汽車(chē)關(guān)鍵零部件,發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿組件,一、概述,活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、連桿、連桿軸瓦等組成，如下圖所示。,活塞,活塞、連桿組件,發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的成本與技術(shù)最為集中的部分，活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能有著重要的影響。現(xiàn)代先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其活塞的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，已發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料、異形外圓復(fù)合型面(裙部為中凸變橢圓型面)、異形銷(xiāo)孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品?；钊募庸ぞ纫蟾?，其裙部橫向橢圓度精度達(dá)0.005mm，縱向中凸曲線精度達(dá)0.005-0.01mm。,二、活塞,活塞的功用是承受氣體壓力，并通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂部還是燃燒室的組成部分。 工作條件：活塞在高溫、高壓、高速、潤(rùn)滑不良的條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時(shí)溫度可達(dá)2500K以上，因此，受熱嚴(yán)重，而散熱條件又很差，所以活塞工作時(shí)溫度很高，頂部高達(dá)600700K，且溫度分布很不均勻； 活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是作功行程壓力最大，汽油機(jī)高達(dá)35MPa，柴油機(jī)高達(dá)69MPa，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用； 活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度(812m/s)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷?；钊谶@種惡劣的條件下工作，會(huì)產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時(shí)受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕作用。,1. 功用、要求與構(gòu)造：,要求：,(1) 要有足夠的剛度和強(qiáng)度，傳力可靠； (2) 導(dǎo)熱性好，耐高壓、耐高溫、耐磨損； (3) 質(zhì)量小，重量輕，盡可能減小往復(fù)慣性力。,構(gòu)造：,活塞可分為三部分，活塞頂部、活塞頭部和活塞裙部。,1）活塞頂部,活塞頂部承受氣體壓力，它是燃燒室的組成部分，其形狀、位置、大小都和燃燒室的具體形式有關(guān)，都是為滿足可燃混合氣形成和燃燒的要求，其頂部形狀可分為四大類，平頂活塞、凸頂活塞、凹頂活塞和成型頂活塞。,平頂活塞頂部是一個(gè)平面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，受熱面積小，頂部應(yīng)力分布較為均勻，一般用在汽油機(jī)上，柴油機(jī)很少采用。 凸頂活塞頂部凸起呈球頂形，其頂部強(qiáng)度高，起導(dǎo)向作用，有利于改善換氣過(guò)程，二沖程汽油機(jī)常采用凸頂活塞。 凹頂活塞頂部呈凹陷形，凹坑的形狀和位置必須有利于可燃混合氣的燃燒，有雙渦流凹坑、球形凹坑、U形凹坑等等。,2）活塞頭部,活塞頭部指第一道活塞環(huán)槽到活塞銷(xiāo)孔以上部分。它有數(shù)道環(huán)槽，用以安裝活塞環(huán)，起密封作用，又稱為防漏部。 柴油機(jī)壓縮比高，一般有四道環(huán)槽，上部三道環(huán)槽安裝氣環(huán)，起密封作用，最下一道環(huán)槽安裝油環(huán)，起潤(rùn)滑作用；汽油機(jī)活塞一般有三道環(huán)槽，上面兩道環(huán)槽為氣環(huán)槽，最下一道環(huán)槽為油環(huán)槽。 在油環(huán)槽底面上鉆有許多徑向小孔，使被油環(huán)從氣缸壁上刮下的機(jī)油經(jīng)過(guò)這些小孔流回油底殼。第一道環(huán)槽工作條件最惡劣，一般應(yīng)離頂部較遠(yuǎn)些。,活塞頂部吸收的熱量主要也是經(jīng)過(guò)防漏部通過(guò)活塞環(huán)傳給氣缸壁，再由冷卻水傳出去?？傊?，活塞頭部的作用除了用來(lái)安裝活塞環(huán)外，還有密封作用和傳熱作用，與活塞環(huán)一起密封氣缸，防止可燃混合氣漏到曲軸箱內(nèi)，同時(shí)還將(7080)%的熱量通過(guò)活塞環(huán)傳給氣缸壁。,3）活塞裙部,活塞裙部指從油環(huán)槽下端面起至活塞最下端的部分，它包括裝活塞銷(xiāo)的銷(xiāo)座孔。活塞裙部對(duì)活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。 裙部的長(zhǎng)短取決于側(cè)壓力的大小和活塞直徑。所謂側(cè)壓力是指在壓縮行程和作功行程中，作用在活塞頂部的氣體壓力的水平分力使活塞壓向氣缸壁。壓縮行程和作功行程氣體的側(cè)壓力方向正好相反，由于燃燒壓力大大高于壓縮壓力，所以，作功行程中的側(cè)壓力也大大高于壓縮行程中的側(cè)壓力（見(jiàn)下圖）?；钊共砍惺軅?cè)壓力的兩個(gè)側(cè)面稱為推力面，它們處于與活塞銷(xiāo)軸線相垂直的方向上。,2.活塞的變形及采取的相應(yīng)措施：,（1）變形原因：熱膨脹、側(cè)壓力和氣體壓力。,（2）變形規(guī)律及結(jié)構(gòu)措施 1） 活塞的熱膨脹量大于氣缸的膨脹量，使配缸間隙變小。因活塞溫度高于氣缸壁，且鋁合金的膨脹系數(shù)大于鑄鐵； 2） 活塞自上而下膨脹量由大而小。因溫度上高下低，壁厚上厚下?。?3） 裙部周向近似橢圓形變化，長(zhǎng)軸沿銷(xiāo)座孔軸線方向。因銷(xiāo)座處金屬量多而膨脹量大，以及側(cè)壓力作用的結(jié)果。,為了使裙部?jī)蓚?cè)承受氣體壓力并與氣缸保持小而安全的間隙，要求活塞在工作時(shí)具有正確的圓柱形。但是，由于活塞裙部的厚度很不均勻，活塞銷(xiāo)座孔部分的金屬厚，受熱膨脹量大，沿活塞銷(xiāo)座軸線方向的變形量大于其他方向。另外，裙部承受氣體側(cè)壓力的作用，導(dǎo)致沿活塞銷(xiāo)軸向變形量較垂直活塞銷(xiāo)方向大。 這樣，如果活塞冷態(tài)時(shí)裙部為圓形，那么工作時(shí)活塞就會(huì)變成一個(gè)橢圓，使活塞與氣缸之間圓周間隙不相等，造成活塞在氣缸內(nèi)卡住，發(fā)動(dòng)機(jī)就無(wú)法正常工作。因此，在加工時(shí)預(yù)先把活塞裙部做成橢圓形狀。橢圓的長(zhǎng)軸方向與銷(xiāo)座垂直，短軸方向沿銷(xiāo)座方向。這樣活塞工作時(shí)趨近正圓。,活塞沿高度方向的溫度很不均勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應(yīng)是上部大、下部小。為了使工作時(shí)活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預(yù)先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。,活塞頭部形狀示意圖,錐形裙部活塞示意圖,現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞已普遍發(fā)展為中凸變橢圓型面，其縱剖面廓形為中凸的指數(shù)或冪函數(shù)，橫截面的廓形大都采用橢圓的2階近似曲線或橢圓偏心(正)圓等的組合曲線。設(shè)計(jì)橢圓形裙部的目的是防止熱態(tài)時(shí)活塞沿銷(xiāo)軸方向的過(guò)度膨脹，從而卡死在氣缸內(nèi)。中凸活塞各橫截面的橢圓度可以相同，也可以是變化的，分為等橢圓度和變橢圓度兩種。 所謂等橢圓度是橢圓長(zhǎng)軸與短軸之差沿活塞裙高度無(wú)變化。 采用變橢圓度時(shí)，活塞橢圓度一般是沿著裙高從底到高，從大到小按線性規(guī)律變化。采用漸變橢圓的主要目的是使活塞在受載狀態(tài)時(shí)，上下接觸面接近等寬。,3. 活塞材料：,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高速度、低能耗方向發(fā)展，采用優(yōu)異的活塞材料尤為重要。目前車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料以鋁合金為主，其他還有鑄鐵、鑄鋼、陶瓷材料等。,鋁合金的突出優(yōu)點(diǎn)是密度小，可降低活塞質(zhì)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性，因此鋁合金活塞常應(yīng)用于中、小缸徑的中、高速發(fā)動(dòng)機(jī)上。與鑄鐵活塞相比，鋁合金活塞異熱性好，工作表而溫度低，頂部的積炭也較少。,鑄鐵材料的金屬基體以珠光體為宜，其中所含的石墨為片狀、點(diǎn)狀或球狀。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用鑄鐵還應(yīng)具有晶粒度的穩(wěn)定性、抗熱裂以及抗腐蝕一疲勞損傷的性能。試驗(yàn)表明:具有細(xì)小彌散的金屬基體和石墨的鑄鐵，尤其是含有Cr, Ni, Mo, V, Cu等合金元素的合金鑄鐵，具有較好的綜合性能，其中球墨鑄鐵活塞強(qiáng)度最高。,陶瓷是用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的新材料，具有質(zhì)量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。全陶瓷活塞目前還無(wú)成功的應(yīng)用實(shí)例，但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動(dòng)機(jī)上得到一定的應(yīng)用。,4.活塞的工藝特點(diǎn)及定位裝夾形式：,活塞主要表面尺寸及各表面間的相互位置精度要求較高;在加工后還要求保證活塞裙部及頂部的壁厚均勻。上述特點(diǎn)與要求，使得活塞機(jī)械加工比較困難，其加工工藝特點(diǎn)主要有以下幾方面:,1.活塞壁薄，徑向剛度差，若按一般回轉(zhuǎn)體零件加工，在夾緊力和切削力影響下很容易變形，所以在制訂工藝及選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)同時(shí)注意夾壓點(diǎn)及裝夾方式的選用。 2.活塞加工面較多，不僅各加工面尺寸精度要求較高，而且相互位置精度要求也較高，因此在考慮工藝時(shí)，應(yīng)正確選擇定位基準(zhǔn)面，以減少因定位基準(zhǔn)變換而引起的加工誤差。同時(shí)，選用設(shè)備時(shí)，盡量選用多刀或多工位加工機(jī)床，以減少裝夾次數(shù)。 3.活塞銷(xiāo)孔尺寸及形狀精度要求很高，粗糙度要求很低，故一般采用鏜削加工。 4.由于活塞壁薄、剛性差，為防止切削力過(guò)大而引起變形，在加工時(shí)，進(jìn)刀量要小，切削速度要高。同時(shí)，重要表面(銷(xiāo)孔、裙部外圓)的精加工要放在最后進(jìn)行。,活塞的工藝特點(diǎn)決定了其定位裝夾形式，其主要定位裝夾形式如下表所示：,由于采用止口(及其輔助)定位配合以銷(xiāo)孔或活塞頂面(中心孔)的裝夾方式簡(jiǎn)單可靠、應(yīng)用范圍廣、可實(shí)現(xiàn)定位基準(zhǔn)的統(tǒng)一，同時(shí)能保證活塞的各種位置精度，目前國(guó)內(nèi)外活塞行業(yè)的加工廣泛采用這種定位方式。,絕大多數(shù)的柴油機(jī)活塞頂部都有各種形狀的凹坑，稱為燃燒室。部分活塞還具有氣門(mén)坑及其開(kāi)口等結(jié)構(gòu)。因此，頂部加工特征一般包括:頂面、燃燒室、氣門(mén)坑、氣門(mén)坑開(kāi)口等。如下圖所示。,1）活塞頂部加工特征,活塞頂面粗糙度一般為Ra1.6-3.2m，與止口的平行度一般為0.015mm，在加工中一般需要粗、精兩次加工來(lái)完成，粗加工余量一般為1mm，精加工余量一般為0.4mm。從活塞銷(xiāo)孔中心線到活塞頂面的距離稱為壓縮高，該距離影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，在精加工頂面時(shí)需要保證該尺寸。燃燒室一般為回轉(zhuǎn)體形狀，其素線由方向、半徑不同的圓弧與直線圓滑連接而成，燃燒室精加工需要保證燃燒室的粗糙度一般為Ra3.2m。活塞毛坯一般情況下鑄造有燃燒室凹坑，需要粗、精兩次加工完成，燃燒室的粗加工與精加工余量與頂面基本相同。也有個(gè)別活塞鑄造成平頂，此時(shí)的燃燒室需要粗、半精、精加工三次加工才能完成，因此在進(jìn)行工藝分析時(shí)需要判斷是否鑄造有凹坑。而氣門(mén)坑及其開(kāi)口由于余量較小一般一次加工至成品尺寸。 根據(jù)頂面與燃燒室的加工特征及其定位方式，一般采用車(chē)削加工，而氣門(mén)坑及其開(kāi)口一般采用銑削加工。,2）活塞頭部加工特征,活塞頭部主要有24道環(huán)槽及環(huán)槽之間的環(huán)岸、槽側(cè)油帶、第一環(huán)槽至頂部的火力岸組成，如下圖所示。因此其加工特征主要是鐵、鋁環(huán)槽的加工及環(huán)岸、火力岸外圓的加工，有時(shí)在環(huán)槽底部或槽側(cè)油帶部位還有通向內(nèi)腔的徑向回油孔。,鐵環(huán)槽為距離頂部最近的環(huán)槽，承受的燃?xì)鉁囟茸罡?、沖擊力也最大?；谶@一原因，該環(huán)槽一般兩槽側(cè)具有一定的斜度，以便于與密封環(huán)更好地接觸，避免高壓燃?xì)獯饺共俊ｈF環(huán)槽傾斜側(cè)面的加工具有波紋度要求，其基準(zhǔn)直徑、粗糙度都有一定的要求，且高鎳鑄鐵由于具有“粘性”加工特征，加工一般至少需要粗加工、精加工兩次加工完成，粗加工加工出鐵環(huán)及環(huán)槽形狀并為精加工留出0.3O.5mm余量。 鋁環(huán)槽槽側(cè)為直槽，對(duì)槽側(cè)的粗糙度、槽側(cè)與活塞中心線的垂直度、槽側(cè)的直線度以及槽側(cè)的平面度等都有較高的加工要求，而且鋁環(huán)槽的加工余量比較大、容易加工變形，因此一般至少分為粗、精兩次加工來(lái)完成，粗加工加工出形狀，給精加工留下0.1 0.2mm的余量。由于加工鑄鐵環(huán)槽時(shí)產(chǎn)生較大的切削力和熱量，容易引起鋁環(huán)槽的形狀誤差和變形，因此需要把鋁環(huán)槽的加工放在鐵環(huán)槽精加工之后進(jìn)行。,3）活塞裙部加工特征,活塞裙部是自環(huán)槽部分的油環(huán)槽下端面起至活塞底的部分，它用作引導(dǎo)活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)和承受側(cè)壓力。受活塞結(jié)構(gòu)的影響，為保證熱態(tài)下活塞裙部的圓筒形狀，以便能夠與氣缸很好地貼合，不至于被卡住或拉傷，需要將活塞裙部的徑向外形設(shè)計(jì)加工為橢圓形狀，其長(zhǎng)軸在垂直于銷(xiāo)座孔中心線平面內(nèi)，短軸在銷(xiāo)座孔中心線平面內(nèi)，且橢圓度在不同的軸向位置是變化的;而活塞長(zhǎng)軸軸向輪廓設(shè)計(jì)加工為上小下大、到底部再小的中凸形狀，如下圖所示，這種外圓形狀稱為中凸變橢圓。在活塞裙部下端及內(nèi)腔部位還需要加工出止口作為后續(xù)工序的定位基準(zhǔn)。 活塞裙部外圓粗糙度一般要求1.63.2 m ，且外圓對(duì)加工紋理有特殊要求，基于外圓特殊的形狀和表面紋理要求，需要經(jīng)過(guò)粗加工、半精加工、精加工三次加工才能達(dá)到技術(shù)要求，總加工余量一般在2mm左右;活塞止口粗糙度一般要求1.6 3.2 m ,總加工余量一般在1mm左右，因此經(jīng)過(guò)粗、精兩次加工可以達(dá)到技術(shù)要求。,活塞銷(xiāo)座將作用在活塞頂部的氣體力經(jīng)過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿。銷(xiāo)座常用加強(qiáng)筋與活塞內(nèi)壁相連，以提高強(qiáng)度。為減少銷(xiāo)座上側(cè)的壓力，常把銷(xiāo)座鑄造成一些特殊形狀，其中楔形銷(xiāo)座是最常見(jiàn)的一種形式?；钊诠ぷ鲿r(shí)銷(xiāo)座孔內(nèi)側(cè)受到活塞銷(xiāo)的反復(fù)沖擊，為防止活塞該處應(yīng)力集中及疲勞損壞，常將該處設(shè)計(jì)為喇叭口形狀，因其加工實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難，稱為異形銷(xiāo)孔。 活塞銷(xiāo)孔不僅本身尺寸精度與相互位置精度要求較高，而且粗糙度要求較低，一般為0.40.8 m ，如下圖所示。銷(xiāo)座孔內(nèi)有安放彈性卡簧的卡簧槽，為安裝方便，銷(xiāo)孔內(nèi)、外側(cè)常加工出較大的內(nèi)、外口倒角?；谝陨霞庸ぬ卣?，活塞銷(xiāo)孔加工一般需要粗、半精、精加工及超精加工三次以上加工才能達(dá)到技術(shù)要求。為防止銷(xiāo)孔變形，精加工一般安排在工序的最后面完成。有些活塞為增加銷(xiāo)孔的儲(chǔ)油作用，還加工成橢圓形狀，稱為減壓腔，有時(shí)還需要在銷(xiāo)座上加工油孔。,4）活塞銷(xiāo)座孔加工特征,表：某典型活塞原加工工藝流程及工序時(shí)間表,5.關(guān)鍵工序加工與裝備：,目前，國(guó)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)。,活塞外圓的加工由20世紀(jì)70年代的磨削加工、80年代的立體靠模仿形加工到90年代的數(shù)控?zé)o靠模加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使得生產(chǎn)效率和加工精度均達(dá)到新的水平，生產(chǎn)效率由立體靠模仿形加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速800r/min提高到數(shù)控?zé)o靠模加工的2000r/min，由于數(shù)控加工排除了傳統(tǒng)的立體靠模仿形加工時(shí)仿形失真的因素，加工精度也大幅度提高。由于這種加工技術(shù)的突破性進(jìn)展，使得90年代以來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的轎車(chē)均采用了異型外圓復(fù)合型面的低摩擦式活塞。,1）活塞異型外圓加工趨向于無(wú)靠模數(shù)控化,2）活塞異型銷(xiāo)孔微增量加工技術(shù)：,活塞銷(xiāo)孔的加工精度為微米級(jí)，用于加工異型銷(xiāo)孔的徑向微增量進(jìn)刀加工技術(shù)，是活塞加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)是21世紀(jì)以來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，可用于加工橢圓形銷(xiāo)孔、微內(nèi)錐形銷(xiāo)孔、應(yīng)力曲面形銷(xiāo)孔等，有效避免活塞銷(xiāo)座在高負(fù)荷狀態(tài)下因應(yīng)力集中而引起銷(xiāo)座裂紋和斷裂，與圓柱形銷(xiāo)孔相比，異型銷(xiāo)孔的疲勞強(qiáng)度可提高30以上。因其具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，有力地拉動(dòng)了異型銷(xiāo)孔微增量加工技術(shù)的發(fā)展，其控制精度已由0.001 mm脈沖提高到了30nm脈沖。,6.非圓截面零件車(chē)削加工技術(shù)的發(fā)展,非圓截面零件的切削加工一直受到人們的關(guān)注，先后推出了多種加工工藝方法。從成形機(jī)理分析，可將現(xiàn)有的非圓截面零件加工工藝方法分為機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法、靠模仿形法以及數(shù)控加工成形法幾種類型,機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法是通過(guò)對(duì)工件多個(gè)方向切削運(yùn)動(dòng)的合成，形成非圓零件截面。根據(jù)運(yùn)動(dòng)合成的機(jī)構(gòu)不同，又有套車(chē)法、偏心法、周轉(zhuǎn)輪系法等非圓截面零件的車(chē)削方法。,1）機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法,(1)套車(chē)法 套車(chē)法是一種專門(mén)針對(duì)橢圓截面零件車(chē)削加工的工藝方法。該方法的成形原理如下圖所示，車(chē)刀的回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于工件軸線擺動(dòng)一個(gè)口交角，車(chē)刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)以形成主切削運(yùn)動(dòng)，這樣通過(guò)調(diào)整刀盤(pán)的直徑d和擺動(dòng)角口的大小，便可加工出滿足長(zhǎng)短徑要求的橢圓截面來(lái)，可獲得較高的加工效率與加工精度。,套車(chē)法成形原理,2)偏心法 偏心法成形的刀具運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如下圖所示，它是個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，連桿的兩端分別與偏心輪和刀架聯(lián)接，相對(duì)于機(jī)床主軸按傳動(dòng)比i進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏心距的大小獲取所需的刀具切削運(yùn)動(dòng)軌跡。,偏心輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖,當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：,式中：e偏心距；偏心輪角位移；，l連桿的長(zhǎng)度； n主軸的轉(zhuǎn)速； i主軸與偏心輪之間的傳動(dòng)比；t時(shí)間。,加工后所得到的工件截面向徑R(1)為,式中：r0為非圓零件基圓半徑； 1主軸角位移。,3）周轉(zhuǎn)輪系法,周轉(zhuǎn)輪系加工非圓截面方法的成形原理如下圖所示，設(shè)輪4裝在輪H上，其軸心偏心為e，它一方面繞軸O2以H角速度公轉(zhuǎn)，另一方面又在輪5的作用下以角速度4繞自身中心O1旋轉(zhuǎn)。當(dāng)工件與輪4同軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)O1軸的偏心距e以及角速度H 、 4便可加工出所需的非圓截面零件。,周轉(zhuǎn)輪系加工非圓截面方法的成形原理,從而可見(jiàn)，上述幾種機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成法非圓截面零件加工工藝方法，可以獲得較高的生產(chǎn)效率和加工精度。然而，這些加工成形方法均需要專用的機(jī)床機(jī)構(gòu)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)形式是由這些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)保證，加工設(shè)備的制造成本高；柔性較差，一種機(jī)構(gòu)只能加工一類非圓截面零件，難以滿足多品種小批量生產(chǎn)的需要。,4）靠模仿形法,靠模仿形法是利用靠模來(lái)控制車(chē)刀與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以形成所需的非圓截面零件表面形狀，如圖1-6所示。,靠模仿形法,與機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成車(chē)削法相比，用靠模仿形實(shí)現(xiàn)非圓截面零件的成形加工具有以下特點(diǎn)： 1)適應(yīng)的加工范圍較廣。對(duì)于不同的非圓截面零件，只需更換靠模便可進(jìn)行車(chē)削加工，因此靠模仿形法能完成多種非圓截面零件的車(chē)削加工。 2)可實(shí)現(xiàn)大進(jìn)給量的切削，具有較高的加工效率。 3)適合于非圓截面零件的粗、精加工。,由于此類加工方法需要凸輪靠模來(lái)控制刀具的切削運(yùn)動(dòng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而也存在如下的不足： 1)響應(yīng)速度低，不適合于非圓截面零件的高速切削。 2)機(jī)械結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)較多，各環(huán)節(jié)的制造與裝配誤差及其剛性均影響到非圓截面零件的車(chē)削加工精度。 3)更換零件類型需要重新進(jìn)行靠模的設(shè)計(jì)，而靠模的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，不利于產(chǎn)品的更新。 4)難以用靠模法難以加工出復(fù)雜的非圓截面零件。,5）數(shù)控加工成形法,自上世紀(jì)80年代初，國(guó)外一些公司開(kāi)始研制非圓截面零件的數(shù)控加工車(chē)床，是通過(guò)一套數(shù)控車(chē)削系統(tǒng)控制非圓截面零件的切削成形，因而有人將這種車(chē)床稱之為無(wú)凸輪加工車(chē)床。英國(guó)AE集團(tuán)生產(chǎn)的非圓活塞數(shù)控車(chē)床采用金剛石車(chē)刀完成非圓截面零件的切削加工，其主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)2500rmin，并一次加工成形。與傳統(tǒng)加工設(shè)備相比，產(chǎn)品的更換極為方便，更換周期大幅度縮短，生產(chǎn)效率得到了極大的提高。日本株式會(huì)社大限鐵工所研制了BL9-CAM非圓數(shù)控車(chē)床，在加工非圓零件時(shí)主軸轉(zhuǎn)速可高達(dá)3000rmin，其加工效率提高三倍以上，僅需改變控制程序便可實(shí)現(xiàn)各種非圓截面零件的自動(dòng)車(chē)削加工。美國(guó)Ingersoll公司也研制了非圓截面零件無(wú)靠模數(shù)控車(chē)床，采用在線檢測(cè)技術(shù)穩(wěn)定地保證了產(chǎn)品質(zhì)量，并大大提高了生產(chǎn)效率。美國(guó)Cross公司相繼開(kāi)發(fā)了PTM-2000和3000型非圓加工數(shù)控車(chē)床，在加工變橢圓活塞時(shí)，生產(chǎn)率可達(dá)150件小時(shí)，加工誤差小于38m。,在我國(guó)，對(duì)非圓截面零件的研究也取得了較大進(jìn)展，并且研制出相應(yīng)的數(shù)控NC設(shè)備。,由上述可見(jiàn)，數(shù)控機(jī)床的問(wèn)世解決了傳統(tǒng)工藝難以解決的復(fù)雜零件加工問(wèn)題，它通過(guò)自動(dòng)化加工手段，改變了傳統(tǒng)工藝制造周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低的局面。同時(shí)，數(shù)控柔性化加工設(shè)備能夠滿足多品種、小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化，大大提高了對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)能力。,a)非圓截面車(chē)削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡,非圓截面零件車(chē)削加工如右下圖所示，工件的橫截面形狀確定了刀具的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。加工過(guò)程中，車(chē)刀刀尖距工件回轉(zhuǎn)中心的距離x(t)必須滿足下列公式時(shí)，才能加工出所需的非圓截面形狀。,非圓車(chē)削加工,b)非圓截面零件數(shù)控車(chē)削關(guān)鍵技術(shù)分析,要實(shí)現(xiàn)非圓截面零件的數(shù)控車(chē)削加工，必須解決以下關(guān)鍵技術(shù)： 1)高速響應(yīng)高精度伺服進(jìn)給裝置 所謂高速響應(yīng)高精度伺服進(jìn)給裝置是指截止頻率在200Hz以上，滿足非圓數(shù)控車(chē)削的高精度進(jìn)給裝置。若用普通步進(jìn)伺服或交、直流伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為非圓車(chē)削進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須將這類電機(jī)所輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)特定的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，例如滾珠絲桿螺母，這些機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)附加的運(yùn)動(dòng)慣量較大，給機(jī)床高速往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶來(lái)困難，而且存在著傳動(dòng)誤差和反向間隙誤差，從而影響工件的車(chē)削加工精度。此外，目前現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)的角加速度尚不能滿足非圓截面零件高速切削的要求。因而，高速響應(yīng)高精度伺服進(jìn)給裝置是實(shí)現(xiàn)非圓截面零件的數(shù)控車(chē)削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。,2)帶有電子凸輪功能的數(shù)控系統(tǒng)以及相關(guān)的專用軟件 數(shù)控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工自動(dòng)化，解決復(fù)雜形狀零件的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)的重要手段，也是當(dāng)今機(jī)械制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、自動(dòng)化的必經(jīng)之路。利用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行零件的加工，可以獲取零件的高精度、高柔性和高效率。對(duì)于非圓截面零件的加工，除了通常的數(shù)控系統(tǒng)功能之外，還要求數(shù)控系統(tǒng)具有電子凸輪功能以及進(jìn)行非圓截面零件車(chē)削的專用軟件系統(tǒng)，以保證刀具的進(jìn)給與工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)控制，獲得所需形狀的零件。,3)高剛性和高精度的機(jī)床結(jié)構(gòu) 在切削加工過(guò)程中，機(jī)床本身的運(yùn)動(dòng)精度、幾何精度以及機(jī)械系統(tǒng)的剛性都將直接或間接地影響非圓截面零件的加工質(zhì)量。要獲得較高的零件加工精度，首先需要保證機(jī)床本身的精度和系統(tǒng)剛性。,在活塞加工技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)方面，我國(guó)自主研制了活塞專用數(shù)控機(jī)床，其中包括活塞中凸變橢圓數(shù)控車(chē)床、活塞圓柱孔及異型銷(xiāo)孔精密數(shù)控鏜床、多工序組合數(shù)控加工專用機(jī)床等。,凸變橢圓數(shù)控車(chē)床,STC3675 數(shù)控活塞外圓車(chē)床,1.概述,連桿是內(nèi)燃機(jī)中重要的傳動(dòng)零件之一，其作用是連接活塞與曲軸，將作用在活塞上的力傳給曲軸，使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)外輸出做功。連桿小端工作時(shí)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，因此連桿的受力情況十分復(fù)雜。,三、連桿,2.構(gòu)造與要求,連桿部件由連桿體，連桿蓋和螺栓、螺母等組成，如右圖所示。,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，連桿要承受膨脹氣體交變壓力和慣性力的作用，連桿除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)盡量減小連桿自身的重量，以減小慣性力。連桿自身的橫截面為工字形，從大頭到小頭尺寸逐漸變小。,(1)小頭襯套底孔的精度為7級(jí)公差等級(jí)，表面粗糙度值不大于Ra1.6m。小頭襯套孔相當(dāng)于6級(jí)公差等級(jí)，表面粗糙度值不大于Ra0.8m，常按孔徑用分組互換法與活塞銷(xiāo)分組裝配，孔的圓柱度在直徑公差的一半以內(nèi)。 (2)在大頭孔中直接澆鑄巴氏合金者，大頭底孔為9級(jí)公差等級(jí)，采用厚壁軸瓦者，大頭底孔為8級(jí)公差等級(jí)；采用薄壁軸瓦者，大頭底孔則為6級(jí)公差等級(jí)，其圓柱度在直徑公差的23以內(nèi)，表面粗糙度值為Ra0.8m。 (3)大、小頭孔軸線的平行度誤差會(huì)使活塞在氣缸中傾斜，造成氣缸壁磨損不均勻，并使曲柄銷(xiāo)產(chǎn)生邊緣磨損，所以平行度的允差較嚴(yán)，一般規(guī)定為不大于0.03100mm。大、小頭孔軸線的扭曲度對(duì)不均勻磨損的影響較小，一般規(guī)定扭曲度不大于0.06100mm。大、小頭孔軸心距的允差影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，其允差為 0.030.05mm。,連桿的主要技術(shù)要求如下：,(4)大頭孔兩端面對(duì)大頭孔軸線的垂直度一般規(guī)定不大于0.1100mm。端面表面粗糙度值一般為Ra0.8m。 (5)兩螺栓孔軸線對(duì)大頭接合面的垂直度應(yīng)不大于0.15100mm。大頭接合面對(duì)連桿螺栓導(dǎo)孔或螺紋孔中心線的垂直度應(yīng)不大于0.10100m m，否則會(huì)使連桿螺栓的受力情況惡化，以致連桿蓋與體結(jié)合不好，軸瓦與曲軸銷(xiāo)產(chǎn)生不均勻磨損。 (6)連桿總成的重量與整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上的一組連桿的重量差，應(yīng)符合產(chǎn)品圖紙的規(guī)定。某些高速汽油機(jī)對(duì)連桿大頭重量和小頭重量也分別加以規(guī)定。,連桿是內(nèi)燃機(jī)中承受負(fù)荷最嚴(yán)重的零件之一，工作時(shí)同時(shí)承受著活塞傳來(lái)的氣體壓力、往復(fù)慣性力和它本身擺動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力的作用，這些力的大小和方向周期性變化。在長(zhǎng)期使用中，連桿會(huì)因活塞的劇烈推力和曲軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)等因素，出現(xiàn)彎曲和扭曲現(xiàn)象。連桿一旦出現(xiàn)彎曲和扭曲，除了會(huì)使活塞拉缸外，還會(huì)致使活塞、氣缸、.曲軸等機(jī)件出現(xiàn)不正常的磨損，并很容易引起疲勞破壞而斷裂，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，直接關(guān)系到使用人的安全，造成極嚴(yán)重的后果。,3.工況與受力,可采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)連桿進(jìn)行強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)特性分析。,連桿的有限元模型,大頭端受壓工況下的約束和載荷,大頭端受壓工況下的應(yīng)力分布云圖,大頭端受壓工況下的變形云圖,小頭端受壓工況下的變形云圖,小頭端受壓工況下的應(yīng)力分布云圖,連桿的一階振型（XOY平面內(nèi)一彎振動(dòng)）,連桿的二階振型（ XOZ平面內(nèi)一彎振動(dòng)）,連桿的三階振型（在YOZ平面內(nèi)二彎振動(dòng)）,連桿的四階振型（在XOZ平面內(nèi)二彎振動(dòng)）,連桿的五階振型(彎扭振動(dòng)),連桿的六階振型(彎扭振動(dòng)),4.特點(diǎn)與工藝,連桿材料一般采用45號(hào)鋼(精選含碳量為0.420.47)或40Cr鋼等，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理以提高強(qiáng)度和抗沖擊能力，一般采用模鍛。近年來(lái)，我國(guó)有些工廠也逐漸用球墨鑄鐵制造連桿。,連桿由連桿體、連桿蓋和螺栓、螺母等組成。連桿小頭孔中壓入青銅襯套，大頭孔內(nèi)裝有軸瓦。連桿體與連桿蓋必須牢固結(jié)合、準(zhǔn)確定位，一般是用精制螺栓或定位套定位，國(guó)外常用齒形凸肩定位。有些連桿在大、小頭的外側(cè)面有定位用的工藝凸臺(tái)，便于基準(zhǔn)的統(tǒng)一。 連桿的主要加工面是大、小頭孔，大、小頭端面，大頭接合面及連桿螺栓孔等。,連桿的工藝特點(diǎn)是：外形復(fù)雜，不易定位；剛度差，容易變形；尺寸精度、形狀精度位置精度及表面粗糙度要求很高。 連桿的機(jī)械加工主要是大、小頭孔的加工，最難達(dá)到的技術(shù)要求是大、小頭孔軸線的平行度和扭曲度的要求。,(1)應(yīng)符合“基準(zhǔn)統(tǒng)“一”原則，盡量避免基準(zhǔn)的更換，以減少定位誤差。 (2)工件夾緊點(diǎn)要選擇在剛性較好的部位。 (3)設(shè)計(jì)工藝用定位凸臺(tái)，作為輔助基準(zhǔn)。例如，為了保持大、小頭的兩端面粗加工時(shí)對(duì)稱分布于工字形中間平面，有時(shí)在連桿毛坯預(yù)先鍛出幾個(gè)位于大、小頭分模面的橫筋臺(tái)，作為粗基準(zhǔn)。又如為了使大、小頭孔軸線位于桿身的對(duì)稱中心線上，或兩螺栓孔和兩螺栓平面對(duì)稱分布于桿身對(duì)稱中心線的兩例，常在連桿大、小頭的側(cè)面設(shè)置經(jīng)過(guò)加工的定位凸臺(tái)或圓弧面，作為輔助基準(zhǔn)。 (4)要求較高的表面可按粗加工、半精加工、精加工等階段分別進(jìn)行，在粗、精加工之間可安排其它表面的加工，以保證工件有充分變形的時(shí)間，在以后的精加工中即能消除這些變形的影響。,在確定連桿的工藝過(guò)程時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：,連桿體零件圖,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿機(jī)械加工工藝過(guò)程,技術(shù)要求 1. 鍛造抽模角70； 2. 連桿蓋全部表面上不得有裂縫、迭縫、痕皮、發(fā)裂、碰痕、毛刺、氧化皮及腐蝕現(xiàn)象； 3. 連桿蓋上不得有因金屬末充滿鍛模而產(chǎn)生的缺陷，不允許焊補(bǔ)修整，不得有縮孔、氣泡、分層，裂縫及非金屑夾渣； 4. 鍛件需要磁力探傷并退磁，調(diào)質(zhì)處理后，硬度為223262HBS； 5. 連桿蓋成品的金相顯微組織應(yīng)為細(xì)致均勻索氏體組織，鐵素體僅允許以細(xì)微顆料狀態(tài)存在； 6. 連桿益表面脫碳層厚度應(yīng)不大于0.4mm； 7. 鍛件需經(jīng)噴丸處理,連桿蓋零件圖,目前，國(guó)外對(duì)連桿對(duì)分離面的最新加工方法是脹斷工藝。利用初始的人為的斷裂源(用拉刀加工V型槽或用激光加工V型槽)，再用一個(gè)脹開(kāi)裝置將大頭孔沿V型槽處斷開(kāi)。斷開(kāi)后的連桿體、蓋分離面具有完全嚙合的犬牙交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)，能保證分離面精確吻合，同時(shí)簡(jiǎn)化了連桿螺栓孔的加工工序，節(jié)省材料、人工和設(shè)備，且效率高，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但一次性投資較大，且對(duì)連桿的材料要求高。,連桿加工工藝中的新技術(shù),