活塞机械加工工艺及其夹具设计

活塞的机械加工工艺及夹具设计

学 生：郭 伟 指导老师：董 亮

（湖南农业大学科学技术师范学院 长沙 410128）

摘 要：本设计通过对内燃机铝活塞加工技术的发展、活塞的工作环境以及结构特点的分析，

确定了活塞的加工过程及加工方案，其中主要包括：生产纲领和生产类型的确定、材料的选择、毛坯的制造方法、机械加工余量的确定、各加工工序切削用量的确定、工序时间的计算以及工序卡片的编制。最后，进一步选择并设计了两套典型的机床夹具，精镗销孔夹具设计和钻油孔夹具设计，其中主要包括：定位方案与夹紧方案的设计，分度装置的设计、两套夹具的工作原理以及在夹具设计过程中应该注意的问题。经过设计分析和论证，活塞的工艺设计与夹具设计是可行的。

关键词：活塞、工序、机床夹具、机械加工、定位夹紧、分度装置

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

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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 绪 论

1.1 本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势

活塞是发动机中的重要零件之一。它在工作时承受发动机汽缸内高温气体的压力，并通过活塞销、连杆将压力传给曲轴。因此活塞是在高温、高压和连续变负载下工作的。

发动机活塞的材料为铝合金，它的导热性好、重量轻、惯性力小，并具有较好的切削加工性。铝活塞的毛坯采用金属模浇铸。毛坯的精度较高，活塞销孔也能铸出，因此机械加工余量可以相应地减少。毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，以消除铸造时因冷却不均匀而产生的内应力。

1.2 本课题的基本内容，预计可能遇到的困难，解决问题的方法和措施

本课题基本内容是某活塞机械加工工艺及其夹具设计，要研究的主要内容有： 1）设计开始的过程中，我们应该认真分析零件图，了解要加工零件的结构特点和相关的技术要求，对活塞的每一个细节，都应仔细的分析，如活塞加工表面的平行度、同轴度、粗糙度等，特别是要注意各部分自身精度（同轴度、圆度、粗糙度）和它们的相互位置精度（轴线之间的平行度、垂直度以及轴线与平面之间的平行度、垂直度等要求），该加工零件的各孔的尺寸是整个设计加工的关键，必须弄懂其每个尺寸的意义。我们采用AutoCAD软件绘制零件图，一方面增加对零件的了解认识，另一方面增加我们对AutoCAD软件的熟悉。

2）活塞的加工工艺过程是整个设计的重点内容，在设计过程中，我们必须严格地选择毛坯、制订工艺规程、确定加工余量、计算工艺尺寸、计算工时定额以及定位误差的分析，为了与实际加工相吻合，我们还必须对加工设备、切削用量、加工装备等进行选择和设计，这个阶段内容较多，涉及的范围也比较广，为了设计的参数合理，我们必须广泛查阅相关的书籍，达到设计的合理性和实用性。

3）为了工件定位准确和夹紧的快速，提高效率和降低工人的劳动强度，提高零件加工精度和安装找正方便，我们要采用专用的夹具。在夹具设计过程中，我们统一采用以端面和止口为主要定位面来进行加工。因为我们未学习过夹具的设计和计算。所

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以工作量大大地增加了，只有通过在实习过程中对夹具的感性认识和夹具设计参考书以及夹具图册来进行设计和计算。所以，夹具的设计是整个设计的重点，也是一个难点。

夹具的设计必须要保证夹具的定位准确和机构合理，考虑夹具的定位误差和安装误差。我们将通过对工件与夹具的认真分析，结合一些夹具的具体设计事例，查阅相关的夹具设计资料，联系在工厂看到的一些活塞加工的夹具来解决这些问题。

1.3 本课题采用的研究手段和可行性分析

根据活塞零件的特点，活塞加工不宜采用工序集中的原则，一般采用工序分散的原则来安排加工顺序，因为活塞加工一般为大批生产，加工要求较高，且刚性较差，所以加工应划分阶段，尽可能将粗、精加工分开进行。逐步提高定位基准的精度和加工表面的精度。

在加工发动机活塞零件的工艺过程中，我们必须保证其各部分的加工精度和与连接部件的装配精度，其主要技术要求如下：

1）裙部外圆要求与汽缸精密配合，尺寸公差为6级精度等级，表面粗糙度 Ra0.63um。

2）为了使活塞销工作时能在空中自由转动，活塞销孔尺寸公差为6级以上精度、表面粗糙度Ra0.16um、圆度公差0.0015mm、孔的圆柱度公差0.003 mm。

3）为了使活塞销和销孔受力均匀，减少不均匀摩擦，活塞销孔对裙部轴线必须垂直，在100 mm长度上公差为0.035mm，对称度为0.2 mm。

4）销孔轴线到顶面距离为56，上下偏差为+0.08 mm，-0.08 mm。

5）为使活塞环能随气缸套孔径大小而自由地涨缩，环槽的宽度尺寸、表面粗糙度及对裙部外圆轴线的位置也有较高的要求。 [1]

2 活塞结构特点

2.1 活塞的工作环境及承受的作用力

活塞在气缸内工作时，混合气在燃烧室内燃烧时产生的温度超过890摄氏度；活塞高速运动时其加速度达到25000～70000m/s；四冲程发动机工作时活塞顶部中心温度在330摄氏度左右，二冲程发动机则为400到450摄氏度。由此可见，活塞是在一个高温的环境中工作。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。

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2.2 活塞的结构特点

活塞顶面用于承受高温气体的压力,在活塞外圆表面上有三个环槽，离顶面最远的一个环槽是油环槽，槽内装有油环，将气缸壁上多余的润滑油刮去，第一环为气环槽 ，用于安装气环，密封燃烧工质，第二环为扭曲环。活塞环上部分称为头部，其余部分称为活塞裙部。

活塞采用ZL101铝铜合金材料锻造，它由顶部、头部、裙部三部分组成。头部呈圆锥体，裙部呈椭圆，顶部为ω形；头部有三道环槽，上面两道安装气环，下面一道安装油环；油环底部分布着两排回油孔，油槽下面还有一排油孔；活塞头部从上至下呈圆锥体，裙部呈椭圆，内腔复杂，壁厚较均匀。

图1 活塞简图 Fig 1 Piston sketch figure

如图1所示，平面1称为活塞的顶面，它承受气体的压力，并受到高温气体的直接作用。两个环行的槽2称为环槽，其中靠近顶点的二个环槽称为气体槽，在气体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；离顶面最远的一个环槽称为油环槽，在油环槽中放置油环（或称刮油环），它把飞溅到气缸套内壁上的多余的润滑油刮去，使油从油环槽的小孔3中流回曲轴箱。包括顶面和环槽在内的部分4称为活塞头部。其余部分5称为活塞裙部，在活塞工作过程中起导向作用。活塞中间的贯穿孔6称为活塞销孔，活塞孔的两端有锁环槽。图中标号7是一个短圆柱面和圆锥面的组合，通常称为止口。它是专为加工活塞而设置的辅助基准面，在结构上和功能上没有作用。[2]

活塞在工作过程中易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

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向的弹性变形量比垂直于该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,温度升高产生热变形。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2的虚线所示。

图 2 活塞在工作中的变形 Fig 2 Deformation of the piston at work

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。在活塞上，椭圆的长轴和短轴要控制在离圆位置4.3°以内，相互位置误差在4.3°以内。[3]

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。活塞裙部的锥度是0.015～0.040mm。

为了减少向裙部传导的热量，在活塞（主要是高速内燃机用活塞）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，在气环槽下镶嵌一高镍铸铁环。使铸铁的热膨胀系数更接近ZL101，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

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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。[4]

3 活塞的工艺规程的制订

3.1 制订机械加工工艺规程的原始资料及活塞的工艺分析

3.1.1 产品的零件图(见图纸) 3.1.2 产品验收的质量标准

活塞的技术要求已由国家科委制定了国家标准，对各部分的尺寸公关、形状和位置公差以及表面粗糙度均有详细的规定，现采用JB3931—85标准说明如下：

(1) 活塞裙部外圆要求与气缸很精密的配合，因此裙部外圆尺寸公差一般为IT6，对于高速内燃机要达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放大三倍，装配时将活塞按裙部尺寸分为三组，气缸套按孔径尺寸分成三组，对相应的组的进行装配，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Ra≤0.63μm。[5]

(2) 对于浮动式活塞销孔，为了使活塞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，当销孔内圆表面粗糙度Ra≤0.16。

(3) 活塞销孔的位置公差要求如下：

a. 销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比，影响发动机的效率，对于此活塞这一距离为56±0.08mm。

b. 销孔轴心线对裙部轴心线的垂直度过影响活塞销、销孔及连杆的受力情况。垂直度误差过大将使活塞销、销孔及连杆单侧受力，活塞在气缸中倾斜，加剧磨损，垂直度在100mm长度上为0.030mm。

c. 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，对称度公差为0.030mm。

(4) 为了使活塞 环能随气缸孔径大小的变化而自由地胀缩，对活塞环槽作下列规定：

a. 活塞环平面母线对裙部轴线的垂直度，且在25mm长度上为0.06mm。 b. 活塞环槽平面对裙部轴线圆跳动为0.04mm。 c．环槽宽度尺寸公差为0.015～0.035mm d.活塞环槽上下面平面粗糙度Ra≤0.63μm。

(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，重量差不得大于名义重量的2.2％。活塞按重量分组装配。[6]

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3.1.3 产品的生产纲领和生产类型

生产纲领是企业在计划期内应当生产的包括备品和废品在内的年产量。可按下式计算:

N?Qn(1?α?β) ( 1 )

式中：N——零件的年生产纲领（件／年）； Q——产品的年产量（台／年）；

n——每台产品中，该零件的数量（件／台）； a%——备品率； b%——废品率；

根据零件易磨损和损坏的程度，备品率定为2.8 %-4.7 %，现取4%，此活塞属于机械零件，一般废品率取1 %。

故 N＝ 6 3 1 3（1 + 4 %+ 1 %） ＝6.3 （万件）

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。

根据《机械制造工艺设计简明手册》中查得：本产品属于轻型机械，且生产纲领为6.3万台，远远大于5万台，所以此活塞的生产属于大量生产。结合活塞加工JB3931--85标准其工艺过程的主要特点为:

(1) 工件具有互换性,装配采用分组选择装配法。

(2) 铸件广泛采用金属模机器造型高生产率毛坯制造方法，毛坯精度高，加工余量小。

(3) 广泛采用高生产率的专用机床及自动机床，按流水线形式排列。 (4) 广泛采用高生产率刀具、夹具和量具。

(5) 对操作工人的技术要求较低，对调整工人的技术要求较高。 (6) 必须制定详细的工艺规程。[7]

3.2 活塞的材料及毛坯制造

铸造铝合金按化学成分可分为：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。 3.2.1 材料选择

采用高碳合金工具钢整体淬火的活塞，在工作中和钎杆接触的平面不变形，不易产生裂纹，而采用低碳合金钢渗碳淬火的活塞，在工作中和钎杆接触的平面易产生变形（平面凹陷）和裂纹，如果裂纹扩大，就会产生断裂使活塞报废。

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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。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。但它也有一些缺点: a. 材料的价格比较贵；

b. 热膨胀系数大,约为铸铁的两倍； c. 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。 3.2.2 毛坯的选择

选择毛坯应考虑的因素：

(1）零件力学性能的要求 相同的材料采用不同的毛坯制造方法，其力学性能有所不同。铸铁件的强度，离心浇注、压力浇注的铸件，金属型浇注的铸件，砂型浇注的铸件依次递减。

(2）零件的结构形状和外轮廓尺寸 形状较简单、壁厚均匀的毛坯可采用金属型铸造。

(3）生产纲领和批量 生产纲领大时宜采用高精度与高生产率的毛坯制造方法。(4）现场生产条件和发展 应经过技术经济分析和论证。

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；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；从毛坯的制造方法来看，铸铝和铸铜等有色金属材料适合用铸造方法获得毛坯；从铸铝件的力学性能来看，可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。

综上所述，该活塞零件的材料选用ZL101，该材料的成分及性能见表1，毛坯采用金属型铸造。用金属型铸型，在重力下浇注成型。对铝合金铸件有细化组织的作用，

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生产率高，无粉尘，但是设备费用高，手工操作时，劳动条件差。铸件表面的粗糙度Ra12.5～6.3μm，结晶细，加工余量小。适用于成批大量的生产。[8] 3.2.3 铸造斜度

(1) 铸造斜度的大小按下列原则确定：金属的收缩阻力大时，斜度应大；收缩量大和熔点高的合金，斜度应大；铸件需要拔模部分的尺寸大时，斜度应小，反之斜度应大。

(2) 铸件上各面斜度的数值应尽可能一致，以便于制造模具及造型。待加工表面 的斜度数值可以大一些。

表 1 铸铝101的成分及性能

Tab 1 Composition and properties of cast aluminum 101

合金

代号

Si 6.5～

ZL101

合金

7.5

0.1

0.45

0.1

零件

表 2 各种铸造方法的最小铸造斜度 Tab 2 Casting method of casting a variety of slope

斜度位置

外表面 内表面

砂型 0°30ˊ 1°

金属型 0°30ˊ 1°

铸造方法

壳型 0°20ˊ 0°20ˊ

压铸 0°15ˊ 0°30ˊ

Cu ＜

Mg 0.25～

Zn ＜

J,T5

202

2

金属型和压力铸造

法

主要化学成分/％

铸造方

σb

MPa

σs

用途

%

形状复杂的砂型、

铝硅

3.2.4 铸造圆角及半径

表 3 铸造圆角 Tab 3 Casting corner

最小圆角半径（mm）

铸造方法 金属型铸

造

铸造圆角计算公式

铝合金

R?14~16(A?B)

镁合金 2

铜合金 2

锌合金 —

黑色金属

2

1

(1) 铸件壁部连接处的内转角应有铸造圆角。

(2) 依照铸造圆角计算公式算出数值后，应选取与其接近的机械制造业常用的标

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准尺寸（详见GB2822—81）。为便于制造，半径应尽可能统一。在此，对于金属型铸件一般统一便用R3或R5。[9] 3.2.5 确定的机械加工余量

铸锻件的机械加工余量按JB3735-85确定，确定时，根据估算的锻件的重量、加工精度及锻件形状的复杂系数，由《简明机械加工工艺手册》查得：金属型铸件的尺寸公差等级为6～8级。可查得：

(1) 外圆的加工余量为4.0mm。 (2) 销孔的加工余量为3.0mm。

其它表面加工余量由零件尺寸决定(如图3所示):

图 3 活塞毛坯图 Fig 3 Piston rough figure

3.2.6 毛坯的制造方法及工艺特点

金属型浇注结构紧密，能承受较大压力，其生产率较高，适用于铁碳合金、有色金属及其合金的大批大量生产。金属型铸造允许毛坯的最大质量为110kg，毛坯的最小壁厚为1.5mm，形状复杂程度一般，精度等级CT要求为6～8级，毛坯的尺寸公差为0.09～0.47，表面粗糙度为Ra为12.5～6.3μm，加工余量等级为F。

3.3 基准的选择

3.3.1 定位基准的选择

定位基准的选择一般原则:

a. 选最大尺寸表面为安装面，选最长距离的表面为导向面，选最小尺寸的表面为支承面。

b. 首先考虑保证空间位置精度，再考虑保证尺寸精度。 c. 应尽量选择零件的主要表面为定位基准。

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3.3.2 粗基准和精基准的选择

(1) 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： a. 尽量选择不加工表面作为粗基准，如果在工件上有很多不需加工的表面，则应以其中与加工面的位置精度要求较高的表面作为粗基准。

b. 选择加工余量均匀的表面作为粗基准。 c. 选择加工余量较小的表面作为粗基准。

d. 选作粗基准的表面应平整，没有浇口、冒口、飞边等缺陷，以便定位可靠。 e. 粗基准一般只能使用一次，特别是主要的定位基准，以避免产生较大的位置误差。

(2) 根据上述的选择粗基准的基本原则，综合以上各个原则并考虑活塞的实际情况选择加工粗基准如下：

a. 以活塞毛坯内腔为粗基准加工外圆和端面,再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。

b. 直接以活塞毛坯外圆和端面为粗基准加工精基准止口,由于活塞的毛坯加工是采用金属型铸造，其铸造精度较高，加工余量小且余量均匀，以其作为粗基准同样可以满足加工要求。

（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问题：

a. 尽量用设计基准作为定位基准，实现“基准重合”，以避免产生基准不重合误差。

b. 当工件以某一组精基准定位可以较方便地加工很多表面时，应尽可能的采用此组精基准定位，实现“基准统一”，以避免产生基准转换误差。

c. 当精加工或光整加工工序要求加工余量尽量小而均匀时，应选择加工表面本身作为精基准，即遵循“自为基准”的原则。该加工表面与其他表面间的位置精度要求由先行工序保证。

d. 为获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可遵循“互为基准”、反复加工的原则。

e. 有多种方案可供选择时，应选择定位准确、稳定、加紧可靠，可使夹具结构简单的表面作为精基准。

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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。止口是专门为加工活塞而设置的辅助基准面，在结构上和功能上没有任何作用。在精加工时,除精车外圆等少数工序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：

a. 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。在一次安装中可车削多个表面，既提高了生产率，又能保证这些表面的位置精度。

b. 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。

3.4 拟定工艺路线

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活塞的机械加工工艺路线。 3.4.1 加工方法的确定

零件表面加工方法的选择应考虑的问题:

（1）零件表面的加工方法，主要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了对作为精基准表面的技术要求。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。

（2）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；工件的结构形状及尺寸大小；生产纲领及批量；工厂现有设备条件等。

(3) 加工经济精度分析。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

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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。

（4）材料的性质及可加工性。本零件的材料采用ZL101，它的化学成分是:Si6.5～7.5％,Cu＜0.1%,Mg0.25~0.45%,Zn＜0.1%,其余为Al。这种材料的工艺性能如下：

a. 切削性能：ZL101的硬度为100HB，为易切削材料。

b. 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210～240℃，保温7～9h后，自然冷却，活塞经过时效处理后能增加强度和硬度。

(5) 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。

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》对拟订本零件的加工方法如表4。 3.4.2 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表5所示。

表 4 加工方法的拟订

Tab 4 Processing method of preparation

加工步骤

加工方法

活塞裙部外圆的精度要求为IT6～IT5，表面粗糙度要求为Ra≤0.63,材料为ZL

外圆的加工

这样对于活塞外圆的加工选用：粗车——精车——金刚石车椭圆， 这样可以达到的粗糙度为Ra=0.8～0.2μm。

端面的精度要求为IT8级、材料为ZL101，故可采用一次车削完成，这样能达到的

端面的加工

精度等级为IT8～10，粗糙度为Ra=6.3～1.6μm满足要求。

该零件活塞对于外圆以及销孔孔的加工质量要求比较高，其余的加工质量要求并不高，又毛坯采用金属型铸造精度比较高，加工余量小，故除了外圆加工时安排了粗车，精车，金刚石车，加工销孔时安排了粗镗，精镗和滚压三个加工阶段外，其余工序均安排粗加工、精加工两阶段完成。[10] 3.4.3 加工工序的安排

按照加工顺序的选择原则：

(1）先加工基准面，再加工其它表面。 (2）一般情况下，先加工平面，后加工孔。

13

续表4

加工步骤 加工方法

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Ra≤1.25μm，精度要求为IT7，故可采用两次车削完成，即采用粗车——精车

止口的加工

的加工方法,这样能达到的精度等级为IT8～7，粗糙度为Ra=3.2～0.8μm满足

要求。

销孔的表面的精度要求为IT6以上，要求较高，粗糙度Ra≤0.16μm，故考虑采

销孔的加工

用。粗镗——精镗—滚压的加工方法，这样可以达到的精度等级为IT6～IT7，粗糙度为Ra=0.4～0.05μm满足要求。

斜油孔的表面粗糙度也为Ra小于等于12.5μm，它的精度要求并不高，且孔径也

斜油孔的加工

小于20mm，故它的加工方法也可以直接采用钻来实现，精度为IT11-IT12。 直油孔表面粗糙度也为Ra小于等于12.5μm，它的精度要求并不高，且孔径也小

直油孔的加工

于20mm，故它的加工方法也可以采用钻来实现，精度也为IT11-IT12。

环槽的加工

成。精度等级为IT7～8，粗糙度为Ra=6.3～1.6μm满足要求。

精度要求为IT8～10，而外圆开始已经进行一次粗车，故可以用一次精车就可以达

头部外圆的加

工

求。

气门内、外槽

的加工 销孔卡环槽 的加工

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IT11～12，粗糙度为Ra=12.5～3.2μm满足要求

位置精度要求较高，而尺寸精度要求不是很高，故可在销孔精镗后采用车削完成。精度等级为IT8～10，粗糙度为Ra=6.3～3.2μm满足要求。

表 5 各加工阶段的加工要求

Tab 5 The processing requirements of each processing stage

加工阶段 粗加工阶段

高生产率

半精加工阶段

加工作好准备

在精加工阶段，应确保尺寸、形状和位置精度达到图纸规定的精度要求以及

精加工阶段

表面粗糙度要求

14

位置精度要求较高，而尺寸精度要求不是很高，故可以考虑采用粗车——精车完

到要求，这样可以达到的精度等级为IT7～IT8，粗糙度为Ra=3.2～0.8μm满足要

加工要求

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

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

续表5

加工阶段 精密、超精密加

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

工、光整加工阶段

加工要求

(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。

根据活塞零件加工的实际情况，本设计拟定了两条加工路线来进行比较分析： 方案一： a. 工艺过程

第一道工序：粗车止口，端面 第二道工序：粗车外圆 第三道工序：粗镗销孔

第四道工序：粗切外圆环槽、顶面 第五道工序：钻直油孔 第六道工序: 钻斜油孔 第七道工序: 去内腔毛刺

第八道工序：精车止口，打中心孔 第九道工序：精车外圆、环槽并倒角 第十道工序：精镗销孔 第十一道工序：切卡环槽 第十二道工序：车椭圆裙部 第十三道工序：铣气门内槽 第十四道工序：铣气门外槽 第十五道工序：滚压销孔

图形见所附机械加工工艺过程卡片。 b. 热处理工序的安排：

时效处理：为了消除残余应力，对于尺寸大、结构复杂的铸件，需在粗加工之前、后各安排一次时效处理；对于一般铸件在铸造后或粗加工后安排一次实效处理；对于精度高、钢度低的零件，在粗车、粗磨、半精磨后需要各安排一次实效处理。

铝合金热处理安排在机加工前，铝活塞毛坯在机械加工前要切去冒口，并进行时

15

效处理，消除铸造时因冷却不均匀而带来的内应力。时效处理是将活塞加热至180～200摄氏度，保温6～8h后，自然冷却。活塞经过时效处理后还能增加强度和硬度。

c. 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，在零件加工完毕后安排一次终验工序。 在工艺过程的适当之处安排去毛刺处理。 在工艺过程的最后一般安排清洗工序。

表面镀锡：在活塞表面镀锡可以改善活塞初期磨合性，因为锡的质地软，亲油性好，可以提高冷启动时活塞的抗拉缸性能。

d. 集中与分散：

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。

考虑到此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，本设计采用工序相对集中的原则，也就是每个工序所包含的内容相对较多，所使用的工艺设备与装备少，同时选择合理的切削用量，减少了工件的搬运、装夹等辅助时间，它的设备数量少，加工过程中大量使用组合夹具、刀具和机床，生产效率高，厂房占地面积小，总投资少，但该加工方式对工人的技术水平要求相对较高，不利于产品快速更新换代，总体考虑还是适合此活塞零件的生产加工的。[12]

方案二： a. 工艺过程

第一道工序：粗车外圆、车顶面 第二道工序：粗车止口、打中心孔 第三道工序：粗铰销孔

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第四道工序：车环槽及梯形槽 第五道工序：车环槽环岸及其倒角 第六道工序：钻直油孔 第七道工序：钻斜孔 第八道工序：铣气门内槽 第九道工序：铣气门外槽 第十道工序：精车止口 第十一道工序：精车外圆 第十二道工序：精铰销孔 第十三道工序：切卡环槽 第十三道工序：靠磨椭圆裙部

第十五道工序：细铰销孔 热处理及其它同方案一。

3.4.4 工艺方案的比较与技术经济分析

以上两个工艺方案中除了对销孔和裙部椭圆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：

a. 劳动力消耗率：方案一与方案二相比，工时数与台时数比较少，生产率较高，且能达到的精度也较高

b. 设备构成比：两个方案使用的设备数量基本相同，只是设备的种类稍有不同。 c. 工艺装备系数：两个方案基本相同。

d. 工艺过程的分散与集中程度：本产品属于大批大量生产，且均采用相对集中的工艺路线，采用组合夹具、刀具和机床，基本上能够完成生产任务。

e. 金属消耗量：基本相同。

f. 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

17

些指标，两个方案是相同或相近的，因而不予分析。

综合以上指标，两种加工工艺方案各方面特性指标基本相似，考虑到方案一的加工精度要高于方案二，且方案一的加工精度与表面粗糙度又是适中的能够达到技术要求。故相比之下，方案一要优于方案二。

（3） 工艺成本的分析

当需评比的工艺方案均采用现有设备或其投资基本相近时，对加工内容基本相同的几种工艺方案的经济评比，可采用工艺成本作为衡量各种工艺方案经济性的依据。各方案的取舍与加工零件的年生产纲领有密切的关系，如图4所示。各方案直线交点的年产量Nj。由计算可知：

零件的全年工艺成本为:

Sn?VNj?Cn?VN?112jCn2 ( 2 )

Cn2?Cn1V1?V2Nj?

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。

其函数图形为曲线，图4中直线I、II、III分别表示三种加工方案。方案I系采用通用机床加工；方案II系采用数控机床加工；方案III系采用专用机床加工。三种方案的全年不变费用依次递增，每个零件的可变费用V则依次递减。从图中可以看出，Cx与年产量无关，VN随年产量成正比增加。

而单个零件（或单个工序）的工艺成本应为:

图 4 工艺成本与年产量的关系

Fig 4 The relationship between cost and output process

18

表 6 零件成本的组成表 Tab 6 Composition of parts cost table

全年零件成本

全年工艺成本Sn

全年可变费用NV Sc-每件材料费 Sz-每件机床工人工资 Sw-每件机床维持费 Stjz-每件通用机床折旧费 Sdz-每件刀具维持费及通用刀具

折旧费

Sjz每件夹具维持费及通用夹具

折旧费

运输费

全年不变费用Cn Stz-调整工人工资 Szz-专用机床折旧费 Szdz-专用刀具折旧费

旧费

Szjz-专用夹具折旧费

照明费等 其它费用 行政员的工资 总务人员工资 办公费用 厂房维持费及折

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.

Sd?V?CnN ( 3 )

由于本设计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，其他的也都类似的计算。 对于每道工序有：

Spi?Vi?Ci/N

＝NVi/N?Ci/N

其中

Nvi?Sci?Szi?Swi?Stjzi?Sdzi?Sjzi

故

Vi ?Sci?Szi?Swi?Stjzi?Sdzi?SCi?Stzi?Szzi?Szdzi?Szjzi

jzi/N

由于两个方案对于销孔的加工工艺不同在于一个采用的是镗削，另一个采用的是铰削。

故对于两种不同的方案有：

Sp1－Sp2＝Sz′1＋Sdz′1＋Sjz′1－（Sz′2＋Sdz′2＋Sjz′2）

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其中 Sz′＝Tmz3（1＋a/100）/60

式中 Tmz－单件时间 min

Sz－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＝10

Sjz′＝Cj×（Pj1+Pj2）

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＝（Cp＋Kcw）3Tm÷T÷（K＋1） 元/件

式中 Cp－刀具价格 元

T－刀具耐用度 min K－可重磨次数 Kcw－每磨一次刀所花费用 元

代入数据：

Sp1－Sp2＝ Sz1′＋Sjz1′－（Sz2′＋Sjz2′） 由于 Sz1′＜Sz2′ Sjz1′＜Sjz2′ 所以有 Sp1 ＜Sp2

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。

3.5 活塞加工余量的确定

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称为总余量。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。 3.5.1 加工余量的确定方法

对于本设计加工余量的确定主要查表修正法。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也不适合。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。 3.5.2 加工余量的确定

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。

20

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0.50。 ?0.5（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。

3.6 工序尺寸与公差的确定

工序尺寸是某工序加工后应达到的尺寸，允许工序尺寸的变动量就是工序公差。工序尺寸的计算要根据零件图上的设计尺寸、已经确定的工序余量、定位基准的转换关系来进行，而工序公差则按各工序加工方法的经济精度选定。又分两种情况：

a. 表面要进行多次加工而工序基准与设计基准重合时，如外圆和内孔的加工，其工序尺寸和工序公差的确定较简单，可直接计算获得。

b. 设计基准与工序基准或定位基准不重合；测量基准与设计基准不重合时；零件在加工中要多次转换基准时；加工一个面要保证好几个设计尺寸时，须用尺寸链原理

21

进行分析和计算。

（1）工序尺寸与公差的确定的步骤如下： a. 确定各加工工序的加工余量。

b. 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。

c. 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。

d. 填写工序尺寸并按“入体原则”标注工序尺寸公差。

上面所说的“入体原则”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。

e. 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。

（2）具体的计算如下： a. 对外圆的加工：

粗车： 130.2＋0.25＝130.45mm 毛坯: 130.45＋3.75＝134.2mm b. 对销孔的加工：

精镗： 52.12－0.1＝52.02mm 粗镗： 52.02－0.2＝51.82mm 把粗镗的加工余量休整为2.7mm,则: 毛坯: 1.82－2.62＝49.2mm （3）公差的选择：

由《简明机械加工工艺手册》有：

a. 外圆的加工：外圆的直径处于120～180 mm的范围 粗车： IT12～IT13 公差530μm 精车: IT7～IT8 公差40μm 金刚石车：IT5～IT6 公差20μm b. 销孔的加工：销孔的孔径处于50～80 mm的范围

粗镗： IT12～IT13 公差400μm 精镗： IT7～IT8 公差46μm

22

滚压： IT6 公差19μm c. 油孔的加工：油孔的直径范围为＞3～6 mm

钻孔： IT12～IT13 公差80μm d. 槽的加工：槽的圆柱直径范围为＞120～180 mm 粗车： IT12～IT13 公差530μm 精车: IT7～IT8 公差80μm

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》查得，就不再列出。 （4）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：Ra＝5～20μm；精车：Ra＝0.8～1.6μm；金刚石车：Ra＝0.025～0.4μm；粗镗： Ra＝5～20μm；精镗： Ra＝0.8～1.6μm；滚压：Ra＝0.8～1.6μm；圆柱铣刀粗铣： Ra＝2.5～20μm；钻孔： Ra＝0.08～0.20μm。

（5）主要工序的汇总如表7所示。

表 7 工序余量和公差表

Tab 7 Process margin and tolerances table

工序基本尺寸与偏差

工序余量

工序名称

（mm）

精车外圆 粗车外圆 滚压销孔 精镗销孔 粗镗销孔

0.25 3.75 0.1 0.2 2.7

（mm）

（mm）

IT7 IT12 IT6 IT7 IT12

130.2 130.45 52.12 52.02 51.82

（mm） 0 0 +0.010 +0.046 +0.20

（mm） -0.040 -0.32 0 0 0

工序公差

基本尺寸

上偏差

下偏差

注：其余一次性加工的加工余量没有逐个列出（详见后附工序卡）

3.7 机床与工艺装备的确定

工艺装备的确定包括：机床、夹具、刀具、量具等加工设备的选择。 3.7.1 机床的选择

本设计所使用的机床主要是CA6140车床。 3.7.2 夹具的选择

本设计的夹具均为随床夹具或使用组合夹具，并且自成系列。 3.7.3 刀具的选择

刀具选择包括刀具的类型、构造和材料的选择。主要应根据加工方法、工序应达

23

到的加工精度、粗糙度、工件的材料、生产率、和经济性等因素加以考虑，原则上尽量采用标准刀具，必要时采用各种高生产率的复合刀具。

故此根据零件的实际情况，并依据《简明机械加工工艺手册》选择如下所示： 工序一： YG8普通外圆车刀 工序二： YG8普通车刀

工序三： 采用YG8专用镗刀 工序四： 采用组合刀具

工序五： 采用直柄麻花钻（GB1436-85） 工序六： 采用直柄麻花钻（GB1436-85） 工序七： 采用普通砂轮

工序八： YG8X普通外圆车刀、顶尖

工序九： YG8X普通外圆车刀、专用组合刀具 工序十： YG8专用镗刀

工序十一：专用切槽刀 工序十三：金刚石车刀 工序十三：Φ80圆柱铣刀（GB1115-85）

工序十四：Φ50圆柱铣刀（GB1115-85） 工序十五：滚击器 车刀部分参数： 主偏角Kr：

系统刚性好（L/D﹤6），加工盘套之类的工件可取30度～45度。当切深较小，走刀量大时可取10度～30度。

副偏角Kr′：精车5°～10°；粗车10°～15°；粗镗15°～20°。 刃倾角λs：精车、精镗0°～40°；粗车、粗镗-5°～-10°。 3.7.4 量具的选择

（1）量具选择的原则

量具的选择应做到量具的精度应与零件的加工精度相适应。

量具的量程应与被测零件的尺寸大小相适应。量具的类型应与被测表面的性质、生产类型、生产方式相适应。

同时按量具的极限尺寸选择量仪时还与被测尺寸的公差值，测量精度系数，测量工具和测量方法的极限误差有关。

24

故对于量具的选择按上面所述确定如下： 按量具的极限尺寸选择量仪，应保证：

T?K ≥? ( 4 )

式中: T-被测尺寸的公差值（mm）； K-测量精度系数；

?-测量工具和测量方法的极限误差。

根据上式并查《简明机械加工工艺手册》选游标卡尺测量范围: 0～300mm；用途：测内外径以及长度、高度；选深度游标卡尺测量范围: 0～200mm；用途:测各孔深度；选杠杆百分表测量范围: 0～18mm；用途:测量油孔等的等高 。对机床、工夹具及刀具的选择如附录机械加工工艺卡片所示。

3.8 切削用量的确定

正确的选用切削用量，对保证产品质量，提高切削效率和经济效益，具有重要的作用。切削用量选择主要依据工件材料，加工精度和表面粗糙度的要求，还应考虑刀具合理的耐用度，工艺系统刚度急机床功率等条件。 其基本原则是：

（1）应首先选择一个尽可能大的切削深度； （2）其次选择一个较大的进给量；

（3）最后在刀具和机床功率允许条件下选择一个合理的切削速度。[13] 3.8.1 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，σ＝202MPa。加工要求：外圆车削，表面粗糙度Ra＝0.4μm,使用机床：CA6140

b. 确定粗加工时的切削用量：

确定切削深度ap 计算可得单边总余量 h＝4.0/2＝2.0mm,留0.15mm作为半精车余量，取粗车切削深度ap ＝1.85mm。

确定进给量f 由《机械加工工艺手册》可查得f＝0.8~1.2mm/r，初步选定f＝1.0 mm/r。

确定切削速度v 由《机械加工工艺手册》可查得v＝1.667~4.667m/s，取v＝2.0 m/s。

确定主轴转速n 由公式v＝πdn/1000即π3132.33n/1000＝2.0，得n＝4.81 r/s，根据机床说明书，取n＝5.0 r/s,此时切削速度为V＝πdn/1000＝

25

π3132.335.0/1000＝2.08 m/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。主切削力：

Fc＝CFzapxFzfyFzvnFzkFz ( 5 )

代入相关数据可求得 Fc＝1953 (N)

切削功率：

Pc＝Fc3Vc＝195332.08＝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：

Pc＝4.06≤Pn30.8＝7.530.8＝6 (kw)

所以机床功率足够，最后选定粗车的切削用量为ap＝0.625mm，f＝1.0 mm/r，v＝2.08 m/s。

同理可算得，精车时的切削用量为ap＝0.15mm，f＝0.5 mm/r，v＝1.66 m/s。车床转速n＝4.0r/s。

同理可算得其它表面加工的切削用量如表8所示。

[14]

3.9 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：

TTa?Tj?Tf?Tw?Tx?zK ( 6 )

式中：

TfTj—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

Tf?（0.15～0.20）Tj估算；

Tw—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

26

屑等。一般可按（0.02～0.07）3（

TxTzTj?TfTj?Tf）计算； ）计算；

—休息时间，可按0.023（

—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Tz； 基本时间和工序时间之和称为工序时间，以Ta表示。即：

Tg?Tj?Tf ( 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

Tj Tj?Lfni ( 8 )

L?l?1l?2l?3 l ( 9 )

代入数据得

Tj1＝30.0 (s)

其中： L—刀具的行程长度（mm）；

f—主轴每转刀具的进给量（mm/r）；

i—进给次数；

n—机床主轴每分钟转数（r/min）；

l—加工长度（mm）； l1—刀具的切入尺寸（mm）； l2—刀具的切出尺寸（mm）； l3—试切附加长度（mm）。

（0.15～0.20）Tj估算,在这里取系数为0.18。 辅助时间Tf：辅助时间按 Tf?8g 则工序时间Tg为 Tg?1.1T带入数据可得 Ta＝35.4 (s) b、工序五中端面的加工 基本时间Tj

Tj?(L/fn)i

)/2?1l?2l? 3l L?(d?d 1带入数据得 Tj2=5.0 (s) 其中： d——端面外径 （mm）

27

d1 ——端面内径（mm）

（0.15～0.20）Tj估算 辅助时间Tf按 Tf?在这里取系数为0.17

表 8 切削用量及工时定额表 Tab 8 Time quota and cutting tables

车床转速 基本时间

工序

工序名称

号 1 2 3 5 4 6 7

面

8 9 10

钻直油孔 钻斜油孔 去内腔毛刺

3.17 11.1 14.9

0.35 0.2 0.2

0.62 0.15 0.15

1.5 15.0 15.0

3.7 5.0 10

4.4 5.9 11.8

金属型铸造 铣浇冒口 时效处理 粗车外圆 粗车止口、端面

1.0

粗镗销孔 粗切外圆环槽、顶

2.7 3.19

0.6 1.2 0.4

1.69 1.85 0.62

4.5 11.0 1.5

11.0

13.0

5.0 7.6

5.8 8.9

ap（mm） （mm/r） 1.85 0.6

1.0 0.6

（m/s）

（s）

2.08 1.66

5.0 4.0

20.0 11.0 8h 30.0 6.0

（s） 23.6 13.0 9h 34.9 7.0

切削深度 进给量f 切削速度v

（r/s）

Tj

Tg

工序时间

则工序时间

Tg7j 为 Tg?1.1T带入数据可得 Tg＝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：

TzTa?Tj?Tf?Tw?Tx?K ( 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

Ta＝（1＋0.02＋0.05）39.083＝9.719 (h)

28

续表8

车床转速 基本时间

工序号

精车止口，打中心11

孔

精车外圆、环槽并

12

倒角

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

精镗销孔 切卡环槽 车椭圆裙部 铣气门内槽 铣气门外槽

2.0

镀锡、打字 滚压销孔 清 洗 成品检验 分组包装

0.05

0.35

0.75

4.5

10.0 8.3 6.0 5.0 5.0

11.8 9.8 7.0 5.9 5.9

0.2 0.1 2.4 4.1 9.0

0.3

0.62

1.5

20.4

24.1

0.4 1.0 0.2 0.3

0.62 1.7 0.83 1.2 0.69

1.5 10.0 5.0 15.0 2.0

10.7 11.0 2.1 15.0 15.3

12.6 13.0 2.5 17.7 18.0

0.15

1.2

2.5

6.0

18.4

21.7

0.15

0.25

0.93

2.5

14.6

17.2

工序名称

ap（mm） （mm/r）

（m/s）

切削深度 进给量f 切削速度v

（r/s）

Tj （s）

Tg （s） 工序时间

4 精镗销孔夹具设计

4.1 活塞销孔加工夹具的定位及误差分析

铝活塞的毛坯一般都铸出锥形销孔（便于拨模）。由于销孔是许多工序施加夹紧力的部位，所以在精加工之前即对销孔进行精镗加工，以便在其后的工序夹紧力能较均匀地分布，保证活塞重要表面精加工能得到较高的精度，又不至于破坏销孔精度。 4.1.1 定位方式和定位元件

设计夹具时原则上应选该工艺基准为定位基准。无论是工艺基准还是定位基准，均应符合六点定位原理。一个物体在三维空间中可能具有的运动，称为自由度。在空间体系中，物体可以有沿X、Y、Z轴的移动及绕X、Y、Z轴的转动，共有六个独立的运动，即六个自由度。所谓工件的定位，就是采用适当的约束措施，来消除工件的六个自由度，以实现工件的定位，即六点定位原理。

根据前面的生产工艺，本工序夹具采用活塞止口、端面及销孔定位，为了与止口

29

相配合，采用止口盘为定位元件。活塞止口和端面与止口座接触，限制了除沿Z轴的转动以外的5个自由度；剩下的绕Z轴的转动自由采度用菱形销插入销孔中来定位。工件的六个自由度全被限制，为完全定位。 4.1.2 定位元件尺寸及公差计算

(1) 菱形销的直径、宽度及公差的确定

可先按下表9查D2，选定b1，再按计算式算出菱形销与孔配合的最小间隙，再计算菱形销的直径。

表 9 菱形销尺寸 Tab 9 Size of diamond sales

D２ b1 B 3~6 2 D２－0.5 min>6~8 3 D２－1 x>8~20 4 D２－2 >20~25 5 D２－3 >25~32 5 D２－4 >32~40 6 D２－5 >40~50 8 D２－5 ?2?2b(1TL?TLg)/D 2

( 11 )

式中 b1——菱形销宽度（mm）；

D2——工件上菱形销定位孔直径（mm）； ?2min——菱形销定位时销孔最小配合间隙（mm）；

TLx ——夹具上两销孔中心距公差（mm）； TLg ——工件上两孔中心距公差（mm）； d1——菱形销名义尺寸（mm）；

菱形销配合为基孔制间隙配合，它的公差也可按配合H/g，销精度等级高于孔精度1级来确定。

本工序中菱形销与销孔的配合为H7/g6，菱形销公差△＝0.014mm，直径为52mm，根据GB2204—80，查得其长度为35mm。

另外止口座与活塞止口的配合为基孔制间隙配合，止口的尺寸和公差同样可根据配合来确定。[15]

4.1.3 定位误差分析与计算

(1) 产生定位误差的原因 a. 基准不重合带来的定位误差

夹具定位基准与工序基准不重合，两基准之间的位置误差会反映到被加工表面的位置上去，所产生的定位误差称之为基准转换误差。

30

b. 间隙引起的定位误差

在使用心轴、销、定位套定位时，定位面与定位元件间的间隙可使工件定心不准产生定位误差。单菱形销与孔的定位情况，最大间隙为

??Dmax?dmin????x??g ( 12 )

式中 Dmax ——定位孔最大直径；

dmi n——定位销最小直径； △——销与孔的最小间隙； ?x——销的公差； ?g——孔的公差；

由于销与孔之间有间隙，工件安装时孔中心可能偏离销中心，其偏离的最大范围是以δ为直径，以销中心为圆心的圆。若定位时让工件始终靠紧销的一侧，即定位以销的一条母线为基准，工件的定位误差仅为??12?g。

Dmax=52.12+0.05＝52.17mm，精镗销孔时菱形销与活塞销孔的配合为H7/g6，所以，

菱形销与孔的最大间隙为δ＝52.17－51.986＝0.184mm。 dmin?52－0.014＝51.986mm，

c. 与夹具有关的因素产生的定位误差

这类因素基本上属于夹具设计与制造中的误差，如： 1）定位基准面与定位元件表面的开关误差。

2）导向元件，对刀元件与定位元件间的位置误差，及其形状误差导致产生的导向误差和对刀误差。

3）夹具在机床上安装误差，即对定误差导致工件相对刀具主轴或运动方向产生的位置误差。

4）夹紧力使工件或夹具产生变形，产生位置误差。

5）定位元件与定位元件间的位置误差，以及定位元件、对刀元件、导向元件、定向元件等元件的磨损。

上述定位误差的分析计算，一般是在成批大量生产中用调整法加工时，需要分析，对于具体夹具的定位误差需要具体分析，要找出各个产生定位误差的环节及大小，然后按照极值法或概率法求出总的定位误差。如果采用试切法加工，一般就不作定位误差的分析计算了。[16]

4.2 工件的夹紧装置的设计

4.2.1 夹紧装置的组成

典型的夹紧装置，是由下列几个部分组成。

31

(1) 中间递力机构: 中间递力机构是介于力源和夹紧元件之间的传力机构。它把力源装置的夹紧作用力传递给夹紧元件，然后由夹紧元件最终完成对工件的夹紧。一般递力机构可以在传递夹紧作用力过程中，改变夹紧作用力的方向和大小。本夹具设计为了一压杆形式和拉头的组合递力机构。

(2) 夹紧元件与夹紧机构: 夹紧元件是夹紧装置的最终执行元件。通过它和工件受压面的直接接触而完成夹紧动作。本夹具的设计根据零件的特点设计螺旋夹紧装置。样式见总装配图。 4.2.2 夹紧力的确定

(1) 夹紧力的计算

夹紧力的大小需要准确的场合 ，一般需要实验来确定。通常，由于切削力本身是估算的，工件与支撑件间的摩擦因数也是近似的，因此夹紧力也是粗略估算。在计算夹紧力时，将夹具和工件看作一个刚性系统，以切削力的作用点、方向和大小处于最不利于夹紧的状况为工件的受力状况，根据切削力、夹紧力（大工件还应考虑重力，运动速度较大时应考虑惯性力），以及夹紧机构的具体尺寸，列出工件的静力方程式，求出理论夹紧力，再乘以安全系数，作为实际所需夹紧力。[17]

本设计中，夹紧机构选用最常用的螺旋夹紧机构。加工活塞时采用的夹紧工件的劳动强度也不是很大，为节约成本，动力装置采用手动夹紧机构。此时夹紧力的方向也符合“夹紧力的方向应用有利于工件的准确定位，不会破坏定位。实际所需夹紧力的计算如下。

螺旋夹紧机构是夹紧机构中应用最广泛的一种，螺旋夹紧机构夹紧力的计算与斜契夹紧机构的计算相似，因为螺旋可以看作一斜契绕在圆柱体上而形成。图5所示为螺杆受力图，该螺杆为矩形螺纹。原始动力为Q，力臂为L作用在螺杆上，其力矩为

T?QLT。工件对螺杆的反作用力有垂直方向的反作用力W（等于加紧力）、工件对其

F2?Wtan?2'摩擦力。该摩擦力存在于螺杆端面上的一环面内，可视为集中作用于当

T1?F2r?Wtan?2r''量半径为r的圆周上，因此摩擦力矩。螺母为固定件，其对螺杆的

作用力有垂直于螺旋面的作用力R及摩擦力F1，其合力为R1。该合力可分解成螺杆轴向分力和周向分力，轴向分力与工件的反作用轴向力平衡。周向力可视为作用在螺纹

TT中径d0上，对螺杆产生力矩T2?Wtan(a??1)d0/2。螺杆上的力矩T、1和2平衡。[18]

根据《机械加工工艺手册》可查螺旋夹紧的夹紧力的计算公式为：

W?QL12[d2tan?(??1 ( 13 )

?)r?t?a2n] 32

图 5 螺杆受力示意图 Fig 5 Screw the force diagram

式中: W— 夹紧力 （N）；

QL— 原始作用力 （N）；

— 作用力臂 （mm）；d2— 螺纹中径 （mm）； 螺纹升角（?）；

α—

1?　— 螺纹处磨擦角（?）；

； φ2— 螺纹端部与工件（或压块）的磨擦角（?）

r—

螺纹庙疗与工件（或压块）的当量磨擦半径 （mm）。

螺纹形状选用三角螺纹，取螺纹公称直径d = 10mm，螺纹中径为d 2= 9.132，作用力臂L = 212mm，原始作用力Q = 20N。其余尺寸查《机械加工工艺手册》表63-5、63-6、63-7、63-8可得，代入工公式可算得:W = 1780N。

实际所需夹紧力的计算是一个很复杂的问题，一般只能作粗略估算。为了简化计算，在设计夹紧装置时，可只考虑切削力对夹紧的影响，并假定工艺系统是刚性的，切削过程稳定不变。

对于镗削加工的切削力在设计手册上没有明确的公式计算，由于本工序为精镗销孔加工，根据其削用量并参照相关车削加工经验数据，镗削力估算为F =520（N）。

由于工件是以平面定位，夹紧力与切削力垂直，则

WK?K*Fu1?u2?N? ( 14 )

式中：

WK— 实际所需夹紧力（N）；

33

F— 切削力（N）；

— 夹紧元件与工件间的摩擦因数； — 工件与夹紧支撑面间的摩擦因数； — 为安全系数。

u1u2K安全系数一般可取K＝2～3。或根据下式计算

K?K1*K2*K3*K4 ( 15 )

式中 K1— 一般安全系数，考虑工件性质及余量不均匀等引起的切削力变化，K1＝1.5～2；

K2— 加工性质系数，粗加工K2＝1.2，精加工K2＝1；

K3— 刀具钝化系数，K3＝1.1～1.3；

K4— 断续切销系数，断续切削是K4＝1.2，连续切削时K4＝1。

K＝1.63131.231＝1.92

安全系数K的计算结果小于2，达不到安全要求，取K=2.5，将以上结果代入到公

N2 式计算可得 ： WK?425.3螺旋夹紧机构及其源动力与实际所需夹紧力之间的关系为：

W0?WKl1Ln0 ( 16 )

n1?rZ MQ?W0??r`taΨt?aαn?Ψ2??? ＝2046.5 N

式中：

W0 — 原动力通过螺母施加在压杆上的力（N）； — 原动力（N）；

MQr`— 螺杆端部与压杆之间的当量摩擦半径（mm），其值视螺杆端部的结

构形式而定；

Ψ1rZ— 螺杆端部与压板间的摩擦角（°）；

— 螺纹中径之半 （mm）；

α— 螺纹升角 （°）

Ψ2— 螺旋副的摩擦角 （°）。

4.3 对定装置

夹具体底面是夹具的主要基准面，要求底面经过比较精密的加工，夹具的各定位元件相对于此底面应有较高的位置精度要求。为了保证夹具具有相对切屑运动的准确的方向，夹具体底平面的对称中心线上开有定向槽，安装上两个定向键，夹具靠这两

34

个定向键定位在工作台面中心线上的T型槽内，采用良好的配合，一般选用H7/h6，再用T型槽螺钉固定夹具。由此可见，为了保证工件相对切屑运动方向有准确的方向，夹具上的第二定位基准（导向）的定位元件必须与两个定向键保持较高的位置精度。

4.4 标准件的选取

压板连接夹具体压紧螺栓的选取GB/T5783—2000，螺纹规格为直径d＝M8，长L＝45mm,性能等级为8﹒8级，表面氧化，材料35＃钢，全螺纹螺栓，标记为： GB5783 M8345。

固定衬套的螺钉规格按照 GB/T65－2000选取，螺纹直径分别为d＝M4，公称长度为L＝10mm,性能等级为4.8级，材料35＃钢，不经表面处理开槽圆柱头螺钉，标记为： GB/T65 M4310。

连接转动手柄和压紧螺杆的销选取GB/T119.1—2000,公称直径d＝10mm,公差为m6,公称长度l＝38，材料35钢，不经淬火，不经表面处理的圆柱销，标记为： 销 GB/T119.1 10m6338。

连接夹具与机床定位键选取GB2206—80，宽度B＝20mm，热处理：HRC40～45,偏差为h6的A型定位键，标记为： 定位键 A20h6 GB2206—80。

与定位键配合使用的螺钉同样选取GB/T65－2000，螺纹直径分别为d＝M6，公称长度L＝10mm,性能等级为4.8级，材料35＃钢，不经表面处理开槽圆柱头螺钉，标记为： GB/T65 M6316。

与销孔配合定位的菱形销选取GB2204－80可换定位销，材料20钢，表面渗碳处理，深度0.8～1.2mm，HRC55～60。

连接菱形销与衬套的键选取GB/1096－1979，圆头普通平键（A型），宽度b＝10mm,h＝8mm，长度L＝80mm，材料45钢，标记为： 键 10380 GB/T1096。[19]

4.5 夹具体的设计

4.5.1 夹具体的毛坯结构

在选择夹具体的毛坯结构时，应以结构合理性、工艺性、经济性、标准化的可能性以及工厂的具体条件为依据综合考虑。根据夹具的工作条件和受力情况，本夹具的毛坯采用铸造结构可满足要求。 4.5.2 夹具体外形尺寸的确定

夹具制造属单件生产性质，为缩短设计和制造周期，减少设计和制造费用，所以夹具体设计，一般不作复杂的计算。通常都是参照类似的夹具结构，按经验类比法估计确定。实际上在绘制夹具总图时，根据工件、定位元件、夹紧装置以及其他辅助机

35

构和装置在总体上的配置，夹具体的外形尺寸便已大体确定。根据《机床夹具设计手册》表1-9-2 夹具体结构尺寸的经验数据及表1-9-3 夹具体座耳尺寸两表可初步拟订夹具体的尺寸。（见精镗销孔夹具体零件图） 4.5.3 夹具体的排屑结构

为了便于排除切屑，不使其积聚在定位元件工作表面上而影响工件正确定位，一般在设计夹具体时，应采取必要的措施。参阅《机床夹具设计手册》表1-9-4，采用切屑自动排除结构。

4.6 精镗销孔夹具工作原理

如图6所示为精镗销孔夹具装配图。其工作原理为：结合人机工程学基本原理，从正面装入活塞工件，工件安放在止口座1上，由活塞止口和端面限制5个自由度，剩下沿Z轴的转动自由度由右 可移动的菱形销13来限定，菱形销插入销孔后，顺时针旋动手柄8，压紧螺杆6向下移动，通过圆球头部将作用力传递到压块3，压块将力均匀地传到活塞2顶面，压紧工件，活塞夹紧后，退出菱形销13，将夹具整体平移到工作位置开始加工，加工结束后，退出刀具，逆时针旋动手柄8， 松开压块3，取下活塞，精镗销孔工序加工完成，继续加工下一个工件。

5 钻油孔夹具设计

5.1 工件的定位

油孔的加工是在与销孔所在的半曲面相垂直的活塞两个半曲面上分别钻出３个直油孔，如图8所示。

为保证油孔中心与止口面的长度精度要求，要限制的自由度为X轴的平动及Y轴和Z轴的转动，为保证油孔间的角度，要限制的自由度为Z轴的平动及X轴的转动。故选用典型的孔定位方法，定位元件为心轴与圆柱定位销的配合使用，其中，心轴与止口盘顶面限制X轴、Z轴的平动和沿X轴、Y转动4个自由度，圆柱定位销限制Y轴的移动和沿Z转动2个自由度。选择孔为定位基准。心轴的宽度和圆柱定位销的直径由活塞的内孔间距和销孔直径确定。

5.2 定位误差的分析与计算

本设计是采用孔定位，因而可能产生的误差是元件的销孔与定位销之间的间隙引 起轴向的误差和心轴与活塞内壁配合产生的径向误差。以销孔与定位销的定位误差为例：

根据《机械制造装备设计》第265页可查最大间隙公式为

??Dmax?dmin????x??g (17)

36

图 6 精镗销孔夹具装配图

Fig 6 Finished boring cotter hole jig assembly drawing

1、止口座 2、活 塞 3、压 块 4、压 板 5、衬 套 6、压紧螺杆 7 、销 8、手 柄 9 夹具体 10、菱形销导套 11、衬 套 12、螺 钉 13、菱形销 14、键 15、定位键

式中 Dmax—定位孔最大直径；

dmin—定位销最小直径；

Δ —销孔的最小间隙； ?x—销的公差； ?g—孔的公差。

由于销孔与之间有间隙，工件安装时孔中心可能偏离销孔中心，其偏离的最大范围是以δ为直径，以销中心为圆心的圆。若定位时让工件始终靠紧销的一侧，即定位以销的一条母线为基准，工件的定位误差公为：??本设计选用的活塞销孔最大直径为

Dmax12?g。

= 52.12mm + 0.05mm =52.17mm，定位销

直径选定为d = 52.1mm，其长度选定为L = 130mm。定位销与销孔间采用H7/g6，销轴最小尺寸为dmin＝52.1－0.014＝52.086，所以其定位误差最大间隙由公式得：

??Dmax?dmin?52.17?52.086＝0.084。

5.3 工件的夹紧

查《机械加工工艺手册》表1024—11有：钻孔加工时轴向力计算公式为：

F＝3.48 d0f

1.40.8?b0.7 ( 18 )

37

式中 F— 钻削加工轴向切削力； d0— 钻头直径； F— 切削进给量；

?b— 加工材料的屈服强度；

1.40.80.7代入数据计算得 F?3.48?3.2?0.2?202＝201 N

取夹紧安全系数为 K＝2.5 螺旋夹紧机构源动力：

MQ?W0??r`tanΨ1?rZtan?α?Ψ2???=1056.8 N

为方便加工完成以后取出活塞零件，在夹具中增加了弹簧。根据《机械设计手册》表261-1、261-11可知，该弹簧选用国标件GB/T2089—1994，弹簧半径D＝20mm，弹簧材料65Mn,截面直径d＝2mm，有效圈数n＝6.5，长度H＝20mm，一圈弹簧的刚度K＝316N/mm。弹簧的预紧压缩量为0，夹紧工件后的压缩行程S＝0.2mm，故弹簧产生的力q＝nKS ＝6.53316N/mm30.2mm＝410.8N。

所以本夹具的夹紧力

F?W?q ＝1056.8 N + 410.8 N ＝1467.6 N

5.4 导向装置的确定

刀具的导向是为了保证孔的位置精度 ，增加钻头和镗杆的支承以提高其刚度，减少刀具的变形，确保孔加的位置精度。

本设计中所选用的导向装置是可换钻套。如图7所示，可换钻套是先把衬套用过盈配合H7/r6固定在钻模板上，再采用间隙配合H7/g6将可换钻套装入衬套中，并用螺钉压住钻套。这种钻套更换方便，适用于中批以上的生产。

1—钻套 2—衬套 3—钻模板 4—螺钉查《机械加工工艺手册》表1024—11有：钻孔加工时轴向力计算公式为：

F＝3.48 d0f1.40.8?b0.7

式中 F— 钻削加工轴向切削力；

d0— 钻头直径；

F— 切削进给量；

?b— 加工材料的屈服强度；

1.40.80.7代入数据计算得 F?3.48?3.2?0.2?202＝201 N

取夹紧安全系数为 K＝2.5 螺旋夹紧机构源动力：

MQ?W0??r`tanΨ1?rZtan?α?Ψ2???

=1056.8 N

38

为方便加工完成以后取出活塞零件，在夹具中增加了弹簧。根据《机械设计手册》表261-1、261-11可知，该弹簧选用国标件GB/T2089—1994，弹簧半径D＝20mm，弹

图 7 可换钻套 Fig 7 Replaceable drill sleeve

簧材料65Mn,截面直径d＝2mm，有效圈数n＝6.5，长度H＝20mm，一圈弹簧的刚度K＝316N/mm。弹簧的预紧压缩量为0，夹紧工件后的压缩行程S＝0.2mm，故弹簧产生的力q＝nKS ＝6.53316N/mm30.2mm＝410.8 N。

所以本夹具的夹紧力

F?W?q ＝1056.8 N + 410.8 N ＝1467.6 N

[20]

5.5 分度装置设计

油孔所在的两个面是左右对称分布的，为在一次装夹的情况下完成两个面的加工，安排了分度盘。

分度装置的基本形式主要是指由分度盘和分度定位器所组成的分度副的形式。分度装置的工作精度也主要取决于分度副的结构和制造精度。本夹具要求的是轴向分度，可初步拟定为一圆销对定，原因是圆销对定结构简单、制造容易。分度副间有污物时，不直接影响分度副的接触。缺点是无法补偿分度副间的配合间隙对分度精度的影响。分度板孔中一般压入耐磨衬套，与圆柱定位销采用H7/g6配合。分度盘上分布六个倾斜的齿形槽，用于定位对称分布的6个直油孔。分度盘与长套筒连接，转动手柄，手柄末端的螺母与套筒外螺纹间互锁，从而带动套筒和分度盘一起旋转，转到指定的位置，分度销在内部弹簧的作用下自动压入分度盘齿形槽内，继续转动分度盘，可通过分度盘斜面作用，将分度销退出齿形槽。（见夹具装配图）

39

5.6 标准件的选择

查相关书籍及《机械加工工艺手册》，联接销选用GB/T119—2000，材料为35钢，不经淬火、不经表面处理；夹紧螺钉选用GB/T65－2000；夹紧螺栓选用GB/T5783—2000；垫圈选用GB/T97.1—2002, 材料为Q235，不经表面处理；键选取GB/T1096－1979；压紧螺母选取GB/T6170—2000，螺纹规格为D＝M20，性能等级为8级，不经表面处理，产品等级为A级的1型六角螺母，标记为：螺母 GB/T6170 M12；弹簧选取GB/T2089—1994,A型、材料为60Si2MnA，表面渡漆处理的右旋圆柱螺旋压缩弹簧；钻套按GB2268—80选取，材料T10A，热处理： HRC58～6；与钻套配合使用的钻套用衬套从GB2263—80选取，材料T10A，热处理： HRC58～64（具体见夹具装配图）。

5.7 夹具体的设计

与精镗销孔夹具相似，该夹具的毛坯采用铸造结构, 夹具体设计，也不作复杂的计算，参照类似的夹具结构，按经验类比法估计确定。（具体见夹具体零件图）

5.8 钻油孔夹具的工作原理

如图8所示，钻活塞直油孔工作原理为：通过定位销5及止口盘7共同作用将活塞工件4完全定位，然后拧紧心轴14尾部压紧螺母13将活塞及相关部件一起夹紧在套筒11上，逆时针旋转手柄10，靠螺纹间的互锁带动套筒转动，心轴14和套筒11通过键15定位连接，分度盘7与套筒11靠螺钉连接，套筒11带着夹紧的工件和分度盘一起转动，转到规定的位置，分度定位销2在内部弹簧的作用下自动压入分度盘3齿形槽内，然后再顺时针反向旋转手柄10，分度盘3被分度定位销卡住并连同套筒11保持不动，连接手柄的螺母将套筒压紧在夹具体17上，开始加工第一个直油孔，油孔加工完后逆时针转动手柄10，松开套筒11，并带动分度盘3一起旋转，分度盘齿形槽斜面与分度定位销2作用将销挤出齿形槽，分度盘3转动到第二个加工位置，分度定们销再次自动压入分度盘齿形槽，反向拧动手柄10夹紧套筒11，开始加工第二个油孔，如此循环直到六个油孔全部加工完，拧开心轴尾部螺母13，取出定位销5，卸下工件，为后序加工做准备。

6 结论

6.1 设计体会

这次毕业设计是独立完成的工作量最大的一次，在设计的过程中我查阅了大量的网络资料和原始的书籍和手册，特别是CAD图纸的绘画，让我重新温习和深入了解我了AutoCAD制图软件的应用，增强了我的动手实践能力，图纸中许多尺寸和结构都是我参照相关书籍拟定的，也基本上能实现设计的要求，这也增强了我整体思考和联系

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实际的能力。

在对中国一拖活塞生产线的参观期间，我发现在以往的活塞工艺设计中，活塞的材料选择，定位基准选定，以及工序的安排等方面都存在着一些弊端，往往造成活塞

图 8 钻油孔夹具装配图

Fig 8 Drill hole fixture assembly diagram

1.手扭 2.分度定位销 3.分度盘 4.活塞 5.定位销 6.钻套 7.止口盘 8.钻模板 9.螺钉 10.手柄 11.套筒 12.垫圈 13.压紧螺母 14.心轴 15.键 16.弹簧 17.夹具体 18.定位键 19.定位螺钉

的技术要求不合格、加工工序繁琐、废品率高等问题。

本次对在对活塞机械加工工艺设计和夹具设计过程中我主要针对以上问题加以了重视。

首先，采用可控热膨胀结构活塞设计。如镶平钢片CA488 型活塞、镶钢筒的R4100活塞、镶钢环的桑塔纳活塞等等, 其目的是为了减少裙部的热膨胀量, 减小活塞的配缸间隙, 减轻气缸套腐蚀, 降低发动机噪音。

其次，采用止口和端面做为统一基准。在精加工时,除精车外圆等少数工序用止口锥面和中心孔定位外,其余工序都采用止口和端面定位，解决了基准不统一的问题。

最后，尽量将加工工序简化，缩短工序时间，采取工序集中原则，大量使用专用

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机床，减少多次夹带来的定位和其它误差，提高产品合格率，减少了工人的劳动量，提高了生产率。

6.2 前景展望

目前，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。

现在制造活塞的材料虽说多种多样，但真正理想的材料并不多，同时活塞的结构和加工工艺还需要进一步改进，活塞的发展前景还具有相当大的市场空间。

因此,从短期发展来看,铸铁和铝合金仍是活塞产品的主导材料,但从长期发展战略来看,随着复合材料制备技术的日臻成熟及成本的不断降低,新型活塞材料具有广阔应用前景，在活塞生产领域，谁能不断的更新产品结构和机械加工工艺，谁就能主导活塞产品市场。

参考文献

[1] 丁阳喜.机械制造及造化生产实习教程[M].北京：中国铁道出版社，2002：14-74.

[2] 陆名彰，胡忠举，历春元，宋昭祥，刘平.机械制造技术基础[M].湖南：中南大学出版社，2004：90-160.

[3] 李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，2007：50-80. [4] 徐圣群.简时机械加工工艺手册[M].上海：上海科学技术出版社，2005：44-75. [5] 徐嘉元，曾家驹.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2004：15-140. [6] 孟少农.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2008：第1、2卷.

[7] 王光斗，王春福.机床夹具设计手册[M].上海：上海科学技术出版社，2004第三版：74-124. [8] 大连理工大学工程画教组.机械制图[M].北京：高等教育出版社，2003第五版：10-66. [9] 冯辛安.机械制造装备设计[M].北京：机械工业出版社，2006：249-334. [10] 徐学林.互换性与测量技术基础[M].湖南：湖南大学出版社，2005：27-82. [11] 肖继德，陈宁平.机床夹具设计[M].天津：机械工业出版社，2009：235-289.

[12] 赵家齐.机械制造工艺学课程设计指导书[M].上海：机械工业出版社,2005:15-80. [13] 刘守勇.机械制造工艺与机床夹具[M].哈尔滨：机械工业出版社,2007：45-98.

[14] 陆剑中，家宁.金属切削原理与刀具[M].沈阳：机械工业出版社,2008：55-199. [15] 陈国香主编.机械制造与模具制造工艺学[M].北京：清华大学出版社，2006：115-205. [16] 赵如福.金属机械加工工艺人员手册[M].上海：科学技术出版社，2005：305-356.

42

[17] 张耀宸.机械加工设计手册[M].北京：航空工业出版社，2004：215-258. [18] 王先逵.机械制造工艺学[M].天津：机械工业出版社，2006：88-142. [19] 李庆余.机械制造设计装备设计[M].天津：机械工业出版社，2006：77-189. [20] 路甬祥.液压气动技术手册[M].天津这：机械工业出版社，2002：215-246.

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致 谢

在这次毕业设计中，从刚开始的毫无头绪，到最后的顺利完工，一路走来颇为艰辛。在此，要十分感谢董亮老师对我的指导，从开始的给课题，到后来的修改，找不足，再修改，再找不足等等。感谢董老师给了我很大的帮助，不但及时地发现我的不足之处，还给出正确的指导。

通过这次的毕业设计，我能比较全面地综合运用机械加工工艺及机床夹具设计的理论和实践知识，能根据被加工零件的技术要求，运用零件制造的基本工艺路线和方法，学会拟订专用机床的设计路线，完成工件的加工、夹具的结构设计，并且对有关手册、规范、图表等技术资料有了一定的熟悉，也重新巩固了识图、制图和编写技术文件等的基本技能。更加全面地复习了机械方面的专业知识，加强锻炼独立思考的能力和自己动手的能力。综合运用机械制造工艺学课程和其它相关课程的知识,分析和解决机械加工问题,进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。在这一过程中，我不仅学会了如何完整地设计出一个符合要求的专用机床和夹具，还学会了一种方法一种态度，一种独立分析和解决问题的方法，一种面对困难从容不迫的态度, 增强和提高了从事机械加工工作的自信心。加上近段时间在三一泵送调试场实习，泵车里面的活塞见得比较多，这对我的毕业设计帮助很大。

因此，感谢董亮老师这一路来对我的精心指导，使这次毕业设计能够顺利成功地完成。还要感谢在设计过程中帮助过我的同学们和其他老师。谢谢你们！

我也非常感谢我的父母，在学习和生活上，他们一直都很支持我，使我能全身心地投入到学习中。

最后，感谢答辩的老师，谢谢你们抽出宝贵的时间来阅读我的毕业设计。

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