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廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告
題 目：汽車活塞加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)
院 別： 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
姓 名： 蔡贊強(qiáng)
學(xué) 號： 2012020643202
指導(dǎo)教師： 李俊武
年 月 日
- 16 -
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告
二級學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班級
機(jī)制122
姓名
蔡贊強(qiáng)
學(xué)號
2012020643202
聯(lián)系方式
13751764123
題目
汽車活塞加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)
一、 選題背景
活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件煤氣主要功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉(zhuǎn)對外作功。此外，活塞又是燃燒室的組成部分。
活塞是內(nèi)燃機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時側(cè)壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側(cè)部磨損等。由此可見，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。
活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫必然會引起活塞材料的強(qiáng)度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。另外，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象。所以要求活塞應(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止過大的熱變形。
活塞運(yùn)動速度和工作溫度高，潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。
由于于柴油的物理化學(xué)特性，所以柴油機(jī)的構(gòu)造是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。而活塞就是這個系統(tǒng)中一個很關(guān)鍵的部位，對整個動力系統(tǒng)起著決定性影響，在某種意義來說它是柴油機(jī)里面的“心臟”。而活塞則是柴油機(jī)機(jī)里“心臟中的心臟”。活塞位于發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi),作往復(fù)運(yùn)動,當(dāng)燃燒室里的混合氣體(空氣和燃料)點(diǎn)燃并膨脹時,活塞受到氣體的壓力,并經(jīng)過活塞銷及連桿將壓力傳送給曲柄。氣體的吸入,壓縮,廢氣的排除,也都由活塞的運(yùn)動來完成.因此活塞工作的主要特點(diǎn)是在高溫高壓下作長時間的連續(xù)變負(fù)荷往復(fù)運(yùn)動。本課題就是研究活塞這個汽車當(dāng)中的一個重要零件的加工。
改革開放以來，隨著中國與世界的接軌，中國不斷的引進(jìn)了西方先進(jìn)的加工技術(shù)，而且隨著世界科技的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床，加工中心，柔性制造單元，柔性制造系統(tǒng)等一系列高端設(shè)備得以廣泛的運(yùn)用，使得我國的加工精度和加工方法也發(fā)生了革命性的改變。產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快，產(chǎn)品需求的多樣化，是制造業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。夾具方面人們也從過去傳統(tǒng)的夾具的裝夾，定位，刀具的引導(dǎo)定位為夾具的裝夾和定位，隨著數(shù)字化加工設(shè)備的擴(kuò)大化，已經(jīng)將夾具的引導(dǎo)刀具功能完全替代，給今后的夾具的快速裝夾與定位提出了更高的要求。
隨著汽車整車對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性的要求越來越嚴(yán)格，活塞已發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料、異型外圓復(fù)合型面、異型銷孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品，以保證活塞的耐熱性、耐磨性、平穩(wěn)的導(dǎo)向性和良好的密封功能，減少發(fā)動機(jī)的摩擦功損失，降低油耗、噪聲和排放。為滿足以上的功能要求，通常將活塞的外圓設(shè)計(jì)成異型外圓(中凸變橢圓)，即垂直于活塞軸線的橫剖面為橢圓或修正橢圓，且橢圓度沿軸線方向按一定的規(guī)律變化(如圖1所示)，橢圓度精度達(dá)0.005mm；活塞縱剖面的外輪廓為高次函數(shù)的擬合曲線，輪廓精度為0.005～0.01mm；為提高活塞的承載能力，以提高發(fā)動機(jī)的升功率，通常將高負(fù)荷活塞的銷孔設(shè)計(jì)成微內(nèi)錐型或正應(yīng)力曲面型(異型銷孔),銷孔尺寸精度達(dá)IT4級，輪廓精度為0.003mm。
二、課題設(shè)計(jì)
2.1課題的內(nèi)容
學(xué)習(xí)研究制定汽車活塞零件工藝規(guī)程和夾具設(shè)計(jì)，制定零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程作為生產(chǎn)的指導(dǎo)性技術(shù)文件，使工件能按照零件圖的技術(shù)要求加工。通過仔細(xì)了解零件結(jié)構(gòu)，認(rèn)真分析零件圖,培養(yǎng)我們獨(dú)立識圖能力,增強(qiáng)我們對零件圖的認(rèn)識和了解,通過對零件圖的繪制,不僅能增強(qiáng)我們的繪圖能力和運(yùn)用Auto CAD等軟件的能力。制訂工藝規(guī)程、確定加工余量、工藝尺寸計(jì)算、工時定額計(jì)算、定位誤差分析等。在整個設(shè)計(jì)中也是非常重要的,通過這些設(shè)計(jì),不僅讓我們更為全面地了解零件的加工過程、加工尺寸的確定,而且讓我們知道工藝路線和加工余量的確定,必須與工廠實(shí)際的機(jī)床相適應(yīng)。
活塞作為典型的汽車關(guān)鍵零部件，在切削加工方面具有很強(qiáng)的工藝特點(diǎn)。目前，國內(nèi)活塞制造行業(yè)通常是由通用機(jī)床和結(jié)合活塞工藝特點(diǎn)的專用設(shè)備組成機(jī)加工生產(chǎn)線，因此，專用設(shè)備就成為活塞切削加工的關(guān)鍵設(shè)備，其功能和精度將直接影響最終產(chǎn)品的關(guān)鍵特性的質(zhì)量指標(biāo)。
本文根據(jù)活塞加工的特殊工序來對其夾具的設(shè)計(jì)，使其加工過程得以順利進(jìn)行，保證活塞銷孔的位置及精度的準(zhǔn)確性，同時也借助這個夾具的設(shè)計(jì)，來提高活塞加工的效率，解決活塞的定位、夾緊問題，為活塞的加工提供一個更方便的路徑。
2.2課題的目的
隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的騰飛，市場不斷國際化全球化，各行各業(yè)的競爭日益激烈。企業(yè)要想在殘酷的競爭中生存下來謀求發(fā)展，就要想方設(shè)法提高競爭力?？s短新產(chǎn)品的研發(fā)和開發(fā)時間，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，只有這樣，才能滿足市場不斷變化的需求。
在現(xiàn)代企業(yè)的機(jī)械生產(chǎn)中，如何保證零件加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，是企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。隨著市場競爭的日趨激烈，對機(jī)械零件的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求，而良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性很大程度取決于機(jī)械加工工藝的制定。汽車活塞零件是機(jī)械產(chǎn)品中最常見的一種零件，其生產(chǎn)工藝比較特殊，改造后的汽車活塞零件可達(dá)到較高的精度，同時夾具結(jié)構(gòu)簡單，操作方便快捷，能重復(fù)使用，降低了成本。
汽車活塞的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)為本課題的研究內(nèi)容，對此研究查閱的大量的資料，首先明白機(jī)械加工工藝過程就是用切削的方法改變毛坯的形狀、尺寸和材料的物理機(jī)械性質(zhì)成為具有所需要的一定精度、粗糙度等的零件。
為了能具體確切的說明過程，使工件能按照零件圖的技術(shù)要求加工出來，就得制定復(fù)雜的機(jī)械加工工藝規(guī)程來作為生產(chǎn)的指導(dǎo)性技術(shù)文件，學(xué)習(xí)研究制定機(jī)械加工工藝規(guī)程的意義與作用就是本課題研究目的。
2.3課題的意義
活塞頂部有燃燒室,混合氣體在里面進(jìn)行燃燒,它的容積大小就決定著里面能夠容納混合氣體多少,也就決定了燃燒后所產(chǎn)生的壓強(qiáng)大小。
近頂部的環(huán)槽分為氣環(huán)槽和油環(huán)槽，為放置活塞環(huán)用,在氣環(huán)槽內(nèi)放置的活塞環(huán)使活塞頭部與氣缸不接觸,并用以密封活塞的頂部,防止漏氣。遠(yuǎn)離頂部的環(huán)槽鉆有油孔,它把飛濺到氣缸套內(nèi)壁上的多余潤滑油刮去,并通過油孔流回,使之不致進(jìn)入燃燒室?；钊娜共吭诨钊墓ぷ鬟^程中起導(dǎo)向的作用,底部有精加工的止口,它是為加工活塞而設(shè)置的輔助精基面,在結(jié)構(gòu)和功能上沒有起到直接的作用。
由于燃料燃燒會產(chǎn)生很大壓力，所以在工作過程中活塞將產(chǎn)生受力變形和熱變形,由于活塞裙部在圓周方向剛度不同,在活塞的軸線方向的彈性變形比垂直于該方向的彈性變形大,使活塞裙部在受力后變成橢圓,另一方面,在高溫的工作環(huán)境下也要產(chǎn)生熱變形。銷孔軸線方向的金屬層比較厚,熱鼓脹比垂直于該方向上的大,也將使活塞裙部變形后成為橢圓,這樣的話將必然使活塞與氣缸套的間隙不均勻的減少甚至消失,以至產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦甚至咬住。為了補(bǔ)償上述的變形,所以把活塞的裙部設(shè)計(jì)制造成橢圓形,橢圓的長軸在垂直于活塞銷孔軸心線的方向上。
此外，活塞在工作時頂部是直接和高溫氣體接觸的,而裙部是間接傳來的熱量,故而頭部的熱鼓脹量要比裙部的大,為了補(bǔ)償這種不均勻的變形,故把活塞頭部的外徑設(shè)計(jì)得比裙部小,同時頭部也設(shè)計(jì)成上小下大的錐形。
同時在活塞裙部的銷孔附近加工出凹坑,用來增加裙部與氣缸套內(nèi)壁的間隙。
活塞的主要技術(shù)條件分析
活塞裙部外圓與氣缸的配合
活塞裙部外圓與氣缸要求是一種精密地配合,因而裙部外圓一般要求公差等級IT6,為減少機(jī)械加工的困難,將活塞裙部和氣缸套孔徑的制造公差均放大二倍,裝配時按裙部的尺寸分成二組對應(yīng)裝配,以保證大致要求的間隙。要求裙部外圓的粗糙度Ra≤1.6μm 。
活塞銷的要求
為了使活塞銷在工作過程中能在孔中自由轉(zhuǎn)動,銷孔的公差等級大小要求IT6級,同時為了減少機(jī)加工工作量,活塞和活塞孔的裝配也采用分組裝配法,要求銷孔內(nèi)圓的粗糙度Ra≤0.2μm。
銷孔(活塞的)的位置公差的要求
銷孔(活塞的)的位置公差也應(yīng)有嚴(yán)格要求，銷孔軸心線到頂面的距離影響氣缸的壓縮比,也就影響著發(fā)動機(jī)的效率
銷孔軸心線對裙部軸心的垂直度影響著活塞銷,銷孔和連桿的受力情況過大將使活塞銷、銷孔、連桿單側(cè)受力。活塞在氣缸套中傾斜,加劇磨損,因此這里垂直度在100mm長度上公差為0.03mm。
銷孔軸心線對裙部軸心線的對稱度誤差也會引起不均勻摩損,故而應(yīng)該限制。
活塞重量的要求
為了保證發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),在同一發(fā)動機(jī)上各活塞的重量不應(yīng)相差太大,對于活塞,同級活塞的重量差不能超過20克,即活塞的重量差不得大于活塞名義重量的±2.5%.活塞在裝配的時候應(yīng)按重量進(jìn)行分組.
零件的加工工藝編制，在機(jī)械加工中占有非常重要的地位，零件工藝編制得合不合理，這直接關(guān)系到零件最終能否達(dá)到質(zhì)量要求；夾具設(shè)計(jì)也是不可缺少的一部分，它關(guān)系到能否提高其加工效率的問題。因此這兩者在機(jī)械加工行業(yè)中是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。
機(jī)械加工工藝過程是指用機(jī)械加工方法改變毛坯的形狀，尺寸，相對位置和性質(zhì)使其成為零件的全過程。
機(jī)械加工工藝過程的基本單位是工序，工序又由安裝，工位，工步及走刀組成。
規(guī)定產(chǎn)品或零件制造過程和操作方法的工藝文件，稱為工藝規(guī)程。機(jī)械加工工藝規(guī)程的主要作用如下：
1. 機(jī)械加工工藝規(guī)程是生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的主要依據(jù)，根據(jù)它來組織原料和毛坯的供應(yīng)，進(jìn)行機(jī)床調(diào)整，專用工藝裝備的設(shè)計(jì)與制造，編制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，調(diào)配勞動力，以及進(jìn)行生產(chǎn)成本核算等。
2. 機(jī)械加工工藝規(guī)程也是組織生產(chǎn)，進(jìn)行計(jì)劃調(diào)度的依據(jù)，有了它就可以指定進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和低消耗。
3. 機(jī)械加工工藝規(guī)程是新建工廠的基本技術(shù)文件，根據(jù)它和生產(chǎn)綱領(lǐng)，才能確定所需機(jī)床的種類和數(shù)量，工廠的面積，機(jī)床的平面布置，各部門的安排。
機(jī)械加工工藝過程卡片和機(jī)械加工工序卡片是兩個主要的工藝文件，對于檢驗(yàn)工序還有檢驗(yàn)工序卡片，自動，半自動機(jī)床完成的工序，還有機(jī)床調(diào)整卡片。機(jī)械加工工藝過程卡片是說明零件加工工藝過程的工藝文件。機(jī)械加工工序卡片是每個工序制定時，用于直接指導(dǎo)生產(chǎn)，用于大批量生產(chǎn)的零件和成批生產(chǎn)中的重要零件。
汽車活塞零件是一種常用零件，研究汽車活塞零件的加工工藝和夾具生產(chǎn)技術(shù)，可以改進(jìn)汽車活塞零件的生產(chǎn)方法，提高工廠的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高零件精度，對實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。
2.4 文獻(xiàn)綜述
機(jī)械的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)是在完成了大學(xué)的全部課程之后，進(jìn)行的一次理論聯(lián)系實(shí)際的綜合運(yùn)用，使我對專業(yè)知識、技能有了進(jìn)一步的提高，為以后從事專業(yè)技術(shù)的工作打下基礎(chǔ)。機(jī)械加工工藝是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、降低成本的重要手段，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備，計(jì)劃調(diào)度、加工操作、生產(chǎn)安全、技術(shù)檢測和健全勞動組織的重要依據(jù)，也是企業(yè)上品種、上質(zhì)量、上水平，加速產(chǎn)品更新，提高經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)保證。然而夾具又是制造系統(tǒng)的重要組成部分，不論是傳統(tǒng)制造，還是現(xiàn)代制造系統(tǒng)，夾具都是十分重要的。因此，好的夾具設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)品勞動生產(chǎn)率，保證和提高加工精度，降低生產(chǎn)成本等，還可以擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍，從而使產(chǎn)品在保證精度的前提下提高效率、降低成本。當(dāng)今激烈的市場競爭和企業(yè)信息化的要求,企業(yè)對夾具的設(shè)計(jì)及制造提出了更高的要求。
從1949年以來，我國機(jī)械工業(yè)有了很大的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)中產(chǎn)品門類比較齊全、具有相當(dāng)規(guī)模和一定技術(shù)基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)部門之一，其機(jī)械加工和夾具也有很大的發(fā)展，但是與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我們這方面的水平還存在著階段性的差距，主要表現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和水平不夠高，加工工藝過程不合理，夾具應(yīng)用也比較少，使其加工工人勞動強(qiáng)度大，加工出來的產(chǎn)品也不理想。
夾具從產(chǎn)生到現(xiàn)在，大約可以分為三個階段：第一個階段主要表現(xiàn)在夾具與人的結(jié)合上，這是夾具主要是作為人的單純的輔助工具，是加工過程加速和趨于完善；第二階段，夾具成為人與機(jī)床之間的橋梁，夾具的機(jī)能發(fā)生變化，它主要用于工件的定位和夾，夾具與操作人員改進(jìn)工作及機(jī)床性能的提高有著密切的關(guān)系，所以對夾具引起了重視；第三階段表現(xiàn)為夾具與機(jī)床的結(jié)合，夾具作為機(jī)床的一部分，成為機(jī)械加工緊。人們越來越認(rèn)識到中不可缺少的工藝裝備。
國際生產(chǎn)研究協(xié)會的統(tǒng)計(jì)表明，目前中、小批多品種生產(chǎn)的工件品種已占工件種類總數(shù)的85％左右。現(xiàn)代生產(chǎn)要求企業(yè)所制造的產(chǎn)品品種經(jīng)常更新?lián)Q代，以適應(yīng)市場的需求與競爭。然而，一般企業(yè)都仍習(xí)慣于大量采用傳統(tǒng)的專用夾具，一般在具有中等生產(chǎn)能力的工廠里，約擁有數(shù)千甚至近萬套專用夾具；另一方面，在多品種生產(chǎn)的企業(yè)中，每隔3～4年就要更新50～80％左右專用夾具，而夾具的實(shí)際磨損量僅為10～20％左右。特別是近年來，數(shù)控機(jī)床、加工中心、成組技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等新加工技術(shù)的應(yīng)用，對機(jī)床夾具提出了如下新的要求：
1）能迅速而方便地裝備新產(chǎn)品的投產(chǎn)，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)成本；
2）能裝夾一組具有相似性特征的工件；
3）能適用于精密加工的高精度機(jī)床夾具；
4）能適用于各種現(xiàn)代化制造技術(shù)的新型機(jī)床夾具；
5）采用以液壓站等為動力源的高效夾緊裝置，以進(jìn)一步減輕勞動強(qiáng)度和提高勞動生產(chǎn)率；
6）提高機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化程度。
隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，對產(chǎn)品的品種和生產(chǎn)率提出了愈來愈高的要求，使多品種，中小批生產(chǎn)作為機(jī)械生產(chǎn)的主流，為了適應(yīng)機(jī)械生產(chǎn)的這種發(fā)展趨勢，必然對機(jī)床夾具提出更高的要求。特別像后鋼板彈簧吊耳類不規(guī)則零件的加工還處于落后階段。在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)大力推廣使用組合夾具、半組合夾具、可調(diào)夾具，尤其是成組夾具。在機(jī)床技術(shù)向高速、高效、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動下，夾具技術(shù)正朝著高精高效模塊組合通用經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展。
（1）特種加工 它是指一些物理的、化學(xué)的加工方法，如電火花加工、電解加工、超聲波加工、激光加工、離子束加工等。特種加工方法的主要對象是難加工材料的加工，如金剛石、陶瓷等超硬材料的加工，其加工精度可達(dá)分子級加工單位或原子級加工單位，所以它又常常是精密加工和超精密加工的重要手段。特種加工與傳統(tǒng)加工相結(jié)合的復(fù)合加工有較大的發(fā)展前途。
（2）快速成形 利用離散、堆積成形概念，可將一個三維實(shí)體分解為若干二維實(shí)體制造出來，再經(jīng)堆積而構(gòu)成三維實(shí)體。
（3）精密工程 它包括精密加工的超精密加工技術(shù)、微細(xì)加工和超微細(xì)加工技術(shù)、微型機(jī)械和納米技術(shù)等方面。當(dāng)前，以納米技術(shù)為代表的超精密加工技術(shù)和以微細(xì)加工為手段的微型機(jī)械技術(shù)有重要意義，它們代表了這一時期精密工程的方向。
（4）傳統(tǒng)加工工藝的改造和革新 這一方面的技術(shù)潛力很大，如高速切削、超高速切削、強(qiáng)力磨削、超硬材料磨具的出現(xiàn)都對加工理論的發(fā)展、加工質(zhì)量和效率的提高有重要意義。另一方面，舊設(shè)備的改造和挖潛，如普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床等，對機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和提高是不容忽視的。
三、課題研究現(xiàn)狀
3.1國外研究現(xiàn)狀
汽車面世以來。發(fā)動機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了兩次變革，現(xiàn)在正醞釀著第三次革命。第一革命發(fā)生在20世紀(jì)初，美國FORD汽車公司發(fā)明了大量生產(chǎn)流水線。其主要方式是由組合機(jī)床和專用機(jī)床組成的自動生產(chǎn)線TL，也稱傳統(tǒng)自動線，最大優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高和價格低，最大缺點(diǎn)是柔性差，我國汽車行業(yè)從誕生起至上世紀(jì) 90年代一直沿用TL，一汽和東風(fēng)的載貨車發(fā)動機(jī)廠都是如此。目前我國轎車行業(yè)大多不采用TL，但國外大量生產(chǎn)穩(wěn)定產(chǎn)品的生產(chǎn)線中，TL仍是最佳選擇。
上世紀(jì)90年代出現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速、高快移速度、高加速度、快速換刀的高速加工中心，由其組成的高速柔性生產(chǎn)線FTL是發(fā)動機(jī)制造技術(shù)的第二次革命，其突出特點(diǎn)是一定程度上克服了高柔性和低效率的矛盾，缺點(diǎn)是投資大，效率受局限，目前是轎車的熱點(diǎn)生產(chǎn)線，商用車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠也有局部采用，并采用有簡單柔性的數(shù)控專用（可交換多軸頭和夾具）機(jī)床組成的TL。
為進(jìn)一步提高高速柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，F(xiàn)TL的最新發(fā)展的敏捷高速柔性生產(chǎn)線AFTL，其目標(biāo)是對變化的市場需求快速作出反應(yīng)。滿足汽車發(fā)動機(jī)多品種，大中批量、高效率、低成本生產(chǎn)的需要，符合”精益生產(chǎn)“原則。其主要特點(diǎn)：由通用高速加工中心和專用，組合機(jī)床組成的混合型柔性生產(chǎn)線 （HSMC+SPM/TM），按照工序流程排列設(shè)備并由自動輸送裝置連接，全部生產(chǎn)線上機(jī)床，輸送和工件識別均在一個控制系統(tǒng)中；采用敏捷夾具（柔性夾具可控、可調(diào)），采用智能刀具——為特定工件加工設(shè)計(jì)的一系列專用高速刀具。這種生產(chǎn)線的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，同時又具有相當(dāng)?shù)娜嵝裕軌蜻m應(yīng)大批量生產(chǎn)和變型產(chǎn)品生產(chǎn)，投資較小。缺點(diǎn)是柔性受局限，不能加工不可預(yù)見的任意品種的零件。目前，混合型柔性生產(chǎn)線在國外應(yīng)用廣泛，國內(nèi)一些發(fā)動機(jī)廠家通過引進(jìn)國外設(shè)備，同時增加部分國產(chǎn)設(shè)備組成生產(chǎn)線的應(yīng)用較多。
現(xiàn)在發(fā)動機(jī)制造技術(shù)正醞釀著第三次革命。發(fā)動機(jī)研發(fā)越來越快，新品開發(fā)周期越來越短（從30個月縮短到13個月），車型數(shù)量多，生產(chǎn)批量不確定。目前的柔性生產(chǎn)線價格昂貴、投資風(fēng)險大，同時產(chǎn)能過剩矛盾越來越突出，尤其在我國更加突出。近年來，人們一直在探討解決多樣性與經(jīng)濟(jì)性日益突出的矛盾，以滿足變品種、變批量的需要，且兼顧高柔性、高效率、低投資的要求和市場快速反應(yīng)的能力。同時，也在探討通過制造系統(tǒng)的革命來解決產(chǎn)能過剩的矛盾。
美國提出了可重構(gòu)制造RMS，原理是通過對制造系統(tǒng)中機(jī)床配置的調(diào)整和機(jī)床功能模塊的增減，迅速構(gòu)成適應(yīng)新品生產(chǎn)和生產(chǎn)批量變化。為此，研制克由標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成的可重構(gòu)機(jī)床RMT。RMS的結(jié)構(gòu)和布置可按需要在用戶現(xiàn)場快速重組。RMS的應(yīng)用基礎(chǔ)之一是柔性夾具。美國GM公司已經(jīng)開發(fā)出柔性夾具系統(tǒng)，可以快速（在15min內(nèi)把一種夾具變成第一種夾具配置）更換以生產(chǎn)不同的發(fā)動機(jī)缸體或缸蓋。日本MAZAK公司開發(fā)出市場響應(yīng)型自獨(dú)立制造系統(tǒng)MSM，其實(shí)質(zhì)是”單臺套件生產(chǎn)“。
目前該項(xiàng)目是國際上熱門話題，我國已列入科技發(fā)展規(guī)劃。RMS和MSM投入發(fā)動機(jī)實(shí)際使用雖為時尚早，但卻是未來發(fā)動機(jī)制造的方向。
目前，J.-Y. Jung以及Ferreira等人在進(jìn)行CAPP方面的研究中對設(shè)備規(guī)劃有詳細(xì)論述。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（CAFD）就夾具方面也做了一些工作；Chou YC Chandru V等人提出的自動夾具定位和夾緊的一種方法；de meter EC提出的利用機(jī)械杠桿原理進(jìn)行定位和夾緊位置選擇的一種算法。目前，關(guān)于工件夾具的自動化配置方面的工作，自動化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AFCD中很少提及。
Cai等提出了一種指導(dǎo)夾具設(shè)計(jì)的方法，此方案是縮小由于工件表面與夾具安裝誤差所帶來的定位誤差。Hockenberger[4]與Demter提出的模式是在工件加工期間工件的靜態(tài)分析，這種方法是一種定性分析并且是在抓緊或夾緊物體的最壞的情況下的偏差，這種情況是由于干涉扭矩。
3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
幾十年來，我國汽車制造技術(shù)及裝備經(jīng)歷了曲折過程。上世紀(jì)70年代，為裝備第二汽車制造廠（生產(chǎn)載貨車）組織了130多個機(jī)床生產(chǎn)科研單位研發(fā)了117條自動線和1004種5500臺高效專用設(shè)備，汽車制造國產(chǎn)化率達(dá)到96％。上世紀(jì)80年代，我們汽車工業(yè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)入轎車，國內(nèi)機(jī)床工業(yè)很不適應(yīng)，產(chǎn)品及制造技術(shù)和裝備多數(shù)為國外引進(jìn)。2005年以來，我國汽車行業(yè)每年投資超過1000億元RMB，2007年總產(chǎn)量達(dá)888.24萬輛，生產(chǎn)能力超過1000萬輛。動力總成制造工廠中大部分為機(jī)械加工設(shè)備，主要精加工設(shè)備為歐美及日本等國產(chǎn)品，齒輪加工設(shè)備國產(chǎn)機(jī)床占了大半江山，沈陽機(jī)床集團(tuán)，北京機(jī)電院、北京第三機(jī)床廠等已經(jīng)為一些汽車廠提供了立式加工中心生產(chǎn)線，東風(fēng)汽車有限公司的設(shè)備制造廠也為東風(fēng)本部，東風(fēng)康明斯、東風(fēng)本田、神龍汽車公司及其他國內(nèi)汽車發(fā)動機(jī)及總成廠提供了大量的專用機(jī)床生產(chǎn)線，中小型加工中心。目前數(shù)千臺國產(chǎn)數(shù)控車床在汽車行業(yè)應(yīng)用并獲好評，大連機(jī)床集團(tuán)并購INGERSOLL公司后，近幾年為汽車發(fā)動機(jī)工廠提供了上百臺高速加工中心組成的自動線，這些汽車廠家與機(jī)床廠家聯(lián)手開發(fā)制造工藝及裝備，其生產(chǎn)線的工藝技術(shù)及裝備部分接近同期世界先進(jìn)水平。但大部分機(jī)械加工設(shè)備的刀具（高精度的磨具）及數(shù)控元器件依賴進(jìn)口。
總體來說，我國機(jī)械加工設(shè)備與世界先進(jìn)水平還有不少差距，主要表現(xiàn)在以下方面。
（1）硬件：主要是數(shù)控機(jī)床無法滿足汽車對精度、精度保持性、可靠性、壽命的需要。
（2）軟件：缺乏將工藝系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、信息系統(tǒng)集成為制造單元或流水生產(chǎn)線的技術(shù)。
（3）自主創(chuàng)新：我們基本沒有制造技術(shù)自主創(chuàng)新體系，在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)制造技術(shù)，高速加工技術(shù)中，由高級復(fù)合化機(jī)床組成的制造單元等方面差距很大，對現(xiàn)代汽車制造裝備特別強(qiáng)調(diào)。解決方案“方面差距更大。
我國于80 年代末開始對組合夾具元件的設(shè)計(jì)與管理進(jìn)行了研究和開發(fā),在總結(jié)和吸取我國應(yīng)用和發(fā)展槽系夾具經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)代機(jī)械加工特征及夾具的發(fā)展趨勢,研制了新一代孔系組合夾具系統(tǒng)。此系統(tǒng)發(fā)揮了槽系平移可調(diào)性和孔的旋轉(zhuǎn)可調(diào)性的優(yōu)勢,可直接組裝獲得任何直線尺寸和角度尺寸。此系統(tǒng)把大中小三個系列的元件有機(jī)融為一體,可在一塊多夾具基礎(chǔ)板上,既能組裝單個大工件夾具,又能組裝多個中小零件夾具,有利于裝夾具基礎(chǔ)板長期固定在機(jī)床工作臺上,此系統(tǒng)還設(shè)有孔系和槽系過渡元件,便于實(shí)現(xiàn)孔、槽系夾具元件混合使用。北京工商大學(xué)麻建東和劉璇開發(fā)的組合夾具元件庫,元件庫模塊的核心程序用ObjectARX SDK2. 02工具包開發(fā),界面程序用AU TOCAD 提供的對話框控制語言DCL (Dialog Cont rol Language) 語言開發(fā),在VC + + 6. 0 下編譯和聯(lián)接,生成的ARX 可執(zhí)行程序在AU TOCADR14 下直接加載運(yùn)行。元件庫可為使用者提供7 類組合夾具元件三維圖形的瀏覽以及交互設(shè)計(jì)功能,并生成三維組合夾具構(gòu)形圖,在CAD 環(huán)境中可進(jìn)行修改或刪除山東工業(yè)大學(xué)的徐志剛在“廣義映射原理”的指導(dǎo)下,開發(fā)了支持“top - down”風(fēng)范的夾具設(shè)計(jì)軟件自動化系統(tǒng)。吳玉光博士在這個領(lǐng)域取得了較大的突破。提出孔系基礎(chǔ)板組合夾具設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法。該方法利用汽車活塞機(jī)構(gòu)原理自動確定由直線和圓弧組成定位邊界的零件的全部候選定位方案。并提出定位銷可見概念和定位銷轉(zhuǎn)動支點(diǎn)的概念,進(jìn)行定位方案的裝卸方便性分析。進(jìn)一步提出瞬心三角形和同向邊的概念,對工件進(jìn)行可夾緊性分析,確定工件邊界的可夾緊范圍。其理論水平在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)開拓了新的局面。
四、課題設(shè)計(jì)方案
4.1設(shè)計(jì)方案選型與分析
工藝路線方案一
工序號
內(nèi) 容
1
粗車止口
2
粗外切槽及頂部
3
鉆斜面油孔
4
鉆環(huán)槽油孔
5
鉆銷座油孔
6
滑銷座油孔
7
粗鏜銷孔
8
精車止口及頂錐
9
精切細(xì)外環(huán)岸及倒角
10
精鏜銷孔（順鏜）
11
挖銷孔卡簧
12
切小槽
13
靠模車裙部
14
車凹部
15
車燃燒室
16
精車頂部及導(dǎo)角
17
鉆R7凹坑
18
車燃燒室口
19
銑噴油道曲線
20
清洗
21
滾壓
工藝路線方案二
工序號
內(nèi) 容
1
粗車止口
2
粗鏜銷孔
3
粗切外槽及頂部
4
鉆斜面油孔
5
鉆環(huán)槽油孔
6
鉆銷座油孔
7
滑銷座油孔
8
精車止口及頂錐
9
精切梯形槽
10
精鏜銷孔（順鏜）
11
挖卡簧槽
12
切小槽
13
靠模車裙部
14
車凹部及去毛刺
15
滑油池底
16
車燃燒室
17
精車頂部及倒角
18
鉆R7凹坑
19
車燃燒室口
20
銑噴油道曲線
21
去毛刺銳邊
22
清洗
23
滾壓銷孔
汽車活塞主要零件車、銑、鉆等工序使用的專用夾具，此類夾具的特點(diǎn)是針對性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、生產(chǎn)率高。
夾具設(shè)計(jì)最關(guān)鍵是要求對工件定位正確，且滿足定位精度要求。為了解決此問題，首先得了解影響定位精度的因素。然后采取措施解決具體的問題。如定位基準(zhǔn)與定位元件的配合狀況和影響定位精度，那么可以提高夾具的制造精度，減小配合間隙就能提高夾具在機(jī)床上的定位精度。
4.2方案的確定
(1) 通過比較可以發(fā)現(xiàn)在方案一中，將粗鏜銷孔放在第七道工序，而在方案二中第二道工序就是粗鏜銷孔,在實(shí)際工廠的生產(chǎn)中,活塞的毛坯一般都是鑄造出錐形銷孔(便于拔模),而銷孔是許多工序加夾緊力的部位,故應(yīng)在粗鏜止口之后即對銷孔進(jìn)行粗鏜,以便在以后的工序中夾緊力能較均勻的分布,而不至于壓壞銷孔所在的搭子。
(2) 在方案一中,所有環(huán)槽的粗、精加工都是一次一起加工的,而在方案二中將梯形槽單獨(dú)的精加工,而環(huán)槽加工是活塞加工中重要的工序之一,它的精度要求高,而切削力又較大,故應(yīng)采用方案二中的方法,來加工環(huán)槽,才能保證其精度的要求。
(3) 在方案一中,加工燃燒室打算一次加工成功,用成形車刀。而燃燒室的形狀為一般球形,成形車刀是一種半圓形的,由于成形車刀有進(jìn)給運(yùn)動,是很難加工出球形燃燒室和保證燃燒室的容積的。故應(yīng)按照方案二那樣,光滑油池底,在燃燒室底部鉆一個孔后再用成形車刀加工。
(4) 另外,精鏜銷孔是活塞加工中保證精度的關(guān)鍵性的工序,在這里將著重分析一下它的工藝。由于銷孔的尺寸、形狀和位置精度以及粗糙度的要求都很高,因此要采用高精度的鏜刀和金剛鏜床,同時對精鏜銷孔工序定位基準(zhǔn)的選擇也必須予以充分的重視。
上述的兩種方案采用的是順鏜鏜銷孔,它用止口及端面來定位,消除了五個自由度。.但銷孔軸心線到頂面的距離影響氣缸的壓縮比,在零件圖中有109.55±0.5的要求,即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是頂面,而定位基準(zhǔn)是止口及其端面,產(chǎn)生了基準(zhǔn)不重合的誤差。這種情況下要對工序尺寸進(jìn)行換算,提高某些尺寸精度,這種就會使成本提高。為了使工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合,可以用頂面代替端面作為基面,即倒鏜銷孔,。同時在零件圖中由于活塞的軸心線和銷孔的軸心線也有較高的精度要求,故倒鏜時采用外圓和頂面來定位的話,就能很好保證其精度要求。則采用外圓定位時應(yīng)采用V形塊,而一般形狀下是用兩V形塊夾緊,但這里活塞是薄壁零件,這樣的夾緊方法將會產(chǎn)生變形,故是采用一個V形塊的內(nèi)部夾緊。這樣才能有利于保證加工質(zhì)量,但夾具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時也應(yīng)適當(dāng)?shù)氖┘訆A緊力。
工序的安排為：先加工階段的劃分,劃分加工階段應(yīng)將粗精加工分開,才能使變形所引起的誤差減小到最小。分析上面活塞加工的工藝過程,可分為粗、精加工兩個階段。工序6以前為粗加工階段,包括對各主要表面如止口、外圓、環(huán)槽等進(jìn)行的粗加工,同時將一些要求不高的又要切除的較多金屬余量的表面如油孔等加工出來。從工序7開始為精加工階段。工序7為轉(zhuǎn)折點(diǎn),在此工序中對精基準(zhǔn)進(jìn)行修整,以保證以后精加工工序的定位精度。此外,為了避免精加工后的表面受到損傷,主要表面的精加工應(yīng)盡量放在最后進(jìn)行。如精磨裙部外圓和滾壓銷孔都放在最后加工。其次是工序的集中與分散,上述活塞的加工工藝過程屬于大量生產(chǎn),它的特點(diǎn)是按工序集中原則,采用了較多的高效率的專用機(jī)床和專用工夾量具,組成生產(chǎn)流水線。如在第三道工序的多刀車床,在一次安裝下同時加工出外圓、環(huán)槽和頂面;第四第五道工序在專用多軸鉆床上同時鉆六個和八個孔,大多數(shù)工序都由復(fù)合工步組成。由于工序集中減少了機(jī)床的數(shù)量,相應(yīng)地操作工人數(shù)和生產(chǎn)面積,由于工序集中,而且采用自動化程度較高的專用機(jī)床和工夾量具,大大提高了生產(chǎn)效率,又由于工序集中,在一次安裝中加工盡量多的表面,不但減少了輔助時間,而且有利于保證各表面的相互位置精度。
綜上所述,在方案一和方案二中的基礎(chǔ)上加以綜合修改后,確定的加工路線最后如下:
工序號
工 序 內(nèi) 容
設(shè) 備
1
外圓定位粗車端面及其止口
在C620-1上加工
2
止口定位粗鏜銷孔
雙頭鏜床
3
止口定位粗切外圓、槽及頂部
多刀半自動車床C730
4
鉆斜面油孔
Z512
5
鉆環(huán)槽油孔
Z512
6
鉆、滑銷座孔
轉(zhuǎn)塔鉆床
7
精車止口及頂錐（外圓定位）
專用立鏜
8
止口定位精切細(xì)外環(huán)岸、倒角
多刀自動車床
9
止口定位切小槽及精切梯形槽
C620車床
10
靠模車裙部
靠模車床
11
車凹部
普通車床
12
車頂面及倒角
C620
13
外圓定位 以頂面為基準(zhǔn)倒鏜（精）銷孔
金剛鏜
14
挖卡環(huán)槽
車床
15
滑油池底
Z535
16
車燃燒室
C620
17
鉆R7凹坑
Z535
18
車燃燒室口
車床
19
銑頂部R16槽
VMC850
20
去毛刺、銳邊
手鉆、砂紙
21
清洗
22
滾壓銷孔
鉆臂鉆床
本課題是汽車活塞加工工藝及其夾具的設(shè)計(jì)，因此本課題設(shè)計(jì)重點(diǎn)是機(jī)械加工工藝規(guī)程和夾具的設(shè)計(jì)、定位等問題。
首先，確定零件的毛坯及毛坯圖的繪制。
其次，選擇加工方法、制定工藝路線及工藝卡片；它一般包括：
1.根據(jù)零件的類別和技術(shù)要求，對每個加工面選擇合理的加工方法。
2.安排加工順序：
（1）工件的精基準(zhǔn)表面應(yīng)先進(jìn)行加工；
（2）先加工主要表面再加工次要表面；
（3）先粗加工后精加工；
（4）先加工平面，后加工內(nèi)孔。
3.工藝的檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)方法、切削用量、時間定額等。
4.填寫加工工藝卡片。
另外，夾具是保證零件加工精度的重要工具。
夾具設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：
1.明確設(shè)計(jì)要求，收集和研究有關(guān)資料：了解零件作用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求；充分研究并了解工藝規(guī)程，及某一工序的加工要求。分析夾具設(shè)計(jì)任務(wù)書上選用的定位基準(zhǔn)和工序尺寸。
2.確定夾具的結(jié)構(gòu)方案：
（1）確定定位方案，選擇定位元件，計(jì)算定位誤差。
（2）確定對刀或?qū)蚍绞?，選擇對刀塊或?qū)蛟?
（3）確定夾緊方案，選擇夾緊機(jī)構(gòu)。
（4）確定夾具體的形式和夾具的總體結(jié)構(gòu)等等。
3.繪制夾具零件的裝配圖及夾具零件圖。
4.3方案的特點(diǎn)及創(chuàng)新
通過進(jìn)行本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，全面系統(tǒng)地對學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)方法和研究方法的基本訓(xùn)練。要求學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的研究。學(xué)生能獨(dú)立進(jìn)行資料的收集、加工與整理，能綜合運(yùn)用科學(xué)的理論、知識和技能，鍛煉獨(dú)立解決設(shè)計(jì)問題的能力，圖紙繪制規(guī)范，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，編寫符合要求的設(shè)計(jì)說明書并答辯，從而使學(xué)生樹立嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，并掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法。創(chuàng)新之處：
CAD/CAE/CAM的實(shí)施使設(shè)計(jì)人員不用在復(fù)雜用手工畫圖，能將更多的精力用于其他創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)制造效率大大提高。
五、預(yù)期結(jié)果
(1)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求：不少于15000字；
(2)圖紙（幅面和張數(shù)）：A0圖紙2張（折合），工藝卡片1份
(3)其他要求：參考文獻(xiàn)不少于15篇（其中外文文獻(xiàn)不少于3篇），外文文獻(xiàn)翻譯漢字3000字以上
六、設(shè)計(jì)主要步驟
摘 要
第1章 緒論
第2章 加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
2.1 零件的分析
2.1.1 零件的作用
2.1.2 零件的工藝分析
2.2 汽車活塞加工的主要問題和工藝過程設(shè)計(jì)所應(yīng)采取的相應(yīng)措施
2.2.1 孔和平面的加工順序
2.2.2 孔系加工方案選擇
2.3 汽車活塞加工定位基準(zhǔn)的選擇
2.3.1 粗基準(zhǔn)的選擇
2.3.2 精基準(zhǔn)的選擇
2.4 汽車活塞加工主要工序安排
2.5 機(jī)械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定
2.6確定切削用量及基本工時（機(jī)動時間）
第3章 銑夾具設(shè)計(jì)
3.1 研究原始質(zhì)料
3.2 定位、夾緊方案的選擇
3.3切削力及夾緊力的計(jì)算
3.4 誤差分析與計(jì)算
3.5 確定夾具體結(jié)構(gòu)尺寸和總體結(jié)構(gòu)
3.6 夾具設(shè)計(jì)及操作的簡要說明
第4章 鏜夾具設(shè)計(jì)
總 結(jié)
參考文獻(xiàn)
致 謝
七、進(jìn)度計(jì)劃
序號
任務(wù)名稱
開始時間
結(jié)束時間
1
選題
2
查閱中、外文獻(xiàn)資料，外文資料翻譯，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
3
開題
4
進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)
5
中期檢查
6
上交畢業(yè)設(shè)計(jì)正稿打印版及電子材料，畢業(yè)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)說明書光盤，完成畢業(yè)答辯ppt
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畢業(yè)答辯
八、參考文獻(xiàn)
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[12] Haffman E G. Jig and Fixture Design.America, VNR Co.,1980.
[13] Boyes W E. Jigs and Fixture .America,SME,1982.
指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
教研室審核意見：
教研室主任簽名： 年 月 日
備注：本開題報告須裝入學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）檔案袋存檔。