控制活塞销孔轴线与裙部轴线垂直度误差的工艺改进

王路斌 赖泽启 郭景斌 冀海月 毕浩然 刘善林 黄斌

摘 要：通过对内燃机活塞加工工艺流程以及活塞销孔轴线与裙部轴线垂直度误差的分析，提出了设置活塞顶部圆环面工艺基准，来有效降低活塞销孔轴线与裙部轴线垂直度误差的工艺方案。

关键词：工艺改进;误差削减;基准;尺寸链

中图分类号：TK45  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-145-03

Abstract： Based on the analysis of the piston machining process of internal combustion engine and the verticality error between the axis of piston pin hole and the axis of the skirt， a process plan for effectively reducing the verticality error between the axis of piston pin hole and the axis of the skirt by setting the technical datum of the torus on the top of the piston is put forward.

Keywords： Process improvement; error reduction; datum; dimension chain

CLC NO.： TK45  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）12-145-03

前言

活塞銷孔轴线与裙部轴线垂直度误差是活塞机械加工中一项比较重要且难以控制的位置误差，该项误差超差是影响活塞机械加工合格品率的主要原因之一。

1986年，刘永利[1]通过对垂直度误差的测量方法进行了一定的总结，并在之后做了较为完善的测量误差分析，将误差总结为基准要素误差、被测要素误差、测量器具误差。1998年，徐宗道[2]设计了活塞销孔轴线对裙部轴线的垂直度检具，该检具具有量值反映准确、直观、测量精度高且不受裙部外圆曲线、鼓形、锥形形状的限制等优点。2000年，林晓华[3]对铝活塞销孔轴线对裙部的垂直度测试方法进行了一定的改进。利用销孔轴线和裙部轴线对底面的平行度减小了误差。

1 活塞加工工艺流程以及活塞销孔轴线与裙部轴线垂直度误差的分析

1.1 活塞加工的误差分析及计算

常见的活塞加工中销孔轴线与裙部轴线垂直度误差来源主要有四种：多次装夹误差、定位基准转换误差、顶针与底部倒角同轴度误差、测量基准与加工基准转换误差。

在常用的铝活塞机械加工工艺中，加工基准主要有（见图2）：止口端面，止口内倒角，止口内侧面，顶针孔。

活塞销孔轴线与裙部轴线垂直度误差是精加工段多道工序定位基准误差、加工误差的综合反映，除了止口端面、止口内倒角以及顶针孔三者之间的位置误差外，影响该项误差的工序主要包括：精车裙部（裙部精车后一般是中凸变椭圆型面），精车顶面，精镗销孔，常见的加工顺序为：精车裙部→精车顶面→精镗销孔，参见图3。

在精车裙部工序中，采用止口内倒角和顶针孔定位，顶针孔同时夹紧（顶紧）活塞，如图，精车后裙部表面一般是中凸变椭圆型面;在精车顶面工序中，采用止口端面和止口内侧面定位，F1是夹紧力，如图4;在精镗销孔工序中，采用顶面和头部外圆定位，F2是夹紧力，如图5。

活塞销孔轴线与裙部轴线垂直度误差的测量基准是裙部轴线，裙部轴线需要通过裙部表面来确定，而加工裙部表面的定位基准是止口内倒角和顶针孔;另一方面，活塞顶面加工是以止口端面（不含顶针孔）定位的，与加工裙部的定位基准不一致;精镗销孔工序定位基准是活塞精车后的顶面和头部外圆，与加工裙部的定位基准也不一致，因此，销孔以及裙部在加工过程中存在多次基准转换（基准不一致）误差，基准转换链较长（与精车裙部工序、精车顶面工序以及精镗销孔工序有关），使得活塞销孔轴线与裙部轴线垂直度误差难以控制。

工艺误差分析如下：

在精车裙部工序中，采用止口内倒角和顶针孔定位，顶针孔同时夹紧（顶紧）活塞，精车后裙部表面一般是中凸变椭圆型面;在精车顶面工序中，采用止口端面和止口内侧面定位;在精镗销孔工序中，采用顶面和头部外圆定位。

这是一个角度尺寸链，共有4个环：

a1-止口端面与顶面的平行度公差

a2-顶面与销孔轴线的平行度公差

a3-止口端面与裙部轴线的垂直度公差

a4-裙部轴线与销孔轴线的垂直度公差

对于a1、a2，他们是平行度，可以认为其基本尺寸是0°。对于a3、a4，他们是垂直度，基本尺寸是90°。根据上面所设的形位公差可得角度尺寸链如下：

则可知将角度尺寸链转化为支线尺寸链后如下图：

则可以看出，a4的转化为平行度误差后受a1a2a3影响，误差较大。

2 活塞加工相关工艺的改进

2.1 增设精车顶面定位面

在精车裙部工序中，加入精车顶面定位面内容，即：一次定位装夹后，完成裙部的加工和顶面定位面的加工，顶面定位面是与活塞裙部轴线（即活塞回转轴线）相垂直的环形平面，参见图10;接下去采用顶面定位面和头部外圆定位精镗销孔，参见图11，此时销孔轴线与裙部轴线垂直度误差已经确定;此后再精车顶面，参见图4。相关的加工顺序为：精车裙部（含顶面定位面）→精镗销孔→精车顶面。

积极效果：采用这种工艺后，裙部和顶面定位面是同一定位基准一次装夹完成的加工，精镗销孔以顶面定位面和头部外圆定位，从而使得销孔以及裙部在加工过程中基准转换链缩短（只与精车裙部工序和精镗销孔工序有关），有利于减小销孔轴线与裙部轴线垂直度误差。

2.2 改进后的误差分析

由于顶部圆环端面与活塞裙部是一次定位一次加工出来的，所以二者对于原来的定位没有误差，即顶部圆环端面对于裙部轴线的垂直度公差可以忽略，因此，在以顶部圆环端面为定位基准加工出来的销孔，其轴线与裙部轴线的垂直度公差仅仅取决于由顶部圆环端面定位加工销孔是产生的平行度公差，大大降低了定位基准转换误差。

2.3 总结

经过对于传统活塞加工中销孔轴线与裙部轴线垂直度误差和改进后活塞加工销孔轴线与裙部轴线垂直度误差的分析，可以看出改进后的活塞加工方法的所产生误差源减少，使得两轴线垂直度误差更易保证。

参考文献

[1] 刘永利.活塞销孔轴线对裙部轴线垂直度测量误差分析[J].内燃机配件，1986（04）：3-11.

[2] 徐宗道.活塞销孔轴线对裙部轴线垂直度检具[J].机械工人.冷加工，1998（01）：18.

[3] 李安海，卢永红，刘涛，赵军.铝合金活塞销孔加工过程工艺优化[J].制造技术与机床，2018.

[4] 王先逵.装配尺寸链中角度尺寸链的建立和转化[J].机械工艺师，1990（08）：21-23.