活塞机械加工工艺及其夹具设计(3)

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

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：

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(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。

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。 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

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

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

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

加工阶段 粗加工阶段

高生产率

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

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

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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

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

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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 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

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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

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