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 https://www.360docs.net/doc/234184841.html,stly,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 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

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。

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 1Piston 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

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

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]

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:

=Qn

+

N( 1 )

α+

)

1(β

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。

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，

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

主要化学成分/％铸造方

法

b

σsσ

用途Si Cu Mg Zn MPa %

铝硅

合金ZL101

6.5～

7.5

＜

0.1

0.25～

0.45

＜

0.1

J,T5 202 2

形状复杂的砂型、

金属型和压力铸造

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

斜度位置铸造方法

砂型金属型壳型压铸外表面0°30ˊ0°30ˊ0°20ˊ0°15ˊ

内表面1°1°0°20ˊ0°30ˊ

3.2.4 铸造圆角及半径

表 3 铸造圆角

Tab 3 Casting corner

铸造方法铸造圆角计算公式

最小圆角半径（mm）

铝合金镁合金铜合金锌合金黑色金属

金属型铸

造

11

~()

46

R A B

=+ 1 2 2 — 2

(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

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。

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。

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

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

外圆的加工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 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。

端面的加工

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

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。

续表4 加工步骤加工方法

止口的加工

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——精车的加工方法,这样能达到的精度等级为IT8～7，粗糙度为

a

R=3.2～0.8μm满足

要求。

销孔的加工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。

斜油孔的加工

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

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。

直油孔的加工

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

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

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

成。精度等级为IT7～8，粗糙度为Ra=6.3～1.6μm满足要求。

头部外圆的加

工精度要求为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满足要求。

气门内、外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

销孔卡环槽的加工位置精度要求较高，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

加工阶段加工要求

粗加工阶段

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

高生产率

半精加工阶段

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

加工作好准备

精加工阶段

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

表面粗糙度要求

续表5 加工阶段加工要求

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

(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

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:

1122

n j n j

n S V N C V N C =+=+ ( 2 )

2112

n n j C C N V V -=

-

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

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

其它费用 全年可变费用NV 全年不变费用Cn 行政员的工资 Sc-每件材料费 Stz-调整工人工资 总务人员工资 Sz-每件机床工人工资 Szz-专用机床折旧费 办公费用 Sw-每件机床维持费 Szdz-专用刀具折旧费

厂房维持费及折

旧费

Stjz-每件通用机床折旧费 Szjz-专用夹具折旧费

照明费等 Sdz-每件刀具维持费及通用刀具

折旧费

运输费

Sjz 每件夹具维持费及通用夹具

折旧费

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.

n

d C S V N =+

( 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：

N C V S i i pi /+=

＝N C N NV i i //+

其中

vi N j z i

d z i t j z i wi zi ci S

S S S S S +++++=

故

i V jzi

dzi tjzi wi zi ci S

S S S S S +++++=/N

zjzi zdzi zzi tzi i S S S S C +++=

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）

其中 z S ′＝mz T 3（1＋a/100）/60

式中 mz T －单件时间 min

z S －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

jz S ′＝j C ×（1j P +2j P ）

式中 j C －夹具成本 元

1j P －夹具折旧率 每年33% 2j P －维护费折合百分数 取为26% dz S ＝（p C ＋cw K ）3m T ÷T ÷（K ＋1） 元/件

式中 p C －刀具价格 元

T －刀具耐用度 min K －可重磨次数 cw K －每磨一次刀所花费用 元

代入数据：

1p S －2p S ＝ 1z S ′＋1jz S ′－（2z S ′＋2jz S ′） 由于 1z S ′＜2z S ′ 1jz S ′＜2jz S ′ 所以有 1p S ＜2p S

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。