发动机活塞、连杆组件备课讲稿.ppt

发动机活塞、连杆组件一、概述一、概述 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成，如下图所示。成，如下图所示。活塞活塞活塞、连杆组件活塞、连杆组件1 1）活塞顶部）活塞顶部 活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成部分，其形活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成部分，其形状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求，其顶部形状可分为四大类，平燃混合气形成和燃烧的要求，其顶部形状可分为四大类，平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞。顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞。平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热平顶活塞顶部是一个平面，结构简单，制造容易，受热面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油面积小，顶部应力分布较为均匀，一般用在汽油机上，柴油机很少采用。机很少采用。凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起导向作凸顶活塞顶部凸起呈球顶形，其顶部强度高，起导向作用，有利于改善换气过程，二冲程汽油机常采用凸顶活塞。用，有利于改善换气过程，二冲程汽油机常采用凸顶活塞。凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于凹顶活塞顶部呈凹陷形，凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、可燃混合气的燃烧，有双涡流凹坑、球形凹坑、U U形凹坑等等。形凹坑等等。2 2）活塞头部）活塞头部 活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上部分。它有数活塞头部指第一道活塞环槽到活塞销孔以上部分。它有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部。柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道环槽安装气柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道环槽安装气环，起密封作用，最下一道环槽安装油环，起润滑作用；汽油环，起密封作用，最下一道环槽安装油环，起润滑作用；汽油机活塞一般有三道环槽，上面两道环槽为气环槽，最下一道环机活塞一般有三道环槽，上面两道环槽为气环槽，最下一道环槽为油环槽。槽为油环槽。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。第一道环槽工作条件最刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。第一道环槽工作条件最恶劣，一般应离顶部较远些。恶劣，一般应离顶部较远些。活塞顶部吸收的热量主要也是经过防漏部通过活塞环传给活塞顶部吸收的热量主要也是经过防漏部通过活塞环传给气缸壁，再由冷却水传出去。总之，活塞头部的作用除了用来气缸壁，再由冷却水传出去。总之，活塞头部的作用除了用来安装活塞环外，还有密封作用和传热作用，与活塞环一起密封安装活塞环外，还有密封作用和传热作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，同时还将气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，同时还将(70(7080)%80)%的热的热量通过活塞环传给气缸壁。量通过活塞环传给气缸壁。3 3）活塞裙部）活塞裙部 活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包活塞裙部指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起括装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。导向作用，并承受侧压力。裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。所谓侧压力裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体的侧压水平分力使活塞压向气缸壁。压缩行程和作功行程气体的侧压力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力，所以，作力方向正好相反，由于燃烧压力大大高于压缩压力，所以，作功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力（见下图）。功行程中的侧压力也大大高于压缩行程中的侧压力（见下图）。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。销轴线相垂直的方向上。2.2.活塞的变形及采取的相应措施：活塞的变形及采取的相应措施：（1 1）变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。）变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。（2 2）变形规律及结构措施）变形规律及结构措施 1 1）活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙变小。活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙变小。因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁；因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁；2 2）活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低，壁厚活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低，壁厚上厚下薄；上厚下薄；3 3）裙部周向近似椭圆形变裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方向。化，长轴沿销座孔轴线方向。因销座处金属量多而膨胀量大，因销座处金属量多而膨胀量大，以及侧压力作用的结果。以及侧压力作用的结果。为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但是，由于活塞裙隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。另外，裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。向大。这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会这样，如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状把活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成活塞制成上小下大的阶梯形、锥形上小下大的阶梯形、锥形。活塞头部形状示意图活塞头部形状示意图 锥形裙部活塞示意图锥形裙部活塞示意图 现代发动机活塞已普遍发展为中凸变椭圆型面，其纵剖现代发动机活塞已普遍发展为中凸变椭圆型面，其纵剖面廓形为中凸的指数或幂函数，横截面的廓形大都采用椭圆面廓形为中凸的指数或幂函数，横截面的廓形大都采用椭圆的的2 2阶近似曲线或椭圆阶近似曲线或椭圆偏心偏心(正正)圆等的组合曲线。设计椭圆圆等的组合曲线。设计椭圆形裙部的目的是防止热态时活塞沿销轴方向的过度膨胀，从形裙部的目的是防止热态时活塞沿销轴方向的过度膨胀，从而卡死在气缸内。中凸活塞各横截面的椭圆度可以相同，也而卡死在气缸内。中凸活塞各横截面的椭圆度可以相同，也可以是变化的，分为等椭圆度和变椭圆度两种。可以是变化的，分为等椭圆度和变椭圆度两种。所谓等椭圆度是椭圆长轴与短轴之差沿活塞裙高度无变所谓等椭圆度是椭圆长轴与短轴之差沿活塞裙高度无变化。化。采用变椭圆度时，活塞椭圆度一般是沿着裙高从底到高，采用变椭圆度时，活塞椭圆度一般是沿着裙高从底到高，从大到小按线性规律变化。采用渐变椭圆的主要目的是使活从大到小按线性规律变化。采用渐变椭圆的主要目的是使活塞在受载状态时，上下接触面接近等宽。塞在受载状态时，上下接触面接近等宽。3.3.活塞材料：活塞材料：随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动的惯性，因此铝铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动的惯性，因此铝合金活塞常应用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金合金活塞常应用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金活塞异热性好，工作表而温度低，顶部的积炭也较少。活塞异热性好，工作表而温度低，顶部的积炭也较少。铸铁材料的金属基体以珠光体为宜，其中所含的石墨为片状、点状或球铸铁材料的金属基体以珠光体为宜，其中所含的石墨为片状、点状或球状。发动机活塞用铸铁还应具有晶粒度的稳定性、抗热裂以及抗腐蚀一疲劳状。发动机活塞用铸铁还应具有晶粒度的稳定性、抗热裂以及抗腐蚀一疲劳损伤的性能。试验表明损伤的性能。试验表明:具有细小弥散的金属基体和石墨的铸铁，尤其是含有具有细小弥散的金属基体和石墨的铸铁，尤其是含有Cr,Ni,Mo,V,CuCr,Ni,Mo,V,Cu等合金元素的合金铸铁，具有较好的综合性能，其中球等合金元素的合金铸铁，具有较好的综合性能，其中球墨铸铁活塞强度最高。墨铸铁活塞强度最高。陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度高等优点。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞温强度高等优点。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到一定的应用。已在特种发动机上得到一定的应用。4.4.活塞的工艺特点及定位装夹形式：活塞的工艺特点及定位装夹形式：活塞主要表面尺寸及各表面间的相互位置精度要求较高活塞主要表面尺寸及各表面间的相互位置精度要求较高;在加工后还要在加工后还要求保证活塞裙部及顶部的壁厚均匀。上述特点与要求，使得活塞机械加工比求保证活塞裙部及顶部的壁厚均匀。上述特点与要求，使得活塞机械加工比较困难，其加工工艺特点主要有以下几方面较困难，其加工工艺特点主要有以下几方面:1.1.活塞壁薄，径向刚度差，若按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削活塞壁薄，径向刚度差，若按一般回转体零件加工，在夹紧力和切削力影响下很容易变形，所以在制订工艺及选择设备时，应同时注意夹压点及力影响下很容易变形，所以在制订工艺及选择设备时，应同时注意夹压点及装夹方式的选用。装夹方式的选用。2.2.活塞加工面较多，不仅各加工面尺寸精度要求较高，而且相互位置精活塞加工面较多，不仅各加工面尺寸精度要求较高，而且相互位置精度要求也较高，因此在考虑工艺时，应正确选择定位基准面，以减少因定位度要求也较高，因此在考虑工艺时，应正确选择定位基准面，以减少因定位基准变换而引起的加工误差。同时，选用设备时，尽量选用多刀或多工位加基准变换而引起的加工误差。同时，选用设备时，尽量选用多刀或多工位加工机床，以减少装夹次数。工机床，以减少装夹次数。3.3.活塞销孔尺寸及形状精度要求很高，粗糙度要求很低，故一般采用镗活塞销孔尺寸及形状精度要求很高，粗糙度要求很低，故一般采用镗削加工。削加工。4.4.由于活塞壁薄、刚性差，为防止切削力过大而引起变形，在加工时，由于活塞壁薄、刚性差，为防止切削力过大而引起变形，在加工时，进刀量要小，切削速度要高。同时，重要表面进刀量要小，切削速度要高。同时，重要表面(销孔、裙部外圆销孔、裙部外圆)的精加工要的精加工要放在最后进行。放在最后进行。活塞的工艺特点决定了其定位装夹形式，其主要定位装夹形式如下表所示：活塞的工艺特点决定了其定位装夹形式，其主要定位装夹形式如下表所示：定位装定位装夹夹方式方式适用加工范适用加工范围围特特 点点止口定位止口定位+销销孔孔夹紧夹紧活塞活塞顶顶面、面、头头部、裙部部、裙部外外圆圆特征的加工特征的加工优优点点:1.:1.由于活塞内腔不加工，因此采用内止口定位可由于活塞内腔不加工，因此采用内止口定位可保保证证各外表面各外表面(活塞活塞顶顶部、部、头头部部环环岸外岸外圆圆、裙部外、裙部外圆圆)加工后，活塞壁厚均匀；加工后，活塞壁厚均匀；2.2.定位形式定位形式简单简单可靠，适可靠，适用范用范围围广；广；3.3.便于便于实现实现定位基准定位基准统统一，减小基准一，减小基准变变化的化的误误差。差。缺点缺点:1.:1.止口止口仅仅作作为为基准使用，使活塞加工量基准使用，使活塞加工量变变大；大；2.2.止口加工精度、位置度要求高，加大了加工止口加工精度、位置度要求高，加大了加工难难度；度；3.3.止口一旦止口一旦误误差差变变大，影响大，影响 后序大部分加工的精后序大部分加工的精度，存在批量度，存在批量废废品品风险风险。止口定位止口定位+顶顶面面(中心中心孔孔)夹紧夹紧顶顶面、面、头头部、裙部外部、裙部外圆圆特征的加工特征的加工止口止口+销销孔孔(预预)定位定位+顶顶面面夹紧夹紧销销孔部位特征的加工孔部位特征的加工头头部外部外圆圆定位及定位及夹紧夹紧环环槽、裙部外槽、裙部外圆圆、止口、止口、销销孔、内腔特征的孔、内腔特征的加工加工优优点点:1.:1.可以可以实现实现定位基准与定位基准与设计设计基准的基准的统统一，一，如能保如能保证压缩证压缩高高(销销孔中心孔中心线线到活塞到活塞顶顶部的尺寸部的尺寸)的要求；的要求；2.2.适用于高效率活塞加工自适用于高效率活塞加工自动线动线的定位装的定位装夹夹。缺点缺点:1.:1.要求毛坯均匀的壁厚，加大了要求毛坯均匀的壁厚，加大了铸铸造造难难度；度；2.2.不不适用于适用于顶顶部有凸部有凸缘缘的活塞；的活塞；3.3.对对机床本身有机床本身有较较高的高的定位精度要求；定位精度要求；4.4.容易引起活塞容易引起活塞变变形。形。销销孔定位及孔定位及夹紧夹紧销销孔部位特征的加工孔部位特征的加工优优点点:1.:1.易于保易于保证证加工特征与加工特征与销销孔的位置精度；缺点孔的位置精度；缺点:1.:1.对销对销孔的粗加工精度要求孔的粗加工精度要求较较高；高；2.2.只能只能单单孔逐一加孔逐一加工，增加了装工，增加了装夹夹次数。次数。由于采用止口由于采用止口(及其辅助及其辅助)定位配合以销孔或活塞顶面定位配合以销孔或活塞顶面(中心孔中心孔)的装夹方的装夹方式简单可靠、应用范围广、可实现定位基准的统一，同时能保证活塞的各种式简单可靠、应用范围广、可实现定位基准的统一，同时能保证活塞的各种位置精度，目前国内外活塞行业的加工广泛采用这种定位方式。位置精度，目前国内外活塞行业的加工广泛采用这种定位方式。绝大多数的柴油机活塞顶部都有各种形状的凹坑，称为燃烧室。部绝大多数的柴油机活塞顶部都有各种形状的凹坑，称为燃烧室。部分活塞还具有气门坑及其开口等结构。因此，顶部加工特征一般包括分活塞还具有气门坑及其开口等结构。因此，顶部加工特征一般包括:顶顶面、燃烧室、气门坑、气门坑开口等。如下图所示。面、燃烧室、气门坑、气门坑开口等。如下图所示。1 1）活塞顶部加工特征）活塞顶部加工特征 活塞顶面粗糙度一般为活塞顶面粗糙度一般为Ra1.6-3.2m m，与止口的平行度一般为，与止口的平行度一般为0.015mm，在加工中一般需要粗、精两次加工来完成，粗加工余量一般为，在加工中一般需要粗、精两次加工来完成，粗加工余量一般为1mm1mm，精加，精加工余量一般为工余量一般为0.4mm0.4mm。从活塞销孔中心线到活塞顶面的距离称为压缩高，该。从活塞销孔中心线到活塞顶面的距离称为压缩高，该距离影响发动机的压缩比，在精加工顶面时需要保证该尺寸。燃烧室一般为距离影响发动机的压缩比，在精加工顶面时需要保证该尺寸。燃烧室一般为回转体形状，其素线由方向、半径不同的圆弧与直线圆滑连接而成，燃烧室回转体形状，其素线由方向、半径不同的圆弧与直线圆滑连接而成，燃烧室精加工需要保证燃烧室的粗糙度一般为精加工需要保证燃烧室的粗糙度一般为Ra3.2m。活塞毛坯一般情况下铸造。活塞毛坯一般情况下铸造有燃烧室凹坑，需要粗、精两次加工完成，燃烧室的粗加工与精加工余量与有燃烧室凹坑，需要粗、精两次加工完成，燃烧室的粗加工与精加工余量与顶面基本相同。也有个别活塞铸造成平顶，此时的燃烧室需要粗、半精、精顶面基本相同。也有个别活塞铸造成平顶，此时的燃烧室需要粗、半精、精加工三次加工才能完成，因此在进行工艺分析时需要判断是否铸造有凹坑。加工三次加工才能完成，因此在进行工艺分析时需要判断是否铸造有凹坑。而气门坑及其开口由于余量较小一般一次加工至成品尺寸。而气门坑及其开口由于余量较小一般一次加工至成品尺寸。根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而气根据顶面与燃烧室的加工特征及其定位方式，一般采用车削加工，而气门坑及其开口一般采用铣削加工。门坑及其开口一般采用铣削加工。2 2）活塞头部加工特征）活塞头部加工特征 活塞头部主要有活塞头部主要有2 24 4道环槽及环槽之间的环岸、槽侧油带、第一环槽至道环槽及环槽之间的环岸、槽侧油带、第一环槽至顶部的火力岸组成，如下图所示。因此其加工特征主要是铁、铝环槽的加顶部的火力岸组成，如下图所示。因此其加工特征主要是铁、铝环槽的加工及环岸、火力岸外圆的加工，有时在环槽底部或槽侧油带部位还有通向工及环岸、火力岸外圆的加工，有时在环槽底部或槽侧油带部位还有通向内腔的径向回油孔。内腔的径向回油孔。铁环槽铁环槽为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。为距离顶部最近的环槽，承受的燃气温度最高、冲击力也最大。基于这一原因，该环槽一般两槽侧具有一定的斜度，以便于与密封环更好地基于这一原因，该环槽一般两槽侧具有一定的斜度，以便于与密封环更好地接触，避免高压燃气串到裙部。铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求，其接触，避免高压燃气串到裙部。铁环槽倾斜侧面的加工具有波纹度要求，其基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有基准直径、粗糙度都有一定的要求，且高镍铸铁由于具有“粘性粘性”加工特征，加工特征，加工一般至少需要粗加工、精加工两次加工完成，粗加工加工出铁环及环槽加工一般至少需要粗加工、精加工两次加工完成，粗加工加工出铁环及环槽形状并为精加工留出形状并为精加工留出0.30.3O.5mmO.5mm余量。余量。铝环槽铝环槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽槽侧为直槽，对槽侧的粗糙度、槽侧与活塞中心线的垂直度、槽侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加工余侧的直线度以及槽侧的平面度等都有较高的加工要求，而且铝环槽的加工余量比较大、容易加工变形，因此一般至少分为粗、精两次加工来完成，粗加量比较大、容易加工变形，因此一般至少分为粗、精两次加工来完成，粗加工加工出形状，给精加工留下工加工出形状，给精加工留下0.1 0.1 0.2mm0.2mm的余量。由于加工铸铁环槽时产的余量。由于加工铸铁环槽时产生较大的切削力和热量，容易引起铝环槽的形状误差和变形，因此需要把铝生较大的切削力和热量，容易引起铝环槽的形状误差和变形，因此需要把铝环槽的加工放在铁环槽精加工之后进行。环槽的加工放在铁环槽精加工之后进行。3 3）活塞裙部加工特征）活塞裙部加工特征 活塞裙部是自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的部分，它用作引导活塞裙部是自环槽部分的油环槽下端面起至活塞底的部分，它用作引导活塞在气缸内运动和承受侧压力。受活塞结构的影响，为保证热态下活塞裙活塞在气缸内运动和承受侧压力。受活塞结构的影响，为保证热态下活塞裙部的圆筒形状，以便能够与气缸很好地贴合，不至于被卡住或拉伤，需要将部的圆筒形状，以便能够与气缸很好地贴合，不至于被卡住或拉伤，需要将活塞裙部的径向外形设计加工为椭圆形状，其长轴在垂直于销座孔中心线平活塞裙部的径向外形设计加工为椭圆形状，其长轴在垂直于销座孔中心线平面内，短轴在销座孔中心线平面内，且椭圆度在不同的轴向位置是变化的面内，短轴在销座孔中心线平面内，且椭圆度在不同的轴向位置是变化的;而活塞长轴轴向轮廓设计加工为上小下大、到底部再小的中凸形状，如下图而活塞长轴轴向轮廓设计加工为上小下大、到底部再小的中凸形状，如下图所示，这种外圆形状称为中凸变椭圆。在活塞裙部下端及内腔部位还需要加所示，这种外圆形状称为中凸变椭圆。在活塞裙部下端及内腔部位还需要加工出止口作为后续工序的定位基准。工出止口作为后续工序的定位基准。活塞裙部外圆粗糙度一般要求活塞裙部外圆粗糙度一般要求1.63.2 m，且外圆对加工纹理有特殊，且外圆对加工纹理有特殊要求，基于外圆特殊的形状和表面纹理要求，需要经过粗加工、半精加工、要求，基于外圆特殊的形状和表面纹理要求，需要经过粗加工、半精加工、精加工三次加工才能达到技术要求，总加工余量一般在精加工三次加工才能达到技术要求，总加工余量一般在2mm2mm左右左右;活塞止口粗活塞止口粗糙度一般要求糙度一般要求1.6 1.6 3.2 3.2 m,总加工余量一般在总加工余量一般在1mm1mm左右，因此经过粗、精左右，因此经过粗、精两次加工可以达到技术要求。两次加工可以达到技术要求。活塞销座将作用在活塞顶部的气体力经过活塞销传给连杆。销座常用活塞销座将作用在活塞顶部的气体力经过活塞销传给连杆。销座常用加强筋与活塞内壁相连，以提高强度。为减少销座上侧的压力，常把销座加强筋与活塞内壁相连，以提高强度。为减少销座上侧的压力，常把销座铸造成一些特殊形状，其中楔形销座是最常见的一种形式。活塞在工作时铸造成一些特殊形状，其中楔形销座是最常见的一种形式。活塞在工作时销座孔内侧受到活塞销的反复冲击，为防止活塞该处应力集中及疲劳损坏，销座孔内侧受到活塞销的反复冲击，为防止活塞该处应力集中及疲劳损坏，常将该处设计为喇叭口形状，因其加工实现起来较困难，称为常将该处设计为喇叭口形状，因其加工实现起来较困难，称为异形销孔异形销孔。活塞销孔不仅本身尺寸精度与相互位置精度要求较高，而且粗糙度要活塞销孔不仅本身尺寸精度与相互位置精度要求较高，而且粗糙度要求较低，一般为求较低，一般为0.40.40.8 0.8 m，如下图所示。销座孔内有安放弹性卡簧的，如下图所示。销座孔内有安放弹性卡簧的卡簧槽，为安装方便，销孔内、外侧常加工出较大的内、外口倒角。基于卡簧槽，为安装方便，销孔内、外侧常加工出较大的内、外口倒角。基于以上加工特征，活塞销孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工特征，活塞销孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工才能达到技术要求。为防止销孔变形，精加工一般安排在工序的以上加工才能达到技术要求。为防止销孔变形，精加工一般安排在工序的最后面完成。有些活塞为增加销孔的储油作用，还加工成椭圆形状，称为最后面完成。有些活塞为增加销孔的储油作用，还加工成椭圆形状，称为减压腔，有时还需要在销座上加工油孔。减压腔，有时还需要在销座上加工油孔。4 4）活塞销座孔加工特征）活塞销座孔加工特征表：某典型活塞原加工工艺流程及工序时间表表：某典型活塞原加工工艺流程及工序时间表工序工序工序内容工序内容设备设备数量数量设备设备型号型号工序工序时间时间(S)(S)备备注注工序工序时间时间利用率利用率1 1粗粗车头车头部外部外圆圆1 1BHC-460BHC-460484866.6766.672 2粗粗车车止口止口1 1BHC-111BHC-111232331.9431.943 3粗粗车车外外圆圆及及顶顶面面1 1BHC-6150BHC-6150525272.2272.224 4精精车车止口止口1 1BHC-112BHC-112313142.0642.065 5粗粗镗销镗销孔孔1 1BHT-10BHT-104646双工位双工位31.9431.946 6粗精粗精车铁环车铁环槽、倒角槽、倒角1 1BHC-20BHC-207272100.00100.007 7粗精粗精车铝环车铝环槽槽1 1BHC-50ABHC-50A434359.7259.728 8半精半精车车外外圆圆1 1BHC-113BHC-113262636.1136.119 9半精半精镗销镗销孔孔1 1BHT-20BHT-204444双工位双工位30.5630.561010车车卡簧槽、外倒角卡簧槽、外倒角1 1BHC-115BHC-115262636.1136.111111车销车销孔内倒角孔内倒角1 1BHC-115BHC-115121216.6716.671212粗粗车车燃燃烧烧室室1 1BHC-6125BHC-6125484866.6766.671313精精车车燃燃烧烧室室1 1BHC-6125BHC-6125424258.3358.331414精精车车外外圆圆2 2B HC-24B HC-24929263.8963.891515精精镗销镗销孔孔1 1BHT-30BHT-30484866.6766.671616精精车顶车顶面面1 1BHC-114BHC-114323244.4444.445.5.关键工序加工与装备：关键工序加工与装备：目前，国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用目前，国内活塞制造行业通常是由通用机床和结合活塞工艺特点的专用设备组成机加工设备组成机加工生产线生产线，因此，专用设备就成为活塞切削加工的关键设备，因此，专用设备就成为活塞切削加工的关键设备，其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。其功能和精度将直接影响最终产品的关键特性的质量指标。活塞外圆的加工由活塞外圆的加工由2020世纪世纪7070年代的磨削加工、年代的磨削加工、8080年代的立体靠模仿形加年代的立体靠模仿形加工到工到9090年代的数控无靠模加工技术的开发和应用，使得生产效率和加工精度年代的数控无靠模加工技术的开发和应用，使得生产效率和加工精度均达到新的水平，生产效率由立体靠模仿形加工时的主轴转速均达到新的水平，生产效率由立体靠模仿形加工时的主轴转速800r/min800r/min提高提高到数控无靠模加工的到数控无靠模加工的2000r/min2000r/min，由于数控加工排除了传统的立体靠模仿形，由于数控加工排除了传统的立体靠模仿形加工时仿形失真的因素，加工精度也大幅度提高。由于这种加工技术的突破加工时仿形失真的因素，加工精度也大幅度提高。由于这种加工技术的突破性进展，使得性进展，使得9090年代以来开发设计的轿车均采用了异型外圆复合型面的低摩年代以来开发设计的轿车均采用了异型外圆复合型面的低摩擦式活塞。擦式活塞。1）活塞异型外圆加工趋向于无靠模数控化）活塞异型外圆加工趋向于无靠模数控化2 2）活塞异型销孔微增量加工技术：）活塞异型销孔微增量加工技术：活塞销孔的加工精度为微米级，用于加工异型销孔的径向微增量进刀加活塞销孔的加工精度为微米级，用于加工异型销孔的径向微增量进刀加工技术，是活塞加工的关键技术之一。该技术是工技术，是活塞加工的关键技术之一。该技术是2121世纪以来开发的一项新技世纪以来开发的一项新技术，可用于加工椭圆形销孔、微内锥形销孔、应力曲面形销孔等，有效避免术，可用于加工椭圆形销孔、微内锥形销孔、应力曲面形销孔等，有效避免活塞销座在高负荷状态下因应力集中而引起销座裂纹和断裂，与圆柱形销孔活塞销座在高负荷状态下因应力集中而引起销座裂纹和断裂，与圆柱形销孔相比，异型销孔的疲劳强度可提高相比，异型销孔的疲劳强度可提高3030以上。因其具有显著的技术经济效益，以上。因其具有显著的技术经济效益，有力地拉动了异型销孔微增量加工技术的发展，其控制精度已由有力地拉动了异型销孔微增量加工技术的发展，其控制精度已由0.001 mm0.001 mm脉冲提高到了脉冲提高到了30nm30nm脉冲。脉冲。6.6.非圆截面零件车削加工技术的发展非圆截面零件车削加工技术的发展 非圆截面零件的切削加工一直受到人们的关注，先后推出了多种加工工非圆截面零件的切削加工一直受到人们的关注，先后推出了多种加工工艺方法。从成形机理分析，可将现有的非圆截面零件加工工艺方法分为机械艺方法。从成形机理分析，可将现有的非圆截面零件加工工艺方法分为机械运动合成法、靠模仿形法以及数控加工成形法几种类型运动合成法、靠模仿形法以及数控加工成形法几种类型 机械运动合成法是通过对工件多个方向切削运动的合成，形成非圆零件机械运动合成法是通过对工件多个方向切削运动的合成，形成非圆零件截面。根据运动合成的机构不同，又有套车法、偏心法、周转轮系法等非圆截面。根据运动合成的机构不同，又有套车法、偏心法、周转轮系法等非圆截面零件的车削方法。截面零件的车削方法。1 1）机械运动合成法）机械运动合成法(1)(1)套车法套车法 套车法是一种专门针对椭圆截面零件车削加工的工艺方法。该方法的成套车法是一种专门针对椭圆截面零件车削加工的工艺方法。该方法的成形原理如下图所示，车刀的回转轴线相对于工件轴线摆动一个口交角，车刀形原理如下图所示，车刀的回转轴线相对于工件轴线摆动一个口交角，车刀绕自身轴线高速回转以形成主切削运动，这样通过调整刀盘的直径绕自身轴线高速回转以形成主切削运动，这样通过调整刀盘的直径d d和摆动和摆动角口的大小，便可加工出满足长短径要求的椭圆截面来，可获得较高的加工角口的大小，便可加工出满足长短径要求的椭圆截面来，可获得较高的加工效率与加工精度。效率与加工精度。套车法成形原理套车法成形原理2)2)偏心法偏心法 偏心法成形的刀具运动驱动机构如下图所示，它是个曲柄滑块机构，连偏心法成形的刀具运动驱动机构如下图所示，它是个曲柄滑块机构，连杆的两端分别与偏心轮和刀架联接，相对于机床主轴按传动比杆的两端分别与偏心轮和刀架联接，相对于机床主轴按传动比i i进行转动，通进行转动，通过调节偏心距的大小获取所需的刀具切削运动轨迹。过调节偏心距的大小获取所需的刀具切削运动轨迹。偏心轮驱动机构原理图偏心轮驱动机构原理图当工件随主轴回转时，刀具的运动轨迹方程为：当工件随主轴回转时，刀具的运动轨迹方程为：式中：式中：ee偏心距；偏心距；偏心轮角位移；，偏心轮角位移；，ll连杆的长度；连杆的长度；n n主轴的转速；主轴的转速；i i主轴与偏心轮之间的传动比；主轴与偏心轮之间的传动比；t t时间。时间。加工后所得到的工件截面向径加工后所得到的工件截面向径R R(1 1)为为式中：式中：r r0 0为非圆零件基圆半径；为非圆零件基圆半径；1主轴角位移。主轴角位移。3 3）周转轮系法）周转轮系法 周转轮系加工非圆截面方法的成形原理如下图所示，设轮周转轮系加工非圆截面方法的成形原理如下图所示，设轮4 4装在轮装在轮H H上，上，其轴心偏心为其轴心偏心为e，它一方面绕轴，它一方面绕轴O2以以H角速度公转，另一方面又在轮角速度公转，另一方面又在轮5 5的的作用下以角速度作用下以角速度4绕自身中心绕自身中心O O1 1旋转。当工件与轮旋转。当工件与轮4 4同轴旋转时，通过调同轴旋转时，通过调节节O1轴的偏心距轴的偏心距e以及角速度以及角速度H、4便可加工出所需的非圆截面零件。便可加工出所需的非圆截面零件。周转轮系加工非圆截面方法的成形原理周转轮系加工非圆截面方法的成形原理 从而可见，上述几种机械运动合成法非圆截面零件加工工艺方法，可从而可见，上述几种机械运动合成法非圆截面零件加工工艺方法，可以获得较高的生产效率和加工精度。然而，这些加工成形方法均需要专用以获得较高的生产效率和加工精度。然而，这些加工成形方法均需要专用的机床机构，进给运动形式是由这些运动机构来保证，加工设备的制造成的机床机构，进给运动形式是由这些运动机构来保证，加工设备的制造成本高；柔性较差，一种机构只能加工一类非圆截面零件，难以满足多品种本高；柔性较差，一种机构只能加工一类非圆截面零件，难以满足多品种小批量生产的需要。小批量生产的需要。4 4）靠模仿形法）靠模仿形法 靠模仿形法是利用靠模来控制车刀与工件的相对运动，以形成所需的靠模仿形法是利用靠模来控制车刀与工件的相对运动，以形成所需的非圆截面零件表面形状，如图非圆截面零件表面形状，如图1-61-6所示。所示。靠模仿形法靠模仿形法 与机械运动合成车削法相比，用靠模仿形实现非圆截面零件的成形加工与机械运动合成车削法相比，用靠模仿形实现非圆截面零件的成形加工具有以下特点：具有以下特点：1)1)适应的加工范围较广。对于不同的非圆截面零件，只需更换靠模便可适应的加工范围较广。对于不同的非圆截面零件，只需更换靠模便可进行车削加工，因此靠模仿形法能完成多种非圆截面零件的车削加工。进行车削加工，因此靠模仿形法能完成多种非圆截面零件的车削加工。2)2)可实现大进给量的切削，具有较高的加工效率。可实现大进给量的切削，具有较高的加工效率。3)3)适合于非圆截面零件的粗、精加工。适合于非圆截面零件的粗、精加工。由于此类加工方法需要凸轮靠模来控制刀具的切削运动，其机械结构由于此类加工方法需要凸轮靠模来控制刀具的切削运动，其机械结构复杂，因而也存在如下的不足：复杂，因而也存在如下的不足：1)1)响应速度低，不适合于非圆截面零件的高速切削。响应速度低，不适合于非圆截面零件的高速切削。2)2)机械结构环节较多，各环节的制造与装配误差及其刚性均影响到非机械结构环节较多，各环节的制造与装配误差及其刚性均影响到非圆截面零件的车削加工精度。圆截面零件的车削加工精度。3)3)更换零件类型需要重新进行靠模的设计，而靠模的生产准备周期较更换零件类型需要重新进行靠模的设计，而靠模的生产准备周期较长，不利于产品的更新。长，不利于产品的更新。4)4)难以用靠模法难以加工出复杂的非圆截面零件。难以用靠模法难以加工出复杂的非圆截面零件。5 5）数控加工成形法）数控加工成形法 自上世纪自上世纪8080年代初，国外一些公司开始研制非圆截面零件的数控加工车年代初，国外一些公司开始研制非圆截面零件的数控加工车床，是通过一套数控车削系统控制非圆截面零件的切削成形，因而有人将这床，是通过一套数控车削系统控制非圆截面零件的切削成形，因而有人将这种车床称之为无凸轮加工车床。英国种车床称之为无凸轮加工车床。英国AEAE集团生产的非圆活塞数控车床采用金集团生产的非圆活塞数控车床采用金刚石车刀完成非圆截面零件的切削加工，其主轴转速可达刚石车刀完成非圆截面零件的切削加工，其主轴转速可达2500r2500rminmin，并一，并一次加工成形。与传统加工设备相比，产品的更换极为方便，更换周期大幅度次加工成形。与传统加工设备相比，产品的更换极为方便，更换周期大幅度缩短，生产效率得到了极大的提高。日本株式会社大限铁工所研制了缩短，生产效率得到了极大的提高。日本株式会社大限铁工所研制了BL9-BL9-CAMCAM非圆数控车床，在加工非圆零件时主轴转速可高达非圆数控车床，在加工非圆零件时主轴转速可高达3000r3000rminmin，其加工，其加工效率提高三倍以上，仅需改变控制程序便可实现各种非圆截面零件的自动车效率提高三倍以上，仅需改变控制程序便可实现各种非圆截面零件的自动车削加工。美国削加工。美国Ingersoll公司也研制了非圆截面零件无靠模数控车床，采用在公司也研制了非圆截面零件无靠模数控车床，采用在线检测技术稳定地保证了产品质量，并大大提高了生产效率。美国线检测技术稳定地保证了产品质量，并大大提高了生产效率。美国CrossCross公公司相继开发了司相继开发了PTM-2000PTM-2000和和30003000型非圆加工数控车床，在加工变椭圆活塞时，型非圆加工数控车床，在加工变椭圆活塞时，生产率可达生产率可达150150件小时，加工误差小于件小时，加工误差小于38m。在我国，对非圆截面零件的研究也取得了较大进展，并且研制出相应在我国，对非圆截面零件的研究也取得了较大进展，并且研制出相应的数控的数控NCNC设备。设备。由上述可见，数控机床的问世解决了传统工艺难以解决的复杂零件加工由上述可见，数控机床的问世解决了