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防止活塞銷冷擠壓工藝中出現(xiàn)流動(dòng)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(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)
機(jī)械設(shè)計(jì)工程部門，研究生院，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)
機(jī)械工程系，工程研究中心，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)編號(hào)3
Janjeon-董，Kumjeong-顧，釜山609-735，韓國(guó)
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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(cè)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(guò)控制材料流動(dòng)來(lái)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(dòng)缺陷研究分析當(dāng)中，這份研究報(bào)告提出了通過(guò)去除死金屬區(qū)防止產(chǎn)生流動(dòng)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(dòng)缺陷；活塞銷釘；材料流動(dòng)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(duì)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(guò)程、成形加工的外部條件和材料的流動(dòng)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(guò)程引起的；流動(dòng)缺陷是由不穩(wěn)定的材料流動(dòng)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(lái)研究大型鍛件的可延伸裂紋缺陷。KIM和KIM對(duì)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(cè)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(dòng)缺陷，而這些新工藝方案是通過(guò)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(lái)連接活塞與曲軸的并傳遞動(dòng)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(dòng)性 σ＝768.06*ε0.139 ，潤(rùn)滑措施是采用潤(rùn)滑油類的磷鍍?cè)诨钊N表面進(jìn)行潤(rùn)滑，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)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(guò)導(dǎo)圓角和沖出非圓形的基準(zhǔn)孔等預(yù)處理工序來(lái)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(huì)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(dòng)形式，這種形式是一種非常壞的流動(dòng)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?dòng)缺陷
圖3活塞銷釘傳統(tǒng)的形成過(guò)程
2.2用有限元分析預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生
塑性變形組織分布和有效應(yīng)力對(duì)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的流線出現(xiàn)了不同的流動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(lái)說(shuō)，這種流動(dòng)缺陷的產(chǎn)生會(huì)對(duì)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(lái)防止產(chǎn)生流動(dòng)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(dòng)和速度的關(guān)系
3.防止缺陷的工藝分析與設(shè)計(jì)
流動(dòng)缺陷產(chǎn)生的原因是金屬限制死金屬區(qū)域的流動(dòng)。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(dòng)作。由于正反兩向不同的沖壓率和沖壓長(zhǎng)度，要使兩個(gè)方向上同時(shí)完成材料流動(dòng)是很困難的，因此在提前完成材料流動(dòng)就會(huì)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(zhǎng)度都是1.89和51mm。目前，一項(xiàng)關(guān)于活塞銷的沖壓長(zhǎng)度的調(diào)查研究正在進(jìn)行開(kāi)模正反沖壓工藝的分析，兩個(gè)方向上的沖壓長(zhǎng)度是不同的，正向沖壓長(zhǎng)度長(zhǎng)為24.9mm，反向沖壓長(zhǎng)度如圖6所示要比正向的短。
反向金屬流動(dòng)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(huì)產(chǎn)生。因此，要想在兩個(gè)方向上得到相同的沖壓長(zhǎng)度，提出了三種控制金屬流動(dòng)的方法，這三種方法都不同程度的強(qiáng)制限制金屬流動(dòng)。
圖6反向沖壓長(zhǎng)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(zhǎng)度相等，就得要求初加工要將反向沖壓筋的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)與雙向沖壓長(zhǎng)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(dòng)。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(zhǎng)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(dòng)形式相同，而不像采用普通加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，而且在兩個(gè)方向上的流動(dòng)速度也是連續(xù)變化的，這就意為著金屬流動(dòng)在整個(gè)過(guò)程中是一致的，不會(huì)出現(xiàn)限制其流動(dòng)的死金屬區(qū)。
圖七 多級(jí)樣板的修改過(guò)程 圖八金屬網(wǎng)的流動(dòng)
3.2 驅(qū)動(dòng)沖壓模膛
驅(qū)動(dòng)模膛工藝被用來(lái)控制金屬流動(dòng)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(dòng)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(dòng)而減慢先沖壓方向上的金屬流動(dòng)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(dòng)從而增加了金屬沿著這個(gè)方向的流動(dòng)，這個(gè)工藝的首要變化因素是沖頭與活塞的相對(duì)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(duì)速率這一變量有關(guān)。如果相對(duì)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(guò)程就會(huì)比正向沖壓提前完成，這樣的話就會(huì)像采用普通加工一樣在相同部位產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，相反，如果相對(duì)速率大于最適宜的速率，則正向沖壓過(guò)程就會(huì)比反向沖壓過(guò)程提前完成，這樣就會(huì)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(duì)速率，從結(jié)果來(lái)看，最佳的相對(duì)速率是0.48，圖10和11顯示了相對(duì)速率分別為0.1 、0.48、1.0時(shí)采用一次沖壓變形過(guò)程和金屬流動(dòng)情況。圖11（c）顯示了當(dāng)采用最佳相對(duì)速率0.48時(shí)的金屬流動(dòng)形式，它記錄了一個(gè)可以防止缺陷產(chǎn)生的流動(dòng)形式。
圖9軸向移動(dòng)的箱體示意圖
圖10根據(jù)相對(duì)速度比率變化的活塞銷釘形態(tài)
圖11根據(jù)相對(duì)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(dòng)，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(guò)程而得到相同的變形長(zhǎng)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(dòng)受到限制，會(huì)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(dòng)。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(duì)于滿足變形同時(shí)完成的要求來(lái)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(lái)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(dòng)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(méi)有出現(xiàn)不連續(xù)的流動(dòng)速度，此處的金屬流動(dòng)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(dòng)
4.結(jié)果和實(shí)驗(yàn)
通過(guò)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(dòng)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(jí)過(guò)程(預(yù)制， 正反壓擠，穿孔)并且有一個(gè)簡(jiǎn)單的模具結(jié)構(gòu)；第二方法是使用沿軸方向移動(dòng)的沖孔模板；第三種方法是軸向移動(dòng)的箱體需要二級(jí)過(guò)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(dòng)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^(guò)程中沿軸方向移動(dòng)的箱體會(huì)增加材料的流動(dòng)。通過(guò)表1分析出的方法為形成做出了比較。在這項(xiàng)研究過(guò)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(jí)樣板。在穿孔之前，為了金屬的觀察蝕刻流動(dòng)能夠正常被進(jìn)行，所以必須為活塞銷做一個(gè)流動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)度相同。這種過(guò)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(dòng)箱體的用途
最大負(fù)荷（噸）
97.2
96.3
96.1
84.0
擠壓的過(guò)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(duì)流動(dòng)缺陷的消除
5.結(jié)論
在這項(xiàng)研究過(guò)程中，流動(dòng)缺陷過(guò)程和預(yù)防缺陷的過(guò)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(guò)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(dòng)缺陷并且滿足生產(chǎn)過(guò)程中控制材料的流動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)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(dòng)缺陷的原因是材料限制死金屬區(qū)域的流動(dòng)。消除這個(gè)區(qū)域最重要的是控制材料的流動(dòng)。
（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(dòng)的擠壓箱來(lái)消除擠壓過(guò)程中出現(xiàn)的流動(dòng)缺陷。
（3）被提出的方法滿足了工藝的要求，向前擠壓的長(zhǎng)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.
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[6] D.J. Kim，B.M. Kim，J. KSTP 8 (6) (1999) 612–619.
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[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(shū)
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(zhǎng)SL、銷座間距A、總長(zhǎng)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(shuō)明書(shū)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(guò)程）
四、進(jìn)度安排：
第一周： 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書(shū)籍，資料。
第二周： 對(duì)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(shū)寫說(shuō)明書(shū)。
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(shuō)明書(shū)。
五、總評(píng)成績(jī)及評(píng)語(yǔ)：
指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月
課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
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(zhǎng)SL、銷座間距A、總長(zhǎng)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(shuō)明書(shū)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(guò)程）
四、進(jìn)度安排：
第一周： 查找課程設(shè)計(jì)所需要的書(shū)籍，資料。
第二周： 對(duì)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(shū)寫說(shuō)明書(shū)。
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(shuō)明書(shū)。
五、總評(píng)成績(jī)及評(píng)語(yǔ)：
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(guò)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(dòng)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?；钊慕Y(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(duì)活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。
活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)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(wèn)題。
本次課程設(shè)計(jì)的題目是發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)活塞，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過(guò)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(guò)活塞銷傳給連桿，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)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(kāi)裂，活塞側(cè)部磨損等。由此可見(jiàn)，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(huì)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^(guò)大的熱變形。
活塞運(yùn)動(dòng)速度和工作溫度高，潤(rùn)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），密度小（約為鑄鐵的1/3）。因此鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對(duì)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(duì)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(lái)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(guò)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(guò)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(dòng)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(zhǎng)SL=100mm 下裙長(zhǎng)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(zhǎng)=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(guò)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(guò)程計(jì)算
充氣過(guò)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(duì)于空氣（忽略殘余廢氣），a= 19.26 ，b=0.0025
第一次試算，式（1）等號(hào)右端代入=1.37 ,
第二次試算，式（1）等號(hào)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(jiǎn)化后得 （2）
第一次試算，取式（2）等號(hào)右端的= 2000K 得
第二次試算，取式（2）等號(hào)右端的=2200K 得
第三次試算，取式（2）等號(hào)右端的= 2196K 得
最后取
膨脹過(guò)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(duì)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(duì)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(hào)
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(huà)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(dòng)質(zhì)量 連桿比λ=R/l=60/200=0.3 n=1300r/min
曲軸轉(zhuǎn)速
對(duì)活塞銷的校核：
1、畫(huà)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(hào)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(guò)程
Tablet.5-4 piston machining technics process
工序號(hào)
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(dòng)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(dòng)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(tái)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
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