汽车发动机活塞工艺和夹具设计【车削+镗孔】【量具刀具】【含CAD高清图纸、文档所见所得】

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technologic characters of mechanical working which belong to piston it is difficult to satisfy the high precision demand of piston only relaying on a general common machine tool So the special equipment and technological outfit are extensive use in piston cutting processing The quality of the final products is also directly influenced by function and accuracy This paper is primary aimed at technological procedure of the piston and give a detail illustration about typical special fixture cutter and measuring implement in processing According to piston working condition structural trait technological request and some factors people weave two technological proposals The better proposal will selected to make technological procedure of the piston and design a special fixture a special cutter and a test tool respectively in processing of special equipment in two key procedures Key words piston technology fixture cutter test tool 沈阳理工大学学士学位论文 3 目 录 绪 论 1 1 活塞的工艺分析 2 1 1 活塞的作用 2 1 2 活塞的特点 2 1 3 活塞的主要技术条件分析 3 2 活塞的工艺规程的设计 4 2 1 活塞的材料和毛坯的制造 4 2 2 定位基面的选择 4 2 3 制定工艺路线 5 2 4 机械加工余量 工序尺寸和毛坯尺寸的确定 9 2 5 确定切削用量及基本工时 10 2 6 重点工序的加工说明 12 3 专用夹具的设计 14 3 1 车削外圆夹具的设计 15 3 1 1 工序加工要求及工艺分析 15 3 1 2 夹具定位方案的确定 定位基准 定位元件的选择 15 3 1 3 夹具夹紧机构的设计 16 3 1 4 夹具体的设计 17 3 2 沈阳理工大学学士学位论文 4 精镗销孔夹具的设计 17 3 2 1 工序加工要求及工艺分析 17 3 2 2 夹具定位方案的确定 定位基准 定位元件的选择 17 3 2 3 夹具的工作原理 18 3 2 4 夹紧液压系统设计 18 4 专用量具的设计 20 5 专用刀具的设计 22 5 1 滚压加工的介绍 22 5 2 专用刀具 滚压头 的结构 22 5 3 滚压头的工作原理 23 结 论 24 致 谢 25 参考文献 26 附录 A 英文原文 27 附录 B 汉语翻译 36 绪 论 随着人类社会机械化 自动化程度的日益提高 内燃机作为一种可移动的动力源已广泛 应用于生产和生活的各个领域 活塞是内燃机的关键零件 其结构复杂 加工工序多 目前 国内活塞行业所用加工机床除引进外 大多为国产通用机床或在此基础上进行较为简易改造 的设备 一条生产线一般由 17 20 台设备组成 采用粗放型生产方式 设备精度低 工件需 多次装夹定位 加工过程累积误差大 工件精度低 稳定性差 废品率高 劳动生产率低 生产现状和设备远远不能满足市场竞争的需要 国内机床行业虽然也为活塞行业提供了一定 数量的活塞专用机床 但由于对活塞加工工艺缺乏深入的了解 也未能摆脱活塞行业原有的 生产加工方式 在国外工业发达国家的一些实力较强的活塞制造公司 如德国 MAHLE 公司 KS 公司 英国 AE 公司 日本 AR7 等 其活塞加工己实现了工序优化组合 一人多机数控 化生产 机加工过程中周转环节少 工艺条件稳定 产品尺寸精度高 对于批量大的活塞品 种 他们将其加工设备连成数控全自动生产线 设备基本上全是自行设计制造 由于国外机 床行业雄厚的基础 他们采用了一定数量的机床通用零部件 专业性较强的零部件仍靠自主 开发设计 设计过程中 他们充分利用国外机床行业的先进设计及制造技术对机床进行优化 沈阳理工大学学士学位论文 5 如有限元法等动 静态设计分析 使其能够满足活塞高精加工的要求 1 活塞的工艺分析 1 1 活塞的作用 活塞位于发动机汽缸内 作往复运动 当燃烧室里的混合气体 空气和燃料 点燃并膨胀时 活塞受到气体的压力 并经过活塞销及连杆将压力送给曲柄 气体的吸入 压缩 废气的排除 也 都由活塞的运动来完成 因此活塞工作的主要特点是在高温高压下作长时间的连续变负荷往 复运动 为了提高活塞的工作性能和寿命 它必须具有如下的要求 1 在高温高压下具有足够的强度和刚度 2 较轻的结构重量 3 良好的耐磨性和耐蚀性 4 良好的导热性 热膨胀系数小 5 保证气缸内部空间密封 1 2 活塞的结构特点 6102 活塞顶部为燃烧室 混合气体在里面燃烧 它的容积大小决定着里面能够容纳多少混 合气体 也就决定了燃烧后所产生的压强大小 靠近顶部的环槽分为气环槽和油环槽为放置活塞环用 在气环槽内放置的活塞环使活塞头 部与气缸不接触 并用以密封活塞的顶部 防止漏气 远离顶部的环槽钻有油孔 它把飞溅到气 沈阳理工大学学士学位论文 6 缸套内壁上的多余润滑油刮去 并通过油孔流回 使之不致进入燃烧室 活塞的裙部在活塞的工 作过程中起导向的作用 底部有精加工的止口 它是为加工活塞而设置的辅助精基面 在结构和 功能上没有作用 在工作过程中将产生受力变形和热变形 由于活塞裙部在圆周方向刚度不同 在活塞的轴 线方向的弹性变形比垂直于该方向的弹性变形大 使活塞裙部在受力后变成椭圆 另一方面 在 高温的工作环境下也要产生热变形 销孔轴线方向的金属厚 热鼓胀比垂直于该方向上的大 也将使活塞裙部变形后成为椭圆 这样的话将必然使活塞与气缸套的间隙 不均匀的减少乃至 消失 以至产生强烈的摩擦甚至咬住 为了补偿上述的变形 所以把活塞的裙部设计制造成椭 圆开 椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上 1 活塞在工作时顶部在直接和高温气体接触的 而裙部是间接传来的热量 故而头部的热鼓 胀量要比裙部的大 为了补偿这种不均匀的变形 故把活塞头部的外径设计得比裙部小 同时头 部也设计成上小下大的锥形 同时在活塞裙部的销孔附近加工出凹坑 用来增加裙部与气缸套内壁的间隙 1 3 活塞的主要技术条件分析 1 3 1 活塞裙部外圆与气缸的配合 活塞裙部外圆与气缸要求是一种精密地配合 因而裙部外圆一般要求公差等级 IT6 为减少 机械加工的困难 将活塞裙部和气缸套孔径的制造公差均放大二倍 装配时按裙部的尺寸分成 二组对应装配 以保证大致要求的间隙 裙部外圆的粗糙度 Ra 1 6 m 1 1 3 2 活塞销的要求 为了使活塞销在工作过程中能在孔中自由转动 销孔的大小要求 IT6 级 同时为了减少机 加工工作量 活塞和活塞孔的装配也采用分组装配法 销孔内圆的粗糙度 Ra 0 2 m 1 3 4 销孔 活塞的 的位置公差也应有严格要求 销孔轴心线到顶面的距离影响气缸的压缩比 也就影响发动机的效率 因此控制在 53 3 0 05 mm 内 销孔轴心线对裙部轴心的垂直度影响活塞销 销孔和连杆的受力情况过大将使活塞销 销 孔 连杆单侧受力 活塞在气缸套中倾斜 加剧磨损 因此这一垂直度在 100mm 长度上公差为 0 035mm 销孔轴心线对裙部轴心线的对称度也会不均匀摩损 故而限制 沈阳理工大学学士学位论文 7 1 3 5 活塞重量的要求 为了保证发动机运转平稳 在同一发动机上各活塞的重量不应相差太大 对于 6120 柴油机 活塞 同级活塞的重量差不能超过 20 克 即活塞的重量差不得大于活塞名义重量的 2 5 活塞 在装配的时候应按重量进行分组 2 活塞工艺规程的设计 2 1 活塞的材料及毛坯的制造 活塞在发动机内是做高速的往复运动 为了减少其惯性的作用采用的材料为共晶铝硅合金 它的化学成分为 共晶铝硅合金 i 11 13 Cu 1 2 Mg 0 4 1 Mn 0 2 0 7 Fe 0 8 其余 l 它比铸铁具有以下的优点 1 导热性好 使活塞顶面降温快 可以提高发动机的压缩比 下至于引起混合气体自燃 可以提高发动机效率 2 重量轻 惯性力小 3 切销性能好 4 可以得到精确的毛坯 由于是大批大量的生产 万件每年 为了提高毛坯的精度 铸出活塞的销孔及燃烧室 减少机加工余量 故而毛坯的铸造是采用金属模铸造 毛坯在机械加工前先要去浇冒口 并进行时效处理 消除铸造时因冷却不匀而产生的内 应力 增加强度及硬度 时效处理是将活塞加热到 保温 小时后 沈阳理工大学学士学位论文 8 自然冷却 2 2 2 定位基面的选择 定位基准的选择直接影响零件的加工精度和生产效率 活塞是一种薄壁型零件 在外力作用的情况下是很容易产生变形的 而活塞主要表面的 尺寸精度和位置精度的要求都很高 因此应以一个统一的统一基面定位来加工这些要求高的 表面 如直接采用外圆定位的话 即设计基准 将有可能产生大的变形 故在这里采用活塞 的止口端面来作为统一基准 3 加工活塞通常选择活塞内腔顶部和止口为粗基准 裙部端面和止口为大多数工序的精基 准 有时还要用外圆表面 销孔及顶面作为以后各工序的定位基准 由于以内腔面作为粗基 准来直接加工内止口不方便 故先安排以毛坯内腔圆面为粗基准来粗车外圆 再以外圆表 面和内腔顶面定位 加工止口和裙部端面 这样可保证外圆表面和内腔之间壁厚的均匀性及 顶厚 并为以后的工序准备好定位基准 经验表明 在活塞定位止口的相对表面出现环状磨痕 是由于定位止口配合间隙偏大 精车时余量不均或松动引起的 在精车外圆和精磨外圆这两工序中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 精镗销孔则由于精度要求很高 为避免产生基准不重合误差 而采用 的是设计基准做为定位基准 采用止口和端面作为基面有下列优点 1 用这种定位方法可以加工裙部 头部 顶面 销孔等主要及其它次要表面 而且在有一 道工序中 一次安装就可以车削外圆 顶面 环槽 实现了工序的集中 既可提高生产率 又 能保证这些表面的位置精度 2 活塞裙部在半径方向的刚性差 利用止口和端面定位可以沿活塞轴向夹紧 就不至引起 严重的变形 同时又可以进行多刀切削提高生产效率 当然也有一些缺点 如果加工一些本 来不需要加工的表面 而且是一些精度要求极高的要经过两次加工的表面 止口对裙部外圆 的同轴度误度将影响环槽的位置精度 但总的说来 采用止口端面作为统一基准虽然增加了 加工工时和设备 但它有利于保证加工质量 故而采用它来定位是可行的 2 3 制定工艺路线 制订工艺路线的出发点是使零件的几何形状 尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合 沈阳理工大学学士学位论文 9 理的保证 在生产纲领已确定为大量生产和条件 故可以适当地采用专用机床配以专用夹具 除此还应考虑经济效果 使生产成本尽量下降 2 3 1 加工方法的确定 1 裙部外圆 其精度 表面粗糙度要求要求比较高 一般可以采用粗车 半精车 粗磨 精磨或者粗车 半 精车 精细车的加工方案 在粗车 半精车之后 精加工时采用哪种方案 要由具体的生产条 件 工件材料和裙部形状来确定 对于本次设计的零件 是铝合金活塞 适合采用精细车是 方案 而不是采用磨削方案 因为磨削时砂轮容易被堵塞而影响加工质量 裙部加工时应该注意表面粗车和精车的余量和进刀量均不能太大 否则 粗车刀痕太深 将会导致精车时切削抗力发生周期性变化 刀痕难以消除从而引起表面台阶 精车余量及进 刀量太大或精车时切屑除不畅 也会使表面存在台阶或各种杂乱痕迹 特别是裙部下方 情 况更加严重 精车时 椭圆长轴应与销孔轴线垂直 长轴数据在垂直于销孔轴线的方向上量取 如果 因为加工而引起椭圆长轴与销孔不垂直 会出现当长轴值等于图纸尺寸时 在实际椭圆长轴 方向上的裙部壁厚将增加 如图2 1 就使这个方向上裙部与缸壁间隙减小 造成在这个 方向上活塞裙部易发生磨损烧结等故障 出现长轴偏离的原因主要由于精车活塞时夹具调整 不良和装夹活塞时定位不良引起的 因此在精车活塞时注意控制其长轴与销孔轴线垂直 允 许偏差 53 图 2 1 长轴椭圆图 必须指出 椭圆长轴偏移和销孔偏心有区别 前者为加工时椭圆长轴离开图纸椭圆长轴 规定的位置 是加工不当引起的 后者指销孔轴线偏离活塞轴线 是改善活塞工作条件的需 沈阳理工大学学士学位论文 10 要 2 活塞销孔 活塞销孔的尺寸精度 形状精度 表面粗糙度和它与裙部轴线和顶面的位置精度均要求 很高 若活塞销孔轴线至顶部距离过小 会使压缩比变小 过大则压缩比增大 且顶部与缸 盖碰击 若销孔轴线与活塞轴线不垂直 将引起活塞在气缸中偏斜 使活塞局部磨损加剧 活塞裙部低端与平衡重发生干涉 因此 虽然尺寸不大 但是以常用的扩孔 绞孔的方案是达 不到要求的 对于该液态模锻毛坯 由于销孔未锻出 扩孔之前要先钻孔 到底采用何种终 加工方法 要由生产条件和活塞销孔的尺寸决定 本加工零件的活塞孔比较小 所以适宜采 用滚挤进行最终加工 3 活塞环槽 在活塞的技术条件中 对环槽宽度的尺寸精度 环槽平面的表面粗糙度以及其与裙部轴 线的相对位置精度的要求都很高 由于环槽的宽度与深度都不大 可用精确刃磨与安装的切 槽刀经过粗车 精车两次加工达到全部要求 本零件气环槽深度和宽度都较小 可以不经过 粗车而一次车削达到要求 在精车环槽切刀入槽底时 切削力骤然增大 是初入槽底之前的4倍以上 有一个分力 使拖板突然向上抬起 削弱了拖板在运动方向抵抗变形的能力 另一个分力在拖板上作用 这两种力的反作用力通过活塞进一步作用到机床主轴和尾架顶尖套筒上 引起工艺系统突然 产生很大的弹性形变 导致环槽侧面产生平面度误差 另外 活塞定位基准与定位元件之间 机床主轴与轴承之间 尾架导筒与尾架孔之间都存在间隙 加上精车前粗加工的环槽底面与 活塞精定位之间存在一定的同轴度误差而造成切削余量不均匀 都会使切削力发生改变 使 工艺系统在产生形变的同时又产生振动 这样为保证环槽上下平面的质量技术要求 就必须 要求机床运动系统 工装 有良好的配合精度和刚性 并且对刀具的刚性 切削刃角度和锋 利程度也有较高的要求 4 活塞顶面 活塞顶面是比较重要的表面 在精车裙部外圆 精镗销孔等工序中要以顶面作为精基准 因此 要经过粗车 精车两次加工 2 3 2 工艺路线方案一 工序号 工艺名称 1 钻销孔 沈阳理工大学学士学位论文 11 2 车止口 3 铣销座凹坑 4 铣顶面凹槽 5 铣回油槽 6 钻减应力孔 7 粗车前半外圆 精车各环岸 8 精车顶面 9 半精车裙部外圆 精车各环岸 10 钻销座油孔 11 精车各环槽 环岸倒角 12 扩销孔 外端倒角 13 粗镗销孔 14 精镗销孔 15 销孔内倒角 16 车锁环槽 17 精车裙部外圆 18 滚挤销孔 19 清洗 20 最终检查 2 3 3 工艺路线方案二 工序号 工艺名称 1 钻销孔 2 车止口 3 钻减应力孔 4 铣销座凹坑 5 铣顶面凹槽 6 铣回油槽 7 粗车前半外圆 精车各环岸 8 精车顶面 9 半精车裙部外圆 精车各环岸 10 精车各环槽 环岸倒角 沈阳理工大学学士学位论文 12 11 中间检查 12 扩销孔 外端倒角 13 钻销座油孔 14 粗镗销孔 15 精车裙部外圆 16 精镗销孔 17 销孔内倒角 18 车锁环槽 19 滚挤销孔 20 清洗 21 最终检查 2 3 4 工艺方案的比较与分析 在安排活塞加工的工序顺序时 要遵循下面的一些原则 1 先基面后其他面 在安排工艺过程时 前面的工序要为后续工序准备好定位用的精基面 和供施加夹紧力的夹紧部位 以便保证定位准确 夹紧可靠 在 半自动车削 工序之前先安 排了 车止口 工序 以便为 半自动车削 工序加工出定位基面 止口内孔和内端面 还安排 了 铣销座凹坑 的工序 目的是在活塞销座上边铣出两个凹坑 供 半自动车削 工序中安装 工件时施加夹紧力用 而 半自动车削 工序又为后面的一些工序如扩销孔 粗镗销孔 精车 外圆裙部等准备好了精基面 顶面和头部外圆 同时头部外圆也是提供这些工序施加夹紧力 的表面 2 先粗后精 安排主要表面的加工工序时 按照粗加工 半精加工 精加工 光整加工的顺序 进行 以避免粗加工和半精加工时 夹紧力 切削力 切削热等因素使工件产生较大的变形 破坏已精加工 光整加工的加工质量或使其受到损伤 在活塞的加工工艺中 先安排 钻销 孔 半自动车削 扩销孔 粗镗销孔 再安排 精车裙部外圆 精镗销孔 最后才安排 滚挤 销孔 工序 就是出于上述考虑 3 同一主要表面的粗加工 半精加工 精加工 光整加工 尽量用其他工序隔开 以利于 减少该主要表面因工件内应力重新分布而产生的变形 确保其加工精度 如安排活塞销孔这 一主要表面的加工顺序时 在 钻销孔 与 扩销孔 两工序间安排了多道工序 其中 车止口 和 铣销座凹坑 两道为加工辅助表面工序 钻减应力孔 和 铣回油槽 两道为加工次要表面的 工序 半自动车削 为加工裙部外圆 环槽等主要表面的工序 中间检查 为辅助工序 在 扩 销孔 与 粗镗销孔 两道工序间 安排了 钻销座油孔 这一加工次要表面工序 沈阳理工大学学士学位论文 13 4 安排加工工序时 应该尽量避免断续切削 并使加工时的刚度尽量提高些 以提高刀具 的耐用度 避免加工中的振动 确保加工质量 如 车锁环槽 工序安排在 半自动车削 之前 这样 在 半自动车削 工序车削油环槽时 就自然得切除了减应力孔和回油槽外部的毛刺 综合上面的叙述 方案二的加工工序最为合理 所以选择它作为活塞的加工工艺 2 4 机械加工余量 工序尺寸及毛坯尺寸的确定 该活塞零件材料为硅铝合金 毛坯重量约为 2300 克 生产类型为大批大量生产 采用的毛坯 为金属模铸造出来的 根据上述原始资料及加工工艺 分别确定各加工表面的机械加工余量 工序尺寸及毛坯尺 寸如下 126 x 156 mm 2 4 1 止口的加工余量 总余量 3mm 粗车余量 2 6mm 精车余量 0 4mm 2 4 2 端面及顶面的加工余量 端面的总余量为 4mm 粗车余量为 3 8mm 精车余量为 0 2mm 顶面的总余量为 5mm 粗车的加工余量为 3 5mm 半粗车的加工余量为 1 37mm 精车的加工余量为 0 13mm 2 4 3 销孔的加工余量 滚压的加工余量 0 15mm 精镗的加工余量为 0 30 mm 粗镗的加工余量为 3 55 mm 则总的加工余量为 4 mm 2 4 4 外圆的加工余量 毛坯的总加工余量为 3 mm 沈阳理工大学学士学位论文 14 精车之后细车加工余量 0 25 mm 粗车之后精车的加工余量 0 6 mm 粗车的加工余量 2 15 mm 2 5 确定切削用量及基本工时 重点工序 2 5 1 加工条件 工件材料 共晶铝硅合金 金属模浇铸 加工要求 精镗销孔 机床 740 金钢镗床 刀具 精镗专用镗刀 2 5 2 计算切削用量 镗刀的进给量为 0 10mm r 切削速度为 4m s 主轴每分钟转数 1700r min 切削深度 0 15mm 2 5 3 基本工时 机动时间的定额定义 在一定的技术组织条件下制定出来的完成单位产品某顶工作所必 须的时间 时间定额是安排生产计划核算成本的重要依据之一 也是设计或扩建工厂或车间时 计算设备和人员数量的重要资料 时间定额中的基本时间则要根据切削用量和行程长度来确定 其 余的组成时间则根据经验数据来确定 其理论公式为 T 单体 T 基本 T 技术服务 T 组织服务 T 间隙 T 准备终结 其中 T 辅助 15 20 T 基本 T 技术服务 10 15 T 基本 T 组织服务 5 7 T 基本 T 间隙 2 6 T 基本 T 准备终结 1 35 1 5 T 基本 总之 T 单体 1 35 1 5 T 基本 在本工序的加工情况下 T 基本的计算如下 T 基本 L1 L2 L3 i ns 沈阳理工大学学士学位论文 15 式中 i 走刀次数 s 每转进给量 n 每分钟转数 车刀 L1 3 5mm L2 2 3mm 则 T 基本 147 3 2 170 0 1 0 88min T 基本 1 32min 2 6 重点工序的加工说明 2 6 1 止口的加工 止口的加工分为粗加工和精加工两步 由于止口是作为整个加工过程中的工艺基准 其加 工精度要求当然是相当高的 所以必须采用合理的加工方法才能保证精度和要求 如图 2 2 所示 长 三 爪支 承 钉 图 2 2 长三爪卡盘 用一般的三爪卡盘夹持不够牢固 所以把卡爪加长以避免工件在切削力作用下产生倾斜 工件的初始位置由支承钉确定轴向位置 而被加工的止口和端面的最终位置由装在刀架的长杆 决定 即当刀架进给时 长杆和刀架一起移动 当长杆的头部与活塞的内顶部接触时 微支开关 沈阳理工大学学士学位论文 16 连在长杆上的 被触动而使刀架停止进给 以保证工序尺寸 这种用长杆控制工序尺寸的好处在 于毛坯的制造误差不会影响燃烧室的壁厚 但是它同样也会带来一个缺点 如果毛坯的外圆和 内壁有较大的同轴度的误差 用外圆加工出的止口与外圆同轴而与内壁不同轴 以后再用止口 定位加工出的外圆表面就会造成壁厚不均匀 如果毛坯的外圆与内壁的同轴度误差不大时 则 用上述方法就不会造成很的壁厚差 由于 6120 活塞的毛坯采用的是金属浇注 精度较高 故采用 上述定位方法基本能保证壁厚差 2 6 2 环槽的加工 在零件图的技术要求中对环槽侧面的垂直度 圆跳动和槽宽的尺寸精度都有较高的要求 加工中由于切槽刀在宽度方面的刚性较差 端面到环槽的距离不可避免的要有误差 以致切槽 刀在宽度方向上余量不均匀 造成两侧面的切削力不相等 会使刀具在切削过程是产生弯曲 影响尺寸精度和位置精度 故而应增加环槽的切削次数 为了保证槽间距离 切槽刀和其夹板 两侧面都应磨到 Ra 0 63 m 为了保证槽宽的尺寸精度 必须将切槽刀宽度的浮动严格限制在 0 005mm 以内 为了保证 槽的侧面和裙部的轴心线垂直 除了刀架溜板的运动方向应与活塞 裙部的轴心线垂直外 还必 须将切槽刀安装得与裙部轴心线垂直 沈阳理工大学学士学位论文 17 3 专用夹具的设计 夹具是机械加工不可缺少的部件 在机床技术向高速 高效 精密 复合 智能 环保 方向发展的带动下 夹具技术正朝着高精 高效 模块 组合 通用 经济方向发展 随着机床加工精度的提高 为了降低定位误差 提高加工精度 对夹具的制造精度要求 更高 高精度夹具的定位孔距精度高达 5 m 夹具支承面的垂直度达到 0 01mm 300mm 平 行度高达 0 01mm 500mm 德国 demmeler 戴美乐 公司制造的 4m 长 2m 宽的孔系列组 合焊接夹具平台 其等高误差为 0 03mm 精密平口钳的平行度和垂直度在 5 m 以内 夹具 重复安装的定位精度高达 5 m 瑞士 EROWA 柔性夹具的重复定位精度高达 2 5 m 机床 夹具的精度已提高到微米级 世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业 诚然 为了 适应不同行业的需求和经济性 夹具有不同的型号 以及不同档次的精度标准供选择 为了提高机床的生产效率 双面 四面和多件装夹的夹具产品越来越多 为了减少工件 的安装时间 各种自动定心夹紧 精密平口钳 杠杆夹紧 凸轮夹紧 气动和液压夹紧等 快速夹紧功能部件不断地推陈出新 新型的电控永磁夹具 加紧和松开工件只用 1 2 秒 夹具结构简化 为机床进行多工位 多面和多件加工创造了条件 为了缩短在机床上安装与 调整夹具的时间 瑞典 3R 夹具仅用 1 分钟 即可完成线切割机床夹具的安装与校正 采用 美国 Jergens 杰金斯 公司的球锁装夹系统 1 分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台 上 球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具 起到缩短停机时间 提高生产效率的作用 夹具元件模块化是实现组合化的基础 利用模块化设计的系列化 标准化夹具元件 快 速组装成各种夹具 已成为夹具技术开发的基点 省工 省时 节材 节能 体现在各种先 进夹具系统的创新之中 模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础 应用 CAD 技术 可建立元件库 典型夹具库 标准和用户使用档案库 进行夹具优化设计 为用户三 沈阳理工大学学士学位论文 18 维实体组装夹具 模拟仿真刀具的切削过程 既能为用户提供正确 合理的夹具与元件配套 方案 又能积累使用经验 了解市场需求 不断地改进和完善夹具系统 组合夹具分会与华 中科技大学合作 正在着手创建夹具专业技术网站 为夹具行业提供信息交流 夹具产品咨 询与开发的公共平台 争取实现夹具设计与服务的通用化 远程信息化和经营电子商务化 夹具的通用性直接影响其经济性 采用模块 组合式的夹具系统 一次性投资比较大 只有夹具系统的可重组性 可重构性及可扩展性功能强 应用范围广 通用性好 夹具利用 率高 收回投资快 才能体现出经济性好 德国 demmeler 戴美乐 公司的孔系列组合焊接 夹具 仅用品种 规格很少的配套元件 即能组装成多种多样的焊接夹具 元件的功能强 使得夹具的通用性好 元件少而精 配套的费用低 经济实用才有推广应用的价值 专家们建议组合夹具行业加强产 学 研协作的力度 加快用高新技术改造和提升夹具 技术水平的步伐 创建夹具专业技术网站 充分利用现代信息和网络技术 与时俱进地创新 和发展夹具技术 主动与国外夹具厂商联系 争取合资与合作 引进技术 这是改造和发展 我国组合夹具行业较为行之有效的途径 3 1 车削活塞外圆夹具的设计 3 1 1 工序加工要求及工艺分析 本工序是在活塞六轴半自动车床上粗车活塞的外圆 外圆粗加工的技术要求是 尺寸为 粗糙度为 可知加工位置精度不高 夹具的设计难度不大 当然同03 9612 mRa 3 6 时也要考虑到夹紧机构的可靠 简单 方便 省力和安全等基本要求 3 1 2 夹具定位方案的确定 本道工序是在止口和销座凹坑的加工完成之后进行的 止口的内孔和内端面是活塞加工 的辅助端面 半自动车床车削的要求虽然高些 但工件只需要安装一次 便可以完成活塞外 圆上多个工位的加工 本工序利用的就是止口内孔和内端面定位 在销座凹坑上施加夹紧力 进行夹紧的 止口内孔和内端面是辅助精基面 利用辅助精基面定位 有下列好处 1 符合 基准统一原则 即若干道工序都可以使用它定位 因而 既有利于保证这些工序加 工的表面之间的位置精度 又有利于减少夹具设计制造的工作量 2 有利于工序的集中 3 便于沿轴向夹紧 以减少工件的变形 保证加工精度 4 便于配件生产和成组夹具的运用 在配件生产中 同一台发动机各汽缸孔磨损程度不同 沈阳理工大学学士学位论文 19 要求各活塞加工成不同尺寸 由于止口尺寸相同 故即使加工别的型号的活塞该夹具也可以 很好的互换使用 当然 采用辅助精基面定位也有一些不足之处 例如 1 不符和 基准重合 原则 因而 会产生一些基准不重合的定位误差 2 在工艺过程中 要增加一些专门的工序 如加工止口 打中心孔等 因此使用的设备和 工时也有所增加 该夹具采用的定位元件也满足 1 足够的精度 2 足够的硬度和耐磨性 3 足够的强度和刚度 4 工艺性好的基本要求 另外 止口在夹具上定位时 为了保证最小间隙和提高定位精度 以及以后各工序加工 表面之间的位置精度和加工余量的均匀性等 要求止口孔径与夹具配合达到 76Hh 经验表明 在活塞定位止口的相对表面出现环状磨痕 是由于定位止口配合间隙偏大 精车时余量不均或松动引起的 3 1 3 夹具夹紧机构的设计 夹具采用的是由液压机构推动的卡爪在销座凹坑上施加夹紧力进行夹紧的 如图 3 1 夹 具的主体由连杆 1 卡爪 2 和夹具体组成 当液压机构推动连杆 1 向前运动时 由于卡爪 2 上的斜槽的导向 使得两卡爪绕销 3 转动一定的角度 从而使得卡爪前端张开 在活塞的 凹坑上施加夹紧力 夹紧活塞 当本工序加工完成之后 液压机构往回运动带动连杆回复 从而使得卡爪前端缩回 退出并卸下活塞 沈阳理工大学学士学位论文 20 图 3 1 车削活塞外圆夹具 3 1 4 夹具体的设计 夹具体是夹具的基础件 在夹具体上要安装组成各种元件 设计时应该满足以下基本要 求 1 保证在加工过程中夹具体在夹紧力 切削力等外力作用下不产生变形和震动 2 结构简单具有良好的工艺性 3 尺寸稳定 对于铸件夹具体要进行时效处理 4 便于排屑 为了便于排屑夹具体须将定位 导向夹紧机构连成一体并准确的安 装在车床上 5 基于以上原则 该夹具体结构采用简单的前端呈平端锥体的回转体 其与六轴半自动车床靠 螺栓进行连接 3 2 精镗活塞销孔夹具的设计 3 2 1 工序加工要求及工艺分析 本工序为精镗活塞的销孔 工序的精度要求为 表面粗糙度 Ra 6 4 活塞两销孔01 28 m 的同轴度值为 0 00125 销孔中心线与裙部轴心线的垂直度为 100 0 035 销孔中心线距顶 面距离尺寸为 mm 05 3 3 2 2 夹具定位方案的确定 本工序为对活塞的销孔进行精镗 可选用静压镗床进行加工 工件以外圆 待加工销孔在三 瓣中间卡爪及定位销 图 3 2 定位 螺钉 1 图 3 3 为轴向预定位支承 图 3 2 定位销 沈阳理工大学学士学位论文 21 3 2 3 夹具工作原理 如图 3 2 定位后 接通油路 活塞 4 上升 压缩液性塑料使薄壁套筒 3 的内孔收缩 通过 中间卡 2 爪将工件夹紧 然后可以退出定位销 进行加工 图 3 3 夹具装配图 3 2 4 夹紧液压系统设计 1 确定系统工作压力 由外负载 R 1600 5N 可以初定系统压力为 0 8 1MPa 取系统压力为 0 8MPa 2 确定液压缸的几何参数 D 0 051m 51mm 3 1 14PR 6108 35 取液压缸尺寸为 D 120mm 沈阳理工大学学士学位论文 22 d 90mm 3 检验较核液压系统的工作可靠性 F 1600 5N 无杆腔面积为 A 3 14 0 011304 m 3 2 2D21 02 所以得工作压力为 P 0 14159 MPa 3 3 AF 能够满足工件夹紧要求 4 较核液压缸主要零件的强度和刚度 夹紧缸采用 45 钢制造 由夹紧缸内径与尺度较小 一般主要按厚壁筒强度计算公式来 估计必需的壁厚 有由公式 1 3 4 2DPa3 1 40 当额定压力 P 6 3MPa 时n 取 750kgf cm 3 5 钢 nb6452 P P 150 2 5 150 3 75MPap 将 P 的值及夹紧缸的直径 D 代入计算公式 3 8 可得 钢 p 1 0 27cm 2 7mm 3 6 211075 304 由此可知 10mm 在设计时是合理可以满足要求的 夹 沈阳理工大学学士学位论文 23 4 专用量具 塞规 的设计 本塞规是针对滚压后的活塞销孔检验而设计的 该工序的尺寸精度要求为 065 28 即孔的上偏差 ES 0 065mm 孔的下偏差 EI 0 065mm 1 计算塞规工作尺寸 计算过程如下 1 画出被检销孔及塞规公差带图 图 4 1 2 查出工作量规的制造公差 T 和位置要素 Z 由 几何量公差与测量技术 表 6 7 查得 塞规制造公差 T 0 007 mm 塞规位置要素 Z 0 013 mm 塞规形状公差 T 2 0 0035 mm 3 计算工作量规的极限偏差及工作尺寸 通规 T 上偏差 EI Z T 2 0 065 0 013 0 0035 0 0485 mm 下偏差 EI Z T 2 0 065 0 0013 0 0035 0 0555 mm 工作尺寸为 止规 Z 上偏差 ES 0 065 mm 下偏差 ES T 0 065 0 007 0 058 mm 沈阳理工大学学士学位论文 24 工作尺寸为 2 选择塞规结构类型 根据基本尺寸由 几何量公差与测量技术 表 6 8 选出量规所适用形式 图 4 2 锥柄圆柱塞规 沈阳理工大学学士学位论文 25 5 专用刀具的设计 经过精镗之后 达到了活塞销孔的尺寸精度和全部的位置精度要求 为了进一部降低表 面粗糙度的数值 提高形状精度 并去掉加工锁环槽产生的毛刺 还用滚压刀具要对销孔进 行滚压 5 1 滚压加工的介绍 滚压加工是一种无屑光整加工方法 它在常温下 利用滚压工具对工件表面施加一定的压力 使之产生塑性变形 从而把表面的微观起伏压平 滚压之后 在工件极薄的表面层内 产生 一定程度的冷作硬化与残余压应力 因而使工件表面的耐磨性和疲劳强度得以提高 5 2 专用刀具 滚压头 的结构 该滚压头的结构如图 5 1 由心轴 滚针 隔离套 导向套等组成 心轴的工作表面 与滚 针接触 是锥度为 1 100 的圆锥面 大头在进追柄一端 6 个滚针的锥度为 1 200 的圆锥 滚子 锥度方向和心轴相反 这样 装配以后个滚针的外母线平行于心轴的轴线 且在与之 同轴的圆柱面上 隔离套用于隔离各滚针并防止滚针从滚压头上掉落 沈阳理工大学学士学位论文 26 图 5 1 滚压刀具 5 3 滚压头的工作原理 如图 5 1 加工前 先将滚压头的锥柄 1 装在立式钻床主轴的锥孔中 并把工件安装在 夹具上 然后 以滚压头的导向套筒 7 导向 将滚压头插入活塞销孔中 使滚针 4 与两段销 孔接触 并使导向套筒 7 上的中心孔与固定在夹具底座上的顶尖接触 开动机床 使主轴带 动滚压头回转 然后下压机床主轴 由于顶尖的作用 通过套筒 7 推动滚针 4 相对于心轴向 上 进锥柄端 移动 由于心轴锥面半径变大 六个滚针同时向外胀开 以相当大的径向压 力作用于销孔表面上 在心轴的摩擦力矩作用下 各滚针沿销孔表面滚动进行滚压 滚压完毕 抬起手柄 滚压头上的弹簧 2 通过套筒 3 推动滚针相对于心轴向下 远锥柄 一端 移动 由于心轴的锥面直径变小 各滚针向内拢 这时便可以把滚压头从销孔中提起 卸下工件 完成滚压 以上述连续式滚压头滚压活塞销孔时 由于滚针是连续工作的 因而生产率很高 另外 通过压缩空气压力调节 可以滚压时的径向压力 进而控制滚压质量 但是 使用上述滚压 头时 与之配套的夹具结构比较复杂 夹具不仅用来安装工件 还要承受挤压力 推动滚针 沿轴向移动 其次 由于滚压头的心轴与滚针都有锥度 而且要求很高 因而不容易制造 沈阳理工大学学士学位论文 27 结 论 本设计历时 15 周 针对活塞的工作条件和结构特点以及其特有的机械加工特性 对活 塞的加工工艺流程进行了编排 并设计了专用的夹具 刀具和量具 经过计算和绘图的综合 检验 证明设计的结构 工作原理以及各尺寸均科学并可达到预想的要求 所设计的加工工 艺流程运用到实际生产中可以更好的提高活塞的加工效率 所设计的夹具和刀具在实际是生 产中能够有效的提高活塞的加工质量 本设计虽经多次修改和完善 但限于作者的水平和经验 其中错误和不妥一定不少 恳 请各位老师和同学批评和指正 沈阳理工大学学士学位论文 28 致 谢 为期十八周的毕业设计终于结束了 在老师的辛勤指导和自己积极的学习下 顺利地完成 了本次设计 通过这次走向工作实践前的最后一次综合练兵 使我们对自己的专业有了更进一步的认识 清 楚了自己在今后工作中的努力方向 熟悉了所学的基础技术知识 加深了解了自己在专业工作 中一般工作方法 了解解决问题的常规程序 基本上具备了一定的分析问题和解决问题的能力 锻炼了设计计算 绘图的能力 以及建立了独立思考 查阅大量资料的习惯及方法 同时感谢在本次设计交流过程中热心提出意见和建议的同学 沈阳理工大学学士学位论文 29 参考文献 1 侯家驹 汽车制造工艺学 机械工业出版社 1986 2 刘维展 汽车制造工艺学 人民交通出版社 1989 3 蔡光起 机械制造工艺学 东北大学出版社 1994 4 王先逵 机械制造工艺学 机械工业出版社 1995 5 东北重型机械学院等 机床夹具设计手册 上海科学技术出版社 1988 6 徐发壬 机床夹具设计 重庆大学出版社 1993 7 戴曙 金属切削机床 机械工业出版社 1994 8 孙本绪 机械加工余量手册 国防工业出版社 1999 9 李庆寿 机械制造工艺装备设计实用手册 宁夏人民出版社 10 蔡春源 机械零件设计手册 冶金工业出版社 1992 11 马先贵 润滑与密封 机械工业出版社 1985 12 丛庄远 液压技术基本理论 哈尔滨工业大学出版社 1989 13 章宏甲 机床液压传动 机械工业出版社 1987 14 莫雨松 几何量公差与测量技术 中国计量出版社 1981 15 陆剑中 金属切削原理与刀具 机械工业出版社 1998 16 陈兆年 金属切削机床设计简明手册 机械工业出版社 1998 沈阳理工大学学士学位论文 30