发动机活塞加工工艺分析

许曦普

摘要：一个机械的灵活驱动与控制离不开性能优越的活塞，活塞现今广泛应用于汽车发动机以及内燃机上，是非常关键的零部件，活塞的性能结构直接关系到整个驱动装置的运转过程。在国家军事装备方面上则对活塞的性能要求更高，未来对活塞方面的发展将是一个非常具有挑战性的问题。因此，为了在保证质量、效率、产量的前提之下，要想占据市场取得绝对的经济优势，就要针对于内燃机活塞机械加工工艺过程进行高效广泛的研究与探索。

Abstract： A flexible drive and control of machinery cannot be separated from the piston with superior performance. The piston is now widely used in automobile engines and internal combustion engines， which is a very critical component. The performance structure of the piston is directly related to the operation process of the whole driving device.In terms of national military equipment， the piston performance requirements are higher， and the future development of the piston side will be a very challenging issue.Therefore， in order to ensure the premise of quality， efficiency and production， in order to occupy the market to achieve absolute economic advantages， it is necessary to carry out efficient and extensive mechanical processing process of internal combustion engine piston research and exploration.

关键词：发动机活塞;工艺过程;技术要求

Key words： engine pistons;the process process;the technical requirements

中图分类号：TK243.1                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0108-02

1  活塞加工的一般技术要求

因为铝活塞的工业应用极为广泛，其设计生产加工的技术条件已经经过国家官方专门的科技委员会认定机构制定了国家标准，并将严格按照国家标准对铝活塞的各部分尺寸进行加工制造，对其各个部位的尺寸公差及粗糙度等都做出了详细的规定。要求如下：①对于活塞销孔的加工，按照国标可将其公差等级定为IT6级以上，销孔的圆度应小于等于0.001mm、圆柱度小于等于0.06mm、销孔的内圆表面粗糙度应当小于等于0.5um，装配活塞销和活塞销孔的方法为分组装配法。②活塞裙部外圆尺寸公差应取IT6或IT5，这是考虑到活塞的工作环境所确定的，活塞裙部外圆粗糙度应小于等于0.4um。③活塞销孔的位置公差要求：1）顶面轴心到销孔轴心线的距离为102mm，上下偏差均为0.08mm。2）销孔轴心线在裙部轴心线的对称度为0.13mm。3）裙部轴心线到销孔轴心线的长度公差为0.016mm，垂直度为25.5mm。④活塞环槽相关加工要求：1）上平面和下平面的粗糙度小于等于0.4um。2）环槽平面对裙部轴线圆跳动小于等于0.05mm。3）环槽底径对裙部轴线圆跳动小于等于0.15mm。整体上从发动机的性能方面着手考虑，发动机活塞的质量不能过重或过轻，就针对于C6110型柴油发动机活塞来说，其质量误差因控制在发动机活塞理论质量的±2.5%之内，分配方式也应采用分组装配。

2  发动机活塞的加工制造

2.1 划分加工阶段

划分加工阶段有利于提高生产效率，零件加工过程可划分为四个阶段，每个阶段都有相应的要求：①粗加工：第一步加工用于切除大量多余的余量金属，去除毛坯表面余量使其大致在整體尺寸上更加接近零件成品。②半精加工：此过程已经产生了一定的尺寸精度，但是需要预留部分余量用于后续工步。③精加工：完成主要加工内容，要保证所加工出的零件尺寸与要求尺寸相差无几要达到图纸规定的精度标准。④光整加工：此阶段要在加工阶段的最后一步进行，对精度的要求极高，可减少零件表面粗糙度，更深一层次的提高尺寸精度。

2.2 工件加工工艺顺序及规程

2.2.1 机械加工工艺规程核心

加工制造工艺是整个制造技术的精髓与灵魂，对于整个设计研究工程来说具有很重要的意义，其中工艺规程应当按照以下原则进行：

①确定基准面;②选用加工方法;③确定工件加工次序;④进行热处理以及检查;⑤安排其他相关工序。

2.2.2 机械加工工艺顺序

①首先加工基准面，后加工其余表面;②对于工件表面的加工要先主后次;③对于加工工序的安排要先粗后精。

2.3 工件加工方法制定及要求

2.3.1 加工活塞零件外圆  首先活塞零件外圆的精度要求选定为IT6，其次选用ZL109型材料，制定零件加工顺序为：粗车—半精车—精车，这样一来可以让活塞零件外圆粗糙度控制在Ra0.6～0.1um之间。

2.3.2 加工活塞销孔  根据国家标准对于活塞销孔的精度要求较高，因此孔表面精度最好选定为IT6，对销孔加工应当遵循粗镗——精镗——细镗的零件加工顺序，由此工序可将销孔精度等级提升到IT6-IT8，销孔粗糙度可达到Ra0.1-Ra0.6，从而满足零件要求。

2.3.3 加工活塞端平面  可采用一次性车削加工进行完成，根据活塞的性能要求选择活塞端平面的精度等级为IT8级，活塞端平面材料为ZL109，端平面精度等级为IT8～10，粗糙度Ra在3.2mm～1.6um之间，因此可以满足零件要求。

2.3.4 加工活塞止口  加工活塞止口对粗糙度要求不高，此过程在加工零件精基准之前进行，可选择Ra小于等于1.6um，要求精度等级为IT6，采用粗车——精车的加工顺序进行两次车削。精度等级可达到IT8，粗糙度Ra在3.2mm～1.6um之间，可以满足零件要求。

2.3.5 加工活塞斜油孔  因为加工斜油孔对精度要求不是特别高且油孔直径小于20mm，故而可采用钻孔的方法进行加工，孔表面粗糙度为Ra小于等于12.5um，精度等级为IT11或IT12。

2.3.6 加工活塞直油孔  直油孔和斜油孔类似，加工要求的精度并不是很高，油孔直径小于等于20mm，加工方式采用钻孔方式进行加工，使油孔表面粗糙度Ra小于等于12.5um，精度等级为IT11-IT12。

可采用一次性直接车削进行加工，油环槽的加工顺序为半精加工——精加工，尺寸精度要求较低而位置精度要求较高，精度等级为IT8～10，粗糙度Ra在3.2um～0.8um之间，可满足零件要求。

2.3.7 加工活塞头部外圆  加工活塞头部外圆在之前外圆进行过一次粗车的基础之上，可以用一次半精车就可以达到要求，这样可以达到的精度等级为IT6～8，粗糙度为Ra=0.1～0.6um满足要求。

2.3.8 加工活塞燃烧室  发动机活塞燃烧室最广泛的三种形式，半球形、楔形以及盆形。

加工活塞燃烧室对精度的要求不是很高，加工余量也比较大，所以可以考虑采用：粗车——精车的加工顺序进行加工，保证精度等级为IT6～7，粗糙度为Ra=0.6～0.1um，故而满足要求。

2.3.9 加工活塞气门内外槽  对于这一部分的位置精度要求比较高而尺寸精度要求比较低，结合加工槽的方法可以考虑采用一次性直接铣削加工，此过程可以达到精度等级为IT11～12、粗糙度可以达到Ra=3.2～0.8um满足要求。

2.3.10 加工挡圈槽及其倒角  这一部分的位置精度要求比较高而尺寸精度要求比較低，也可直接采用直接车削，使其精度等级达到IT8～10，粗糙度可以达到Ra=3.2～0.8um以满足加工要求。

2.4 工艺方案路线制定

2.4.1 工艺过程规制  工序1：粗车外圆面;工序2：车端面;工序3：车止口、打中心孔;工序4：粗镗加工销孔;工序5：半精车外圆;工序6：钻斜孔;工序7：钻直油孔;工序8：切油环槽;工序9：车油环槽环岸及其倒角;工序10：切梯形槽;工序11：半精车头部外圆;工序12：切镶圈槽;工序13：切镶圈槽槽底;工序14：精车外圆;工序15：粗车燃烧室;工序16：精车燃烧室;工序17：铣气门内外槽;工序18：精镗销孔;工序19：车销孔外端挡圈及倒角;工序20：细镗销孔。

2.4.2 辅助工序的制定安排  除了针对零件的主要加工工艺流程之外，在一些辅助工艺流程方面也需要进行一个精密的规划。辅助工艺流程有检查、检验、去毛刺、清洗等工序且操作过程结束之后都需要进行自检，这些都是保证零件产品质量合格的关键性因素。根据这些原则在本零件中外圆和销孔的粗、精加工之后都要安排一次检验工序，每个环槽加工完成之后也要进行一次检验。

工件在进行装配之前一般要先进行清洗工作，以便将工件内部存留的切屑清除干净，这对于工件的装配以及装配质量都会产生至关重要的影响。

2.5 毛坯加工余量的确定

根据《简明机械加工工艺手册》加工余量示意表中数据显示，再结合实际情况对本次活塞零件产品加工的每一步工序的加工余量加以确认。确定数据如下所示：

工序1：粗车外圆后最终会进入到精车加工这一步，根据本次设计的发动机活塞尺寸大小可选定0.25mm作为加工余量，而外圆粗车后的半精车可选0.7mm作为加工余量，粗车加工余量选为1.25mm。

工序2：端面的加工是为了为后续的燃烧室的加工做好充分的准备，加工端面采用一次性车削完成，其加工余量可选定为8mm。

工序3：采用一次性车削进行止口的加工，单边加工余量可选定为0.7mm。

工序4：粗镗销孔最终会经过细镗这一步的加工，结合工件尺寸大小可以选择0.10mm作为加工余量，细镗之前以及精镗工序的加工余量可选为0.25mm，而1.5mm可以作为粗镗的加工余量。

工序5：同第一工序加工余量设定。

工序6：钻斜孔的主要方法为钻，所钻的孔径大小决定着其加工余量的大小。

工序7：加工方法同工序6，加工余量孔径大小有关。

工序8：切油环槽的加工方法是采用铣削加工一次性进行完成，所以加工余量由零件和毛坯的尺寸大小所决定，可取双边加工余量为12.87mm。

工序9：采用一次性车削对岸环进行加工，双边加工余量可选定为2.4mm。

工序10：对梯形槽的加工一般采用铣削加工进行一次性加工完成，故它的加工余量由零件和毛坯的尺寸决定，双边加工余量选定为12.3mm。

工序12：镶圈槽分为镶圈槽I和镶圈槽II，对两个镶圈槽的加工都是采用一次性铣削进行加工，加工余量都由零件尺寸大小进行确定，镶圈槽Ⅰ的双边加工余量可选定为12.07mm，镶圈II的双边加工余量可选定为11.81mm。

工序13：采用一次性切削对镶圈槽槽底进行加工，镶圈槽Ⅱ的槽底双边加工余量可选定为为1mm，镶圈槽Ⅰ槽底的双边加工余量选定为1.5mm。

工序14：上同工序一。

工序15及16：加工燃烧室应当按照粗车——精车的顺序进行，精车时的加工余量可当选为0.48mm，粗车时的加工余量可选为23mm。

工序17：加工气门内、外槽时也应采用铣削加工进行一次性加工完成，内外槽的加工余量均可选定为7.44mm。

工序18：上同工序4一致。

工序19：加工销孔外端挡圈采用一次性车削进行完成，所选定的加工余量为3.318mm。

工序20：上同工序4一致。

综上：上述对于零件各工序的加工余量的选择只是作为一个出步确定的数值，在后期实际加工操作时会进行进一步的矫正与修改。

参考文献：

[1]郝劲松，刘峰主编.活塞发动机飞机结构与系统ME-PA[M].北京：清华大学出版社，2015.

[2]李勇主编.汽车发动机结构与拆装[M].北京：北京理工大学出版社，2015.

[3]邹龙军，范超编著.发动机检查与维修[M].长沙：湖南大学出版社，2015.