第6章 活塞的加工工艺分析及夹具设计

典型零件工艺设计 了解活塞的结构特点、材料及技术要求；了解活塞的结构特点、材料及技术要求； 掌握活塞加工的工艺特点，活塞加工工艺规程制订；掌握活塞加工的工艺特点，活塞加工工艺规程制订； 理解活塞加工的夹具设计特点。理解活塞加工的夹具设计特点。6.1 活塞的工作条件及结构特点6.1.1 6.1.1 活塞主要结构活塞主要结构 图图6.16.1表示一个铝活塞。基本结构是由活塞的顶面、环槽、油环表示一个铝活塞。基本结构是由活塞的顶面、环槽、油环槽的小孔、活塞头部、活塞裙部、锁环槽、活塞销孔及止口组成槽的小孔、活塞头部、活塞裙部、锁环槽、活塞销孔及止口组成 6.1.2 活塞工作过程中的受力变形 活塞在工作过程中将产生受力变形和热变形。活塞在工作过程中将产生受力变形和热变形。 6.2 活塞主要技术条件分析6.2.1 6.2.1 活塞的尺寸要求活塞的尺寸要求 活塞头部外圆直径公差为0.08mm。 裙部外圆一般要求公差等级IT6，对于高速内燃机的活塞甚至要求公差等级IT5。 裙部外圆粗糙度Ra=15m。6.2.2 6.2.2 活塞销孔的位置公差要求活塞销孔的位置公差要求 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。 销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度影响活塞销、销孔和连杆的受力情况。 销孔轴心线对裙部轴心线的对称度误差也会引起不均匀磨损。6.2.3 6.2.3 活塞环槽的要求活塞环槽的要求 （1）活塞环槽平面母线对裙部轴线垂直度要求。 （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Ra0.63m （5）为了保证发动机运转平稳，同一发动机各活塞的重量不应相差很大。6.3 活塞的材料及毛坯制造在汽油发动机和高速柴油机中，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。它的化学成分是：Si4-6%；Cu5-8%；Mg0.2-0.5%；Fe1%；其余是Al。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。在汽车拖拉机工业中很少用铸铁活塞。铜硅铝合金比铸铁具有下列优点：铜硅铝合金比铸铁具有下列优点： （1 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）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自然，因而可以提高发动机的功率；引起混合气体自然，因而可以提高发动机的功率； （2 2）重量轻，惯性力小；）重量轻，惯性力小； （3 3）可切削性好；）可切削性好； （4 4）可以得到精确的毛柸。）可以得到精确的毛柸。但它也有一些缺点但它也有一些缺点: : （1 1）材料价格比较贵；）材料价格比较贵； （2 2）热膨胀系数大，约为铸铁（机体和汽缸套的材料）的两倍；）热膨胀系数大，约为铸铁（机体和汽缸套的材料）的两倍； （3 3）机械强度及耐磨性较差。）机械强度及耐磨性较差。但是，总的说来，铝合金的优点超过缺点，所以在高速内燃机中都用它。铝合金毛坯采用金属模浇铸。毛坯的精度较高，活塞销孔也能铸造出，因此机械加工余量可以相应地减少。铝合金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68小时后，自然冷却。活塞经过时效处理后还能增加强度和硬度。6.4 铝活塞的工艺过程及夹具分析6.4.1 6.4.1 定位基面的选择和加工定位基面的选择和加工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位置精度的要求都很高，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作为统一基准；在精加工时，精车外圆和精磨外圆两工序中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）作为基面有以下优点：采用止口和端面（或锥面和中心孔）作为基面有以下优点：(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它次要表面。(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。当然采用这种定位方法也有其不足之处。当然采用这种定位方法也有其不足之处。(1)要加工一些本来不需加工的表面，而且这些表面精度要求较高，需要经过两次加工。(2)在活塞技术要求中，环槽等的位置精度是对裙部外圆的轴心线而言的。活塞的机械加工工艺过程活塞的机械加工工艺过程 60.1120.1180.1240.14.75+0.04+0.01560.081060-0.17锥度0.03-0.06大端在下方椭圆长轴101.6-0.06-0.113.20.4100.890-0.11920-0.228-0.005-0.0152+0.12030.5+0.14092+0.4601095.5+0.0350椭圆短轴比长轴小0.08-0.13245910-0.250.48-3.56.4.2 环槽的加工在技术条件中对环槽侧面的垂直度、圆跳动，粗糙度和槽宽的尺寸精度都有较高的要求，环槽加工是活塞加工中重要工序之一。精切环槽的加工示意图如图6.7所示。环槽的宽度决定于切槽刀宽度；槽间的距离决定于夹板厚度。切槽刀的形状如图6.8所示，为了保证槽宽的尺寸精度，必须将切槽刀的宽度偏差严格控制在0.005mm以内。为了保证槽间距离，切槽刀和夹板两侧面都在平面磨床上磨到粗糙度Ra0.63m，使两侧面互相平行，且夹板的厚度偏差限制在0.01mm以内。6.4.3 裙部外圆的精加工 对于裙部为椭圆的铝活塞。裙部外圆的精加工可以是精车也可以是磨削。无论是精车还是磨削，要得到椭圆形的表面，都需要使工件相对于刀具有一个附加的往复运动。 6.4.4 活塞销孔的加工 铝活塞的毛坯一般都铸出锥形销孔(便于拔模)。由于销孔是许多工序施加加紧力的部位，所以在粗车止口工序之后即对销孔进行粗镗，以便在其后的工序夹紧力能较匀地分布，而不至于压坏销孔所在的搭子。6.4.5 6.4.5 活塞的检验活塞的检验 为了保证活塞达到规定的技术条件，必须在加工中及加工完为了保证活塞达到规定的技术条件，必须在加工中及加工完毕后进行技术检查。最后检查的项目有：毕后进行技术检查。最后检查的项目有： (1)(1)检查外观和表面粗糙度；检查外观和表面粗糙度； (2)(2)检查活塞销孔的尺寸及形状偏差；检查活塞销孔的尺寸及形状偏差； (3)(3)检查裙部的椭圆度和锥度，按裙部椭圆的长轴分组；检查裙部的椭圆度和锥度，按裙部椭圆的长轴分组； (4)(4)检查环槽宽度、底径、环槽侧面的垂直度和圆跳动；检查环槽宽度、底径、环槽侧面的垂直度和圆跳动； (5)(5)检查销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度和对称度，销孔轴心线到顶面检查销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度和对称度，销孔轴心线到顶面的距离；的距离； (6)(6)称活塞的重量，并按重量分组。称活塞的重量，并按重量分组。 活塞最后检查中几个主要技术条件的检验方法活塞最后检查中几个主要技术条件的检验方法: : 裙部直径和椭圆度的测量裙部直径和椭圆度的测量 销孔轴心线与裙部轴心线的对称度的测量销孔轴心线与裙部轴心线的对称度的测量 销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度的测量销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度的测量铝活塞的机械加工工艺过程采用止口和端面作基准虽然增加了加工工时采用止口和端面作基准虽然增加了加工工时和设备，但它有利于保证加工质量和设备，但它有利于保证加工质量 。