活塞機械加工工藝及其夾具設計-精鏜銷孔、鉆油孔,活塞,機械,加工,工藝,及其,夾具,設計,精鏜銷孔,鉆油孔 活塞的機械加工工藝及夾具設計 摘 要：本設計通過對空壓機活塞加工技術的發(fā)展、活塞的工作環(huán)境以及結構特點的分析，確定了活塞的加工過程及加工方案，其中主要包括：生產綱領和生產類型的確定、材料的選擇、毛坯的制造方法、機械加工余量的確定、各加工工序切削用量的確定、工序時間的計算以及工序卡片的編制。最后，進一步選擇并設計了兩套典型的機床夾具，精鏜銷孔夾具設計和鉆油孔夾具設計，其中主要包括：定位方案與夾緊方案的設計，分度裝置的設計、兩套夾具的工作原理以及在夾具設計過程中應該注意的問題。經過設計分析和論證，活塞的工藝設計與夾具設計是可行的。 關鍵詞：活塞、工序、機床夾具、機械加工、定位夾緊、分度裝置 Design of the Machining Process on the Piston and Fixture Student：Guo Wei Tutor：Dong Liang (College of Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract :In the paper of this graduation design ,through the comprehensive explication of the developing of aluminum piston of the internal-combustion engine whose the machining technologies,the surrounding of working and the analysis of structural of the piston.It is conformed the technology process and arrange for process of piston. It mainly includes:produce outline and produce type to be conformed,choose material,the manufacturing method of the semi-finished product of material,the amount of remaining of machine process to be conformed ,the cutting dosage of each process to be conformed,calculated the working procedure time and draw up the working procedure.Lastly,chose and designed two sets of typical model of tool machine tongs,designed the tongs of drilling the oil bore and designed the tongs of the milling machine.It mainly includes among them:the position project and the pressure designed,the cet degree design,two sets of wrok principles of tongses and what we must be notice in the process of the piston design.Through the analysis and argument,the arts and crafts design and the tongs design of the piston is viable. Keywords : piston; porking procedure; machine tongs; manufacture process technology; locating and clamping; indexing device 1 緒 論 1.1 本課題的研究意義，國內外研究現狀、水平和發(fā)展趨勢 活塞是很多機械重要零件之一。它在工作時承受發(fā)動機汽缸內高溫氣體的壓力，并通過活塞銷、連桿將壓力傳給曲軸。因此活塞是在高溫、高壓和連續(xù)變負載下工作的。 發(fā)動機活塞的材料為鋁合金，它的導熱性好、重量輕、慣性力小，并具有較好的切削加工性。鋁活塞的毛坯采用金屬模澆鑄。毛坯的精度較高，活塞銷孔也能鑄出，因此機械加工余量可以相應地減少。毛坯在機械加工前要切去澆冒口，并進行時效處理，以消除鑄造時因冷卻不均勻而產生的內應力。 1.2 本課題的基本內容，預計可能遇到的困難，解決問題的方法和措施 本課題基本內容是空壓機活塞機械加工工藝及其夾具設計，要研究的主要內容有： 1）設計開始的過程中，我們應該認真分析零件圖，了解要加工零件的結構特點和相關的技術要求，對活塞的每一個細節(jié)，都應仔細的分析，如活塞加工表面的平行度、同軸度、粗糙度等，特別是要注意各部分自身精度（同軸度、圓度、粗糙度）和它們的相互位置精度（軸線之間的平行度、垂直度以及軸線與平面之間的平行度、垂直度等要求），該加工零件的各孔的尺寸是整個設計加工的關鍵，必須弄懂其每個尺寸的意義。我們采用AutoCAD軟件繪制零件圖，一方面增加對零件的了解認識，另一方面增加我們對AutoCAD軟件的熟悉。 2）活塞的加工工藝過程是整個設計的重點內容，在設計過程中，我們必須嚴格地選擇毛坯、制訂工藝規(guī)程、確定加工余量、計算工藝尺寸、計算工時定額以及定位誤差的分析，為了與實際加工相吻合，我們還必須對加工設備、切削用量、加工裝備等進行選擇和設計，這個階段內容較多，涉及的范圍也比較廣，為了設計的參數合理，我們必須廣泛查閱相關的書籍，達到設計的合理性和實用性。 3）為了工件定位準確和夾緊的快速，提高效率和降低工人的勞動強度，提高零件加工精度和安裝找正方便，我們要采用專用的夾具。在夾具設計過程中，我們統(tǒng)一采用以端面和止口為主要定位面來進行加工。因為我們未學習過夾具的設計和計算。所以工作量大大地增加了，只有通過在實習過程中對夾具的感性認識和夾具設計參考書以及夾具圖冊來進行設計和計算。所以，夾具的設計是整個設計的重點，也是一個難點。 夾具的設計必須要保證夾具的定位準確和機構合理，考慮夾具的定位誤差和安裝誤差。我們將通過對工件與夾具的認真分析，結合一些夾具的具體設計事例，查閱相關的夾具設計資料，聯系在工廠看到的一些活塞加工的夾具來解決這些問題。 1.3 本課題采用的研究手段和可行性分析 根據活塞零件的特點，活塞加工不宜采用工序集中的原則，一般采用工序分散的原則來安排加工順序，因為活塞加工一般為大批生產，加工要求較高，且剛性較差，所以加工應劃分階段，盡可能將粗、精加工分開進行。逐步提高定位基準的精度和加工表面的精度。 在加工發(fā)動機活塞零件的工藝過程中，我們必須保證其各部分的加工精度和與連接部件的裝配精度，其主要技術要求如下： 1）為了使活塞銷工作時能在空中自由轉動，活塞銷孔尺寸公差為6級以上精度、表面粗糙度Ra0.16um、圓度公差0.0015mm、孔的圓柱度公差0.003 mm。 3）活塞銷和銷孔受力均勻，減少不均勻摩擦。 4）銷孔軸線到頂面距離為35，上下偏差為+0.5 mm，-0.5 mm。 5）為使活塞環(huán)能隨氣缸套孔徑大小而自由地漲縮，環(huán)槽的寬度尺寸、表面粗糙度及對裙部外圓軸線的位置也有較高的要求。 [1] 2 活塞結構特點 2.1 活塞的工作環(huán)境及承受的作用力 活塞在氣缸內工作時，混合氣在燃燒室內燃燒時產生的溫度超過890攝氏度；活塞高速運動時其加速度達到25000～70000m/s；四沖程發(fā)動機工作時活塞頂部中心溫度在330攝氏度左右，二沖程發(fā)動機則為400到450攝氏度。由此可見，活塞是在一個高溫的環(huán)境中工作。在發(fā)動機汽缸內，活塞在一部分工作循環(huán)壓縮氣體，而在另一部分工作循環(huán)，汽缸內的混合氣體燃燒膨脹，活塞承受高溫氣體壓力，并把壓力通過活塞銷、連桿傳給曲軸。可見活塞是在高溫高壓下作長時間變負荷的往復運動，活塞的結構就要適應這樣的工作條件。 2.2 活塞的結構特點 活塞頂面用于承受高溫氣體的壓力,在活塞外圓表面上有三個環(huán)槽，離頂面最遠的一個環(huán)槽是油環(huán)槽，槽內裝有油環(huán)，將氣缸壁上多余的潤滑油刮去，第一環(huán)為氣環(huán)槽 ，用于安裝氣環(huán)，密封燃燒工質，第二環(huán)為扭曲環(huán)?；钊h(huán)上部分稱為頭部，其余部分稱為活塞裙部。 活塞在工作過程中易產生受力變形和熱變形?；钊那斆媸艿狡變葰怏w壓力的作用,產生彈性變形.由于活塞裙部在圓周方向剛性不同,在銷孔軸線方向的彈性變形量比垂直于該方向的彈性變形量大,使活塞裙部在受力后變成橢圓。另一方面,活塞頂部與高溫氣體接觸,熱量通過活塞頂部傳到活塞裙部,溫度升高產生熱變形。由于活塞裙部圓周上金屬分布不均勻，銷孔軸線方向金屬厚，熱膨脹量大；垂直于銷孔軸線發(fā)向熱膨脹量小。從而使活塞裙部由于熱變成橢圓。 所以無論是受力變形或熱變形都使原來的圓柱形的裙部變成橢圓形，橢圓的長軸在活塞的銷孔的軸心線方向上。這樣，比然使活塞與汽缸的間隙不均勻地減少甚至消失，以至于發(fā)生強烈的磨損甚至咬住。為了補償上述變形，由活塞裙部設計制造成橢圓形，橢圓的長軸在垂直于活塞銷孔軸心線的方向上，并在活塞裙部的銷孔附近鑄出兩塊凹吭，增加裙部與汽缸內壁的間隙。橢圓度的大小隨活塞的型號不同。在活塞上，橢圓的長軸和短軸要控制在離圓位置4.3°以內，相互位置誤差在4.3°以內。[3] 此外，活塞工作時，頂面和高溫氣體直接接觸，熱量由頭部傳到裙部，頭部溫度高，熱膨脹量大；裙部溫度低，熱膨脹量小。為了減少向裙部傳導的熱量，在活塞要上銑有橫槽，以減少向下傳熱的面積。在活塞上還銑有縱向槽（稍斜）以增加活塞裙部的彈性（橫向槽也有類似作用）。為了活塞的氣密性和耐磨性，增加其壽命，在氣環(huán)槽下鑲嵌一高鎳鑄鐵環(huán)。使鑄鐵的熱膨脹系數更接近ZL101，以便滿足零件要求。 活塞銷孔內裝活塞銷與連桿小頭孔相連接。為了使活塞銷的磨損均勻，在工作溫度下，應使活塞銷在活塞孔及連桿小頭襯套孔中能自由轉動，即所謂“浮動式”活塞銷。為了避免活塞銷在工作過程中軸向竄動，在鎖環(huán)槽中裝有鎖環(huán)。[4] 3 活塞的工藝規(guī)程的制訂 3.1 制訂機械加工工藝規(guī)程的原始資料及活塞的工藝分析 3.1.1 產品的零件圖(見圖紙) 3.1.2 產品驗收的質量標準 活塞的技術要求已由國家科委制定了國家標準，對各部分的尺寸公關、形狀和位置公差以及表面粗糙度均有詳細的規(guī)定，現采用JB3931—85標準說明如下： (1) 活塞裙部外圓要求與氣缸很精密的配合，因此裙部外圓尺寸公差一般為IT6，對于高速內燃機要達IT5。為了減少機械加工的困難，將活塞裙部和氣缸套孔徑的制造公差放大三倍，裝配時將活塞按裙部尺寸分為三組，氣缸套按孔徑尺寸分成三組，對相應的組的進行裝配，以保證達到要求的間隙。裙部的橢圓度和錐度公差在分組尺寸公差范圍內。裙部外圓粗糙度Ra≤0.63μm。[5] (2) 對于浮動式活塞銷孔，為了使活塞在工作過程中能在孔中自由轉動，銷孔尺寸公差IT6級以上。為了減少機械加工工作量，活塞銷孔和活塞銷的裝配也采用分組裝配法，當銷孔內圓表面粗糙度Ra≤0.16。 (3) 活塞銷孔的位置公差要求如下： a. 銷孔軸心線到頂面的距離影響氣缸的壓縮比，影響機器的效率，對于此活塞這一距離為35±0.5mm。 b. 銷孔軸心線對裙部軸心線的垂直度過影響活塞銷、銷孔及連桿的受力情況。垂直度誤差過大將使活塞銷、銷孔及連桿單側受力，活塞在氣缸中傾斜，加劇磨損，垂直度在100mm長度上為0.030mm。 c. 銷孔軸心線在裙部軸心線的對稱度誤差也會引起不均勻磨損，對稱度公差為0.030mm。 (4) 為了使活塞 環(huán)能隨氣缸孔徑大小的變化而自由地脹縮，對活塞環(huán)槽作下列規(guī)定： a. 活塞環(huán)槽平面對裙部軸線圓跳動為0.04mm。 b．環(huán)槽寬度尺寸公差為0.015～0.035mm c.活塞環(huán)槽上下面平面粗糙度Ra≤0.63μm。 (5) 為了保證機器運轉平穩(wěn)，同一機器各活塞的重量不應相差很大，重量差不得大于名義重量的2.2％?；钊粗亓糠纸M裝配。[6] Error! No bookmark name given.3.1.3 產品的生產綱領和生產類型 生產綱領是企業(yè)在計劃期內應當生產的包括備品和廢品在內的年產量?？砂聪率接嬎? ( 1 ) 式中：——零件的年生產綱領（件／年）； 　　——產品的年產量（臺／年）； 　　——每臺產品中，該零件的數量（件／臺）； 　　——備品率； 　　——廢品率； 根據零件易磨損和損壞的程度，備品率定為2.8 %-4.7 %，現取4%，此活塞屬于機械零件，一般廢品率取1 %。 故 ＝ 6 × 1 ×（1 + 4 %+ 1 %） ＝6.3　　（萬件） 生產類型是企業(yè)生產專業(yè)化程度的分類，一般分為大量生產、成批生產和單件生產三種類型。其中成批生產又可以分為大批生產、中批生產和小批生產。 根據《機械制造工藝設計簡明手冊》中查得：本產品屬于輕型機械，且生產綱領為6.3萬臺，遠遠大于5萬臺，所以此活塞的生產屬于大量生產。結合活塞加工JB3931--85標準其工藝過程的主要特點為: (1) 工件具有互換性,裝配采用分組選擇裝配法。 (2) 鑄件廣泛采用金屬模機器造型高生產率毛坯制造方法，毛坯精度高，加工余量小。 (3) 廣泛采用高生產率的專用機床及自動機床，按流水線形式排列。 (4) 廣泛采用高生產率刀具、夾具和量具。 (5) 對操作工人的技術要求較低，對調整工人的技術要求較高。 (6) 必須制定詳細的工藝規(guī)程。[7] 3.2 活塞的材料及毛坯制造 鑄造鋁合金按化學成分可分為：鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金。 3.2.1 材料選擇 采用高碳合金工具鋼整體淬火的活塞，在工作中和釬桿接觸的平面不變形，不易產生裂紋，而采用低碳合金鋼滲碳淬火的活塞，在工作中和釬桿接觸的平面易產生變形（平面凹陷）和裂紋，如果裂紋擴大，就會產生斷裂使活塞報廢。 在高速柴油機中，為了減少往復直線運動部分的慣性作用,都采用了銅硅鋁合金作為活塞材料。在低速、重負荷、低級燃料的發(fā)動機中，有時用鑄鐵作為活塞材料。在汽車工業(yè)中很少用鑄鐵活塞。 銅硅鋁合金比鑄鐵具有下列優(yōu)點: (1) 導熱性好,使活塞頂面的溫度降低較快，可以提高發(fā)動機的壓縮比，又不至于引起混合氣體的自燃，因而可以提高發(fā)動機的功率； (2) 重量輕,慣性力小； (3) 可切削性好。但它也有一些缺點: a. 材料的價格比較貴； b. 熱膨脹系數大,約為鑄鐵的兩倍； c. 機械強度及耐磨性較差。 但總的來說,鋁合金的優(yōu)點超過缺點，所以在高速內燃機中都用它。而且耐磨性方面可以通過鑲嵌一高鎳鑄鐵環(huán)來提高其氣密性和耐磨性，增加其壽命。 3.2.2 毛坯的選擇 選擇毛坯應考慮的因素： (1）零件力學性能的要求 相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其力學性能有所不同。鑄鐵件的強度，離心澆注、壓力澆注的鑄件，金屬型澆注的鑄件，砂型澆注的鑄件依次遞減。 (2）零件的結構形狀和外輪廓尺寸 形狀較簡單、壁厚均勻的毛坯可采用金屬型鑄造。 (3）生產綱領和批量 生產綱領大時宜采用高精度與高生產率的毛坯制造方法。(4）現場生產條件和發(fā)展 應經過技術經濟分析和論證。 從生產批量來看，此零件屬于大批量生產，宜采用精度和生產率高的毛坯制造方法，以減少材料消耗和機械加工工作量。可考慮用金屬鑄造、熔模鑄造、模鍛、精鍛等方法獲得毛坯；從零件的結構來看，由于此零件屬于外形較復雜的小型零件，而且它的壁厚不算薄。故可以考慮采用壓鑄、金屬鑄造、熔模鑄造等精密鑄造方法。同時可以減少切削加工或不進行切削加工；從毛坯的制造方法來看，鑄鋁和鑄銅等有色金屬材料適合用鑄造方法獲得毛坯；從鑄鋁件的力學性能來看，可采用金屬型鑄造的鑄件、金屬型澆注的鑄件、砂型澆注的鑄件，且強度依次遞減,毛坯質量依次降低。 綜上所述，該活塞零件的材料選用ZL101，該材料的成分及性能見表1，毛坯采用金屬型鑄造。用金屬型鑄型，在重力下澆注成型。對鋁合金鑄件有細化組織的作用，生產率高，無粉塵，但是設備費用高，手工操作時，勞動條件差。鑄件表面的粗糙度Ra12.5～6.3μm，結晶細，加工余量小。適用于成批大量的生產。[8] 3.2.3 鑄造斜度 (1) 鑄造斜度的大小按下列原則確定：金屬的收縮阻力大時，斜度應大；收縮量大和熔點高的合金，斜度應大；鑄件需要拔模部分的尺寸大時，斜度應小，反之斜度應大。 (2) 鑄件上各面斜度的數值應盡可能一致，以便于制造模具及造型。待加工表面 的斜度數值可以大一些。 表 1 鑄鋁101的成分及性能 Tab 1 Composition and properties of cast aluminum 101 合金代號 主要化學成分/％ 鑄造方法 用途 Si Cu Mg Zn MPa % 鋁硅合金 ZL101 6.5～7.5 ＜0.1 0.25～0.45 ＜0.1 J,T5 202 2 形狀復雜的砂型、金屬型和壓力鑄造零件 表 2 各種鑄造方法的最小鑄造斜度 Tab 2 Casting method of casting a variety of slope 斜度位置 鑄造方法 砂型 金屬型 殼型 壓鑄 外表面 0°30ˊ 0°30ˊ 0°20ˊ 0°15ˊ 內表面 1° 1° 0°20ˊ 0°30ˊ 3.2.4 鑄造圓角及半徑 表 3 鑄造圓角 Tab 3 Casting corner 鑄造方法 鑄造圓角計算公式 最小圓角半徑（mm） 鋁合金 鎂合金 銅合金 鋅合金 黑色金屬 金屬型鑄造 1 2 2 — 2 (1) 鑄件壁部連接處的內轉角應有鑄造圓角。 (2) 依照鑄造圓角計算公式算出數值后，應選取與其接近的機械制造業(yè)常用的標準尺寸（詳見GB2822—81）。為便于制造，半徑應盡可能統(tǒng)一。在此，對于金屬型鑄件一般統(tǒng)一便用R3或R5。[9] 3.2.5 毛坯的制造方法及工藝特點 金屬型澆注結構緊密，能承受較大壓力，其生產率較高，適用于鐵碳合金、有色金屬及其合金的大批大量生產。金屬型鑄造允許毛坯的最大質量為110kg，毛坯的最小壁厚為1.5mm，形狀復雜程度一般，精度等級CT要求為6～8級，毛坯的尺寸公差為0.09～0.47，表面粗糙度為Ra為12.5～6.3μm，加工余量等級為F。 3.3 基準的選擇 3.3.1 定位基準的選擇 定位基準的選擇一般原則: a. 選最大尺寸表面為安裝面，選最長距離的表面為導向面，選最小尺寸的表面為支承面。 b. 首先考慮保證空間位置精度，再考慮保證尺寸精度。 c. 應盡量選擇零件的主要表面為定位基準。 3.3.2 粗基準和精基準的選擇 (1) 粗基準的選擇除了應考慮以上的一般原則外，還必須考慮以下幾個原則： a. 盡量選擇不加工表面作為粗基準，如果在工件上有很多不需加工的表面，則應以其中與加工面的位置精度要求較高的表面作為粗基準。 b. 選擇加工余量均勻的表面作為粗基準。 c. 選擇加工余量較小的表面作為粗基準。 d. 選作粗基準的表面應平整，沒有澆口、冒口、飛邊等缺陷，以便定位可靠。 e. 粗基準一般只能使用一次，特別是主要的定位基準，以避免產生較大的位置誤差。 (2) 根據上述的選擇粗基準的基本原則，綜合以上各個原則并考慮活塞的實際情況選擇加工粗基準如下： a. 以活塞毛坯內腔為粗基準加工外圓和端面,再以外圓為基準加工精基準止口。因為粗車后的外圓面是加工余量小、較準確的、光潔的、面積較大的平面，而且它也是一個重要的表面，它的余量比較均勻。 b. 直接以活塞毛坯外圓和端面為粗基準加工精基準止口,由于活塞的毛坯加工是采用金屬型鑄造，其鑄造精度較高，加工余量小且余量均勻，以其作為粗基準同樣可以滿足加工要求。 （3）精基準的選擇： 和粗基準一樣，精基準的選擇除了要考慮一般原則外，還有它自身應當注意的問題： a. 盡量用設計基準作為定位基準，實現“基準重合”，以避免產生基準不重合誤差。 b. 當工件以某一組精基準定位可以較方便地加工很多表面時，應盡可能的采用此組精基準定位，實現“基準統(tǒng)一”，以避免產生基準轉換誤差。 c. 當精加工或光整加工工序要求加工余量盡量小而均勻時，應選擇加工表面本身作為精基準，即遵循“自為基準”的原則。該加工表面與其他表面間的位置精度要求由先行工序保證。 d. 為獲得均勻的加工余量或較高的位置精度，可遵循“互為基準”、反復加工的原則。 e. 有多種方案可供選擇時，應選擇定位準確、穩(wěn)定、加緊可靠，可使夾具結構簡單的表面作為精基準。 那么根據以上的各個原則，結合實際情況對精基準的選擇如下： 活塞是一個薄壁零件,在外力作用下很容易產生變形?；钊饕砻娴某叽缇群托挝痪鹊囊蠖己芨?因此希望以一個統(tǒng)一基面定位來加工這些要求高的表面。目前生產活塞的工廠大多采用止口和端面做為統(tǒng)一基準。止口是專門為加工活塞而設置的輔助基準面，在結構上和功能上沒有任何作用。在精加工時,除精車外圓等少數工序用止口處的錐面和頂面上的中心孔定位,其余工序都采用止口和端面定位。 采用止口和端面（或錐面和中心孔）作為基面有下列優(yōu)點： a. 用這種定位方法可以加工裙部、頭部、頂面、銷孔等主要表面及其他次要表面。在一次安裝中可車削多個表面，既提高了生產率，又能保證這些表面的位置精度。 b. 活塞裙部在半徑方向的剛性差，利用止口和端面（或錐面和中心孔）定位可以沿活塞軸向夾緊，就不致引起嚴重的變形，從而可以進行多刀切削。 3.4 擬定工藝路線 機械加工工藝路線的最終確定，一般要通過一定范圍的論證，即通過對幾條工藝路線的分析與比較，從中選出一條適合本廠條件的、確保加工質量、高效和低成本的最佳工藝路線。下面將從以上幾個方面來確定活塞的機械加工工藝路線。 3.4.1 加工方法的確定 零件表面加工方法的選擇應考慮的問題: （1）零件表面的加工方法，主要取決于加工表面的技術要求。這些技術要求還包括由于基準不重合而提高了對作為精基準表面的技術要求。根據各加工表面的技術要求，首先選擇能保證該要求的最終加工方法，然后確定各工序、工步的加工方法。 （2）選擇加工方法應考慮每種加工方法的加工經濟精度范圍；材料的性質及可加工性；工件的結構形狀及尺寸大小；生產綱領及批量；工廠現有設備條件等。 (3) 加工經濟精度分析。各種加工方法所能達到的加工經濟精度和表面粗糙度都是在一定的范圍內的。任何一種加工方法只要精心操作、細心調整、選擇合適的切削用量，其加工經濟精度就可以得到提高，其加工表面粗糙度值就可以減少。但是加工經濟精度提高得愈高，表面粗糙度值減少得愈小，則所消耗的時間與成本也會愈大。 生產上加工經濟精度的高低是用其可以控制的加工誤差的大小來表示的。加工誤差小，則加工精度高；加工誤差大，則加工精度低。一般來說，加工誤差和加工成本之間成反比例關系。 可以看出：對一種加工方法來說，加工誤差小到一定程度，加工成本提高很多，加工誤差卻降低得很少；加工誤差大到一定程度以后，即使加工誤差增大很，加工成本降低得很少。 因此所謂加工經濟精度是指在正常加工條件下所能保證的加工精度和表面粗糙度。 （4）材料的性質及可加工性。本零件的材料采用ZL101，它的化學成分是:Si6.5～7.5％,Cu＜0.1%,Mg0.25~0.45%,Zn＜0.1%,其余為Al。這種材料的工藝性能如下： a. 切削性能：ZL101的硬度為100HB，為易切削材料。 b. 熱處理性能：鋁活塞毛坯在機械加工前要切去澆冒口，并進行時效處理，消除鑄造時因冷卻不均勻而產生的內應力。時效處理是將活塞加熱至210～240℃，保溫7～9h后，自然冷卻，活塞經過時效處理后能增加強度和硬度。 (5) 生產率的要求。本活塞零件的生產類型屬于大批大量生產。因而對生產率要求就相對的比較高。 綜合以上幾點，再考慮工廠的工藝能力和現有設備的加工經濟精度，查《機械加工工藝手冊》對擬訂本零件的加工方法如表4。 3.4.2 加工階段的劃分 按加工性質和作用不同，工藝過程一般劃分如下加工階段：粗加工階段；半精加工階段；精加工階段；光整加工階段。它們的主要工作與要求如表5所示。 表 4 加工方法的擬訂 Tab 4 Processing method of preparation 加工步驟 加工方法 外圓的加工 活塞裙部外圓的精度要求為IT6～IT5，表面粗糙度要求為Ra≤0.63,材料為ZL 這樣對于活塞外圓的加工選用：粗車——精車 這樣可以達到的粗糙度為Ra=0.8～0.2μm。 端面的加工 端面的精度要求為IT8級、材料為ZL101，故可采用一次車削完成，這樣能達到的精度等級為IT8～10，粗糙度為Ra=6.3～1.6μm滿足要求。 該零件活塞對于外圓以及銷孔孔的加工質量要求比較高，其余的加工質量要求并不高，又毛坯采用金屬型鑄造精度比較高，加工余量小，故除了外圓加工時安排了粗車，精車，金剛石車，加工銷孔時安排了粗鏜，精鏜和滾壓三個加工階段外，其余工序均安排粗加工、精加工兩階段完成。[10] 3.4.3 加工工序的安排 按照加工順序的選擇原則： (1）先加工基準面，再加工其它表面。 (2）一般情況下，先加工平面，后加工孔。 續(xù)表4 加工步驟 加工方法 止口的加工 這個部分表面是為了加工出精基準而加工的，粗糙度要求不是很高，為Ra≤1.25μm，精度要求為IT7，故可采用兩次車削完成，即采用粗車——精車的加工方法,這樣能達到的精度等級為IT8～7，粗糙度為=3.2～0.8μm滿足要求。 銷孔的加工 銷孔的表面的精度要求為IT6以上，要求較高，粗糙度Ra≤0.16μm，故考慮采用。粗鏜——精鏜的加工方法，這樣可以達到的精度等級為IT6～IT7，粗糙度為Ra=0.4～0.05μm滿足要求。 直油孔的加工 直油孔表面粗糙度也為Ra小于等于12.5μm，它的精度要求并不高，且孔徑也小于20mm，故它的加工方法也可以采用鉆來實現，精度也為IT11-IT12。 環(huán)槽的加工 位置精度要求較高，而尺寸精度要求不是很高，故可以考慮采用粗車——精車完成。精度等級為IT7～8，粗糙度為Ra=6.3～1.6μm滿足要求。 頭部外圓的加工 精度要求為IT8～10，而外圓開始已經進行一次粗車，故可以用一次精車就可以達到要求，這樣可以達到的精度等級為IT7～IT8，粗糙度為Ra=3.2～0.8μm滿足要求。 銷孔卡環(huán)槽 的加工 位置精度要求較高，而尺寸精度要求不是很高，故可在銷孔精鏜后采用車削完成。精度等級為IT8～10，粗糙度為Ra=6.3～3.2μm滿足要求。 表 5 各加工階段的加工要求 Tab 5 The processing requirements of each processing stage 加工階段 加工要求 粗加工階段 主要是去除各加工表面的余量，并作出精基準，因此這一階段關鍵問題是提高生產率 半精加工階段 在半精加工階段減小粗加工中留下的誤差，使加工面達到一定的精度，為精加工作好準備 精加工階段 在精加工階段，應確保尺寸、形狀和位置精度達到圖紙規(guī)定的精度要求以及表面粗糙度要求 續(xù)表5 加工階段 加工要求 精密、超精密加工、光整加工階段 這是對那些要求很高的零件安排的，是為了達到零件最終的精度要求 (3）先加工主要表面，后加工次要表面。[11] (4）先安排粗加工工序，后安排精加工工序。 根據活塞零件加工的實際情況，本設計擬定了兩條加工路線來進行比較分析： 方案一： a. 工藝過程 第一道工序：鑄造 第二道工序：磁力探傷 第三道工序：時效處理 第四道工序：粗車止口、端面 第五道工序：粗車外圓 第六道工序: 鉆削孔 第七道工序: 粗鏜削孔 第八道工序：粗車頂面環(huán)槽 第九道工序：鉆的油孔 第十道工序：鉆底部油孔 第十一道工序：鉆頂部油孔 第十二道工序：精鏜削孔 第十三道工序：車卡簧槽 第十四道工序：精車環(huán)槽 第十五道工序：精車外圓 第十六道工序：精車止口 第十七道工序：精磨外圓 第十八道工序：精車頂面 第十九道工序：清洗 第二十道工序：檢驗 第二十一道工序：分組包裝 圖形見所附機械加工工藝過程卡片。 b. 熱處理工序的安排： 時效處理：為了消除殘余應力，對于尺寸大、結構復雜的鑄件，需在粗加工之前、后各安排一次時效處理；對于一般鑄件在鑄造后或粗加工后安排一次實效處理；對于精度高、鋼度低的零件，在粗車、粗磨、半精磨后需要各安排一次實效處理。 鋁合金熱處理安排在機加工前，鋁活塞毛坯在機械加工前要切去冒口，并進行時效處理，消除鑄造時因冷卻不均勻而帶來的內應力。時效處理是將活塞加熱至180～200攝氏度，保溫6～8h后，自然冷卻。活塞經過時效處理后還能增加強度和硬度。 c. 其它輔助工序的安排： 檢查、檢驗工序、去毛刺、平衡、清洗工序等也是工藝規(guī)程的重要組成部分。檢查、檢驗工序是保證產品質量合格的關鍵工序之一，每個操作過程中和操作結束以后都必須自檢。在工藝規(guī)程中，下列情況下應安排檢查工序：零件加工完畢之后；從一個車間到另一個車間的前后；工時較長或重要的關鍵工序前后。 故根據以上原則，在零件加工完畢后安排一次終驗工序。 在工藝過程的適當之處安排去毛刺處理。 在工藝過程的最后一般安排清洗工序。 表面鍍錫：在活塞表面鍍錫可以改善活塞初期磨合性，因為錫的質地軟，親油性好，可以提高冷啟動時活塞的抗拉缸性能。 d. 集中與分散： 同一個工件，同樣的加工內容，可以安排兩種不同形式的工藝規(guī)程：一種是工序集中，另一種是工序分散。前者是使每個工序中包括盡可能多的工步內容，因而使總的工序數目減少，夾具的數目和工件的安裝次數也相應的減少。后者是將工藝路線中的工步內容分散在更多的工序中完成，因而每道工序的工步少，工藝路線長。它們各有所長。前者有利于保證各加工面間的相互位置精度要求，有利于采用高生產效率的機車，節(jié)省安裝工件的時間，減少工件的搬動次數。而后者可使每個工序使用的設備和夾具比較簡單，調整、對刀也比較簡單，對操作工人的技術水平要求比較低。 考慮到此活塞零件的結構特點和技術要求、以及工廠機床設備、工人技術水平等條件，本設計采用工序相對集中的原則，也就是每個工序所包含的內容相對較多，所使用的工藝設備與裝備少，同時選擇合理的切削用量，減少了工件的搬運、裝夾等輔助時間，它的設備數量少，加工過程中大量使用組合夾具、刀具和機床，生產效率高，廠房占地面積小，總投資少，但該加工方式對工人的技術水平要求相對較高，不利于產品快速更新換代，總體考慮還是適合此活塞零件的生產加工的。[12] 方案二： a. 工藝過程 第一道工序：粗車外圓、車頂面 第二道工序：粗車止口、打中心孔 第三道工序：粗鉸銷孔 第四道工序：車環(huán)槽及梯形槽 第五道工序：車環(huán)槽環(huán)岸及其倒角 第六道工序：鉆直油孔 第七道工序：銑氣門內槽 第八道工序：銑氣門外槽 第九道工序：精車止口 第十道工序：精車外圓 第十一道工序：精鉸銷孔 第十二道工序：切卡環(huán)槽 　第十三道工序：靠磨橢圓裙部 第十四道工序：細鉸銷孔 熱處理及其它同方案一。 3.4.4 工藝方案的比較與技術經濟分析 以上兩個工藝方案中除了對銷孔和裙部橢圓的加工方法不太相同之外，其他的工序基本上是相同的。因此對于這兩個方案的分析與比較將從工藝方案的技術經濟特性指標、工藝成本，技術經濟對比等各個方面進行。 （1） 產品工藝方案技術特性主要指標： a. 勞動力消耗率：方案一與方案二相比，工時數與臺時數比較少，生產率較高，且能達到的精度也較高 b. 設備構成比：兩個方案使用的設備數量基本相同，只是設備的種類稍有不同。 c. 工藝裝備系數：兩個方案基本相同。 d. 工藝過程的分散與集中程度：本產品屬于大批大量生產，且均采用相對集中的工藝路線，采用組合夾具、刀具和機床，基本上能夠完成生產任務。 e. 金屬消耗量：基本相同。 f. 占用生產面積數：兩個方案基本相同。 （2） 機械加工工藝過程技術特性指標： 機械加工工藝過程技術特性指標包括：出廠量、毛坯數量、制造毛坯所需金屬質量、毛坯凈重、毛坯的成品率、設備總功率、專用夾具裝備系數、量具裝備系數、刀具裝備系數、操作工人的平均等級；鉗工修整勞動量及其占機床工作量的比列；生產面積總數、總面積、平均每臺機床占用生產面積、平均每臺機床占用總面積。對于這些指標，兩個方案是相同或相近的，因而不予分析。 綜合以上指標，兩種加工工藝方案各方面特性指標基本相似，考慮到方案一的加工精度要高于方案二，且方案一的加工精度與表面粗糙度又是適中的能夠達到技術要求。故相比之下，方案一要優(yōu)于方案二。 （3） 工藝成本的分析 當需評比的工藝方案均采用現有設備或其投資基本相近時，對加工內容基本相同的幾種工藝方案的經濟評比，可采用工藝成本作為衡量各種工藝方案經濟性的依據。各方案的取舍與加工零件的年生產綱領有密切的關系，如圖4所示。各方案直線交點的年產量Nj。由計算可知： 零件的全年工藝成本為: ( 2 ) 式中 —每件零件的可變費用 元/件； 　　　 —零件的生產綱領 件； 　　 —全年的不變費用 元。 其函數圖形為曲線，圖4中直線I、II、III分別表示三種加工方案。方案I系采用通用機床加工；方案II系采用數控機床加工；方案III系采用專用機床加工。三種方案的全年不變費用依次遞增，每個零件的可變費用V則依次遞減。從圖中可以看出，Cx與年產量無關，VN隨年產量成正比增加。 而單個零件（或單個工序）的工藝成本應為: 圖 4 工藝成本與年產量的關系 Fig 4 The relationship between cost and output process 表 6 零件成本的組成表 Tab 6 Composition of parts cost table 全年零件成本 全年工藝成本Sn 其它費用 全年可變費用NV 全年不變費用Cn 行政員的工資 Sc-每件材料費 Stz-調整工人工資 總務人員工資 Sz-每件機床工人工資 Szz-專用機床折舊費 辦公費用 Sw-每件機床維持費 Szdz-專用刀具折舊費 廠房維持費及折舊費 Stjz-每件通用機床折舊費 Szjz-專用夾具折舊費 照明費等 Sdz-每件刀具維持費及通用刀具折舊費 運輸費 Sjz每件夾具維持費及通用夾具 折舊費 注:有些費用是隨生產批量而變換的,如調整費、用于在制品占用資金等,一般情況下不于單列. ( 3 ) 由于本設計兩個工藝方案中只有少數工序不同,多數工序是相同的,故可以通過計算少數不同的工序的單件成本來進行比較。 在這里選擇第五個工序來進行計算并比較，其他的也都類似的計算。 對于每道工序有： ＝ 其中 故 / 由于兩個方案對于銷孔的加工工藝不同在于一個采用的是鏜削，另一個采用的是鉸削。 故對于兩種不同的方案有： Sp1－Sp2＝Sz′1＋Sdz′1＋Sjz′1－（Sz′2＋Sdz′2＋Sjz′2） 其中 ′＝×（1＋a/100）/60 式中 －單件時間 min －機床工人每小時工資 元/小時 a－與工資有關的雜費 元 在上面各量中取 a＝10 ′＝×（+） 式中 －夾具成本 元 －夾具折舊率 每年33% －維護費折合百分數 取為26% ＝（＋）×÷÷（＋1） 元/件 式中 －刀具價格 元 －刀具耐用度 min －可重磨次數 －每磨一次刀所花費用 元 代入數據： －＝ ′＋′－（′＋′） 由于 ′＜′ ′＜′ 所以有 ＜ 綜合以上的分析比較可知：采用方案一相對的比較經濟合理，故本設計將采用方案一。 3.5 活塞加工余量的確定 完成某工序所需切除的材料層的厚度稱為工序余量，從毛坯到成品的整個工藝過程中所切除的材料層的厚度稱為總余量。加工總余量的大小取決于加工過程中各個工序所切除的金屬厚度的總和。每一工序所切除的金屬層厚度稱為工序余量。 3.5.1 加工余量的確定方法 對于本設計加工余量的確定主要查表修正法。因為考慮到對于影響加工余量的個個誤差因素并不是很清楚，而且也沒有一定的測量手段和掌握必要的統(tǒng)計分析資料，所以采用分析計算法也不適合。而經驗法確定的加工余量又往往偏大，所以采用查表修正法是最適合的。 3.5.2 加工余量的確定 本設計主要以《簡明機械加工工藝手冊》為依據來確定加工余量。應用時再結合加工實際情況進行修正。 活塞零件的材料為HT150，硬度為HB190-230，生產類型為成批生產，毛坯類型為砂型機械鑄造，精度等級為8—10級。 通常確定加工余量的方法有三種： 1.經驗估計法 2.查表修正法 3.分析計算法 由于2方法最為簡單，最常用的方法，故此確定加工余量采用查表修正法。 根據上述原始資料及加工工藝，分別確定各機械加工余量尺寸如下： 1外圓表面 考慮到的外圓表面有尺寸公差的要求，表面粗糙度要求Rz=0.8,所以必須用以下幾個工序來完成，其工序尺寸，公差及余量如下： A.毛坯：±0.5mm B.粗車：±0.15mm，0.3mm 余量為3mm C.精車： 0.05mm 余量為1.2mm D.粗磨： 0.03mm 余量為0.2mm E.精磨： 0.05mm 余量為0.12mm 以上的加工余量，是由《機械制造工藝設計手冊》中的表1—27查得的。 2.軸線長度方向的加工余量，而兩端面粗糙度為12.5，但坡口要和中心孔共同起定位作用，所以坡口應該精車： A.車破口面：a毛坯L=63.5mm b粗車L= 0.5mm Z=2mm c精車L= 0.5mm Z=1mm B.平頂面：粗車 L=59±0.5mm 1mm Z=1.5mm 3.加工兩個削孔 毛坯削孔加位置為實心的，而孔在零件工作中起主要作用，所以兩削孔的內表面精度要求很高，兩空的同軸度要求很高，且它相對于活塞外圓面垂直度為100:0.05。由于空的直徑比較小，用鏜桿鏜孔比較好。查《機械制造工藝設計手冊》的表1—29和表1—34可得如下數據： 鉆孔： 0.15mm 粗鏜： 0.15mm Z=1.2mm 精鏜： 0.02mm Z=0.3mm 擠孔： 0.006mm Z=0.05mm 4.車活塞環(huán)槽和車頂面的環(huán)岸 粗精切活塞環(huán)槽： 車槽前尺寸為 粗車槽后的尺寸為： 0.2mm Z=9mm 車頂面環(huán)岸 車削前： 精車后： 0.1mm Z=0.4mm 5.鉆油孔加工 由《機械制造工藝設計手冊》的表2—22可知： 鉆活塞環(huán)槽油孔時，由于他的尺寸精度要求不高，用的麻花鉆就可以達到要求，同樣鉆削孔的油孔也是如此，只用的麻花鉆鉆孔就行了 3.6 工序尺寸與公差的確定 工序尺寸是某工序加工后應達到的尺寸，允許工序尺寸的變動量就是工序公差。工序尺寸的計算要根據零件圖上的設計尺寸、已經確定的工序余量、定位基準的轉換關系來進行，而工序公差則按各工序加工方法的經濟精度選定。又分兩種情況： a. 表面要進行多次加工而工序基準與設計基準重合時，如外圓和內孔的加工，其工序尺寸和工序公差的確定較簡單，可直接計算獲得。 b. 設計基準與工序基準或定位基準不重合；測量基準與設計基準不重合時；零件在加工中要多次轉換基準時；加工一個面要保證好幾個設計尺寸時，須用尺寸鏈原理進行分析和計算。 （1）工序尺寸與公差的確定的步驟如下： a. 確定各加工工序的加工余量。 b. 從終加工工序開始，即從設計尺開始，到第一道終加工工序，依次加上每次加工余量，可分別得到各工序基本尺寸。 c. 除終加工工序外，其它各加工工序按各自所采用加工方法的加工經濟精度確定工序的尺寸公差。 d. 填寫工序尺寸并按“入體原則”標注工序尺寸公差。 上面所說的“入體原則”是指對被包容尺寸（軸的外徑，實體長、寬、高），其最大加工尺寸就是基本尺寸，上偏差為零。對包容尺寸（孔的直徑、槽的寬度），其最小加工尺寸就是基本尺寸，下偏差為零。毛坯尺寸按雙向或不對稱偏差形式標注。 e. 當工藝基準無法同設計基準重合等情況下，確定了工序余量后，需通過工藝尺寸鏈進行工序尺寸和公差換算。 （2）具體的計算如下： A 粗車止口端面 工序4車坡口 a端面Z=2mm，因為所要求的粗糙度不高，分一次走刀，切削深度ap=2mm b走刀量af=0.6mm/r（由表3-13得）選用道具是YG6普通車刀，刀桿尺寸為16×25mm2 Kr=90°r0=15° re=0.5mm c.計算切削速度 根據表3-18提供的公式和數據可得 T=60min m=0.2 Cv=243 Xv=0.15 yv=0.4 Kv=1 又V=Cv/tm·ap·fyv·Kv=1.974m/s d.確定機床主軸轉速 ns=1000v/π·dw=580.3r/min 按機床轉速范圍選取nw=600r/min e.切削工時，查表7-1 L=（d-d1）/2+l1+l2+l3 l1=2mm l2=0 l3=5mm L=12mm ｔｍ＝L/nw·f·i=4s 工序5粗車外圓： 加工要求：車的外圓至±0.15時，表面粗糙度Ra為12.5 機床：C620—1普通車床 刀具：YG6普通車刀，刀桿尺寸16×25mm2 r0=15° Kv=75° re=2mm 計算切削用量： a車深：單邊余量為1.5mm ，可用一次切除 b進給量：考慮刀桿尺寸，工件直徑和已定的切削深度，從《機械制造工藝設計手冊》的表3—13中查f，選用f=0.6mm/r c計算切削速度 同樣由《機械制造工藝設計手冊》的表.3—18查得如下公式及公式中系數： V=CV/(tm·ap·fyv)·KV m/min 其中：Cv=243， t=60 m=2 ap=1.5mm Xv=0.15 yv=0.4 F=0.6mm/r KV=(90/HB)1.25 所以得V=2.06m/s d確定機床主軸轉速 由公式：ns=1000V/πdw v=2.06m/s ns=600r/min 按機床選取nw=600r/s 加工實際切削速度： Vw=πdwnw/1000=2.04m/s=122m/min E校驗機床功率： 由表3—4查得 單位切削功率： Ps=1.118×10-3KW/(mm3/s)=18.63×10-3KW(mm3/min) 由表3—2查得 當f=0.6mm/r時，KfFZ=0.9/60 所以切削功率為： Pm=Ps·V·ap·f·1000·KfFz=1.69KW 由表可以得知：C620—1車床電動機功率為PZ=7.8KW，當由主軸轉速為600r/min時，主軸能傳遞最大功率為5.5KW,遠遠大于1.69KW，所以機床的功率是夠的。 f.檢驗機床進給機構強度： 由表3—4可查得，單位切削力 P=111.8Kgf/mm2 所以主切削力為Fz=P·ap·f·KfF=90.56Kgf 在一般切削中，刀尖圓弧半徑r對Fy Fx的影響較大，對Fz的影響較小，由表3 —8可查得如下數據： Re=2mm，Kr∑Fy=1.37 Kr∑FX=0.37由表3—12查得 當Kr=75°時Fy/Fz=0.3 Fx/Fz=0.25 所以徑向力和軸向力分別為 Fy=Fz(Fy/Fz)·Kr∑FX=8.38Kgf 取機床導軌與樓板之間的摩擦系數u=0.1 則機床進給機構沿縱向進給所承受的力為： F=Fx＋u(Fz＋Fy)=21.56Kgf 由表可得C6120—1車床縱向進給機構允許承受的最大力為360Kgf，故機床進給機構能夠正常工作。 g.切削工時的計算 由表7—1可查得 l1=qp/tgkr+(2-3)=2.9mm l2=3—5mm l3—試車附加長度，查表7-2可得 l3=5mm tm=(l1+l2+l3+l)/nw·f·2=25.13s 工序6鉆削孔 查表3-38可得f=0.45mm/r 查表3-42可得v=0.35m/s 確定主軸轉速 ： ns =1000v/πdw=6.76r/s=405r/min 按機床立式鉆床Z525選取 nw =6.53r/s=392r/min 切削工時的計算： 查表7-5得 L=l+l1=49mm tm =L/f·n=16.68s 工序7粗鏜削孔 粗鏜削孔至 切深=0.6mm 由表3-15可查得f=0.2mm/s 切速v=2m/s =15r/s=900r/min 切削工時計算 L=47mm =2mm =1mm L=l++=50mm =L/f·=16.67s 工序8粗車環(huán)槽 粗車時，f=0.15mm/r（查表3-16） ap =4.55mm 工序9鉆2.5油孔 由表3-38可查得f=0.12mm/r 由表3-42可查得v=0.35m/s =1000v/πdw=44.59r/s 按機床Z512選取=38r/s=2280r/min L=5+2+0=7(由表7-5查得) =L/f·n=1.54s/孔 工