汽车制造工艺学课程设计.pdf

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1、1/33 汽车制造工艺学课程设计 题目：设计活塞环的机械加工工艺规程 院系：襄樊学院机汽学院 班级：0713 XX：薛明 学号：07131010 指导教师：X 进 二零一零年九月十四日 汽车制造工艺学课程设计任务书 一、设计目的 汽车制造工艺学课程设计是综合运用汽车制造工艺学及有关课程内容，分析和解决实际工程问题的一个重要教学环节。通过课程设计培养学生制定零件机械加工工艺规程和分析工艺问题的能力。在设计过程中，学生应熟悉有关标准和设计资料，学会使用有关手册和数据库。汽车制造工艺学课程设计是作为未来从事机械制造技术工作的一次基本训练。2/33 二、设计的题目和内容 1、课程设计的题目：设计活塞环

2、的机械加工工艺规程 条件：年产5000件。零件图如附件所示。2、设计应完成的内容：1）制定指定零件（或零件组）的机械加工工艺规程，编制机械加工工艺 卡片，选择所用机床、夹具、刀具、量具、辅具；（一套）2）对所制定的工艺进行必要的分析论证和计算；3）确定毛坯制造方法及主要表面的总余量；4）确定主要工序的工序尺寸、公差和技术要求；5）对主要工序进行工序设计，编制机械加工工序卡片，画出的工序简图，选择切削用量；（一份）6）设计加工该零件的毛坯图或者零件与毛坯合图；（一 X）7）编写设计说明书。（封面、目录参考附后、不少于1万字）（一份）2010年9月 目录 第一章 概述-()1.1 活塞环的作用-(

3、)1.2 活塞环的种类-(）1.3 活塞环的工作条件-()1.4 活塞环各部分名称及代号-()第二章 活塞环的结构尺寸及受力分析-()2.1 径向厚度 a1-()3/33 2.2 环高 h1-()2.3 自由开口尺寸 m-()2.4 活塞环组合-()2.5 活塞环的计算-()2.5.1 径向压力 P 2.5.2 工作状态下活塞环的闭口间隙 S1 2.5.3 切向弹力 Ft 2.5.4 平均比压 P0 2.5.5 活塞环的工作应力和安装应力 2.6 课程设计中活塞环的主要参数选择-()第三章 活塞环的制造工艺-()3.1 活塞环的生产特点-()3.2 活塞环的加工方法-()3.3 活塞环的加工工

4、艺规程-()3.4 确定毛坯的制造方法与加工余量-()3.4.1 活塞环的制造方法 3.4.2 加工余量的确定 3.5 定位基准的选择-()3.6 活塞环一般工艺流程-()3.7 端面加工-()3.8 活塞环的热处理-()4/33 3.9 活塞环的平面加工-()3.10 活塞环的仿形加工-()3.11 铣切开口加工-()3.11.1 活塞环开口铣削加工的特点及工艺要求 3.11.2 铣切开口的工艺要求 3.12 内圆加工的工艺要求-()3.13 精车外圆-()3.14 精修开口-()3.15 活塞环的表面处理-()参考文献-()附件一 活塞环零件图 附件二 活塞环毛坯图 附件三 活塞环机械加工

5、工艺规程卡片 附件四 活塞环机械加工工序卡片 第一章 概述 活塞环是内燃机关键零件之一，它与活塞、气缸套相互联系在一起，组成发动机动力源组件。随着内燃机向高强化、低排放、高寿命方向发展，对活塞环质量要求越来越高，不仅要求活塞环有很高的可靠性、经济性，而更重要的是要有最佳性能。1.1 活塞环的作用 活塞环在内燃机中，其主要作用有四点：1密封 在往复式内燃机中，活塞环是一种运动件，亦是一种密封件。活塞环在高速往复运动状态下，在高温、高压燃气的作用下，完成对燃烧室和曲轴箱之间的密封作5/33 用，即阻止气缸中燃烧产生的高温高压气体窜到曲轴箱中，这是活塞环的主导功能。一般，燃气通过活塞环有三条通道：（

6、1）活塞环与气缸内壁的周向间隙；（2）活塞环与环槽上、下侧面间隙；（3）活塞环开口间隙。其中活塞环与气缸内壁的周向间隙是燃气漏泄的主要途径，为减少漏气量，要求活塞环与气缸内壁之间必须存在一条连续不断的线贴合区域，并使环的一个平面与相应活塞环槽的一个侧面处于良好接触状态，从而达到切断漏气通道的作用。同时，由于环槽底燃气压力，把活塞环紧紧压向气缸内壁，亦有利于环的密封。另外，活塞环与气缸内表面的几何形状贴合良好与否、环的截面形状以及环的数量等都对密封有很大影响。2控制润滑油 活塞环控制润滑油作用就是活塞环对气缸壁润滑油膜厚度的控制和调节。活塞环在气缸中阻止润滑油从曲轴箱进入燃烧室，从而降低滑油耗量

7、。我们知道，活塞环组中滑油是无规则的，中小型机多用飞溅方式，强载机则用压力循环润滑。为了使活塞环正常滑动，必须不断地供给滑油，同时又要求活塞环能刮落气缸壁上的过多滑油，也就是既要保证活塞环润滑所需要的油膜厚度，又要保持较低的滑油耗量，以防止过多的滑油上窜到燃烧室，不仅滑油耗量增大，又会因燃烧产生的积碳影响传热性能。3导热 活塞环在气缸中起着传热作用。当内燃机工作时，活塞温度很高，一部分热量经活塞环传给气缸壁，再由气缸壁传至冷却水，从而降低活塞温度。一般，冷却活塞中，活塞环传导的热量为3040%；非冷却活塞中，活塞环传导的热量可达活塞顶所承受热量的7080%。活塞环的散热作用实际上与环的几何尺寸

8、，截面形状，材料的导热性、热膨胀系数，环与环槽间的间隙以及有关表面精度等都有很大关系，应慎重选取。4 支承导向 活塞在气缸内运动靠环支撑。因活塞受燃气的加热而膨胀，所以气缸与活塞之间必须留有间隙，以防活塞咬死。对热负荷高的发动机，其间隙更要大一些，由于间隙的存在，活塞就必须依赖活塞环才能在气缸内保持运动平衡，防止活塞不断撞击气缸壁。一旦减弱和破坏活塞环的支承作用，必将导致活塞组件失去运动平衡，从而产生噪声、偏磨、擦伤等故障，甚至出现融着、折损和拉缸等严重故障。因此，活塞环基体材料的选择，活塞环断面形状，以及必要的结构力学计算，强度、应力计算，刚性、共振频率计算以及各种变形计算尤为重要。1.2

9、活塞环的种类 活塞环按功能分类，可以分为以气密功能为主导的气环和以控油功能为主导的油环。6/33 1 气环 气环以安装位置分，有第一道压缩环、第二道压缩环和第三道压缩环。气环以结构形状分，有矩形环、桶面环、锥面环、梯形环和扭曲环。其中扭曲环又包括内倒角环、内台阶环、外台阶环、鼻形环和楔形环等。（1）矩形环 剖面是矩形的气环。几何形状简单，在正常工 作条件下具有足够的密封性，便于加工，曾为中小 功率柴油机经常采用，但随着发动机的日益强化，活塞热负荷增加，热变形加大，活塞头摇摆加剧等 原因，致使矩形环在工作中失去与气缸壁的良好贴 合，其上缘与气缸壁接触，而下缘离开缸壁，就起 不到刮油作用，反而向上

10、泵油，增大滑油耗量，因 此矩形环的使用受到限制，在低速十字头发动机中 还广泛采用。（2）桶面环 桶面环的表面形状多呈凸圆弧形。一般取公称 直径的一半作桶形面的半径（即桶面半径等于气缸 半径）。它主要用作第一道气环（通常经镀铬处理），常与锥面环串联使用。其优点如下：a 因桶面环的两面均是楔形，机油的入口间隙大，则机油以楔形进入并产生一个使环浮起的油压形成 液体润滑，因此磨损可以减小；b 桶面环与气缸之间是线接触，能适应活塞的晃动，因改善接触情况，减少粘着磨损的发生；c 磨合性能好，桶面环实质上是双向微锥面环，所以易于磨合；d 密封性能好。环与气缸线接触，即使表面发生变形时仍能保持良好的接触。（3

11、）锥面环 锥面环的外圆呈锥形，锥度一般为8.726.2m(0.5o1.5o)采用镀层或非镀层结构。锥面环是在活塞 环外圆面上加工一个很小的斜角，由于减少了环与气 缸壁接触面，从而提高表面接触压力，有利于磨合和 气密，同时，活塞下行时，易于刮油；活塞上行时，由于斜角的“油楔”作用，能在油膜上“飘浮”过去，不会引起熔着磨损。锥面环斜角选取必须恰当，一般在2060X 图 图 7/33 围内。安装时注意斜面角不能倒装，否则会引起很大的窜油现象。一般用于中间环。（4）梯形环 两侧面倾斜的气环。由于梯形剖面，环在径向运动时，侧隙将不断变化，因而能使燃烧室积碳减到最低程度。为了提高气环的抗结胶能力，梯形环结

12、构应运而生了。当活塞受侧压力的作用而改变位置时，环的侧隙发生变化，能将环槽中的结焦挤出，从而使活塞环槽处的许用工作温度比矩形环高20左右，能使活塞环在240250下长期工作而不结焦。梯形环的夹角一般为15o，也有用10o，20o 的。梯形环又分直角梯形环（环截面为直角梯形）和等腰梯形环（环截面为等腰梯形）。梯形环在第一道环中使用最广，也可以用于第二、第三道环。梯度可以是一边或两边都有，环槽也有相应的梯度。选择一定的环槽和环的锥角和公差，使内外底面匹配良好，以优化窜气和机油控制。环和环槽间的相对运动可避免积碳形成，以防止环在环槽中卡死现象。直角梯形环适合于烧重油柴油机或航空发动机，等腰梯形环多用

13、于烧重油强载柴油机，近年来，小功率柴油机和二冲程汽油机也开始采用。（5）扭曲环 扭曲环的扭转角度一般为径向厚度上的扭曲量为环径向厚度的 0.51.5%，而扭曲的斜角为1530。但倒角环图（g）和锥面环图（f）的斜角度比较大，倒角环可达 10o20o；a)直角梯形 b)等腰梯形 角环；(h)鼻形环 8/33 锥面环为2.5o5o。2 油环 油环具有回油孔或等效结构，能从缸壁上刮下机油的活塞环。主要用来调节（或控制）气缸壁上润滑油并带有回油通道的活塞环。油环又分外阶梯倒角环、鼻形环、开槽油环，弹簧胀圈油环、钢片组合环等。（见图1-7）（1）外阶梯倒角油环 广泛应用于大缸径发动机，作为向下刮油和布油

14、环。（2）鼻形环 切台呈鼻形外切扭曲环。作为中速发动机的向下刮油环。钩形切口保证了刮油边尖角的竖实性和不变形侧面接触宽度。（3）开槽油环 侧面平行，具有两个接触环岸，并有回油孔的油环。由于环岸狭窄，可得到高的比压是最常见的一种油环。它通过回油槽或油孔把刮油带一分为二，根据实际应用需要，通过控制刮油带的宽度，来改变油环表面接触压力和刮油效率。（4）弹簧胀圈油环 在油环背面加有各种形式的衬簧，称作弹簧胀圈油环，其结构型式很多。螺旋弹簧由方形或圆形截面的钢丝制作，环的接触压力通过弹簧扩胀作用而获得。衬簧可以使环的压力增高，环压均匀和弹性稳定，从而使油膜均匀、磨损下降，机油消耗下降。图 外阶梯倒角环

15、鼻形环 开槽油环 弹簧胀圈油环 钢片组合环 a b 9/33 为了减小油环背面与螺旋胀圈接触表面的磨损，可以将衬簧与环背面设计成面接触并镀铬抗磨。该环广泛用于高速发动机。（5）钢带组合油环 钢带组合油环是一种较新的结构形式，在发动机上已得到广泛运用。这种环有二种结构型式：组合式刮片和胀圈以及分离式刮片和胀圈。它与缸套变形有良好的适应性和较高的接触压力。主要优点：a 接触压力高，压力分布均匀，普通铸铁油环比压为0.150.3MPa，组合油环为1.01.5MPa；b 刮油能力好，有效防止窜油。由于钢片具有柔软性，各个刮片独立工作，能很好地适应气缸的不均匀磨损和活塞晃动及变形的影响，达到良好地密封；

16、c 回油通路大。通路开口的比率：铸铁油环为1015%，组合油环为3050%，不但降低机油消耗，而且有效防止结胶积渣；d 质量小。比铸铁油环减轻一半以上，因为端面之间没有撞击，环槽磨损大为减少；e 制造工艺简单，适合于大量生产。当然，组合油环需使用高级钢材（如65Mn 钢），而且需要有一系列加工设备，刮片表面要镀铬等，对于大规模推广使用，尚需努力。1.3 活塞环的工作条件 活塞环在发动机中处于极其恶劣条件下工作的，具体是：1高温内燃机气缸中燃气温度很高，经散热和冷却后，活塞环特别是第一道气环的工作温度始终保持在300左右。2高压柴油机能产生80150/2的压力，汽油机能产生3040/2的压力，活

17、塞环必须在这样的高压条件下保持密封工作。3高速现代汽油机最高转速为11000转/分，活塞环运动线速度为1116米/秒，柴油机的最高转速为4500转/分，活塞环运动线速度为1014米/秒。4变负荷活塞环在发动机中受燃气爆发力的冲击，活塞环在环槽中上下运动，产生径向振动和扭曲等交变应力。5润滑困难活塞环运动时处在高温、高压条件下，润滑油膜难于保持完整，不能完全润滑而经常处于临界润滑状态下工作。1.4 活塞环各部份名称及代号 10/33 式中：d1公称直径表示标准缸径的活塞环工作直径；h1环高，表示上、下端面的轴向距离自由开口尺寸；S1闭口间隙，表示在工作状态下开口间的距离。11/33 第二章 活塞

18、环的结构尺寸 2.1 径向厚度 a1 径向厚度指环内、外圆之间的径向距离。一般由缸径和活塞环槽底深度而定，此参数的大小直接影响活塞环的弹力、应力以及内燃机的性能。总的说径向厚度 1小，则平均弹力就小，散热比较困难，显然对高速发动机是不利的。近来，随发动机的高速化，环的径向厚度趋向于加大，对改善活塞传热，提高环的弹力、刚度是有利的，但若径向厚度过大，工作和安装时应力大，易折断，同时对气缸横向变形的适应性较差。因此规定缸径 d1与径向厚度 1的比值应在一定的 X 围内，一般 d 1/1=2228。（图3-2、3-3）汽油机环宜取小，柴油机环宜取大。2.2 环高 h1 环高是环两端面沿其轴线方向的最

19、大公称尺寸。2强化发动机 图 3-3 活塞环 d1/a1的推荐值 图 3-2 活塞环 d1/a1变化曲线 d1/a1 d1 d1 mm）12/33 活塞环的高度不宜过高，因为：1能较好地适应气缸的不均匀磨损和变形，可以避免棱缘集中负荷，从而提高环的抗粘着能力；2 使活塞组往复质量和结构尺寸减少，活塞环槽磨损减少；3 使环背和环槽间的空间变小，环背压力容易建立起来，提高了二次密封效能；4 发动机摩擦功率损失小，气缸套的磨损将显著下降；5 磨合快。事物都是一分为二。环高过小，将使活塞工作稳定性变差，从而可能引 起活塞环与气缸壁之间表面接触应力集 中，破坏缸壁油膜导致拉缸的可能。还 可能导致磨料磨损

20、增加（见右图）易 于折断、散热能力差等。这些都是要在 设计时加以权衡的。但是，对于高速发动机而言，减 少环高是活塞环发展的总趋势，存在问 题可以从材料及表面处理，结构设计等 方面努力克服的。对于小功率柴油机，一般气环环高 h1=24mm，近来还出 现环高 h1=1.5mm 的实例。2.3.自由开口尺寸 m 图 环高与开口间隙关系 图 3-4 环高与抗粘着能力关系 13/33 自由开口尺寸指在自由状态下，环开口两端径向中点的弦距。它的大小既要满足活塞环弹力的要求，又要满足工作应力和安装应力的要求，m 值过大，工作应力较大，会造成较大的弹性消失，m 值过小，会产生较大的安装应力造成断环，或过度变形

21、失去圆度。一般，合金铸铁气环和整体油环 m/d1=1314%，最大不超过16%；球铁环 m/d1=811%，最大不超过12%；内撑弹簧组合油环比相应平环小4-5mm。2.4 活塞环组合 活塞环的组合，在强化发动机中特别重要，一般要求是：1第一环要加倍强化，因为它工作条件最差，对窜气、窜油均有重大影响。第一环要求避免发生逆倒角的情况。2中间环的情况在二冲程和四冲程柴油机中是不同的。二冲程柴油机的第二环，甚至全部压缩环与第一环都是相似的。这是因为二冲程的活塞环经过气口时，工作条件不利。四冲程柴油机的第二环的工作条件不很厉害，尺寸多较第一环薄一些。在高速发动机上主要还是防窜油的作用，端面要求贴合承压

22、，为此，多要求扭曲环，对高增压高平均有效压力的发动机上，第二环有采用高强度材料的趋向。3在高速发动机中由于要缩短活塞长度，油环一般趋向于用一个，此时强化油环结构是有必要的。4在目前强化发动机中不论油环、或压缩环，均要起密封和刮油双重作用，所以在组合时要考虑它们之间的配合。不同结构和功能的活塞环通过适当的结合，安装在活塞各环槽内，以适应不同的用途。活塞环数目实际上是按照发动机的型式，缸径大小和转速高低等不同情况来确定。就内燃机而言，汽车发动机以三环组结构为主，农用柴油机以三环或四环结构为主，摩托车二冲程发动机以两环结构，四冲程为三环结构，中速发动机一般采用四道环。从发展而言，以三环结构为主要方向

23、，也就是流行结构“一桶二锥三内撑”。2.5 活塞环的计算 2.5.1 径向压力 P 活塞环在自由状态下不是圆形，其曲率半径沿环周各点是变化的，且大于气缸半径，只有当装入气缸后方成为正圆形。环装入气缸前的形状称为自由状态，环的自由状态决定环装入气缸后的径向压力分布。径向压力分布大致可分为：均匀分布（等压环）、梨形分布（高点环）和苹果型分布（低点环）三种。14/33 1等压环 等压环从自由状态变到工作状态后，沿环周的径向压力是均匀分布，即P0=const。等压环由于使用后磨损等原因，环周压力分布恶化，在开口处的径向压力急剧下降，所以使用寿命短，一般使用于二冲程中速发动机。2高点环 高点环开口处的径

24、向压力 P 高于平均径向压力 P0，P：P0 可达3：1。能提高环开口端的减震能力，耐磨性和气密封好。现代高速四冲程柴油机和汽车发动机广泛应用高点环。3低点环 低点环主要用于二冲程柴油机和大型柴油机，开口处的径向压力低于平均径向压力，以防止环端跳入气口使环折断，或者是为了矫正热变形的影响，以保证均匀贴合。2.5.2.工作状态下活塞环的闭口间隙 S1 闭口间隙一般按 GB/T1149选取，或按产品图纸要求而定，但最小间隙必须大于下式计算值。S1=d1t (mm)式中：d1缸径，mm；热膨胀系数，合金铸铁按=1.1105/；t温差，气环为100，油环为80 2.5.3.切向弹力 Ft 切向弹力是在

25、环的切口处径向厚度中点上沿切线方向施加力，使环从自由开口尺寸压缩到闭口间隙时所需的力。尺寸系列的切向弹力值仅适用于平均弹性模量E=100000 N/mm2材料（即非调质铸铁环），其它材料则按弹性模量E 由表3-7修正系数乘以尺寸系列表的切向弹力值即可。镀铬或喷钼活塞环的切向弹力修正系数为表3-7推荐值的0.9倍。15/33 表3-7 活塞环材料 平均弹性模量 N/mm2 切口弹力修正系数 调质铸铁 球墨铸铁 钢 112776 156906 196200 1.15 1.6 2 切向弹力 Ft Eh1（m-S1）Ft=K1K2（kgf）14.14(d1/1-1)3 式中：E弹性模量，kgf/mm2

26、；h1环高，mm；m自由开口，mm；S1闭口间隙，mm；d1缸径，mm；1径向厚度，mm；K1断面减弱系数；K2表面处理对弹力减弱系数。镀铬环一般取8%11%，球铁环取8%，合金铸铁对铬层厚度小于0.12 mm，径向弹力小于3 f 的取11%，其余均取10%。活塞环设计时，首先确定切向弹力，然后再决定环的自由开口尺寸。高速发动机活塞环设计通常用改变环的径向厚度方法来调节环的弹力。2.5.4.平均比压 P0 比压 P0是活塞环设计的重要参数之一，比压选择适合与否，将直接影响活塞环的密封性、摩擦损失、耐磨性。比压过高，磨损加剧导致缸套磨损严重；比压过低，环密封性差，最终导致烧机油，加剧磨损，抗振性

27、差，易产生断环。一般选择原则：合金铸铁为1.52 f/2，球墨铸铁为1.52.5 f/2。2 Ft P0=MPa 0 d1 16/33 式中：0环外圆面与气缸壁的接触高度，等于刮片数量与刮片高度的乘积，mm Ft切向弹力，N d1缸径，mm 2.5.5.活塞环的工作应力和安装应力 E1（m-S1）工作应力 1=f/mm2 2.35（d1-1）2 E1(81-m)安装应力 2=f/mm2 2.35（d1-1）2 式中：E弹性模量，f/mm2；1径向厚度，mm；m自由开口尺寸，mm；S1闭口间隙，mm；d1缸径，mm。按有关标准规定，合金铸铁 125 f/mm2，球墨铸铁 140 f/mm2，但实

28、际1值可大于上述值，合金铸铁为30 f/mm2，球墨铸铁为50 f/mm2。合金铸铁250 f/mm2，球墨铸铁 280 f/mm2 2.6 课程设计中活塞环的主要参数选择 17/33 第三章 活塞环的制造工艺 活塞环的性能对整台发动机系统的良好工作运转是十分重要的，活塞环组件必须有较长的使用寿命。现在通过改进材料和表面制造工艺，活塞环已能满足这样的寿命要求。3.1 活塞环的生产特点 活塞环是内燃机中的重要易损件，生产批量很大，可想而知，必须高度专业化，组织流水生产作业线。活塞环流水生产具有下列特点：1 工作地专业化程度高。每个工作地固定完成一道或几道工序，而每一道工序都在固定的工作地加工。如

29、活塞环粗磨两端面统一在粗磨组进行加工。2 产品在流水线上按单向运输路线移动，生产过程具有良好的连续性。活塞环单向运动移动路线为：粗磨去油热处理细磨去油半成品检查切削流水工作线表面处理成品检查配组入库。3 在整个加工过程中，产品按平行移动方式在各工序的工作地之间移动，生产具有明显的节奏性；4 工艺过程是封闭的，产品的所有工序在流水线内全部完成，如活塞环切削流水线在两端面加工完成后，内圆、外圆、开口间隙等加工全部在切削生产线上完成，加工过程象流水一样从上一工序转到下一工序，连续生产。3.2 活塞环的加工方法 依照活塞环成型的方法不同，制造活塞环的方法主要有两种：1 热定型法（整体正圆法）：即浇铸出

30、圆筒形活塞环毛坯，然后在普通车床上切削加工，切割成单环；按工作间隙尺寸铣出切口，最后扩X 至所需要的自由切口间隙尺寸，并在此状态下热处理定型，即成所需尺寸的活塞环。18/33 2 单体椭圆法：即浇铸出单个的椭圆形活塞毛坯，然后在靠模车床上切削加工，并按自由切口间隙尺寸切口，就成为所需尺寸的活塞环。这两种方法都获得广泛采用，但有几点需指出：（1）单体椭圆法属于机械定型。既可用于制造等压环，又可用于制造非等压环；但主要用于制造非等压环。它在造型过程中，设计椭圆形状时就考虑了弹力和环的结构尺寸等方 面的关系。热定型法，环自由形状的形成主要靠热定型，因此在高温下会发生回火，促使环的弹力消失。由于定型性

31、质不同，所以在用前一种方法制成的活塞环寿命比较长。热定型法主要用于制造等压环。（2）从加工过程看，单体椭圆法在铸造和机械加工时要用专用模具和靠模车床，设备复杂，而热定型法无论从铸造或机械加工看都比前法简单，所以它的生产率高，成本低。前一种方法适用于大批量生产，后一种方法大、中、小批量生产均可。（3）单体椭圆法节省金属材料，因为它的切削加工裕量可以留得很少。3.3 活塞环的加工工艺规程 为了进行科学管理，将工艺过程的各项内容写成文件，用来指导生产和组织生产，工厂的各种工艺规程是将有关内容编写成各种文件图纸和表格等形式来表达的，这些文件统称为工艺文件。零件生产所用的工艺文件的种类很多，也没有统一的

32、规定格式，由各工厂自行规定。主要的工艺文件有工艺过程卡片、工序卡片、调整卡片、检验卡片等。1 工艺过程卡片：也称综合卡片或工艺流程卡片。在卡片上规定了制造该零件所经过的各个车间，经过的全部工艺过程。按照零件工艺过程的加工顺序列出所有的工序，表示零件的生产路线。以及对每个工序所使用设备，工艺参数等作出简要说明，表示零件加工完整的工艺过程。在单件、小批生产中一般只用工艺过程卡。2 工序卡片：这种卡片也称操作卡片，用来具体指导工人进行生产，这是为零件生产过程中的每一道工序编写的，是工艺过程卡上每一道工序的详细规定。在工艺过程上绘有工序简图，注明定位基准和加工表面的工序尺寸，光洁度、技术要求等，并分出

33、工步的次序和内容、切削规X 和工时定额以及使用的设备工、夹、量、辅具的具体情况等。图4 活塞环热定型加温曲线 19/33 对于大批量生产的零件和小批量生产的关键零件，除了工艺卡片，还要详细编制工艺装备明细表。3 调整卡片：对于在自动和半自动机床上完成的工序，往往不用工序卡片，而要编制调整卡片，供机床操作人和调整人使用。4 检验卡片：它是检查人员使用的主要文件，其中对检验对象、检验项目、检查方法及使用检具均有具体规定。零件加工完毕按检验卡检收。对于成批大量产品，一般需要检验卡。3.4 确定毛坯的制造方法与加工余量 3.4.1 活塞环的制造方法 目前活塞环的铸造方法主要有单体叠箱铸造、双片叠箱铸造

34、、筒体砂型铸造和筒体离心铸造，按毛坯的形状来分又可分为正圆和椭圆两种。正圆的优点是型板制造简单、加工设备简单。缺点是要进行热定形、开口对面应力大，开口处径向压力低，热稳定性差，弹力消失厉害。椭圆环的优缺点与正圆环的相反。为了很好的满足活塞环的特殊要求，以及批量化的工作效率的要求，我们选择毛坯的形状为正圆。3.4.2 加工余量的确定 确定内外断面上的总余量为 mm 确定上下两个平面上的总余量为 mm 3.5 定位基准的选择（1）定位基准的选择 活塞环的两端面是一切加工尤其是外圆和内圆加工的基准面。同时，两端面的加工质量对活塞环的性能影响很大。因此，有必要将两端面的加工作为活塞环加工工艺中的最初工

35、序，并且要求尽可能提高加工精度。这就符合统一基准原则。在后续工序中，除了使用两端面为定位基础外，根据各工序的特点，再选择内圆或外圆定位，实现各工序的定位。20/33 活塞环两端面的加工是以其自身作定位基准的，以外圆的导向反复加工。加工精度高，环高公差一般为0.01-0.05mm，同一片环环高公差0.008 mm，表面粗糙度。保证这些精度要求，对以后叠放成组加工时减小环高积累误差的影响，有着重要的意义。（2）外圆仿形加工基准的选择 外圆仿形加工可选择外圆定位与内圆定位两种 方法。这两种定位方法都采用心轴螺母装夹 a)外圆定位 即选定毛坯外圆为定位基准。这种定位方法无 内衬支承，由三个同时移动的卡

36、爪组成定位元件，卡爪与一组环的外圆接触。这种定位方法的优点是 外圆加工余量均匀。但由于定位元件与夹紧装置分 离，因此，三爪的位置是可调的，以保证环的几何 中心与心轴的轴线重合。由于内部无支承件，所需夹紧力较大。b)内圆定位 即选择毛坯内圆为定位基准。这种定位方法是在夹紧心轴上以内衬铝套支承定位。内圆定位具有装夹简单，操作方便的特点。但由于毛坯面粗糙，支承铝套磨损大，因而定位精度低，铝套消耗量大，在外圆仿形加工和铣切开口后的其他工序中所用精基准都是选用外圆与端面，与设计基准重合。活塞环椭圆毛坯的外形曲线是活塞环在自由状态下的外形曲线的等距曲线，为了保证仿形加工外圆时工件外形与仿形运动相对应，必须

37、限制工件绕心轴轴线转动的自由度。为此在毛坯上设有定位凸块或定位凹槽，见图4-6。定位凸块的定位精度比定位凹槽要高。0.5/图 4-4 外圆定位示意图 1-卡爪；2-定位卡片；3-工件 -上压环 8-螺帽 21/33 3.6 活塞环一般工艺流程 活塞环的典型加工工艺如下：铸 造 单体毛坯 简体毛坯 粗磨两端面（去油）切 片 热处理 精磨两端面（去油）半成品检验 靠模车外圆 铣切开口 粗车内圆 22/33 精车外圆 精车外圆 精车外圆 切 槽 切 油 槽 细车内圆 精车内圆 倒 外 角 细车内圆 铣 油 孔 镀铬环 镀 铬 精车外圆 镀 铬 精修开口 切扭曲槽 车 梯 面 细车内圆 铣 油 孔 切

38、扭曲槽 镀 铬 磨 梯 面 精修开口 车内圆弧槽 磨开口内圆弧 表3-1 工艺流程简介 工序号 工序内容 工序参数 设 备 备 注 1 铸造 2 单体毛坯 3 粗磨端面 双端面磨床 外圆端面基准 4 去油 去油炉 5 热处理 6 细精磨平面 双端面磨床 外圆面基准导板导向连续穿磨 23/33 7 去油 去油炉 8 半成品检查 9 仿形车椭圆 仿形车床 内圆端面，凸块定位 10 铣切开口 11 粗车内圆 专用车床 外圆端面，气动夹紧 12 精车外圆 专用车床 外圆端面，气动夹紧 13 内台 专用铣床 外圆端面定位，气动夹紧 14 外台 专用铣床 外圆端面、开口定位 15 细车内圆 车床 外圆端面

39、 16 精修开口 专用铣床 外圆开口，端面定位基准 17 磷 化 表 面 处理 18 成品检查 19 上油配组 20 入库 3.7 端面加工 1 活塞环两端面是一切加工尤其是内外圆加工的基准面。同时，两端面的加工质量对活塞环的性能影响很大。因此，有必要将两端面的加工作为活塞环加工工艺中的最初工序，并且要求尽可能提高加工精度。一般活塞环的两端面要经过粗磨、半精磨、精磨三道工序，其特征是两端面同时进行磨削。过去采用单面加工，但因易于产生加工变形而降低端面的平面度，所以除中型和大型活塞环外，均采用在双面磨床上用同时磨削的方法加工。两端面的总加工余量在0.91.3 mm 之间。（1）加工精度 表面粗糙

40、度：尺寸精度：环高 H-0.01200.015;平行度：0.003；不允许擦伤、欠磨等缺陷。（2）切削用量：吃刀深度 粗磨：0.2-0.6mm 中磨：0.05-0.015mm 精磨：0.005-0.015mm 切削速度 粗磨：750转/分 砂轮最大线速度29.45米/秒 0.4/24/33 中磨：730转/分 砂轮最大线速度28.66米/秒 精磨：465转/分 砂轮最大线速度18.26米/秒 进刀量（送环速度）粗磨：13-18米/分，110-160片/分。中磨：13-18米/分，110-160片/分 精磨：15.8-31.6米/分，130-180片/分。全部加工余量分8-10次磨削，可分为粗磨

41、3-4次，中磨1-2次，精磨4-5次。（3）工艺对砂轮要求：磨削加工中加工余量逐步减少，加工精度逐步提高。粗磨以高效率，高切削能力为主，细精磨以保证加工精度为主。粗磨（24-36粒度）中磨(46-60粒度)细磨（60-80粒度）精磨（100-120粒度）。（4）工艺及技术要求 a）粗磨 同一高度公差0.03mm 同一批环高度公差0.05mm 穿磨次数 3次-4次 加工余量 第一次 0.50-0.60mm 第二次0.20-0.30mm 第三次0.15-0.20 次 0.10-0.15 用0#轻柴油冷却，两平面光洁度 Ra5m。b）细磨：用一片环高公差0.01mm 穿磨一次 加工余量0.07-0.

42、1 0#轻柴油冷却。端面光洁度 Ra1.25m，磨后产品不得有 擦伤。c）精磨 同一片环高度公差0.08 mm 穿磨四次 加工尺寸 第一次（H+0.03）-0.015 第二次（H+0.01）0.005 第三次 H0.005 第四次 H0.0050.01 磨后活塞环两平面不允许有擦伤，挠曲小于0.03mm 25/33 为了提高光洁度允许用油石打磨砂轮平面。端面光洁度 Ra0.63m 冷却液 柴油95%+锭子油5%。出成品时两端面部允许有磕碰现象。加工设备：M8101、M8102、M7675、DHG-N30A 等专用双端面磨床 检验量具 1级千分尺 3.8 活塞环的热处理 由于球状石墨对金属基体的

43、割裂作用较小，因此决定球铁性能的决定因素不是石墨，而是金属基体，故通过热处理改变金属基体的结构就能有效的提高球铁的机械性能，由于上述原因，目前一般球铁环都进行热处理，热处理的方法主要有两种：一种是正火，一种是淬火加回火，用正火的方法能得到高强度和高耐磨性的珠光体球铁环，用淬火的方法能得到强度更高和硬度更大的回火马氏体或贝氏体球铁环，对进行正火和淬火的球铁环，铸态毛坯允许有少量的渗碳体或莱氏体，铁素体量也放得较宽，见/T 6724-1993。正火工艺是在气体介质（氮气等）中加热到850950，保温24小时，然后在空气中冷却。淬火工艺是在气体介质（氮气等）中加热到850950，保温0.53小时，然

44、后在油中冷却。淬火后的球铁环必须进行回火，回火工艺是加热到450650，保温47小时，然后在空气中冷却。3.9活塞环的平面加工 1 粗磨与中磨加工的调整 粗磨与半粗磨采用半自动连续上料、用送料轮把环坯送入砂轮间，用相应厚度的钢带制成导轨，沿直径方向通过砂轮磨削区，磨削2.5 mm 以上环高的环坯用2.5 mm钢带，1.5-2.0 mm 薄环用1.5mm 钢带导向。粗磨机床两个主磨头是相对逆向旋转的，磨削特点是（如图4-17）环坯通过砂轮间、砂轮外圆处线速度为29.45米/秒，中心区只有1.99米/秒，相差15倍。砂轮外圆切削能力最好，应担负切削量的2/3左右。当第一次粗磨削余量为0.5左右时，

45、砂轮进口与出口间应调整为0.18mm 的喇叭口（如图4-18）。应注意，保证主磨头为基准，只能调整辅助磨头。26/33 2 精磨加工 精磨也在双端面磨床上进行，但机床精度更高。为此，磨头主轴需采用高精度的轴承，运转要平稳，并用冷却液使机床温度稳定，精磨一般采用M8102磨床，其基本特点是磨削能力小，精度高。精磨总是采用油磨，常用柴油或柴油与锭子油的混合液作冷却液，借助冷却液冲走磨屑，使砂轮保持清洁状态，此外还使磨削液充分冷却，避免不均匀的热膨胀，提高磨削精度。油磨还可以选用比干磨时硬度较高的砂轮，可提高生产率，减少砂轮消耗。精磨采用两平面直钢板导向连续磨削，两砂轮转速 n=465转/分，通常穿

46、磨3-4次，最后一次只留有0.005mm 的加工余量，以保证环高公差的稳定和高的平行度和表面粗糙度。使用100粒度的砂轮，表面粗糙度可稳定达到，同一片环的高度公差可保持在0.003-0.005 mmX围内。由于采用油作为冷却液，一般不会产生锈蚀，但为了便于内外圆加工，精磨后应采用化学或物理方法去油。3.10 活塞环的仿形加工 活塞环仿形加工是机械加工中的关键工序，它将直接决定活塞环的径向压力分布状态，从而决定了活塞环在内燃机中的使用性能。同时，仿形的加工表面是以后各加工工序的定位基准，决定以后各工序加工余量的均匀性。所以掌握基本椭圆曲线理论，正确的操作与调整非常重要。否则活塞环的质量就得不到基

47、本保证。活塞环自由状态成型方法 1 活塞环自由形状 活塞环在自由状态下并非正圆，在装入气缸的状态下才变成正圆。未装入气缸时的活塞环形状叫做自由形状，它决定了活塞环在装入气缸后的接触压力分布。这 图 4 修整器与砂轮情况 图 4 磨削方向各部尺寸示意图 0.4/27/33 种自由状态究竟如何来确定，在理论上，首先要确定适应发动机性能所需求的接触压力分布。其次通过计算求得这样的接触压力分布的自由形状。根据计算值制作靠模，然后用此靠模车出活塞环在自由状态下的形状。活塞环的接触压力分布大致可分为三类：（1）等压分布，它是在活塞环整个圆周上分布着相同的接触压力；（2）梨形分布，即在活塞环开口处接触压力高

48、于环周平均接触压力；（3）苹果形分布，即在活塞环开口处接触压力低于环周平均接触压力。如图4-21。2 活塞环外径曲线成形方法（1）正圆毛坯热定型法 这种方法是将毛坯铸造并加工成正圆，而后切开环的开口，再把开口沿切线方向撑开。将间隔块插入间隙中，在600左右进行热处理，于是活塞环就在撑开状态下被固定下来。这种方法可制造出开口间隙适当、等压分布的活塞环。这种方法的缺点是开口两侧承受最大的弯曲应力；同时由于热定形时在不同位置给予不同应力的状态下受热的影响，故经热处理后的形状未必是理想的自由状态下的形状。因此，实际上要将环再在闭合状态下进行一次加工。而且正圆毛坯环具有开口处的接触压力低，使用时变形大的

49、缺点，所以现在已不大使用了。见图4-22。（2）椭圆毛坯正圆加工方法 为克服正圆毛坯环的缺点，随后发展了铸造椭圆毛坯后再正圆加工的方法。这种方法是先将毛坯，作成自由状态下的形状，再从这种毛坯中切掉相当于自由开口的部分，将切去开口的毛坯放进弹性套筒内，收紧套筒使开口闭合，于闭合状态下将环的上下端面夹紧，然后卸下弹性套筒，在车床上将外圆车成正圆。外圆加工后，再将环压到圆筒中加工内圆。这种加工方法得到的环，其径向压力分布的均匀性比图 为使热定型环获得正椭圆度所用的 图 压力分布 28/33 热定形环为好，且热变形小。这种方法的缺点是在作外圆加工时，由于硬将椭圆毛坯闭合成正圆形，所以在毛坯中产生了很大

50、的应力，其中一部分作为残余应力留在活塞环中，因此使环失圆，且对径向压力分布产生不良影响。为了克服上述缺点，出现了椭圆毛坯的靠模加工法。（3）单体椭圆毛坯靠模椭圆加工法 这种方法是以径向压力分布曲线为基础，用径向压力分布函数计算出自由状态下活塞环的形状，根据曲线要求制出靠模，用这种靠模对椭圆毛坯进行外圆加工，然后切掉相当于自由开口间隙的那一部分，再装入筒形夹具中车削内圆。用这种方法加工的活塞环，至少在理论上能符合所需要的径向压力分布。但实际上经过加工的环放入正圆量规中时，其接触并不理想。主要原因是靠模加工外圆的毛坯壁厚有不均匀的情况，装到夹具去时，局部位置产生应力不均匀之故，也就是说，对外圆无论