活塞机械加工工艺及其夹具设计(2)

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。

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。

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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，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

合金

代号

Si 6.5～

ZL101

合金

7.5

0.1

0.45

0.1

零件

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 σs

MPa

%

用途

形状复杂的砂型、

铝硅

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表 2 各种铸造方法的最小铸造斜度

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

3.2.4 铸造圆角及半径

表 3 铸造圆角

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

镁合金 2

铜合金 2

锌合金 —

黑色金属

2

R?11~(A?B) 461

(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

8

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。 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。

9

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。

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。

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