再重复.其它的确定如下 1、第一、第五及第十五个工序的加工: 外圆的最终加工为精车,故根据其尺寸选其加工余量为 0.25mm,而粗车后的半精车外圆,选其加 工余量为 0.7mm,粗车加工余量选为 1.25mm。 2、第二个工序的加工: 端面的加工:端面的加工是为了以后加工燃烧室，所以可以采用一次性加工。机械加工余量则 选为 8mm。 3、第三个工序的加工: 止口为一次性加工，单边加工余量为 0.7mm。 4、第四、第二十一及第二十三工序的加工: 销孔的最终加工为细镗，故根据其尺寸选其加工余量为 0.10mm，细镗前的精镗的加工余量可 选为 0.25mm，而粗镗的加工余量可选为 1.5mm。 5、第六个工序的加工: 这个工序的加工方法是钻,故它的加工余量直接由它的孔径来决定。 6、第七个工序的加工: 这也是一个钻的加工方法, 故它的加工余量也直接由它的孔径来决定。 7、第八个工序的加工: 对油环槽的加工是采用一次性铣削加工，故它的加工余量由零件和毛坯的尺寸决定，双边余 18 量为 12.87mm。 8、第九个工序的加工： 对这个位置的加工采用的是一次性加工，环岸的双边余量为 2.4mm。 9、第十个工序的加工: 对梯形槽的加工是采用一次性铣削加工，故它的加工余量由零件和毛坯的尺寸决定，双边余 量为 12.3mm 10、第十二个工序的加工: 对镶圈槽的加工也是采用一次性铣削加工，故它的加工余量由零件和毛坯的尺寸决定，双 边余量为 11.81mm 11、第十三个工序的加工： 对镶圈槽的加工仍是采用一次性铣削加工，故它的加工余量由零件和毛坯的尺寸决定，双 边余量为 12.07mm 12、第十四个工序的加工： 镶圈槽槽底的加工也是一次性加工，镶圈槽槽底的双边欲来年感为 1mm，镶圈槽槽底的双 边余量为 1.5mm。 13、第十六和十八个工序的加工： 燃烧室的最终加工采用精车，精车余量选为 0.48mm，粗车的加工余量 23mm。 14、第十九及第二十个工序的加工： 气门内、外槽的加工均采用一次性铣削加工，加工余量均为 7.44mm。 15、第二十个工序的加工： 销孔外端挡圈一次性车削完成，加工余量为 3.318mm。 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。 三、工序尺寸与公差的确定三、工序尺寸与公差的确定 （一）工序尺寸与公差的确定安排可按如下方法进行： 1、确定各加工工序的加工余量。 2、从终加工工序开始，即从设计尺开始，到第一道终加工工序，依次加上每次加工余量，可 分别得到各工序基本尺寸。 3、除终加工工序外，其它各加工工序按各自所采用加工方法的加工经济精度确定工序的尺寸 公差。 4、填写工序尺寸并按“人体原则”标注工序尺寸公差。 上面所说的“人体原则”是指对被包容尺寸（轴的外径，实体长、宽、高） ，其最大加工尺寸 就是基本尺寸，上偏差为零。对包容尺寸（孔的直径、槽的宽度） ，其最小加工尺寸就是基本尺寸， 下偏差为零。毛坯尺寸按双向或不对称偏差形式标注。 5、当工艺基准无法同设计基准重合等情况下，确定了工序余量后，需通过工艺尺寸链进行工 序尺寸和公差换算。 （二）具体的计算如下： 19 1、对外圆的加工： 半精车： 139.80.25140.05mm 粗车： 140.050.7140.75mm 毛坯: 140.751.25142mm 2、对销孔的加工： 精镗： 50.760.150.66mm 粗镗： 50.660.2450.42mm 把粗镗的加工余量休整为 1.42mm,则: 毛坯: 50.421.4249mm 3、对燃烧室的加工： 因为燃烧室的最后尺寸 136.020.09 不能直接测量，所以要通过尺寸链的换算 尺寸链 1 基本尺寸为：A0160.5136.0223.48mm 上偏差为： 012 ()()()0.28ES AES AEI A 下偏差为： 012 ()()()0.28EI AEI AES A 这样精车完全满足这样的精度要求。 其余的工序都是一次性加工，在这就不再一一计算. (三)公差的选择： 查简明机械加工工艺手册表 15-19 有： 1、外圆的加工：外圆的直径处于120180mm 的范围，故选 粗车： IT12-IT13 公差 420m。 半精车： IT10 公差 160m。 精车： IT7 公差 40m。 2、销孔的加工：销孔的直径粗加工时处于3050mm 的范围，故选 粗镗： IT12-IT13 公差 320m 半精加工时处于5080mm 的范围，故选 精镗： IT8 公差 46um 细镗： IT6 公差 19um 3、油孔的加工：油孔的直径范围为36mm， 故选 20 钻孔： IT1213 公差 75um 4、槽的加工：槽的圆柱直径范围为120180mm， 故选 四个环槽： IT10 公差 160 其余公差见工艺过程卡,另外毛坯公差由机械加工余量手册表 1-4，4-1 查得，就不再一 一列出。 （四）各种加工方法所能达到的表面粗糙度： 查机械加工工艺手册表 5.2-6 有： 粗车： Ra520m 半精车： Ra1.2510m 粗镗： Ra520m 半精镗： Ra2.510m 圆柱铣刀粗铣： Ra2.520m 圆柱铣刀精铣： Ra0.635m 钻孔： Ra1.2520m （五）主要工序汇总，如表 2 表 2 工序余量、公差表 计量 单位： mm 工序基本尺寸与偏差 工序名称 工序余量 （mm） 工序公差 基本尺 寸 （mm） 上偏差 （mm） 下偏差 （mm） 精车外圆 0.25IT8139.80-0.025 半精车外圆 0.7IT11140.050-0.063 粗车外圆 3IT12-13140.750-0.25 细镗销孔 0.1IT650.76+0.0190 精镗销孔 0.24IT850.66+0.0460 粗镗销孔 1.42IT12-1350.42+0.190 精车燃烧室 0.48（休 整后） IT8136.020-0.026 粗车燃烧室 23IT11136.50-0.2 注：其余一次性加工的加工余量没有一一列出（详见后附工序卡） 2-52-5 确定各工序的工艺装备确定各工序的工艺装备 工艺装备的确定包括：机床、夹具、刀具、量具等，以下将分别予以选择确定。 21 一一、机床的选择：、机床的选择： 机床和工装的选择应尽量作到经济合理，使之与被加工零件的生产类型、加工精度和零件的 形状尺寸相适应。而机床的选择应考虑以下基本原则： 1、机床的加工规格范围应与零件的外部形状、尺寸相适应。 2、机床的精度应与工序要求的加工精度相适应。 3、机床的生产率应与被加工零件的生产类型相适应单件小批量生产宜选用通用机床，大批大量生 产宜选高生产率的专用机床、组合机床或自动机床。 4、机床的选择应与现有条件相适应，作到尽量发挥现有设备的作用，并尽量作到设备负荷平衡。 5、各个工序机床的选择 根据以上基本原则，查机械制造工艺设计手册表 4-14-20 并结合实际情况对机床的选择如 下： （1） 、车外圆及端面: 外圆最终的端面圆的同轴度为 0.02mm,外圆的最大直径为 142mm,整个工件总长为 164mm。最终 要求内轴孔圆柱度公差为 0.013mm。 故可选 CA6140。它的最大加工长度为 750mm，最大加工直径为 400mm，主轴转速的级数为 24，范 围为 101400 转/分。其他条件也满足要求 （2） 、对止口的加工 止口加工可以采用粗车止口专机。 （3） 、销孔： 销孔与活塞轴向的垂直度为 100：0.055，径向跳动为 0.06，销孔的最大加工直径为 60mm， 销孔的最大加工长度为 141mm。 故选择镗床 T616，属于卧式镗床，它加工的最大直径为 240mm，主轴转速的级数为 14，范围 为 131160 转/分。其他等均满足要求。 （4） 、钻斜油