活塞环的机械加工工艺规程设计

机械制造工艺学
课程设计
班级 B120231
姓名王志强
学号 B12023118
2014 年 03 月 14 日
课程设计任务书
机械工程系机械设计制造及其自动化专业学生姓名王志强班级 B120231 学号 B12023118 课程名称：机械制造工艺学
设计题目：活塞环的机械加工工艺规程设计
设计内容：
1．产品零件图1张
2．毛坯图1张
3．机械加工工艺过程综合卡片1份
4．机械加工工艺工序卡片1份
5．课程设计说明书1份
设计要求：
大批生产
设计（论文）开始日期 2014 年 03 月 03 日
设计（论文）完成日期 2014 年 03 月 07 日
指导老师邹聆昊
课程设计评语
机械工程系机械设计制造及其自动化专业学生姓名王志强班级 B120231 学号 B12023118 课程名称：机械制造工艺学
设计题目：活塞环的机械加工工艺规程设计
课程设计篇幅：
图纸共 2 张
说明书共 16 页指导老师评语：
年月日指导老师
目录
1.零件的分析 (1)
1.1．零件的作用 (1)
1.2．零件的工艺分析 (1)
1.2.1.零件图样分析 (2)
1.2.2.零件的技术要求 (3)
2.工艺规程设计 (4)
2.1.确定毛坯的制造形式 (4)
2.2.基面的选择 (5)
2.3．制定工艺路线 (6)
2.4.机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 (7)
2.5.确定切削用量及基本工时 (8)
总结 (11)
参考文献 (12)
附表A1-A4：机械加工工艺过程综合卡片
附表B1-B9：机械加工工艺（工序）卡片
1. 零件的分析
1.1．零件的作用
活塞环作用包括密封、调节机油（控油）、导热（传热）、导向（支承）四个作用。

密封：指密封燃气，不让燃烧室的气体漏到曲轴箱，把气体的泄漏量控制在最低限度，提高热效率。

漏气不仅会使发动机的动力下降，而且会使机油变质，这是气环的主要任务；调节机油（控油）：把气缸壁上多余的润滑油刮下，同时又使缸壁上布有薄薄的油膜，保证气缸和活塞及环的正常润滑。

在现代高速发动机上，特别重视活塞环控制油膜的作用；导热：通过活塞环将活塞的热量传导给缸套，即起冷却作用。

据可靠资料认为，活塞顶所受的的热量中有70～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的；支承：活塞环将活塞保持在气缸中，防止活塞与气缸壁直接接触，保证活塞平顺运动，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸。

1.2．零件的工艺分析
1.该工艺安排是将毛坯造成筒形状，粗车切下后再进行单件加工。

若单件铸造毛坯单件加工，其工艺安排，只是粗加工前的工序与筒形状毛坯不同，其他工序基本相同。

2.活塞环类零件在磨床上磨削加工时，多采用磁力吸盘装夹工件，因此在加工后，必须进行退磁处理。

3.为了保证活塞环的弹力，加工中对活塞环在自由状态下开口有一定的要求，因开口铣削后不能满足图样要求，所以增加一道热定型工序，热定型时需在专用工装上进行，其活塞环的开口处用一个键撑开，端面压紧，键的宽度要经过多次试验后得出合理宽度数据之后，再成批进行热定型。

4.对45°开口的加工采用专用工装进行装夹工件，但每批首件应划线对刀，以保证加工质量。

5.活塞环的翘曲度是将工件放在平台进行检查，采用0.06mm塞尺进行检查，当塞尺未能通过翘曲的缝隙时为合格。

6.漏光度的检查，采用专用检具或在合格的缸体内用光照进行检查。

7.上、下端面平行度的检查，可将活塞环放在平台上，用百分表测量上端面各部；其读数最大值与最小值之差为平行度误差值。

1.2.1. 零件图样分析
1.活塞环属于环类零件，其直径与壁厚相差较大，在加工中易发生翘曲变形。

环的端面翘曲度应小于0.07mm。

2.活塞环上、下平面平行度公差为0.05mm。

3.弹力允差±20%以内，弹力19.7kg。

4.漏光检查，环的外圆柱面与量具间隙不大于0.05mm，整个圆周上漏光不能多于2处，单处弧长不能超过25°弧长，两处弧长之和不能超过45°弧长，并且漏光出距开口处不能小于30°。

5.在磁性工作台上加工之后，须进行退磁处理。

6.环的金相组织应为分布均匀的细片状珠光体。

不允许有游离的渗碳体存在。

7.热处理硬度为91～107HRB。

8.材料为HT200。

图1-1 零件图
1.2.2.零件的技术要求
1.热处理硬度91～107HRB。

2.环的端面翘曲度＜0.07mm。

3.上、下端面平行度公差为0.05mm。

4.弹力允差±20%以内，弹力19.7kg。

5.漏光检查，环的外圆柱面与量具间隙不大于0.05mm，整个圆周上漏光不
能多于2处，单处弧长不超过25°弧长，两处弧长之和不大于45°弧长，且开口处不少于30°。

6.退磁处理。

7.环的金相组织是分布均匀的细片状珠光体，不允许有游离的渗碳体存
在。

8.材料HT200。

2.工艺规程设计
2.1. 确定毛坯的制造形式
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）：即浇铸出圆筒形活塞环毛坯，然后在普通车床上切削加工，切削成单环；按工作间隙尺寸铣出切口，最后扩张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。

2.单体椭圆法：即浇铸出单个的椭圆型活塞毛坯，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应用，但有几点须指出：
1)单体椭圆法属于机械定型。

既可用于制造等压环，有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。

热定型主要用于等压环。

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。

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、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作简单、加工设备简单。

缺点是要进行热定型、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要求，我们选择的毛坯为正圆，采用热定型法进行加工。

图2-1 毛坯图
2.2. 基面的选择
1.定位基准的选择
活塞环的两端面的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最初工序，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。

活塞环两端面的加工是以其自身作定位基准，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0.008mm，表面粗糙度0.5，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。

1)外圆定位
即选定毛坯外圆为定位基准。

这种定位方式无内衬支承，有三各同时移动的卡爪组成定位元件，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。

2)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内衬铝套定位，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。

2.3．制定工艺路线
制定加工方案的一般原则为：先粗后精，先近后远，先外后内，程序段最少，走刀路线最短以及特殊情况特殊处理。

制定工艺路线要保证加工质量，提高生产效率，降低成本。

根据生产类型是成批生产，零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求，以及加工方法所能达到的经济精度，在生产纲领已确定的情况下，可以考虑采用专用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产效率。

除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。

表2-1 活塞环加工的工艺路线
2.4. 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
加工余量可采用查表修正法确定，确定工序尺寸的一般加工方法是，由加工表面的最后工序往前一步推算，最后工序的工序尺寸按零件图样的要求标注。

当无基准转换时，同一表面多次加工的工序尺寸只与工序（或工步）的加工余量有关。

当基准不重合时，工序尺寸用工艺尺寸链解算。

中间工序尺寸按“单向、入体”原则标注，但毛坯和孔心距尺寸公差带一般为双向对称布置。

中间工序尺寸的公差可以从相应的加工经济精度表中查得。

1.毛坯尺寸的确定
由铸造要求确定毛坯尺寸为φ308mm×φ350mm×500mm。

2.外圆表面的加工余量及工序尺寸的确定
按照粗车→粗车→精车的加工方案，查阅《机械加工余量手册》，有工序间的余量：粗车余量Z=2mm；粗车余量Z=2.5mm；精车余量Z=0.5mm。

工序尺寸为：粗车φ346-0.36
-0.50mm；粗车φ341-0.36
-0.50
mm；精车φ340-0.36
-0.50
mm。

3.内圆表面的加工余量及工序尺寸的确定
按照粗车→粗车→精车的加工方案，查阅《机械加工余量手册》，有工序间的余量：粗车余量Z=3mm；粗车余量Z=1.7mm；精车余量Z=0.5mm。

工序尺寸为：粗车φ314+0.32
+0.19mm；粗车φ317.4+0.35
+0.21
mm；精车φ318.4+0.35
+0.21
mm。

2.5. 确定切削用量及基本工时
以工序5为例：
1.粗车端面见平
1)选择刀具：选用45°弯头车刀。

2)确定切削用量
a)确定背吃刀量：粗车端面见平,一次走刀完成即ap=2mm。

b)确定进给量：查《切削用量简明手册》：加工材料HT200、工件直径350mm、切削深度ap=2mm，则进给量为0.5~0.7mm/r。

再根据CA6140车床说明书,取进给量f =0.51mm/r。

c)确定切削速度Vc：确定切削速度Vc：查（切削手册）表1.27和1.28，查得C v=208，x v=0.2，y v=0.4，m=0.28，修正系数K Mv=1，K sv=0.8，K krv=1，K tv=1，刀具寿命为T=60min。

V c=（C v/T m a p x v f y v）K v
=208×1×1×1×0.8/（600.28×20.2×0.510.4）=35.7m/min 可求主轴转速为min
/
1.
42
350
min/
/
7.
35
1000r
mm
m
n=
⨯
⨯
=π，参照《实用机械制造工艺设计手册》表5-4所列CA6140车床的主轴转速，取转速min
/
80r
n=。

则可求得该工步的实际切削速度
min
/
7.
35
1000
/
350
min
/
80
1000
/m
mm
r
d
n
v=
⨯
⨯
=
=π
π。

3) 确定基本工时
a) 基本时间： T=L/nf=0.05min
b) 辅助时间：装夹工件的时间为0.8min ，测量时间为0.55min 共计 T=1.35min 。

2. 粗车外圆
1) 选择刀具：选用45°弯头车刀。

2) 确定切削用量
a) 确定背吃刀量：粗车外圆至φ346mm,所以一次走刀完成即ap1=2mm 。

b) 确定进给量f ：查《切削用量简明手册》：加工材料HT200、工件直径 346mm 、切削深度ap=2mm ，则进给量为0.8~1.2mm/r 。

再根据CA6140车床及《机械制造工艺设计简明手册》表4.2－3查取横向进给量取f =1mm/r 。

c) 确定切削速度Vc ：查表5-109和5-110，查得C v =208，x v =0.2，y v =0.4， m=0.28，修正系数K Mv =1，K Hv =1，K hv =0.8，K krv =1，K tv =1，刀具寿命为T=60min 。

V c =（ C v /T m a p x v f y v ）K v
=208×0.8×1×1×1/（60
0.28
×20.2×10.4）=46m/min
d) 确定机床转速n ：
n=1000V c /πd w =1000×46/3.14×346=46r/min
查表5-5得相近的机床转速为50r/min,所以实际切削速度为46m/min 。

e) 计算基本时间Tj ：切削长度100mm
i nf
l l l t j 2
1++=
=（100+12.8）/50/1=2.25min f) 辅助时间
装夹工件的时间为0.8min ，测量时间为0.33min 共计T i =1.13min 3. 粗车内圆
1) 选择刀具：选用45°外圆车刀， 2) 确定切削用量
a) 确定背吃刀量：取套筒内圆面的ap=1.5mm 。

b) 确定进给量f
根据机械制造课程设计指导书表5-102查得f=0.6~0.9mm/r ；查表5-5根据机床的纵向进给量，取f=0.8mm/r 。

c) 确定切削速度V c
查表5-109和5-110，查得C v =208，x v =0.2，y v =0.4，m=0.28，修正系数K Mv =1.，K Hv =1，K hv =0.8，K krv =1，K tv =1，刀具寿命为T=60min 。

V c =（ C v /T m a p x v f y v ）K v
=208×1×1×1×0.8/（60
0.28
×1.50.2×0.80.4）=44.7m/min
d) 确定机床转速n
n=1000V c /πd w =1000×44.7/3.14×314=45.3r/min
查表5-5得相近的机床转速为100r/min,所以实际切削速度为44.7m/min 。

e) 计算基本时间T j ：切削加工长度100mm
i nf
l l l t j 2
1++=
=（100+12.8）/100/0.5=2.25min f) 辅助时间
装夹工件的时间为0.5min ，测量时间为0.47min 共计T i =0.97min
其余工序的计算过程与工序5的方法大致相同，此处不详细叙述，具体数据见附表机械加工工序卡。

总结
为期一周的课程设计已经接近尾声，回顾整个过程，我们组共同努力，不断的查阅资料并和同学们积极地探讨，使理论与实践更加接近，加深了理论知识的理解，强化了生产实习中的感性认识。

通过此次设计，使我们基本掌握了零件的加工过程分析、工艺文件的编制等。

学会了查相关手册、选择使用工艺装备等等。

总的来说，这次设计，使我们在基本理论的综合运用及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的训练。

提高了我们的思考、解决问题创新设计的能力，为以后的设计工作打下了较好的基础。

由于能力所限，设计中还有许多不足之处，恳请各位老师、同学们批评指正！
参考文献
【1】刘长青.机械制造课程技术指导.武汉：华中科技大学出版社
【2】孟少农．机械加工工艺手册．北京：机械工业为出版社，1992
【3】陆同．机械制造常用资料及新旧标准对照手册. 北京：机械工业出社【4】赵瑾．互换性与测量技术技术基础. 武汉：华中科技大学出版社，2000 【5】周泽华．金属切削理论，北京：机械工业出版社，1992
【6】陆剑中．金属切削原理与刀具.北京：机械工业出版社，2013
【7】陈明．机械制造工艺学.机械工业出版社．北京：机械工业出版社，2012 【8】赵家齐．机械制造工艺学课程设计指导书.北京：机械工业出版社，2000 【9】艾星、肖诗纲．切削用量简明手册．北京：机械工业出版社，1994 【10】李益民．机械制造工艺学设计简明手册.武汉：哈尔滨出版社
【11】黄健求．机械制造技术基础．北京：机械工业出版社，2011
【12】王绍俊主编．机械制造工艺设计手册．北京：机械工业出版社，1984 【13】李名望．机床夹具设计实例教程．北京：化学工业出版社，2009 【14】成大先．机械设计手册．北京：化学工业出版社，1999
【15】陈立德．机械制造装备设计课程设计．北京：高等教育出版社，2010。