发动机缸盖机械加工工艺及夹具设计

摘要汽缸盖是发动机的几大关键之一，零件尺寸较小，但结构形状复杂，有若干精度要求较 高的平面和孔系。本文主要分析和设计的是汽缸盖零件的加工工艺和、专用夹具等。通 过查阅各种相关书籍，分析缸盖的结构及其功能，编写了发动机缸盖零件的加工工艺； 经过计算选择其切削用量、选择机床和工艺设备，设计出了专用夹具。关键词：加工工艺；发动机缸盖；专用夹具IAbstractThe cylinder cover is one of several toll-gates to launch the engine keys, the spare parts size is smaller, but the con struct ion shape is complicated, how many the accuracy request the higher flat surface with the bore department. Analyze primarily here with design of is a cylinder cover the spare parts processes the craft, appropriati on tongs and so on .Pass to check every kind of related book, an alyze con struct ion and its functions of an urn of covers, weave to write a cover spare parts process the craft; Passing by the calculation chooses its slice the dosage of cut, choice machine tools with craft equipments, design appropriation tongs.Key words: process ing tech nicEngine cyli nder cover; special fixture2目录摘要 IABSTRACT II前言 V1绪论 11.1课题研究的意义及现状 11.2论文主要研究内容 32发动机缸盖工艺设计 52.1发动机缸盖的分析 52.2发动机缸盖毛坯的设计 92.3工艺路线设计 142.4加工设备及工艺装备的选择 222.5加工工序设计 243钻床专用夹具设计 333.1问题的提出 333.2机床夹具的分类 343.3夹具的设计内容 343.4钻床夹具特点.403.5钻套与工件间的距离 .403.6夹具的对刀 413.7夹具体的设计 414铣床专用夹具设计.43iii.434.1铣前后面专用夹具结论 46参考文献 47致谢 48附录 49#刖言汽缸盖是汽车发动机中一个十分重要的部件，其上部置有凸轮轴，下部与汽缸体、 活塞组成燃烧室，两边是进气道和排气道，与油气进入的进气歧管件和废气排出的排气 管件相接，内有贯穿的冷却水道和润滑油路。因此，在对发动机的功率和工作性能的影 响举足轻重也就很清楚了。汽缸盖的工作情况是，当燃气在燃烧室内爆燃时，气体温度 瞬间高达1100C以上，这种高温热冲击反复作用产生高达 7MPa压力直接于汽缸盖与 汽缸体的连接处。因此，汽缸盖在发动机整个工作过程中是处于高温状态下，承受巨大 的热冲击作用，工作条件甚为恶劣。从汽缸盖的铸件结构上来看，内腔结构复杂，形状 多变化，壁厚不匀，其中气缸盖冷却水道内腔弯弯曲曲，壁厚一般在 4-5毫米，最薄处 只有2.5毫米。而且随着汽车发动机向高效率、低油耗、少污染的方向发展，汽缸盖的 结构会变得愈来愈复杂。结合近年来国内外内燃机行业发展的新趋势和工作实践，对结构复杂的气缸盖机械 加工提出了进、排气门座圈锥面与导管孔的加工是其工艺技术关键，从定位方式、基准 选择、气门座底孔与导管孔底孔的加工，气门座圈锥面加工方式和导管孔的加工方式等 方面进行了探讨和分析。气缸盖的机械加工工艺技术关键和整体工艺水平正在随着高技术含量内燃机的发展 而日趋提高和完善，国外工艺水平已与产品开发水平呈现同步水平，国内工艺水平随 着与国际接轨和科技发展将由落后变为逐步接近产品开发水平，解决好加工工艺技术 关键是工艺设计的核心和前提。但是工艺的设计编制，受到诸多因素的影响，如产品 的精度高低，产品的工艺性好坏，生产纲领的大小，投资力度的强弱，企业现状等 等。因此，合理的最佳的工艺方案不仅需要对某一关键部位或某一关键工序认真论 证、合理配置，更必须整线统盘考虑，最终是否取得最佳效果必须经过实践检验。51绪论1.1课题研究的意义及现状气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃 气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水 套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部 分。缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道和 排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安 装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮 轴。发动机组成。机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其 内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够 的强度和刚度。机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成：为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。 冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷。水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加 工有冷却水套，并且气缸体和气缸盖冷却水套相通，冷却水在水套内不断循环，带走部 分热量，对气缸和气缸盖起冷却作用。气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃 气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水 套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部 分。缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道和 排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮 轴。气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比， 所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机 和柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主 要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。（3）盆形燃烧室盆形燃烧室，气缸盖工艺性好，制造成本低，但因气门直径易受限制，进、排气效 果要比半球形燃烧室差。捷达轿车发动机、奥迪轿车发动机采用盆形燃烧室。气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比， 所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机 和柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主 要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的 运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。 我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类：直列、V或水平对置（当然现在还有大众 集团的W型，实际上是两个V组成）。不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点， 配备在相应的汽车上。缸盖作为发动机中最复杂、最具代表性的零件之一。所谓发动机缸盖，就是安装在 发动机缸体上部的机构，它与活塞一起形成燃烧室，即汽油与空气混合形成的混合物燃 烧的地方。气缸盖上有用于冷却燃烧室及周围区域的水套、进排气道、进气歧管、排气 歧管、润滑油道和火花塞的安装孔。根据燃烧室的形状、凸轮轴位置和气门机构等因素 的变化，缸盖结构也有所变化。由于目前多数发动机都采用了顶置凸轮轴的布局，所以 对于很多不了解汽车发动机结构的人，也可以通过观察发动机缸盖的宽度来区分。另 外，过去的发动机缸盖多采用铸铁材质，但由于铝具有更高的热传导性，同时可以减轻 发动机的重量，因此现在许多发动机的缸盖已经采用铸铝制造。1.2论文主要研究内容本论文研究的主要内容是发动机缸盖有毛坯到成品的主要机械加工工艺过程的制定 以及相应的加工过程中能够满足精度要求的机床和刀具的选择，还有发动机缸盖上孔群 的加工所需要的专用夹具的设计。图1-1为本毕业设计设计说明书的知识框架，清洗明了的介绍了本设计所做的一些 工作和设计思路。-3 -发动机缸盖机加工工艺专用夹具设计问题的提出机床夹具分类夹具设计内容钻床夹具设计夹具的对刀夹具体的设计钻套工件距离缸盖分析毛坯设计工艺路线设计装备选择加工工序设计钻床专用夹具设计发动机缸盖工艺设计图1-1本设计的结构-5 -2发动机缸盖工艺设计2.1发动机缸盖的分析2.1.1发动机缸盖的功用分析汽缸盖是柴油机的一种紧固件，也是柴油机燃烧室的组成部分。船用柴油机各种型 式的汽缸盖的共同特点是结构复杂，孔道较多，壁厚不均。它不仅受到高温高压气体的 强烈作用，而且周期性地承受较高的机械负荷与热负荷，也受到因冷却水造成的局部冷 热不均影响，同时还由于螺栓预紧力使汽缸盖承受着压应力，并与燃气压力共同作用使 汽缸盖受到弯曲作用，此外，还在截面变化处容易产生应力集中等，正是由于汽缸盖如 此恶劣的工作条件，致使汽缸盖很容易失效损坏。通常失效损坏形式为：其底面和冷却 水腔产生裂纹，这是柴油机经常出现的损坏现象，还有汽阀底面和导套容易磨损，冷却 水侧被腐蚀等。本次毕业设计的任务是设计4缸发动机缸盖的工艺路线及规程。-6 -# -图2-1发动机气缸盖零件图-# -2.1.2发动机缸盖结构的分析缸盖作为发动机中最复杂、最具代表性的零件之一。所谓发动机缸盖，就是安装 在发动机缸体上部的机构，它与活塞一起形成燃烧室，即汽油与空气混合形成的混合物 燃烧的地方。气缸盖上有用于冷却燃烧室及周围区域的水套、进排气道、进气歧管、排 气歧管、润滑油道和火花塞的安装孔。根据燃烧室的形状、凸轮轴位置和气门机构等因 素的变化，缸盖结构也有所变化。由于目前多数发动机都采用了顶置凸轮轴的布局，所 以对于很多不了解汽车发动机结构的人，也可以通过观察发动机缸盖的宽度来区分。另 外，过去的发动机缸盖多采用铸铁材质，但由于铝具有更高的热传导性，同时可以减轻 发动机的重量，因此现在许多发动机的缸盖已经采用铸铝制造2.1.3发动机缸盖技术分析在缸盖零件各加工表面中，通常平面的加工精度比较容易保证，而精度要求较高的 支撑孔的加工精度以及孔与孔之间、孔与平面之间的相互位置精度则较难保证。缸盖零 件的技术要求主要可归纳如下：1. 主要平面的形状精度和表面粗糙度缸盖的主要平面是装配基准，并且往往是加工时的定位基准，所以，应有较高的平 面度和较小的粗糙度值，否则，直接影响缸盖加工时的定位精度，影响缸盖加工的定位 精度，影响缸盖与机座总装时的接触刚度和相互位置精度。一般缸盖的主要平面的平面度在 0.10.03mm,表面粗糙度Ra2.A0.63m,各主 要平面对装配基准面垂直度为0.1/300.2. 孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度一般缸盖孔的尺寸精度为IT6，圆度、圆柱度公差不超过孔径公差的一半，表面粗糙度值为 Ra0.630.32m。其余尺寸精度为IT7IT6,表面粗糙度为Ra2.50.63 5。3. 主要孔和平面的相互位置精度各孔之间的孔距公差为0.120.05mm,平行度公差应小于孔距公差，一般在全长 取0.10.04mm。同一轴线上主要平面间及主要平面之间垂直度公差为 0.10.04mm。2.1.4发动机缸盖的材料分析1：选材的一般原则：(1) 材料的机械性能在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要 机械性能指标，这是零件经久耐用的先决条件。(2) 材料的工艺性能金属材料的基本加工方法有铸造、锻压、冲压、焊接、切削加工和热处理等。各种 加工工艺均有其工艺性能要求。材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响。(3) 材料的经济性能在满足使用性能的前提下，选用零件的还应注意降低零件的总成本。一般来说，应优先选用价格低廉的材料。如尽可能选用碳素钢和灰铸铁，在难以满 足要求时再选用合金钢、球墨铸铁、铸钢或其它材料。2:零件材料的选择由于零件的工作状态，工作零件条件的要求，因此零件的材料必须具有综合机械性 能，耐高温、抗氧化性和组织稳定性等。根据查阅有关资料：缸盖材料通常选用铸铁， 其详细介绍如下：(1) 灰铸铁灰铸铁铸造性能和切削性能优良。石墨的存在使其有如下优越性能：优良的减震 性，耐磨性好，缺口敏感性小。a铁的化学成分包括C、Si、Mn、P、S以及一些其他合金元素，各成分所占比重见下表2-1 (以HT250为例)表2-1灰铸铁HT250的主要化学成分及所占比重(%)CSiMnPS3.0 3.31.4 1.70.8 1.0V 0.15P所以功率足够。2. 工序U和工序V计算加工方法与上一步相同略。3. 工序 W扩孔 4- 35、4- 39、4- 33 ;扩孔余量经查机械加工工艺手册得Z扩=1.5mm参考立式钻床Z5140B有关技术参数取扩孔技术参数为f =0.4mm/r;扩削速度为 0.49m/s=29.4m/min ;由此可以推算处转速为；1000v1000 29.4n=279.5r / mind n 3.14x33.5按机床实际转速取n =300r/min，则实际扩削速度为；3.14 33.5 3001000v31.6r / min对于孔4- 39 ；参考立式钻床Z5140B有关技术参数取扩孔技术参数为f =0.4mm/r ； 扩削速度为 0.49m/s=29.4m/min ;由此可以推算处转速为;1000v1000 29.4 n=249r / mindn 3.14x37.5按机床实际转速取n =300r/min，则实际扩削速度为。3.14 37.5 300v35.3r / min1000对于孔4- 33 ；扩孔余量经查机械加工工艺手册得Z扩=1.5mm参考立式钻床Z5140B有关技术参数取扩孔技术参数为f =0.4mm/r ； 扩削速度为 0.49m/s=29.4m/min由此可以推算处转速为;1000v1000 29.4n=297.2r / mind n 3.14 汽 31.5按机床实际转速取n -300r/min，则实际扩削速度为；3.14 31.5 300，.v29.6r/mi n10004.钻孔 425、814、414、1016、412、46因孔是一次钻出故其切削余量为：25 孑L Z=12.514 孔 Z=716 孔 Z=812 孔 Z=66 孔 Z=3表2-6各孔余量和工序尺寸加工表面加工方法加工余量工序尺寸*25钻孔12.52516钻孔81614钻孔71412钻孔612*6钻孔3*6参考立式钻床卧式多孔钻床HDZ150取钻25进给量为0.4mm取钻16进给量为0.4mm取钻14进给量为 0.4mm取钻12进给量为0.4mm取钻 6进给量 为 0.4mm。对于 25孔参考机械加工工艺手册表9-36高速钢钻孔时速度Vc=0.35mm/s=21m/min ；转速 n - 1000v -267.5r/minnd按机床实际转速n=300r/min则实际切削速度为3.14 25 300C23.55m/ minC 1000同理参考手册的钻孔16孔时切削速度为Vc =21m/min ；钻孔14孔时切削速度为 Vc =15m/min ;钻孔12孔时切削速度为vC =15m/min ;钻孔6孔时切削速度为vC iOm/min ；故转速分别为；钻孔 16孔 n 二1000 =417r/min ；钻孔 14 孔 n = 1000v =341r/min ；钻孔 12 孔 n -0v -398r/min ；钻孔 6 孔 n 二100 =398r/min ；nd按机床实际转速分别取 n=400r/min, n=450 r/min, n=400 r/min,n=400 r/min。钻孔16孔时切削速度为Vc = 22.6m/min ;钻孔14孔时切削速度为vc = 17.5m/min ;钻孔12孔时切削速度为vc =15.1m/min ；钻孔6孔时切削速度为Vc=10m/min ;5.粗镗、半精镗、精镗孔482、439、432因粗精镗孔都是一面两孔定位，故孔与面之间的粗镗工序尺寸，精镗工序尺寸及平行度与孔之间的尺寸基准重合所以不需要尺寸链计算。选用卧式镗床，高速钢刀具。查表知粗镗 ap=2mm 半精镗a 0.7mm精镗a 0.7mm查机械加工工艺手册知f = 0.3mm/r取v 20m/ min1000v3.14 20所以 n75.4m/min兀 d3.1485TTJ 取 n=90 所以 Vc 一 21.2m/ mi n=0.35m/s1000查有关资料得 Fc=9.81 Cfc aPXFC fyfc vnfc KfcPc 二Fc Vc 10取Cfc =180 Xfc =1Yfc =.75 nFC 二 0所以 Fc F252.6NPc =0.44kw取机床效率为0.85则需要功率为0.52kw小于机床最大功率4kw功率足够精镗孔时因余量为 0.7mm故aP =0.7mm ；查有关资料，取Vc = 50m/min，进给量为f =0.12mm/r ；故有 n 二 1000v = 1000 50 =187r/min 。85x3.14439、432的过程与上述类似略。6.时间定额计算机动时间参考有关资料得钻孔的计算公式为tj少l1二 D cot kr + （1 2）2 r-34 -| 2 = 14，钻盲孔时| 2 = 0 对于钻孔 25I1-25cot（118）1.5H9mm2 2-# -由图知I =83，取|2=3mm故由公式可得；-# -# -tj= 8J = 0.59min0.4 400同理 18 孔 tj=0.58min16 tj =0.58min,14 tj =0.57min,12 tj =0.57min,6 t j =0.56min对于扩孔4- 33 ;I1D-d-cot kr + （1 2） =1.43mm又知l =83，取卜=31 h |2fn对于4- 35、4- 39因为是盲孔所以所以tj fn=1.43 3 83 rEmin0.4 300