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毕业设计说明书
活塞的工艺规程及工装设计
学生姓名： 学号： 机械工程与自动化
学 院： 机械设计制造及其自动化 专 业： 指导教师： 2012年 6 月
1.绪论
1.1 活塞加工工艺研究意义
活塞是柴油机上最关键的零部件之一[1]，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为内燃机的心脏[1]，特别是坦克和军舰军用车船用内燃机活塞则要求更高，他已成为制约内燃机发展的一个突出问题。它的工作情况直接关系到高速柴油机提高燃油效率和使用耐久性的关键[2]，同时直接影响到内燃机的排放性能。活塞的结构和所处的工作环境十分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度高，且温度分布不均匀导致活塞产生热应力和热变形。热负荷和机械负荷耦合将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸[3]等。因此，活塞设计在内燃机的设计中十分关键。 1.2 活塞加工工艺国内、外研究概况 1.2.1 活塞的概述
1.2.1.1 活塞的功用及工作条件
活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分[4]，活塞是曲柄连杆机构的重要零件主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转并输出动力[5]。此外，活塞又是燃烧室的一个运动零件[6]。
活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件之一[7]。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的[6]，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。而且，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。
活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下降[8]，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。而且，柴油机活塞的销与销孔之间的润滑油膜厚度为0.5～15um[9]，过高的温度会使润滑油结焦[10]，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出
现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。
活塞运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。
正确分析活塞的工作条件及变形可以为合理设计与加工活塞外轮廓提供依据，改善在受载工况下活塞与汽缸壁之间的配合状况，提供活塞组件的综合工作性能。各种CAE技术的发展应用为这一研究工作的展开提供了极大的便利[11]。 1.2.1.2 活塞的材料
现代内燃机广泛使用铝合金活塞。铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提高热稳定性和高温机械性能。铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。 1.2.2 活塞加工工艺国内外研究概况
我国活塞制造技术经过40多年的发展，具有一定的基础，特别是经过技术改造和技术合作，加快了活塞制造技术的发展，产品质量不断提高，新产品的比重逐渐加大。但是，由于内燃机铝活塞的结构类型、要求、各制造企业的工艺条件不同，活塞机械加工工艺过程存在一定的差别。国内大多数企业采用以专用机床和改装的普通车床、专用工装和夹具组成的单机流水线的加工方式生产。[12]
现阶段, 国内活塞行业基本采用以下活塞制造工艺, 采用的技术比较落后, 生产成本高、环境污染严重。以下是国内大多数活塞制造企业采取的工艺技术路线: 购进铝锭 熔化铝锭 合金化 变质处理 精炼处理( 除气、除渣) 毛坯铸造( 手工模具) 铣冒口 固熔加热后淬火+ 人工时效处理 机加工 表面处理 包装入库。[13]
活塞加工的精工序和比较重要的工序采用数控机床, 粗工序采用普通车床加工。这是国内大数多活塞企业普遍采用的加工形式, 但还存在很大一部分民营企业仍然采用普通车床加工活塞, 活塞精度低, 尺寸难以保证, 生产效率低, 废品率高, 工人劳动强度也比较大。
目前国内外比较先进的活塞加工路线如下：
高温电解铝液——利用余热合金化——利用余热进行变质处理——精炼处理( 除气、除渣)——毛坯铸( 铸造机械化)——铣冒口——铸造余热直接淬火+ 时效( 通过高效连续时效热处理炉) 热处理处理——机加工——表面处理——包装入库。
利用高温电解铝液合金化、变质处理通过优化缩短活塞铸造工艺路线, 直接利用 利用高温电解铝液（930℃）熔配合金(760~800℃) 后浇注毛坯, 去掉了原熔化铝锭工序。该工艺不但节约了熔化铝锭所需的能耗, 而且减少了铝的烧损, 提高了原材料的利用率; 同时, 也减少了铝锭熔化过程中的废渣、废气的排放, 保护了环境, 经济效益和社会效益极为显著。
随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压、中冷技术的应用以及大缸径高压缩比、低排放要求的不断提高。传统铝合金活塞材料已无法满足其使用要求，目前国内已产业化的活塞用材有[14]:?铝合金活塞?铸铁活塞?铸钢活 塞④镶体活塞[15]。在国外，除上述4类活塞材料产业化外，已将铝基复合材料应用于活塞上。1982年日本已将这种铝基复合材料活塞成功应用于丰田汽车上[16].
2 活塞的加工工艺
2.1.活塞的结构特点
活塞位于发动机汽缸内，作往复运动。当燃烧室里的混合气（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传给曲轴。气体的吸入、压缩和废气的排放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期的连续变负荷往复运动。为了提高活塞的工作性能和寿命，它必须具有如下要求
[17]
：
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) 良好的耐磨性和耐腐性； 4) 良好的导热性，热膨胀小； 5) 保证汽缸内部空间密封；