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防止活塞銷冷擠壓工藝中出現(xiàn)流動缺陷的新方法
D.J.Lee ,D.J.Kim, B.M.Kim
精密機(jī)械工程系，研究生院，釜山國家大學(xué)，釜山，韓國
機(jī)械設(shè)計(jì)工程部門，研究生院，釜山國家大學(xué)，釜山，韓國
機(jī)械工程系，工程研究中心，釜山國家大學(xué)，釜山，韓國編號3
Janjeon-董，Kumjeong-顧，釜山609-735，韓國
摘要：
這份報(bào)告主要研究的是作為汽車零部件之一的活塞銷的流動缺陷。在聯(lián)合冷擠壓制活塞銷的工藝中，起皺就是一種流動缺陷，它是由死金屬區(qū)引起的。具有這種缺陷的部件帶有很明顯的外部特征，特征是被一微小而且厚的塊狀物嵌入材料中，這種缺陷對保證尺寸精度和降低材料損失是不利的，活塞銷的這種缺陷對于其強(qiáng)度和疲勞壽命也有不利的影響。因此，在工藝設(shè)計(jì)的早期預(yù)測并防止這種缺陷是非常重要的。防止其產(chǎn)生的最好方法就是通過控制材料流動來限制或減少死金屬區(qū)。有限元模擬分析方法被應(yīng)用于流動缺陷研究分析當(dāng)中，這份研究報(bào)告提出了通過去除死金屬區(qū)防止產(chǎn)生流動缺陷的新工藝方法——有限元分析法。將有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較，結(jié)果表明有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。
關(guān)鍵詞：
流動缺陷；活塞銷釘；材料流動控制；前后雙向冷擠壓；死金屬區(qū)；有限元分析
1、序言
冷加工是一種及其重要而且經(jīng)濟(jì)的加工方法，尤其對于大批量制件的加工，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。由于冷加工具有高的成品率、精確的尺寸精度、良好的表面光潔度，優(yōu)良的機(jī)械加工性和冶金工藝性等優(yōu)點(diǎn)，因此冷加工是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的零件加工工藝。
冷鍛制件廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、摩托車、螺母和螺栓等生產(chǎn)制造。但是，冷鍛制件也有可能產(chǎn)生缺陷，這主要取決于金屬材料的變形過程、成形加工的外部條件和材料的流動方式等?？裳由斓牧鸭y缺陷是由材料的引應(yīng)力狀態(tài)和變形過程引起的；流動缺陷是由不穩(wěn)定的材料流動引起的；低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩擦情況引起的，總之，鍛壓制件的缺陷主要包括兩類，分別是內(nèi)部缺陷和外部缺陷。
這些缺陷危害到產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本，因此，在工藝設(shè)計(jì)中的早期預(yù)防是非常重要的。利用有限元分析法中的不同可用標(biāo)準(zhǔn)來研究大型鍛件的可延伸裂紋缺陷。KIM和KIM對兩道加強(qiáng)筋進(jìn)行冷擠壓件的內(nèi)部和外部缺陷研究，并還在進(jìn)行一種防止產(chǎn)生這些缺陷的加工工藝設(shè)計(jì)。
這份報(bào)告是一份關(guān)于汽車活塞銷產(chǎn)生的缺陷的測試報(bào)告，而這種活塞銷是采用前后雙向聯(lián)合擠壓的方式支撐的。這份報(bào)告中也提出了新的工藝方法可在工藝設(shè)計(jì)的早期防止產(chǎn)生流動缺陷，而這些新工藝方案是通過有限元分析研究得出的，實(shí)驗(yàn)證明，這些新工藝方案是可行的。
2、成形工藝與缺陷形成分析
2.1、成形工藝
活塞銷是汽車零部件當(dāng)中用來連接活塞與曲軸的并傳遞動力的部件，當(dāng)采用冷沖壓制活塞銷時(shí)，設(shè)計(jì)要求必須保證前后雙向沖壓時(shí)具有相同的高度并且不能出現(xiàn)鍛壓缺陷，因?yàn)榛钊N在周期性大載荷作用下工作。制作活塞銷的材料是AISI-4135H合金鋼，它具有如下材料流動性 σ＝768.06*ε0.139 ，潤滑措施是采用潤滑油類的磷鍍在活塞銷表面進(jìn)行潤滑，經(jīng)試驗(yàn)測試摩擦系數(shù)M為0.1。
加工活塞銷釘以前用的是多步驟加工法（如圖3所示），前兩步通過導(dǎo)圓角和沖出非圓形的基準(zhǔn)孔等預(yù)處理工序來減少缺陷的產(chǎn)生，從而可以提高尺寸精度和模具壽命，第三步和第四步相同，分別是從前后雙向沖出圓形的腹板，最后一步是修整工序，從而得到活塞銷的形狀，然而，用普通加工方法加工的結(jié)果顯示：第三步的早期會在腹板部位形成缺陷，更嚴(yán)重的是在缺陷產(chǎn)生的部位出現(xiàn)了一種不一致的流動形式，這種形式是一種非常壞的流動形式的延伸
圖1 活塞銷釘?shù)男螤詈统叽? 圖2 活塞銷釘?shù)牧鲃尤毕?
圖3活塞銷釘傳統(tǒng)的形成過程
2.2用有限元分析預(yù)測缺陷的產(chǎn)生
塑性變形組織分布和有效應(yīng)力對比圖的應(yīng)用，暗示著有限元精密塑造程序在成形與缺陷分析領(lǐng)域中的商業(yè)價(jià)值。最初的坯料直徑為30mm，深度為61mm，最終成品的體積為43.118，這種成形工藝看上去類似于普通加工結(jié)果。
最大的裂縫值可以結(jié)算出斷裂缺陷產(chǎn)生的可能性，在這個(gè)沖壓過程中，其大小只有0.08mm，而且分布在坯料和沖床活塞沖頭接觸的端部。因此，可以避免流動缺陷的產(chǎn)生，因此這種缺陷并不能產(chǎn)生可延展的裂紋。金屬流動的流線圖是由Altan和Knoerr提出的，他們正在從事這種缺陷的分析研究，隨著沖頭沖壓深度的增加，劇烈變動的流線出現(xiàn)了不同的流動速度，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中缺陷的產(chǎn)生（如圖5所示）。
所以金屬流動只出現(xiàn)在第四步的反向沖壓而不出現(xiàn)在正向沖壓，并且在靠近腹板處的金屬被拔起形成一條筋，很像是重疊缺陷，因此，活塞銷的流動缺陷產(chǎn)生并發(fā)展的原因是：正反沖壓時(shí)由于死金屬區(qū)域產(chǎn)生而造成的金屬流動速度的不同，這種現(xiàn)象在像活塞銷這種薄壁件沖出尺寸精度高，材料損耗少的孔的制件中是非常明顯的。對于活塞銷這類工作溫度高，載荷大而且為交變載荷的零件來說，這種流動缺陷的產(chǎn)生會對其強(qiáng)度和疲勞壽命產(chǎn)生有害的影響。因此，有必要研究一種新工藝來防止產(chǎn)生流動缺陷。
圖4有效的負(fù)荷和裂縫價(jià)值的關(guān)系
圖5金屬流動和速度的關(guān)系
3.防止缺陷的工藝分析與設(shè)計(jì)
流動缺陷產(chǎn)生的原因是金屬限制死金屬區(qū)域的流動。為了在傳統(tǒng)工藝中早期的沖壓部位(第三步)消除死金屬區(qū)，正沖壓或反沖壓工藝被改為聯(lián)合正反沖壓工藝，這種工藝在兩個(gè)完全相反的方向上同時(shí)進(jìn)行同樣地動作。由于正反兩向不同的沖壓率和沖壓長度，要使兩個(gè)方向上同時(shí)完成材料流動是很困難的，因此在提前完成材料流動就會出現(xiàn)傳統(tǒng)工藝一樣出現(xiàn)的死金屬區(qū)。
因此，在活塞銷成形這種情況下，兩個(gè)方向的沖壓率和沖壓長度都是1.89和51mm。目前，一項(xiàng)關(guān)于活塞銷的沖壓長度的調(diào)查研究正在進(jìn)行開模正反沖壓工藝的分析，兩個(gè)方向上的沖壓長度是不同的，正向沖壓長度長為24.9mm，反向沖壓長度如圖6所示要比正向的短。
反向金屬流動必須強(qiáng)制性的被限制才能滿足設(shè)計(jì)要求，而這就意為著死金屬區(qū)會產(chǎn)生。因此，要想在兩個(gè)方向上得到相同的沖壓長度，提出了三種控制金屬流動的方法，這三種方法都不同程度的強(qiáng)制限制金屬流動。
圖6反向沖壓長度
3.1 改變初加工的形狀
在正反雙向沖壓之前，為了保證從腹板中心處起正反兩個(gè)方向的沖壓長度相等，就得要求初加工要將反向沖壓筋的長度設(shè)計(jì)與雙向沖壓長度24.9mm有所不同。圖7展示了這種改進(jìn)的工藝的結(jié)果，圖8展示了在這種情況下采用正反雙向沖壓工藝時(shí)最后一步中金屬的流動。從模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出，兩個(gè)方向的沖壓筋的長度都是51mm，這恰好滿足設(shè)計(jì)要求和活塞銷的尺寸要求。另外，死金屬區(qū)的金屬流動形式相同，而不像采用普通加工時(shí)會產(chǎn)生流動缺陷，而且在兩個(gè)方向上的流動速度也是連續(xù)變化的，這就意為著金屬流動在整個(gè)過程中是一致的，不會出現(xiàn)限制其流動的死金屬區(qū)。
圖七 多級樣板的修改過程 圖八金屬網(wǎng)的流動
3.2 驅(qū)動沖壓模膛
驅(qū)動模膛工藝被用來控制金屬流動從而滿足設(shè)計(jì)要求，這種設(shè)備采用向相反方向運(yùn)動的模膛先與已經(jīng)沖壓成形的一側(cè)接觸（如圖9所示），這樣就有助于加快后沖壓方向上的金屬流動而減慢先沖壓方向上的金屬流動速度，采用這種工藝制作的活塞銷，由于反方向沖壓提前完成，而此時(shí)活塞正沿著這個(gè)方向移動從而增加了金屬沿著這個(gè)方向的流動，這個(gè)工藝的首要變化因素是沖頭與活塞的相對速率和金屬材料與活塞之間的摩擦條件。
在這個(gè)研究中，由于摩擦系數(shù)m＝0.1（在毛胚材料和模膛之間），模擬實(shí)驗(yàn)只與相對速率這一變量有關(guān)。如果相對速率小于滿足同時(shí)成型最合適的速率，則在反向方向上的沖壓過程就會比正向沖壓提前完成，這樣的話就會像采用普通加工一樣在相同部位產(chǎn)生流動缺陷，相反，如果相對速率大于最適宜的速率，則正向沖壓過程就會比反向沖壓過程提前完成，這樣就會在相反地部位產(chǎn)生缺陷。
因此，為了滿足設(shè)計(jì)要求，采用半分法可以找出最佳的相對速率，從結(jié)果來看，最佳的相對速率是0.48，圖10和11顯示了相對速率分別為0.1 、0.48、1.0時(shí)采用一次沖壓變形過程和金屬流動情況。圖11（c）顯示了當(dāng)采用最佳相對速率0.48時(shí)的金屬流動形式，它記錄了一個(gè)可以防止缺陷產(chǎn)生的流動形式。
圖9軸向移動的箱體示意圖
圖10根據(jù)相對速度比率變化的活塞銷釘形態(tài)
圖11根據(jù)相對速度比率比較的金屬
3.3 修改模具結(jié)構(gòu)
這種被提出的修改模具結(jié)構(gòu)的工藝可以限制金屬在反方向上的流動，而在這個(gè)方向上容易提前完成變形，從而可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形，采用這種工藝時(shí)，為了能在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形過程而得到相同的變形長度，卸料器又被設(shè)計(jì)者重新采用，它是一種使沖頭從制件中抽出的裝置。如果采用普通加工工藝中的固定式卸料器，則由于材料流動受到限制，會出現(xiàn)死金屬區(qū)，而此時(shí)產(chǎn)生的部位與采用雙向沖壓時(shí)產(chǎn)生在中間位置不同。
因此，一種利用彈簧彈力的結(jié)構(gòu)可以推遲金屬材料沿反方向的流動。圖12顯示了這種模具結(jié)構(gòu)，采用這種方法，選用合適的彈簧彈力對于滿足變形同時(shí)完成的要求來講是很重要的，因而有限元模擬可以計(jì)算出這種必要地彈力。從模擬結(jié)果來看，需要給卸料器施加5噸的彈力。圖13展示了這種工藝下金屬流動形式，與其它改進(jìn)的工藝方法相比，這種工藝在死金屬區(qū)沒有出現(xiàn)不連續(xù)的流動速度，此處的金屬流動形式是相同的。
圖12使用沖壓模板的凹模模子結(jié)構(gòu)示意圖 圖13使用沖壓模板的金屬流動
4.結(jié)果和實(shí)驗(yàn)
通過有限元分析法分析出的三種方法中是適合防止金屬的流動缺陷。每個(gè)方法的情況如下。第一種方法是初步加工的產(chǎn)品需要三級過程(預(yù)制， 正反壓擠，穿孔)并且有一個(gè)簡單的模具結(jié)構(gòu)；第二方法是使用沿軸方向移動的沖孔模板；第三種方法是軸向移動的箱體需要二級過程(前后壓擠，穿孔)并且有一個(gè)復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)。關(guān)于在里面形成的負(fù)荷，這三個(gè)方法都非常相似。
特別是在沿軸方向移動的大約10噸的箱體情況下形成最大的負(fù)荷比其他方法小，因?yàn)樵诖┛走^程中沿軸方向移動的箱體會增加材料的流動。通過表1分析出的方法為形成做出了比較。在這項(xiàng)研究過程中，一個(gè)用在初步加工產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)被進(jìn)行，并且為了證實(shí)模擬結(jié)果所以使用一個(gè)250噸能力的多級樣板。在穿孔之前，為了金屬的觀察蝕刻流動能夠正常被進(jìn)行，所以必須為活塞銷做一個(gè)流動缺陷檢查。圖14就是表示這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種方法改變了初步加工的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在缺陷區(qū)域內(nèi)金屬流動的缺陷是相同的，并且滿足形成同時(shí)完成和在兩個(gè)擠壓方向長度相同。這種過程和模擬的結(jié)果相符。
傳統(tǒng)方法
初步加工的產(chǎn)品的使用
沖壓模板的使用
移動箱體的用途
最大負(fù)荷（噸）
97.2
96.3
96.1
84.0
擠壓的過程
2個(gè)階段
2個(gè)階段
1個(gè)階段
1個(gè)階段
缺陷
存在
不存在
不存在
不存在
表1 各個(gè)方法的比較
圖14 對流動缺陷的消除
5.結(jié)論
在這項(xiàng)研究過程中，流動缺陷過程和預(yù)防缺陷的過程都已經(jīng)被有限元分析重新設(shè)計(jì)。，缺陷的原因已經(jīng)被分析，并且通過分析已經(jīng)模擬出了結(jié)果。從模擬結(jié)果中可以看出，有限元分析方法是可以防止流動缺陷并且滿足生產(chǎn)過程中控制材料的流動狀態(tài)。通過有限元分析的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果做比較，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：
（1）活塞銷里存在流動缺陷的原因是材料限制死金屬區(qū)域的流動。消除這個(gè)區(qū)域最重要的是控制材料的流動。
（2）初步加工的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改變模具結(jié)構(gòu)是使用軸向運(yùn)動的擠壓箱來消除擠壓過程中出現(xiàn)的流動缺陷。
（3）被提出的方法滿足了工藝的要求，向前擠壓的長度部分和落后的部分都是相同的，這些已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
參考文獻(xiàn)：
[1] T.Altan，S.I.Oh，L.Gegel，Metal forming，ASM(1983).
[2] T. Okamoto，T. Fukuda，H. Hagita，Source Book on Cold Forming，ASTM，1997，pp. 216–226.
[3] S.W.Oh，T.H.Kim，B.M.Kim，J.C.Choi，KSME 19 (12) (1995) 3121–3129.
[4] R.C.Batra，N.V.Nechitailo，Int.J.Plast. 13 (4) (1997) 291–306.
[5] A.S. Wifi，A.Abdel-Hamid，N. El-Abbasi， J. Mater. Process. Technol.
77 (1998) 285–293.
[6] D.J. Kim，B.M. Kim，J. KSTP 8 (6) (1999) 612–619.
[7] D.C. Ko，Pusan National University Dissertation，1998.
[8] T. Altan，M. Knoerr，J. Mater. Process. Technol. 35 (1992) 275–302.
[9] K. Osakata，X. Wang，S. Hanami，J. Mater. Process. Technol. 71 (1997) 105–112.
10
課程設(shè)計(jì)任務(wù)書
一、設(shè)計(jì)題目：活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝
二、設(shè)計(jì)參數(shù)：五十鈴6120、排量2.0L、為120135、轉(zhuǎn)速1300rmin
頂岸高度F、活塞銷直徑BO、裙長SL、銷座間距A、總長GL、最大爆發(fā)壓力、活塞銷校核
三、設(shè)計(jì)要求：
1用計(jì)算機(jī)繪制活塞總裝配圖一張（A1圖）、零件圖（加工工件）一張（A2圖）
2設(shè)計(jì)說明書一份（包括零件圖分析、定位方案確定、定位誤差計(jì)算等內(nèi)容；最好能寫出整個(gè)工藝過程）
四、進(jìn)度安排：
第一周： 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書籍，資料。
第二周： 對活塞進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。
第三周： 強(qiáng)度校核
第四周： 繪圖并書寫說明書。
第五周： 應(yīng)用制圖軟件繪制零件圖及裝配圖并完善課程設(shè)計(jì)說明書。
五、總評成績及評語：
指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月
課程設(shè)計(jì)任務(wù)書
一、設(shè)計(jì)題目：活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝
二、設(shè)計(jì)參數(shù)：五十鈴6120、排量2.0L、為120135、轉(zhuǎn)速1300rmin
頂岸高度F、活塞銷直徑BO、裙長SL、銷座間距A、總長GL、最大爆發(fā)壓力、活塞銷校核
三、設(shè)計(jì)要求：
1用計(jì)算機(jī)繪制活塞總裝配圖一張（A1圖）、零件圖（加工工件）一張（A2圖）
2設(shè)計(jì)說明書一份（包括零件圖分析、定位方案確定、定位誤差計(jì)算等內(nèi)容；最好能寫出整個(gè)工藝過程）
四、進(jìn)度安排：
第一周： 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書籍，資料。
第二周： 對活塞進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算。
第三周： 強(qiáng)度校核
第四周： 繪圖并書寫說明書。
第五周： 應(yīng)用制圖軟件繪制零件圖及裝配圖并完善課程設(shè)計(jì)說明書。
五、總評成績及評語：
指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月
目 錄
前 言 1
1活塞的概述 2
1.1活塞的功用及工作條件 2
1.2活塞的材料 2
1.3活塞結(jié)構(gòu) 2
1.3.1活塞頂部 2
1.3.2活塞頭部 3
1.3.3活塞裙部 3
2活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù) 4
3活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算 5
3.1熱力過程計(jì)算 5
3.2柴油機(jī)的指示參數(shù) 8
3.3柴油機(jī)有效效率 10
4活塞銷的受力分析 11
5活塞的加工工藝 13
參考文獻(xiàn)： 14
課程設(shè)計(jì)
前 言
內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展，是建立在主要零部件性能和壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上的，尤其是隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率的增大和轉(zhuǎn)速的增加，零部件尤其是直噴式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境變得更加惡劣了。活塞的結(jié)構(gòu)直接影響活塞的溫度分布和熱應(yīng)力分布，因此就有必要對活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測和評價(jià)。
活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，特別是坦克、艦艇和軍用車船用內(nèi)燃機(jī)活塞則要求更高，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)突出問題。
本次課程設(shè)計(jì)的題目是發(fā)動機(jī)鋁活塞的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)，選擇利用合適的機(jī)床加工發(fā)動機(jī)活塞，通過這次課程設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過程。
1活塞的概述
1.1活塞的功用及工作條件
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(shí)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(shí)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(shí)在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧乐惯^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。
1.2活塞的材料
現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導(dǎo)熱性好（比鑄鐵大3-4倍），密度?。s為鑄鐵的1/3）。因此鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對改善工作條件減少熱應(yīng)力延緩機(jī)油變質(zhì)有利。目前鋁活塞廣泛采用含硅12%左右的共晶鋁硅合金制造，外加銅和鎳，以提高熱穩(wěn)定性和高溫機(jī)械性能。鋁活塞毛胚可采用金屬模鑄造，鍛造和液壓模鍛等方法生產(chǎn)。
為了提高鋁活塞的強(qiáng)度和硬度，并穩(wěn)定形狀尺寸，必須對活塞進(jìn)行淬火和時(shí)效熱處理。
1.3活塞結(jié)構(gòu)
活塞按部位不同，分為頂部，頭部和裙部三部分。
1.3.1活塞頂部
活塞頂部是燃燒室的組成部分，其形狀與燃燒室形狀和壓縮比有關(guān)，一般有平頂，凸頂和凹頂三種。
1.3.2活塞頭部
活塞頭部是指由活塞頂部到油環(huán)下端面之間的部分。在活塞頭部加工有用來安裝氣環(huán)和油環(huán)的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。在油環(huán)槽的低部還加工有回油孔或橫向切槽?；钊^部有足夠的厚度，從活塞頂部到環(huán)槽區(qū)的斷面要盡可能的圓滑，過度圓角半徑應(yīng)足夠大，以減少熱流阻力，便于熱量從活塞頂部經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸壁，使活塞環(huán)的溫度不至于過高。
1.3.3活塞裙部
活塞頭以下的部分為活塞裙部，活塞銷座位于裙部。裙部起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。因此，活塞裙部的形狀保證活塞在氣缸得到良好的導(dǎo)向，氣缸與活塞之間在任何工況下都能保證均勻，合適的間隙，并有一定的承壓面積。
2活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)
發(fā)動機(jī)選取為6120型柴油機(jī)，參數(shù)設(shè)計(jì)參照《新型鋁活塞》
活塞缸徑D=120mm
（一）壓縮高度KH=80mm
（二）頂岸（第一環(huán)槽至活塞頂端距離）F=17mm
（三）采用三道環(huán)（其中兩道氣環(huán)，一道油環(huán)）
氣環(huán)高度取5mm，油環(huán)高度取7mm
第一道環(huán)岸高度為6mm 第二道環(huán)岸高度略小于第一道環(huán)岸高度，為5mm
（四）活塞銷直徑為BO=44mm 頂環(huán)槽寬為3mm
（五）群長SL=100mm 下裙長為65mm
（六）銷座間距AA=44mm
（七）活塞重量 系數(shù)X=0.9—1.4 取X=1.23,
(八)頂部厚度S=15mm 總長=80+65=145mm
燃燒室
鋁的線性膨脹系數(shù)為
活塞頭部的最大溫度為350攝氏度，所以其變形量為
活塞裙部最大溫度為200攝氏度，所以其形變量為
3活塞最大爆發(fā)壓力的計(jì)算
最大爆發(fā)壓力計(jì)算參考《內(nèi)燃機(jī)原理》
環(huán)境壓力 環(huán)境溫度
幾何壓縮比 有效壓縮比
燃燒過量空氣系數(shù) 參與廢棄系數(shù)
參與非其溫度 增壓空氣壓力
最大燃燒壓力 Z點(diǎn)熱利用系數(shù)
B點(diǎn)熱利用系數(shù) 燃燒室掃其系數(shù)
燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 燃料低
3.1熱力過程計(jì)算
充氣過程系數(shù) 增壓器后空氣溫度：
式中，去增壓器內(nèi)平均多變壓縮指數(shù)
（1） 壓縮始點(diǎn)溫度
式中，——新氣預(yù)熱度，=5K; ---比熱修正系數(shù)，=1.11
（2） 壓縮始點(diǎn)壓力
（3） 充氣系數(shù)
（4） 平均多變壓縮指數(shù)
（1） 式中，a，b—常數(shù)，對于空氣（忽略殘余廢氣），a= 19.26 ，b=0.0025
第一次試算，式（1）等號右端代入=1.37 ,
第二次試算，式（1）等號右端代入=1.369,
（5） 壓縮終點(diǎn)溫度
（6） 壓縮終點(diǎn)壓力
（7） 燃料燃燒所需理論空氣量
（8） 燃燒所需的實(shí)際空氣量
（9） 理論分子變化系數(shù)
（10） 實(shí)際分子變化系數(shù)
（11） Z點(diǎn)燒去的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)
（12） Z點(diǎn)處分子變化系數(shù)
（13） Z點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容
式中，
（14） b點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定容熱容
式中，
（15） z點(diǎn)燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比定壓熱容
（16） 燃料發(fā)熱量
壓力升高比
（17） Cyz段的燃料燃燒公式，就最大燃燒溫度
簡化后得 （2）
第一次試算，取式（2）等號右端的= 2000K 得
第二次試算，取式（2）等號右端的=2200K 得
第三次試算，取式（2）等號右端的= 2196K 得
最后取
膨脹過程參數(shù)：
（18） 初膨脹比
（19） 后膨脹比
（20） 求多變膨脹指數(shù)及膨脹終點(diǎn)溫度，zb膨脹線上的后燃公式，
（3）
（4）
將式子（3）與式子（4）聯(lián)立，得
（5）
第一次試計(jì)算，取=2000K 得，
第二次試計(jì)算，取2189K 得，
K
最后取
（23） 膨脹終點(diǎn)壓力
3.2柴油機(jī)的指示參數(shù)
（21） 理論平均指示壓力（以有效行程為準(zhǔn)）
（22） 實(shí)際平均指示壓力（以全行程為準(zhǔn)）
式中， ————示功圖豐滿系數(shù)，=0.98
（23） 指示油耗
（24） 指示效率
（25） 增壓器中絕熱壓縮功
（26） 增壓器中絕熱效率
式中，k-------比熱容比，=1.4，;------多變指數(shù)，，。
（27） 增壓器實(shí)際壓縮功
式中，-----增壓器機(jī)械效率，=0.96
（28） 增壓器的相對作功率
3.3柴油機(jī)有效效率
（29） 柴油機(jī)總機(jī)械效率
式中， ；-------增壓器相對功率； 。
（30） 柴油機(jī)平均有效壓力
（31） 柴油機(jī)有效油耗
（32） 有效功率
（33） 活塞形成容積比例尺 代表 ;
壓力比例尺代表0.1Mpa。
壓縮容積： =18.4 代表
壓縮終點(diǎn)壓力： 代表
壓縮始點(diǎn)容積 代表
壓縮始點(diǎn)壓力 代表
最大壓力的容積 代表 ，
計(jì)算壓縮曲線ac上各點(diǎn)壓力，即
式中，，在1至之間選定。
計(jì)算膨脹曲線zb上各點(diǎn)壓力，即
式中，x在1至之間選定。
根據(jù)以上兩式，計(jì)算出壓縮曲線和膨脹曲線各點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)兵列表如下:
表3-1
序號
壓縮線上的
膨脹線上的
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
189
94.5
63.0
47.3
37.8
31.5
27.0
23.6
21.0
18.9
17.2
1
2.57
4.47
6.61
8.95
11.48
13.2
17.0
19.9
23.0
26.2
3.36
8.6
15.0
22.2
30.1
38.6
44.4
57.1
1
2.00
3.01
4.02
5.03
6.04
7.04
8.05
9.06
28.46
38.7
63.5
90.18
118.6
171.9
200.4
229.1
257.8
根據(jù)上表畫出示功圖
圖3-1 6120型柴油機(jī)計(jì)算示功圖
Fig.3-1 Table of 6120 diesel engine calculate exploit show
4活塞銷的受力分析
活塞受力分析：
曲軸在10度轉(zhuǎn)角時(shí)產(chǎn)生最大爆發(fā)壓力，如圖所示：
60sin10=200sinα 所以sin=600.1736/200=0.0521
所以α=3度
圖4-1
Fig..4-1
其中：D——活塞直徑 R——曲軸半徑 mj——往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量 連桿比λ=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min
曲軸轉(zhuǎn)速
對活塞銷的校核：
1、畫出活塞銷的Q、M圖
圖4-2
Fig. 4-2
活塞銷外徑44mm，內(nèi)徑do=0.25d=11mm
=
選活塞銷材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，得
所以該活塞銷符合強(qiáng)度。
5活塞的加工工藝
表5-1活塞加工工藝過程
Tablet.5-4 piston machining technics process
工序號
工序名稱
定位基準(zhǔn)及技術(shù)條件
設(shè)備
工裝
0
毛坯鍛造
按活塞鍛造工藝進(jìn)行
1
粗車底面B止口φ110
粗基準(zhǔn)是毛坯外圓，金屬模液壓鍛造，壁厚均勻〔有的用內(nèi)腔做為基準(zhǔn)〕
車床
三角卡盤自動定心
2
粗鏜活塞銷孔φ44
下端面B，內(nèi)止口及毛坯銷孔，活塞頂部壓緊
鏜床
鏜刀
3
粗車頂面C，圓φ120及環(huán)槽
下端面B內(nèi)止口銷孔處
半自動車床，液壓、仿型、多刀
專用刀具
4
鉆銷座油空
頂面C定位下斷面
銷孔定位方向
臺鉆
鉆模
5
精車下端面B，內(nèi)止口φ110
精基準(zhǔn)：外圓面環(huán)槽端平面
車床
專用夾頭
6
精車：
①環(huán)槽
②外圓面
③頂面
精基準(zhǔn)：下端面B內(nèi)止口銷孔拉緊
仿型、多刀車床
專用刀具
7
精車燃燒室
基準(zhǔn)“統(tǒng)一原則”同工序6
車床
成形刀
8
銑裙部圓弧
外圓面活塞銷孔
專用銑床
銑刀
9
精細(xì)鏜活塞銷孔
頂面圓柱銷孔
專用鏜床
精鏜銷孔夾具
10
車鎖環(huán)槽
銷孔定位
車鎖環(huán)車床
鏜刀
11
液壓銷孔
銷孔定位
液壓銷孔車床
液壓器
12
精磨裙部外圓
外圓面定位
仿型磨床
參考文獻(xiàn)：
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