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活塞机械加工工艺及夹具设计

摘 要：本设计经过对内燃机铝活塞加工技术发展、活塞工作环境和结构特点分析，确定了活塞加工过程及加工方案，其中关键包含：生产纲领和生产类型确实定、材料选择、毛坯制造方法、机械加工余量确实定、各加工工序切削用量确实定、工序时间计算和工序卡片编制。最终，深入选择并设计了两套经典机床夹具，精镗销孔夹具设计和钻油孔夹具设计，其中关键包含：定位方案和夹紧方案设计，分度装置设计、两套夹具工作原理和在夹具设计过程中应该注意问题。经过设计分析和论证，活塞工艺设计和夹具设计是可行。
关键词：活塞、工序、机床夹具、机械加工、定位夹紧、分度装置

Design of the Machining Process
on the Piston and Fixture
Student：Guo Wei
Tutor：Dong Liang
(College of Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Abstract :In the paper of this graduation design ,through the comprehensive explication of the developing of aluminum piston of the internal-combustion engine whose the machining technologies,the surrounding of working and the analysis of structural of the piston.It is conformed the technology process and arrange for process of piston. It mainly includes:produce outline and produce type to be conformed,choose material,the manufacturing method of the semi-finished product of material,the amount of remaining of machine process to be conformed ,the cutting dosage of each process to be conformed,calculated the working procedure time and draw up the working procedure.Lastly,chose and designed two sets of typical model of tool machine tongs,designed the tongs of drilling the oil bore and designed the tongs of the milling machine.It mainly includes among them:the position project and the pressure designed,the cet degree design,two sets of wrok principles of tongses and what we must be notice in the process of the piston design.Through the analysis and argument,the arts and crafts design and the tongs design of the piston is viable.
Keywords : piston; porking procedure; machine tongs; manufacture process technology; locating and clamping; indexing device

1 绪 论
1.1 本课题研究意义，中国外研究现实状况、水平和发展趋势
活塞是发动机中关键零件之一。它在工作时承受发动机汽缸内高温气体压力，并经过活塞销、连杆将压力传给曲轴。所以活塞是在高温、高压和连续变负载下工作。
发动机活塞材料为铝合金，它导热性好、重量轻、惯性力小，并含有很好切削加工性。铝活塞毛坯采取金属模浇铸。毛坯精度较高，活塞销孔也能铸出，所以机械加工余量能够对应地降低。毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，以消除铸造时因冷却不均匀而产生内应力。
1.2 本课题基础内容，估计可能碰到困难，处理问题方法和方法
本课题基础内容是某活塞机械加工工艺及其夹具设计，要研究关键内容有：
1）设计开始过程中，我们应该认真分析零件图，了解要加工零件结构特点和相关技术要求，对活塞每一个细节，全部应仔细分析，如活塞加工表面平行度、同轴度、粗糙度等，尤其是要注意各部分本身精度（同轴度、圆度、粗糙度）和它们相互位置精度（轴线之间平行度、垂直度和轴线和平面之间平行度、垂直度等要求），该加工零件各孔尺寸是整个设计加工关键，必需弄懂其每个尺寸意义。我们采取AutoCAD软件绘制零件图，首先增加对零件了解认识，其次增加我们对AutoCAD软件熟悉。
2）活塞加工工艺过程是整个设计关键内容，在设计过程中，我们必需严格地选择毛坯、制订工艺规程、确定加工余量、计算工艺尺寸、计算工时定额和定位误差分析，为了和实际加工相吻合，我们还必需对加工设备、切削用量、加工装备等进行选择和设计，这个阶段内容较多，包含范围也比较广，为了设计参数合理，我们必需广泛查阅相关书籍，达成设计合理性和实用性。
3）为了工件定位正确和夹紧快速，提升效率和降低工人劳动强度，提升零件加工精度和安装找正方便，我们要采取专用夹具。在夹具设计过程中，我们统一采取以端面和止口为关键定位面来进行加工。因为我们未学习过夹具设计和计算。所以工作量大大地增加了，只有经过在实习过程中对夹具感性认识和夹具设计参考书和夹具图册来进行设计和计算。所以，夹具设计是整个设计关键，也是一个难点。
夹具设计必需要确保夹具定位正确和机构合理，考虑夹具定位误差和安装误差。我们将经过对工件和夹具认真分析，结合部分夹具具体设计事例，查阅相关夹具设计资料，联络在工厂看到部分活塞加工夹具来处理这些问题。
1.3 本课题采取研究手段和可行性分析
依据活塞零件特点，活塞加工不宜采取工序集中标准，通常采取工序分散标准来安排加工次序，因为活塞加工通常为大批生产，加工要求较高，且刚性较差，所以加工应划分阶段，尽可能将粗、精加工分开进行。逐步提升定位基准精度和加工表面精度。
在加工发动机活塞零件工艺过程中，我们必需确保其各部分加工精度和和连接部件装配精度，其关键技术要求以下：
1）裙部外圆要求和汽缸精密配合，尺寸公差为6级精度等级，表面粗糙度
Ra0.63um。
2）为了使活塞销工作时能在空中自由转动，活塞销孔尺寸公差为6级以上精度、表面粗糙度Ra0.16um、圆度公差0.0015mm、孔圆柱度公差0.003 mm。
3）为了使活塞销和销孔受力均匀，降低不均匀摩擦，活塞销孔对裙部轴线必需垂直，在100 mm长度上公差为0.035mm，对称度为0.2 mm。
4）销孔轴线到顶面距离为56，上下偏差为+0.08 mm，-0.08 mm。
5）为使活塞环能随气缸套孔径大小而自由地涨缩，环槽宽度尺寸、表面粗糙度及对裙部外圆轴线位置也有较高要求。 [1]
2 活塞结构特点
2.1 活塞工作环境及承受作用力
活塞在气缸内工作时，混合气在燃烧室内燃烧时产生温度超出890摄氏度；活塞高速运动时其加速度达成25000～70000m/s；四冲程发动机工作时活塞顶部中心温度在330摄氏度左右，二冲程发动机则为400到450摄氏度。由此可见，活塞是在一个高温环境中工作。在发动机汽缸内，活塞在一部分工作循环压缩气体，而在另一部分工作循环，汽缸内混合气体燃烧膨胀，活塞承受高温气体压力，并把压力经过活塞销、连杆传给曲轴。可见活塞是在高温高压下作长时间变负荷往复运动，活塞结构就要适应这么工作条件。
2.2 活塞结构特点
活塞顶面用于承受高温气体压力,在活塞外圆表面上有三个环槽，离顶面最远一个环槽是油环槽，槽内装有油环，将气缸壁上多出润滑油刮去，第一环为气环槽 ，用于安装气环，密封燃烧工质，第二环为扭曲环。活塞环上部分称为头部，其它部分称为活塞裙部。
活塞采取ZL101铝铜合金材料铸造，它由顶部、头部、裙部三部分组成。头部呈圆锥体，裙部呈椭圆，顶部为ω形；头部有三道环槽，上面两道安装气环，下面一道安装油环；油环底部分布着两排回油孔，油槽下面还有一排油孔；活塞头部从上至下呈圆锥体，裙部呈椭圆，内腔复杂，壁厚较均匀。

图1 活塞简图
Fig 1 Piston sketch figure
图1所表示，平面1称为活塞顶面，它承受气体压力，并受到高温气体直接作用。两个环行槽2称为环槽，其中靠近顶点二个环槽称为气体槽，在气体槽中放置有弹性活塞环，用以密封活塞顶面以上燃烧室；离顶面最远一个环槽称为油环槽，在油环槽中放置油环（或称刮油环），它把飞溅到气缸套内壁上多出润滑油刮去，使油从油环槽小孔3中流回曲轴箱。包含顶面和环槽在内部分4称为活塞头部。其它部分5称为活塞裙部，在活塞工作过程中起导向作用。活塞中间贯穿孔6称为活塞销孔，活塞孔两端有锁环槽。图中标号7是一个短圆柱面和圆锥面组合，通常称为止口。它是专为加工活塞而设置辅助基准面，在结构上和功效上没有作用。[2]
活塞在工作过程中易产生受力变形和热变形。图2所表示,活塞曲顶面受到汽缸内气体压力作用,产生弹性变形.因为活塞裙部在圆周方向刚性不一样,在销孔轴线方向弹性变形量比垂直于该方向弹性变形量大,使活塞裙部在受力后变成椭圆。其次,活塞顶部和高温气体接触,热量经过活塞顶部传到活塞裙部,温度升高产生热变形。因为活塞裙部圆周上金属分布不均匀，销孔轴线方向金属厚，热膨胀量大；垂直于销孔轴线发向热膨胀量小。从而使活塞裙部因为热变成椭圆，图2虚线所表示。

图 2 活塞在工作中变形
Fig 2 Deformation of the piston at work
所以不管是受力变形或热变形全部使原来圆柱形裙部变成椭圆形，椭圆长轴在活塞销孔轴心线方向上。这么，比然使活塞和汽缸间隙不均匀地降低甚至消失，以至于发生强烈磨损甚至咬住。为了赔偿上述变形，由活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆长轴在垂直于活塞销孔轴心线方向上，并在活塞裙部销孔周围铸出两块凹吭，增加裙部和汽缸内壁间隙。椭圆度大小随活塞型号不一样。在活塞上，椭圆长轴和短轴要控制在离圆位置4.3°以内，相互位置误差在4.3°以内。[3]
另外，活塞工作时，顶面和高温气体直接接触，热量由头部传到裙部，头部温度高，热膨胀量大；裙部温度低，热膨胀量小。为了赔偿这种不均匀热变形，把活塞头部外径设计比裙部小，同时活塞裙部也设计成上小下大锥形。活塞裙部锥度是0.015～0.040mm。
为了降低向裙部传导热量，在活塞（关键是高速内燃机用活塞）上铣有横槽，以降低向下传热面积。在活塞上还铣有纵向槽（稍斜）以增加活塞裙部弹性（横向槽也有类似作用）。为了活塞气密性和耐磨性，增加其寿命，在气环槽下镶嵌一高镍铸铁环。使铸铁热膨胀系数更靠近ZL101，方便满足零件要求。
活塞销孔内装活塞销和连杆小头孔相连接。为了使活塞销磨损均匀，在工作温度下，应使活塞销在活塞孔及连杆小头衬套孔中能自由转动，即所谓“浮动式”活塞销。为了避免活塞销在工作过程中轴向窜动，在锁环槽中装有锁环。[4]
3 活塞工艺规程制订
3.1 制订机械加工工艺规程原始资料及活塞工艺分析
3.1.1 产品零件图(见图纸)
3.1.2 产品验收质量标准
活塞技术要求已由国家科委制订了国家标准，对各部分尺寸公关、形状和位置公差和表面粗糙度全部有具体要求，现采取JB3931—85标准说明以下：
(1) 活塞裙部外圆要求和气缸很精密配合，所以裙部外圆尺寸公差通常为IT6，对于高速内燃机要达IT5。为了降低机械加工困难，将活塞裙部和气缸套孔径制造公差放大三倍，装配时将活塞按裙部尺寸分为三组，气缸套按孔径尺寸分成三组，对对应组进行装配，以确保达成要求间隙。裙部椭圆度和锥度公差在分组尺寸公差范围内。裙部外圆粗糙度Ra≤0.63μm。[5]
(2) 对于浮动式活塞销孔，为了使活塞在工作过程中能在孔中自由转动，销孔尺寸公差IT6级以上。为了降低机械加工工作量，活塞销孔和活塞销装配也采取分组装配法，当销孔内圆表面粗糙度Ra≤0.16。
(3) 活塞销孔位置公差要求以下：
a. 销孔轴心线到顶面距离影响气缸压缩比，影响发动机效率，对于此活塞这一距离为56±0.08mm。
b. 销孔轴心线对裙部轴心线垂直度过影响活塞销、销孔及连杆受力情况。垂直度误差过大将使活塞销、销孔及连杆单侧受力，活塞在气缸中倾斜，加剧磨损，垂直度在100mm长度上为0.030mm。
c. 销孔轴心线在裙部轴心线对称度误差也会引发不均匀磨损，对称度公差为0.030mm。
(4) 为了使活塞 环能随气缸孔径大小改变而自由地胀缩，对活塞环槽作下列要求：
a. 活塞环平面母线对裙部轴线垂直度，且在25mm长度上为0.06mm。
b. 活塞环槽平面对裙部轴线圆跳动为0.04mm。
c．环槽宽度尺寸公差为0.015～0.035mm
d.活塞环槽上下面平面粗糙度Ra≤0.63μm。
(5) 为了确保发动机运转平稳，同一发动机各活塞重量不应相差很大，重量差不得大于名义重量2.2％。活塞按重量分组装配。[6]
Error! No bookmark name given.3.1.3 产品生产纲领和生产类型
生产纲领是企业在计划期内应该生产包含备品和废品在内年产量。可按下式计算:
( 1 )
式中：——零件年生产纲领（件／年）；
　　——产品年产量（台／年）；
　　——每台产品中，该零件数量（件／台）；
　　——备品率；
　　——废品率；
依据零件易磨损和损坏程度，备品率定为2.8 %-4.7 %，现取4%，此活塞属于机械零件，通常废品率取1 %。
故 ＝ 6 × 1 ×（1 + 4 %+ 1 %）
＝6.3　　（万件）
生产类型是企业生产专业化程度分类，通常分为大量生产、成批生产和单件生产三种类型。其中成批生产又能够分为大批生产、中批生产和小批生产。
依据《机械制造工艺设计简明手册》中查得：本产品属于轻型机械，且生产纲领为6.3万台，远远大于5万台，所以此活塞生产属于大量生产。结合活塞加工JB3931--85标准其工艺过程关键特点为:
(1) 工件含有交换性,装配采取分组选择装配法。
(2) 铸件广泛采取金属模机器造型高生产率毛坯制造方法，毛坯精度高，加工余量小。
(3) 广泛采取高生产率专用机床及自动机床，按流水线形式排列。
(4) 广泛采取高生产率刀具、夹具和量具。
(5) 对操作工人技术要求较低，对调整工人技术要求较高。
(6) 必需制订具体工艺规程。[7]
3.2 活塞材料及毛坯制造
铸造铝合金按化学成份可分为：铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。
3.2.1 材料选择
采取高碳合金工具钢整体淬火活塞，在工作中和钎杆接触平面不变形，不易产生裂纹，而采取低碳合金钢渗碳淬火活塞，在工作中和钎杆接触平面易产生变形（平面凹陷）和裂纹，假如裂纹扩大，就会产生断裂使活塞报废。
在高速柴油机中，为了降低往复直线运动部分惯性作用,全部采取了铜硅铝合金作为活塞材料。在低速、重负荷、低级燃料发动机中，有时用铸铁作为活塞材料。在汽车工业中极少用铸铁活塞。
铜硅铝合金比铸铁含有下列优点:
(1) 导热性好,使活塞顶面温度降低较快，能够提升发动机压缩比，又不至于引发混合气体自燃，所以能够提升发动机功率；
(2) 重量轻,惯性力小；
(3) 可切削性好。但它也有部分缺点:
a. 材料价格比较贵；
b. 热膨胀系数大,约为铸铁两倍；
c. 机械强度及耐磨性较差。
但总来说,铝合金优点超出缺点，所以在高速内燃机中全部用它。而且耐磨性方面能够经过镶嵌一高镍铸铁环来提升其气密性和耐磨性，增加其寿命。
3.2.2 毛坯选择
选择毛坯应考虑原因：
(1）零件力学性能要求 相同材料采取不一样毛坯制造方法，其力学性能有所不一样。铸铁件强度，离心浇注、压力浇注铸件，金属型浇注铸件，砂型浇注铸件依次递减。
(2）零件结构形状和外轮廓尺寸 形状较简单、壁厚均匀毛坯可采取金属型铸造。
(3）生产纲领和批量 生产纲领大时宜采取高精度和高生产率毛坯制造方法。(4）现场生产条件和发展 应经过技术经济分析和论证。
从生产批量来看，此零件属于大批量生产，宜采取精度和生产率高毛坯制造方法，以降低材料消耗和机械加工工作量。可考虑用金属铸造、熔模铸造、模锻、精锻等方法取得毛坯；从零件结构来看，因为此零件属于外形较复杂小型零件，而且它壁厚不算薄。故能够考虑采取压铸、金属铸造、熔模铸造等精密铸造方法。同时能够降低切削加工或不进行切削加工；从毛坯制造方法来看，铸铝和铸铜等有色金属材料适适用铸造方法取得毛坯；从铸铝件力学性能来看，可采取金属型铸造铸件、金属型浇注铸件、砂型浇注铸件，且强度依次递减,毛坯质量依次降低。
总而言之，该活塞零件材料选择ZL101，该材料成份及性能见表1，毛坯采取金属型铸造。用金属型铸型，在重力下浇注成型。对铝合金铸件有细化组织作用，生产率高，无粉尘，不过设备费用高，手工操作时，劳动条件差。铸件表面粗糙度Ra12.5～6.3μm，结晶细，加工余量小。适适用于成批大量生产。[8]
3.2.3 铸造斜度
(1) 铸造斜度大小按下列标正确定：金属收缩阻力大时，斜度应大；收缩量大和熔点高合金，斜度应大；铸件需要拔模部分尺寸大时，斜度应小，反之斜度应大。
(2) 铸件上各面斜度数值应尽可能一致，方便于制造模具及造型。待加工表面
斜度数值能够大部分。
表 1 铸铝101成份及性能
Tab 1 Composition and properties of cast aluminum 101

合金代号
关键化学成份/％
铸造方法

用途
Si
Cu
Mg
Zn
MPa
%
铝硅合金
ZL101
6.5～7.5
＜0.1
0.25～0.45
＜0.1
J,T5
202
2
形状复杂砂型、金属型和压力铸造零件
表 2 多种铸造方法最小铸造斜度
Tab 2 Casting method of casting a variety of slope
斜度位置
铸造方法

砂型
金属型
壳型
压铸
外表面
0°30ˊ
0°30ˊ
0°20ˊ
0°15ˊ
内表面
1°
1°
0°20ˊ
0°30ˊ
3.2.4 铸造圆角及半径
表 3 铸造圆角
Tab 3 Casting corner
铸造方法
铸造圆角计算公式
最小圆角半径（mm）
铝合金
镁合金
铜合金
锌合金
黑色金属
金属型铸造

1
2
2
—
2
(1) 铸件壁部连接处内转角应有铸造圆角。
(2) 依据铸造圆角计算公式算出数值后，应选择和其靠近机械制造业常见标准尺寸（详见GB2822—81）。为便于制造，半径应尽可能统一。在此，对于金属型铸件通常统一便用R3或R5。[9]
3.2.5 确定机械加工余量
铸锻件机械加工余量按JB3735-85确定，确定时，依据估算锻件重量、加工精度及锻件形状复杂系数，由《简明机械加工工艺手册》查得：金属型铸件尺寸公差等级为6～8级。可查得：
(1) 外圆加工余量为4.0mm。
(2) 销孔加工余量为3.0mm。
其它表面加工余量由零件尺寸决定(图3所表示):

图 3 活塞毛坯图
Fig 3 Piston rough figure
3.2.6 毛坯制造方法及工艺特点
金属型浇注结构紧密，能承受较大压力，其生产率较高，适适用于铁碳合金、有色金属及其合金大批大量生产。金属型铸造许可毛坯最大质量为110kg，毛坯最小壁厚为1.5mm，形状复杂程度通常，精度等级CT要求为6～8级，毛坯尺寸公差为0.09～0.47，表面粗糙度为Ra为12.5～6.3μm，加工余量等级为F。
3.3 基准选择
3.3.1 定位基准选择
定位基准选择通常标准:
a. 选最大尺寸表面为安装面，选最长距离表面为导向面，选最小尺寸表面为支承面。
b. 首先考虑确保空间位置精度，再考虑确保尺寸精度。
c. 应尽可能选择零件关键表面为定位基准。
3.3.2 粗基准和精基准选择
(1) 粗基准选择除了应考虑以上通常标准外，还必需考虑以下多个标准：
a. 尽可能选择不加工表面作为粗基准，假如在工件上有很多不需加工表面，则应以其中和加工面位置精度要求较高表面作为粗基准。
b. 选择加工余量均匀表面作为粗基准。
c. 选择加工余量较小表面作为粗基准。
d. 选作粗基准表面应平整，没有浇口、冒口、飞边等缺点，方便定位可靠。
e. 粗基准通常只能使用一次，尤其是关键定位基准，以避免产生较大位置误差。
(2) 依据上述选择粗基准基础标准，综合以上各个标准并考虑活塞实际情况选择加工粗基准以下：
a. 以活塞毛坯内腔为粗基准加工外圆和端面,再以外圆为基准加工精基准止口。因为粗车后外圆面是加工余量小、较正确、光洁、面积较大平面，而且它也是一个关键表面，它余量比较均匀。
b. 直接以活塞毛坯外圆和端面为粗基准加工精基准止口,因为活塞毛坯加工是采取金属型铸造，其铸造精度较高，加工余量小且余量均匀，以其作为粗基准一样能够满足加工要求。
（3）精基准选择：
和粗基准一样，精基准选择除了要考虑通常标准外，还有它本身应该注意问题：
a. 尽可能用设计基准作为定位基准，实现“基准重合”，以避免产生基准不重合误差。
b. 当工件以某一组精基准定位能够较方便地加工很多表面时，应尽可能采取此组精基准定位，实现“基准统一”，以避免产生基准转换误差。
c. 当精加工或光整加工工序要求加工余量尽可能小而均匀时，应选择加工表面本身作为精基准，即遵照“自为基准”标准。该加工表面和其它表面间位置精度要求由先行工序确保。
d. 为取得均匀加工余量或较高位置精度，可遵照“互为基准”、反复加工标准。
e. 有多个方案可供选择时，应选择定位正确、稳定、加紧可靠，可使夹具结构简单表面作为精基准。
那么依据以上各个标准，结合实际情况对精基准选择以下：
活塞是一个薄壁零件,在外力作用下很轻易产生变形。活塞关键表面尺寸精度和形位精度要求全部很高,所以期望以一个统一基面定位来加工这些要求高表面。现在生产活塞工厂大多采取止口和端面做为统一基准。止口是专门为加工活塞而设置辅助基准面，在结构上和功效上没有任何作用。在精加工时,除精车外圆等少数工序用止口处锥面和顶面上中心孔定位,其它工序全部采取止口和端面定位。
采取止口和端面（或锥面和中心孔）作为基面有下列优点：
a. 用这种定位方法能够加工裙部、头部、顶面、销孔等关键表面及其它次要表面。在一次安装中可车削多个表面，既提升了生产率，又能确保这些表面位置精度。
b. 活塞裙部在半径方向刚性差，利用止口和端面（或锥面和中心孔）定位能够沿活塞轴向夹紧，就不致引发严重变形，从而能够进行多刀切削。
3.4 确定工艺路线
机械加工工艺路线最终确定，通常要经过一定范围论证，即经过对几条工艺路线分析和比较，从中选出一条适合本厂条件、确保加工质量、高效和低成本最好工艺路线。下面将从以上多个方面来确定活塞机械加工工艺路线。
3.4.1 加工方法确实定
零件表面加工方法选择应考虑问题:
（1）零件表面加工方法，关键取决于加工表面技术要求。这些技术要求还包含因为基准不重合而提升了对作为精基准表面技术要求。依据各加工表面技术要求，首先选择能确保该要求最终加工方法，然后确定各工序、工步加工方法。
（2）选择加工方法应考虑每种加工方法加工经济精度范围；材料性质及可加工性；工件结构形状及尺寸大小；生产纲领及批量；工厂现有设备条件等。
(3) 加工经济精度分析。多种加工方法所能达成加工经济精度和表面粗糙度全部是在一定范围内。任何一个加工方法只要精心操作、细心调整、选择适宜切削用量，其加工经济精度就能够得到提升，其加工表面粗糙度值就能够降低。不过加工经济精度提升得愈高，表面粗糙度值降低得愈小，则所消耗时间和成本也会愈大。
生产上加工经济精度高低是用其能够控制加工误差大小来表示。加工误差小，则加工精度高；加工误差大，则加工精度低。通常来说，加工误差和加工成本之间成反百分比关系。
能够看出：对一个加工方法来说，加工误差小到一定程度，加工成本提升很多，加工误差却降低得极少；加工误差大到一定程度以后，即使加工误差增大很，加工成本降低得极少。 所以所谓加工经济精度是指在正常加工条件下所能确保加工精度和表面粗糙度。
（4）材料性质及可加工性。本零件材料采取ZL101，它化学成份是:Si6.5～7.5％,Cu＜0.1%,Mg0.25~0.45%,Zn＜0.1%,其它为Al。这种材料工艺性能以下：
a. 切削性能：ZL101硬度为100HB，为易切削材料。
b. 热处理性能：铝活塞毛坯在机械加工前要切去浇冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而产生内应力。时效处理是将活塞加热至210～240℃，保温7～9h后，自然冷却，活塞经过时效处理后能增加强度和硬度。
(5) 生产率要求。本活塞零件生产类型属于大批大量生产。所以对生产率要求就相正确比较高。
综合以上几点，再考虑工厂工艺能力和现有设备加工经济精度，查《机械加工工艺手册》对拟订本零件加工方法如表4。
3.4.2 加工阶段划分
按加工性质和作用不一样，工艺过程通常划分以下加工阶段：粗加工阶段；半精加工阶段；精加工阶段；光整加工阶段。它们关键工作和要求如表5所表示。
表 4 加工方法拟订
Tab 4 Processing method of preparation
加工步骤
加工方法
外圆加工
活塞裙部外圆精度要求为IT6～IT5，表面粗糙度要求为Ra≤0.63,材料为ZL
这么对于活塞外圆加工选择：粗车——精车——金刚石车椭圆，
这么能够达成粗糙度为Ra=0.8～0.2μm。
端面加工
端面精度要求为IT8级、材料为ZL101，故可采取一次车削完成，这么能达成精度等级为IT8～10，粗糙度为Ra=6.3～1.6μm满足要求。
该零件活塞对于外圆和销孔孔加工质量要求比较高，其它加工质量要求并不高，又毛坯采取金属型铸造精度比较高，加工余量小，故除了外圆加工时安排了粗车，精车，金刚石车，加工销孔时安排了粗镗，精镗和滚压三个加工阶段外，其它工序均安排粗加工、精加工两阶段完成。[10]
3.4.3 加工工序安排
根据加工次序选择标准：
(1）先加工基准面，再加工其它表面。
(2）通常情况下，先加工平面，后加工孔。
续表4
加工步骤 加工方法
止口加工
这个部分表面是为了加工出精基准而加工，粗糙度要求不是很高，为Ra≤1.25μm，精度要求为IT7，故可采取两次车削完成，即采取粗车——精车加工方法,这么能达成精度等级为IT8～7，粗糙度为=3.2～0.8μm满足要求。

销孔加工
销孔表面精度要求为IT6以上，要求较高，粗糙度Ra≤0.16μm，故考虑采取。粗镗——精镗—滚压加工方法，这么能够达成精度等级为IT6～IT7，粗糙度为Ra=0.4～0.05μm满足要求。
斜油孔加工
斜油孔表面粗糙度也为Ra小于等于12.5μm，它精度要求并不高，且孔径也小于20mm，故它加工方法也能够直接采取钻来实现，精度为IT11-IT12。
直油孔加工
直油孔表面粗糙度也为Ra小于等于12.5μm，它精度要求并不高，且孔径也小于20mm，故它加工方法也能够采取钻来实现，精度也为IT11-IT12。
环槽加工
位置精度要求较高，而尺寸精度要求不是很高，故能够考虑采取粗车——精车完成。精度等级为IT7～8，粗糙度为Ra=6.3～1.6μm满足要求。
头部外圆加工
精度要求为IT8～10，而外圆开始已经进行一次粗车，故能够用一次精车就能够达成要求，这么能够达成精度等级为IT7～IT8，粗糙度为Ra=3.2～0.8μm满足要求。
气门内、外槽
加工
位置精度要求较高，而尺寸精度要求也不是很高，故仍能够考虑采取直接一次铣削完成。精度等级为IT11～12，粗糙度为Ra=12.5～3.2μm满足要求
销孔卡环槽
加工
位置精度要求较高，而尺寸精度要求不是很高，故可在销孔精镗后采取车削完成。精度等级为IT8～10，粗糙度为Ra=6.3～3.2μm满足要求。
表 5 各加工阶段加工要求
Tab 5 The processing requirements of each processing stage
加工阶段
加工要求
粗加工阶段
关键是去除各加工表面余量，并作出精基准，所以这一阶段关键问题是提升生产率
半精加工阶段
在半精加工阶段减小粗加工中留下误差，使加工面达成一定精度，为精加工作好准备
精加工阶段
在精加工阶段，应确保尺寸、形状和位置精度达成图纸要求精度要求和表面粗糙度要求
续表5
加工阶段
加工要求
精密、超精密加工、光整加工阶段
这是对那些要求很高零件安排，是为了达成零件最终精度要求
(3）先加工关键表面，后加工次要表面。[11]
(4）先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
依据活塞零件加工实际情况，本设计确定了两条加工路线来进行比较分析：
方案一：
a. 工艺过程
第一道工序：粗车止口，端面
第二道工序：粗车外圆
第三道工序：粗镗销孔
第四道工序：粗切外圆环槽、顶面
第五道工序：钻直油孔
第六道工序: 钻斜油孔
第七道工序: 去内腔毛刺
第八道工序：精车止口，打中心孔
第九道工序：精车外圆、环槽并倒角
第十道工序：精镗销孔
第十一道工序：切卡环槽
第十二道工序：车椭圆裙部
第十三道工序：铣气门内槽
第十四道工序：铣气门外槽
第十五道工序：滚压销孔
图形见所附机械加工工艺过程卡片。
b. 热处理工序安排：
时效处理：为了消除残余应力，对于尺寸大、结构复杂铸件，需在粗加工之前、后各安排一次时效处理；对于通常铸件在铸造后或粗加工后安排一次实效处理；对于精度高、钢度低零件，在粗车、粗磨、半精磨后需要各安排一次实效处理。
铝合金热处理安排在机加工前，铝活塞毛坯在机械加工前要切去冒口，并进行时效处理，消除铸造时因冷却不均匀而带来内应力。时效处理是将活塞加热至180～200摄氏度，保温6～8h后，自然冷却。活塞经过时效处理后还能增加强度和硬度。
c. 其它辅助工序安排：
检验、检验工序、去毛刺、平衡、清洗工序等也是工艺规程关键组成部分。检验、检验工序是确保产品质量合格关键工序之一，每个操作过程中和操作结束以后全部必需自检。在工艺规程中，下列情况下应安排检验工序：零件加工完成以后；从一个车间到另一个车间前后；工时较长或关键关键工序前后。
故依据以上标准，在零件加工完成后安排一次终验工序。
在工艺过程合适之处安排去毛刺处理。
在工艺过程最终通常安排清洗工序。
表面镀锡：在活塞表面镀锡能够改善活塞早期磨合性，因为锡质地软，亲油性好，能够提升冷开启时活塞抗拉缸性能。
d. 集中和分散：
同一个工件，一样加工内容，能够安排两种不一样形式工艺规程：一个是工序集中，另一个是工序分散。前者是使每个工序中包含尽可能多工步内容，所以使总工序数目降低，夹具数目和工件安装次数也对应降低。后者是将工艺路线中工步内容分散在更多工序中完成，所以每道工序工步少，工艺路线长。它们各有所长。前者有利于确保各加工面间相互位置精度要求，有利于采取高生产效率机车，节省安装工件时间，降低工件搬动次数。以后者可使每个工序使用设备和夹具比较简单，调整、对刀也比较简单，对操作工人技术水平要求比较低。
考虑到此活塞零件结构特点和技术要求、和工厂机床设备、工人技术水平等条件，本设计采取工序相对集中标准，也就是每个工序所包含内容相对较多，所使用工艺设备和装备少，同时选择合理切削用量，降低了工件搬运、装夹等辅助时间，它设备数量少，加工过程中大量使用组合夹具、刀具和机床，生产效率高，厂房占地面积小，总投资少，但该加工方法对工人技术水平要求相对较高，不利于产品快速更新换代，总体考虑还是适合此活塞零件生产加工。[12]
方案二：
a. 工艺过程
第一道工序：粗车外圆、车顶面
第二道工序：粗车止口、打中心孔
第三道工序：粗铰销孔
第四道工序：车环槽及梯形槽
第五道工序：车环槽环岸及其倒角
第六道工序：钻直油孔
第七道工序：钻斜孔
第八道工序：铣气门内槽
第九道工序：铣气门外槽
第十道工序：精车止口
第十一道工序：精车外圆
第十二道工序：精铰销孔
第十三道工序：切卡环槽
　第十三道工序：靠磨椭圆裙部
第十五道工序：细铰销孔
热处理及其它同方案一。
3.4.4 工艺方案比较和技术经济分析
以上两个工艺方案中除了对销孔和裙部椭圆加工方法不太相同之外，其它工序基础上是相同。所以对于这两个方案分析和比较将从工艺方案技术经济特征指标、工艺成本，技术经济对比等各个方面进行。
（1） 产品工艺方案技术特征关键指标：
a. 劳动力消耗率：方案一和方案二相比，工时数和台时数比较少，生产率较高，且能达成精度也较高
b. 设备组成比：两个方案使用设备数量基础相同，只是设备种类稍有不一样。
c. 工艺装备系数：两个方案基础相同。
d. 工艺过程分散和集中程度：本产品属于大批大量生产，且均采取相对集中工艺路线，采取组合夹具、刀具和机床，基础上能够完成生产任务。
e. 金属消耗量：基础相同。
f. 占用生产面积数：两个方案基础相同。
（2） 机械加工工艺过程技术特征指标：
机械加工工艺过程技术特征指标包含：出厂量、毛坯数量、制造毛坯所需金属质量、毛坯净重、毛坯成品率、设备总功率、专用夹具装备系数、量具装备系数、刀具装备系数、操作工人平均等级；钳工修整劳动量及其占机床工作量比列；生产面积总数、总面积、平均每台机床占用生产面积、平均每台机床占用总面积。对于这些指标，两个方案是相同或相近，所以不予分析。
综合以上指标，两种加工工艺方案各方面特征指标基础相同，考虑到方案一加工精度要高于方案二，且方案一加工精度和表面粗糙度又是适中能够达成技术要求。故相比之下，方案一要优于方案二。
（3） 工艺成本分析
当需评选工艺方案均采取现有设备或其投资基础相近时，对加工内容基础相同多个工艺方案经济评选，可采取工艺成本作为衡量多种工艺方案经济性依据。各方案取舍和加工零件年生产纲领有亲密关系，图4所表示。各方案直线交点年产量Nj。由计算可知：
零件整年工艺成本为: