ZL50裝載機(jī)總體及工作裝置設(shè)計(jì)
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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）題目： 活塞加工及金屬模設(shè)計(jì)
學(xué)號：2007964236 姓名：易維 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 周里群（教授） 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
1.檢索國內(nèi)外活塞的發(fā)展動(dòng)態(tài)和現(xiàn)狀；
2.分析活塞的工作環(huán)境；
3.分析活塞的工作條件；
4.分析活塞的工作原理；
5.完成活塞的設(shè)計(jì)；
6.分析活塞金屬型的材料；
7.完成活塞金屬型的設(shè)計(jì)方案的選?。?
8.完成活塞金屬型的設(shè)計(jì)；
9.完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：使用A4編輯及打印裝訂成冊；
10.技術(shù)圖紙：活塞圖紙一張（A1），金屬型零件圖紙5張（A4兩張，A2兩張，A1一張），金屬型裝配圖紙一張（A0）；
11.翻譯英文技術(shù)資料：翻譯國內(nèi)外活塞相關(guān)課題的英文資料。要求：原稿及其翻譯打印裝訂同冊。
二、重點(diǎn)研究的問題
1.活塞的設(shè)計(jì)；
2.活塞金屬型的設(shè)計(jì)。
三、進(jìn)度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查閱資料、調(diào)研
第1,2周
2
活塞的設(shè)計(jì)
第3-5周
3
金屬模具的設(shè)計(jì)
第6-8周
4
畫零件圖和裝配圖
第9-12周
5
寫出說明書
第13-15周
6
答辯
2010年6月
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1]宮克強(qiáng)特種鑄造北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982
[2]耿鑫明鋁合金金屬型鑄造北京:國防工業(yè)出版社，1976
[3]王瑞芳金工實(shí)習(xí)北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001
[4]丁陽喜機(jī)械制造及其自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)習(xí)教程北京;中國鐵道出版社，2002
[5]胡傳忻.熱加工手冊.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2002
[6]北京機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì)編.鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993
[7]曹巖，李建華.solidworks2004產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例精解.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
[8]哈爾濱工業(yè)大學(xué).鑄造工藝學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985
[9]鑄造專業(yè)學(xué)會(huì).鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993
[10]賈策，李漢明.solidworks2001實(shí)踐與提高.重慶:重慶大學(xué)出版社，2001
[11]吳宗澤，羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊.北京:高等教育出版社，2003
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評閱表
學(xué)號 2007964236 姓名 易維 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 活塞加工及金屬模設(shè)計(jì)
評價(jià)項(xiàng)目
評 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價(jià)
該生選題基本符合培養(yǎng)目標(biāo)，難度分量適當(dāng)，與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合。綜合運(yùn)用知識能力一般，具備初步設(shè)計(jì)方案的能力和手段運(yùn)用，具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，經(jīng)濟(jì)分析能力有待提高。立論正確，論述合理，結(jié)構(gòu)基本符合要求，文字通順，綜合概括能力較差。綜合來說本次畢業(yè)設(shè)計(jì)基本符合要求
評閱人：
2010年5月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見
學(xué)號： 2007964236 姓名： 易維 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 43 頁 圖 表 10 張
論文（設(shè)計(jì)）題目： 活塞加工及金屬模設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要：本說明書通過分析活塞的工作環(huán)境，工作條件和工作原理結(jié)合國內(nèi)外活塞的
發(fā)展及其現(xiàn)狀，還結(jié)合材料的性能，最終決定活塞采用鋁合金制造?；钊共吭O(shè)計(jì)成橢
圓形，橢圓長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向，這樣能使活塞工作時(shí)裙部趁近
正圓，不會(huì)造成活塞在氣缸內(nèi)卡住。為了防止活塞打到氣門，活塞采用凹頂。
通過分析，活塞的制造采用用金屬型鑄造，金屬型模具材料使用灰鑄鐵。金屬型鑄
造有許多優(yōu)點(diǎn)，能反復(fù)使用多次，有永久型鑄造之稱，并且拆裝方便快捷。型芯采用組
合式，方便活塞鑄造毛坯從模具中取出和型芯從毛坯中取出。
指導(dǎo)教師評語
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會(huì)意見
答辯委員會(huì)主任：
年 月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目： 活塞加工及金屬模設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號： 2007964236
姓 名： 易維
指導(dǎo)教師： 周里群
完成日期： 2010年5月20日
目錄
摘要····································································································1
ABSTRACT·······················································································2
第一章 活塞的運(yùn)行原理和工作條件················································3
2.1 活塞的運(yùn)行原理········································································3
2.2 活塞的機(jī)械負(fù)荷········································································3
2.3 活塞的熱負(fù)荷···········································································3
2.4 磨損強(qiáng)烈··················································································3
第二章 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)得選取·······················································4
1.1 汽缸直徑的確定········································································4
1.2 轉(zhuǎn)速n的確定···········································································4
1.3 汽缸工作容積與升功率·······························································4
1.4 缸心距的確定············································································5
1.5 壓縮比與燃燒室容積Vc，總?cè)莘eVa············································5
第三章 活塞組的設(shè)計(jì)·······································································6
3.1 活塞組的設(shè)計(jì)要求·····································································6
3.2 活塞的材料···············································································6
3.3 活塞各部分尺寸·········································································7
3.4 活塞總尺寸············································································13
第四章 活塞加工············································································15
第五章 活塞鑄造方式的選取及優(yōu)缺點(diǎn)··········································16
5.1 鑄造方式的比較······································································16
5.2 鋁合金的鑄造方式的選取及優(yōu)缺點(diǎn)···········································17
第六章 金屬型的設(shè)計(jì)·····································································18
6.1 冒口的設(shè)計(jì)·············································································18
6.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)·······································································20
6.3 金屬型的設(shè)計(jì)··········································································21
6.4 金屬型芯的設(shè)計(jì)·····································································26
總結(jié)··································································································28
參考文獻(xiàn)···························································································29
英文技術(shù)資料及其翻譯····································································30
4
摘要
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要配件之一，它與活塞環(huán)、活塞銷等零件組成活塞組，與氣缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃?xì)庾饔昧Σ⑼ㄟ^活塞銷和連桿把動(dòng)力傳給曲軸，以完成內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程。油氣燃燒所產(chǎn)生的熱由活塞的頂部所吸收，并傳至氣缸壁，而燃燒后氣體膨脹所產(chǎn)生的力量也必須經(jīng)由活塞來吸收，活塞會(huì)把燃燒氣體壓力及慣性力經(jīng)由連桿傳到曲軸上，利用連桿的作用將活塞的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
活塞的功用是承受氣體壓力，井通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞項(xiàng)部還是燃燒室的組成部分。活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下1二作?；钊跉飧變?nèi)以很高的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷?；钊谶@種惡劣的條件’卜工作，會(huì)產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時(shí)受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕作用?，F(xiàn)代的活塞設(shè)計(jì)主要有鑄造和鍛造兩種，而鑄造又比鍛造簡單便宜，但卻不及鍛造活塞能承受較大的熱度和壓力。由于活塞與活塞環(huán)都必須在高溫、高壓、高速及臨界潤滑的狀態(tài)’卜工作，因此長期以來，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者都為提供一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)而不斷努力，進(jìn)而可以從活塞方而來提高引擎的性能。
本文以捷達(dá)EA113汽油機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考，對四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析與計(jì)算機(jī)仿真分析。
首先，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識為依據(jù)，對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)中的受力等問題進(jìn)行詳盡的分析，并得到了精確的分析結(jié)果。其次分別對活塞組、連桿組以及曲軸進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的校核。一再次，應(yīng)用三維CAD軟件:Pro/Engineer建立了曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零部件的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用Pro/E軟件的裝配功能，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各組成零件裝配成活塞組件、連桿組件和曲軸組件，然后利用Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)分析模塊(Pro/Mechanism)，建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，活塞和連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。仿真結(jié)果的分析表明，仿真結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況基木一致，文章介紹的仿真方法為活塞組的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新思路。
關(guān)鍵詞: 活塞 氣缸蓋 燃燒室 曲軸 慣性力 附加載荷
ABSTRACT
The piston of car motor is one of the main accessorieses in the motor ,it and the piston wreath ,piston sell etc .the spare parts constitute a piston set and cover with air cylinder etc. Constitute combustion room together , bear gas function the dint also sell through a piston and connect the pole motive song stalk to complete inside the work process of ran motor.the oil annoys the combustion produce of hot from the coping of piston absorb , and spread to air cylinder wall , and combustion empress thestrengh produced by air inflation have to also absorb through the piston , the piston will chase combustion air pressure and inertial dint through connect the spread to song stalk up , make use of connect the function of pole exercise the line back and forth of piston to convert revolving of song stalk sport.
The effect of piston bears air pressure , and sell to pass to connect a pole to order about song stalk to revolve through a piston , constituting of the piston a coping still a combustion room part .piston under the condition that heat ,high pressure , high speed , lubricate bad work . The piston is exercised with very high speed back and forth in the air cylinder , and speed at constantly variety , this produced very greatly inertial inertial dint and made the piston been subjected to very big of the affixture carry a lotus . The piston is under this bad condition work , will produce to transform and accelerate to wear away , also produce affixture to carry lotus and heat in response to the dint , be subjected to chemistry of the gas corrosion function in the meantime . Modern of the piston design to mainly have the foundry forging 2 kinds , but cast again than forging simple cheapness , but cannot compare with forging piston can bear bigger heat and pressure . Piston and piston wreaths have to work under the appearance of the heat , high pressure and high speed and the critical lubrication , therefore for long time , the motor designs all continuously make great effort for providing a design , then can raise the function of from the piston .
第一章 活塞的運(yùn)行原理和工作條件
2.1 活塞的運(yùn)行原理
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要配件之一，它與活塞環(huán)，活塞銷等零件組成活塞組，與汽缸蓋等共同組成燃燒室，承受燃?xì)庾饔昧Σ⑼ㄟ^活塞銷和連桿把動(dòng)力傳給曲軸，以完成內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程。油氣燃燒所產(chǎn)生的熱由活塞的頂部所吸收，活塞會(huì)把燃燒氣體壓力及慣性力經(jīng)由連桿傳到曲軸上，利用連桿的作用將活塞的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)，活塞頂部還是燃燒室的組成部分。
2.2 活塞的機(jī)械負(fù)荷
在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作中，活塞承受的機(jī)械載荷包括周期變化的氣體壓力、往復(fù)慣性力以及由此產(chǎn)生的側(cè)向作用力。在機(jī)械在和的作用下，活塞各部位承受各種不同的壓力：活塞頂部動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力；活塞銷座承受拉壓及彎曲應(yīng)力；環(huán)岸承受彎曲及剪應(yīng)力。此外，在環(huán)槽部及裙部還有較大的磨損。
為適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要求各處有適合的壁厚和合理的形狀，即在保證足夠的強(qiáng)度、剛度的前提下，結(jié)構(gòu)要盡量簡單、輕巧，截面變化處的過度要圓滑，以減少應(yīng)力集中。
2.3 活塞的熱負(fù)荷
活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂面承受瞬間高溫燃?xì)獾淖饔?，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2000°～2500°。因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨摺；钊粌H溫度高，而且溫度分布不均勻，各點(diǎn)間有很大的溫度梯度，這就成為熱應(yīng)力的根源，正式這些熱應(yīng)力對活塞頂部表面發(fā)生的開裂起了重要作用。
2.4 磨損強(qiáng)烈
發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向作用力是較大的，同時(shí)，活塞在汽缸中的告訴往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞組與汽缸表面之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損，由于此處潤滑條件較差，磨損情況比較嚴(yán)重。
第二章 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取
1.1 汽缸直徑的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書所提供的設(shè)計(jì)條件:
所一要設(shè)計(jì)的宇氣油發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為2.0L.
平均有效壓力： p=0.8～1.2Mpa
活寨平均速度： Cm<18m/s
根據(jù)內(nèi)燃機(jī)學(xué)的基本公式：
Pe=Pe* Vs * i* n/30t
Vm=S * n/30
Vs=π*D2*S/4
其中Pe———為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，
Pem———為汽缸的工作容積，依題為0.5L
i———為發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)目，依題為4
n———為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
vm———為活塞的平均速度，依題為<18m/s
S———為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的行程
D———為發(fā)動(dòng)機(jī)的行程數(shù)，依題為4
根據(jù)以上的條件帶入公式（1），（2），（3）得：
70=0.8*π*D2*S*4*（30*Cm/S)/30*4
計(jì)算化簡后取D=84mm S=90mm
帶回原式可以確定n=5500r/m所以基本參數(shù)得以確定。
缸徑行程比S/D
汽油機(jī)S/D的取值范圍為0.8～1.2
S/D=90/84=1.07
1.2 轉(zhuǎn)速n的確定
根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》(楊連生)P2，汽油機(jī)轉(zhuǎn)速在2500-6000n/min之間
取n=5000r/m
活塞速度Vm=s*n/30=15m/s
符合活塞速度小于18m/s的要求
1.3 汽缸工作容積與升功率
氣缸工作容積Vs=πD2S/4=0.498L
由于平均有效壓力Pme范圍在0.8Mpa—1.2Mpa,取Pme=0.9Mpa。得
Pe =Pme*Vs*n*i/30τ=75Kw
氣缸工作容積Vs=πD2S/4=0.498L
升功率 PL=Pme*n/30τ=37.5KW/L
曲柄半徑于連桿長度之比λ=r/1的范圍在1/3～1/4之間，選取λ=0.3。又因曲柄半徑r=45mm所以桿長度為L=r/λ=45/0.3=150mm
1.4 缸心距的確定
由于汽油和干缸套的缸心矩Lo/D為1.12 -1.24所以初選Lo/D二1 .2，得Lo=84mm。
1.5 壓縮比與燃燒室容積Vc，總?cè)莘eVa
壓縮比范圍為7一12，根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》（周保龍)P3O8，受爆燃限制，汽油機(jī)壓縮比
不超過10,取ε=9
則燃燒室容積Vc=Vs/(ε一1）62.3 mL
汽缸總?cè)莘eVa=Vc+Vs=(62.3+498.5)=560.8mL.
第三章 活塞組的設(shè)計(jì)
活塞組包括活塞，活塞銷和活塞環(huán)等在汽缸里往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，他們是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性與使用耐久性，在很大程度上與活塞組的工作情況有關(guān)。
3.1 活塞組的設(shè)計(jì)要求
（1）要選用強(qiáng)度好、耐磨、比重小、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、具有良好減磨性、工藝性的材料；
（2）有合理的形狀和壁厚。使散熱良好，強(qiáng)度、剛度符合條件，盡量減輕重量，避免應(yīng)力集中；
（3）保證燃燒室氣密性好，竄氣。竄油要少又不增加活塞組的摩擦損失；
（4）在不通工況下都能保持活塞與缸套的最佳配合；
（5）減少活塞從燃?xì)馕盏臒崃?，而缸吸收的熱量則能順利地散走；
（6）在較低的機(jī)油耗條件下，保證滑動(dòng)面上有足夠的潤滑油。
3.2 活塞的材料
根據(jù)上述對活塞設(shè)計(jì)的要求，活塞材料應(yīng)滿足如下要求：
（1） 熱強(qiáng)度高。即在300～400°C高溫下任然有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞；
（2） 導(dǎo)熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環(huán)區(qū)得溫度，并減少熱應(yīng)力；
（3） 膨脹系數(shù)小。是活塞與氣缸間能保持較小的間隙；
（4） 比重小。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重；
（5） 有良好的減磨性能（即與缸套材料間的摩擦系數(shù)較?。?，耐磨、耐蝕；
（6） 工藝性好，低廉。
在發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度搞、成本低、工藝性好等原因，曾廣泛的被作為活塞材料。但近幾十年來，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因此比重大和導(dǎo)熱性差兩個(gè)根本缺點(diǎn)而被逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。
鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)于灰鑄鐵正相反，鋁合金比重小，約占有灰鑄鐵的1/3，結(jié)構(gòu)重量僅占鑄鐵活塞的50～70%。因此其慣性小，這對高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。鋁合金另一突出優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱導(dǎo)系數(shù)約為鑄鐵的3～4倍，使活塞溫度顯著下降。對汽油機(jī)來說，采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。
共晶鋁硅合金是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的活塞材料，即可鑄造，也可鍛造。還硅9%左右的亞共晶鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)稍大一些，但由于鑄造性能好，適應(yīng)大量生產(chǎn)工藝的要求，應(yīng)用也很廣。
綜合分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞采用鋁硅合金材料鑄造而成。
3.3 活塞各部分尺寸
1 活塞高度H
H=1D
選擇H=84mm
2 活塞頭部的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要點(diǎn)
活塞頭部包括活塞頂和環(huán)帶部分，其主要功用是承受氣壓力，并通過銷座把它傳給連桿，同時(shí)與活塞環(huán)一起配合氣缸密封工質(zhì)。因此，活塞頭部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：
（1）保證它具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度與剛度，以免開裂和產(chǎn)生過大變形，因?yàn)榄h(huán)槽的變形過大勢必影響活塞的正常工作；
（2）保證溫度不過高，溫差小，防止長生過大的熱變形和熱應(yīng)力，為活塞環(huán)的正常工作創(chuàng)造良好條件，并避免頂部熱疲勞開裂；
（3）尺寸盡可能緊湊，因?yàn)橐话銐嚎s高度H1縮短1個(gè)單位，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高度就可以縮短1.5～2個(gè)單位，并顯著減輕活塞重量。而H1則直接受頭部尺寸的影響。
壓縮高度的確定
活塞壓縮高低的選取將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，以及汽缸套、集體的尺寸和質(zhì)量。盡量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，壓縮高度H1是有火力按高度h1、環(huán)帶高度h2、和上群尺寸h3構(gòu)成的，即
H1=h1+h2+h3
為了降低壓縮高度，應(yīng)保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷控的直徑。
（1） 第一環(huán)位置
根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂火力岸高度h1。為縮小H1，當(dāng)然希望h1盡可能小，但h1過小會(huì)使第一環(huán)溫度過高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘接等故障。因此火力岸高度的選取原則是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般汽油機(jī)h1=（0.06～0.12）D，D為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑D=80.985mm，確定火力高度為：
h1=0.09D=0.09x84=7.56
取h1=8mm
（2）環(huán)帶高度
為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度b應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。但b太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高b=1.5～2.5mm，油高b=2～5mm。
該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二稱之為壓縮環(huán)（氣環(huán)），第三道環(huán)稱之為油環(huán)。取b1=2mm,b2=2mm,b3=4mm。
環(huán)岸高度c，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)破壞。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸負(fù)荷小的多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。因此環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其他較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，c1=（0.04～0.05）D，c2=（1～2）b，汽油機(jī)接近下限。
則 c1=0.045D=4mm,
C2=1.5b1=4mm.
因此，環(huán)帶高度h2=b1+c1+b2+c2+b3=16mm。
（3）上裙尺寸
確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，壓縮高度H1最后決定于活塞銷軸線到最低環(huán)槽（油環(huán)槽）的距離h1。為了保證油環(huán)工作良好，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會(huì)使油環(huán)卡主而失效。所以在一般設(shè)計(jì)中，選取活塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面，并且保證銷座的強(qiáng)度不至因開槽而削弱，同事也不致因銷座處材料分布不均引起變形，影響油環(huán)工作。
綜上所述，可以決定活塞的壓縮高度H1。對于汽油機(jī)H1=（0.35～0.6）D，所以
H1=0.6xD=0.6x84=50mm.
則 h3=H1-h1-h2=26mm.
3 活塞頂和環(huán)斷面
（1）活塞頂
活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)角度，為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡單的活塞頂形狀，即平頂。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用平頂活塞，由于EA1135V1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓縮比ε=9.3，因而采用近似于平頂?shù)幕钊?。?shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，汽油機(jī)為δ=（0.06～0.1）D，即δ=（0.08x84）=6.72mm。取δ=8mm。活塞頂接受的熱量，主要通過活塞環(huán)傳出。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對無強(qiáng)制冷卻的活塞來說，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占70～80%，經(jīng)活塞本身傳到氣缸壁的占10～20%，而傳給曲軸箱空氣和機(jī)油的僅占10%左右。所以活塞頂厚度δ應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過度圓角r應(yīng)足夠大，使活塞頂吸收的熱量能順利的被導(dǎo)致第二、三環(huán)，以減輕第一環(huán)的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度。
活塞頭部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般?。?.05～0.1）D，取0.1D，厚度則為8mm，活塞頂于側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角，一般取r=（0.05～0.1）D，取8mm。為了減少積碳和受熱，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角，所以尖角均自習(xí)修圓，以免在高溫下熔化。
（2）環(huán)帶斷面
為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚δ使導(dǎo)熱性良好，不讓熱量過多的集中在最高一環(huán)，起平均值為δ=(1.5～2.0)t、。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)于環(huán)槽的配合間隙，對于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性于耐久性十分重要。槽底圓角一般為0.2～0.5mm?；钊h(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇?，否則當(dāng)岸部于剛壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡主，成為嚴(yán)重的漏氣和過熱的原因，但倒角過大又可能使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為（0.2～0.5）x45°。
（3）環(huán)岸和環(huán)槽
環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計(jì)以偶那個(gè)保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機(jī)油消耗量，防止活塞粘著卡死和異常磨損，起環(huán)槽下平面應(yīng)與活塞軸線垂直，以保證環(huán)工作時(shí)下邊于缸桶接觸，減小向上竄機(jī)油的可能性?；钊h(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生上述損傷的情況下越小越好，目前，第一環(huán)于環(huán)槽側(cè)隙一般0.05～0.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.03～0.07mm，油環(huán)則更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機(jī)油消耗量，側(cè)隙去誒電腦該油環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔，并均勻的布置再主次推力面?zhèn)龋赜涂讓档蜋C(jī)油消耗量有重要意義，三道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙如表3.1所示：
表3.1 活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙
活塞環(huán)
開口間隙/mm
側(cè)隙/mm
第一道環(huán)
0.20～0.40
0.05～0.09
第二道環(huán)
0.20～0.40
0.03～0.06
第三道環(huán)
0.25～0.45
0.03～0.06
活塞環(huán)的背隙Δ"比較大，以免環(huán)于草底圓角干涉。一般氣環(huán)Δ"=0.5毫米，油環(huán)的Δ"則更大些，如圖3.1所示。
（4）環(huán)岸的強(qiáng)度校核
在膨脹沖程開始時(shí)，在爆發(fā)力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力p1比下面幾力p2大得多，不平衡力會(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有一可能斷裂，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力pmax時(shí), p1≈0.9pmax 。 p2≈0.2pmax ，如圖3.2所示。
已知pmax=4.5Mpa，則 p1≈0.9x4.5=4.05Mpa , p2≈0.2x4.5=0.9Mpa ,
圖3.1 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu)
圖3.2 第一環(huán)岸的受力情況
環(huán)岸是一個(gè)厚c1, 內(nèi)外圓直徑為D’、D的圓環(huán)形板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算同定而的應(yīng)力比較復(fù)雜，可以將其簡化為一個(gè)簡單的懸竹梁進(jìn)行大致的計(jì)算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底(岸根)直徑D'=0.9D=0.8*84=67.2mm, 在槽深t'為：
t'=0.1D=0.1*84=8.5mm
于是作用在岸根的彎矩為
（p1-p2）*π(D2-D'2)t'/4*2=0.002pmaxD3
而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于
C12π*0.9D/6=0.47c13D
所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力
δ=0.0026pmaxD3/0.47c12D=0.055pmax(D/c1)2
=0.055x4.5x(84/3.64)2=1.23N/cm2。。。
同理得剪切應(yīng)力為：
Τ=0.37pmaxD/c1=0.37x4.5x(84/3.64)=37.04N/cm2
結(jié)合成應(yīng)力公式為：
δ=38.64N/mm2
考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力[δ]=30～40N/mm2，δε<[δ],校核合格。
4 活塞裙部的設(shè)計(jì)
活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊貧飧淄鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受山于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力N。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，具有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤滑油膜，既不因問隙過大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因問隙過小而導(dǎo)致活塞拉傷。
分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。首先，活塞受到側(cè)壓力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面。這樣，裙部就有被扭偏的傾向，使它在活塞銷座力一向上的尺寸增大:其次，由于加在活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形，使整個(gè)活塞在銷座方向上的尺寸變大;再次，由于溫度升高引起熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其它部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使裙部截面的形狀變成為“橢圓”形，使得在橢圓形長軸方向上的兩個(gè)端而與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)像。在這些因素中，機(jī)械變形影響一般來說并不嚴(yán)重，主要還是受熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比較大。
因此，為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部一與氣缸之間必須預(yù)先流出較大的間隙。當(dāng)然間隙也不能留得過大，否則又會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。解決這個(gè)問題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少從活塞頭部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最小;活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小等和適應(yīng)。
本文采用托板式裙部，這樣不僅可以減小活塞質(zhì)量，而且裙部具有較大的彈性，可使裙部.與氣缸套裝配間隙減小很多，也不會(huì)卡死。
把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長軸是在垂直與活塞銷中心線力一向上，短軸平行于銷軸力一向的橢圓形。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的:
Δ=(D-d)(1-cos2€)/4
式中D、d分別為橢圓的長短軸，如圖3.3所示。
缸徑小于100mm的裙部開槽的活塞，橢圓度(△)的大小，一般為△=0.1～0.25。
圖3.3 活塞銷裙部的橢圓形狀
（1） 裙部的尺寸
活塞裙部是側(cè)壓力N的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤滑油膜，其表而比托q不應(yīng)超過一定的數(shù)值。因此，在決定活塞裙部長度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。
在確定裙部長度時(shí)，首先根據(jù)裙部比壓最人的允許值，決定需要的最小長度，然后按照結(jié)構(gòu)上的要求加以適當(dāng)修改。
裙部單位面積扭力(裙部比壓)按下式計(jì)算:
q=Nmax/DH2
式中：Nmax－－最大側(cè)作用力，由動(dòng)計(jì)算求得，Nmax=2410.83N
D－－活塞直徑，mm；
H2－－裙部高度，mm。
取H2=0.46D=0.46X84=37.253mm
則 q=2410.83/(80.985x37.253)=0.799Mpa
一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比亞值約為0.5～1.5Mpa，所以設(shè)計(jì)合適。
（2） 銷孔的位置
活塞銷與活塞裙軸線不相交，而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面(稱為主推力面，相對的一面稱為次推力面)偏移了1～2mm，這是因?yàn)?，如果活塞銷巾心布置，即銷軸線與活塞軸線相交，則在活塞越過上止點(diǎn)，側(cè)壓力作用力一向改變時(shí)，活塞從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個(gè)地橫掃過米變到主推力面貼緊氣缸壁的另一面，與氣缸發(fā)生“拍擊”，產(chǎn)生噪音，有損活塞耐久性。如果把活寨銷偏心布置，則能使瞬時(shí)的過渡變成分布的過渡，并使過渡時(shí)刻先于達(dá)到最高燃燒托力的時(shí)刻，因此改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作平順性。
（3） 活塞銷座
1）活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活塞銷座用以支承活塞，并由此傳遞功率。銷座應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠?，使銷座能夠適應(yīng)活塞銷的變形，避免銷座產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞斷裂;同時(shí)要有足夠的承壓表面和較高的耐磨性。
活塞銷座的內(nèi)徑d。=22mm，活塞銷座外徑d一般等了于內(nèi)徑的1.4－1.6倍，取d=1 .5d0=33mm
活塞銷的彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷一銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設(shè)計(jì)成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為4一5mm，但少當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共2一3mm就足夠了，取間隙為3mm。
2）驗(yàn)算比壓力
銷座比壓力為：
q=PΣ/2d0(l-lp)=23.3Mpa<[q]
一般[q]<40～60Mpa。
3.4 活塞總尺寸
活塞總尺寸見下表：
名稱
數(shù)值
單位
壓縮高度取H1
42
mm
環(huán)帶高度h2
16
mm
火力岸高度h1
8
mm
總高度
84
mm
壁厚
8
mm
內(nèi)圓直徑
68
mm
外圓直徑
84
mm
第一道環(huán)的環(huán)岸高度
4
mm
第二道環(huán)的環(huán)岸高度
4
mm
第一道環(huán)槽高度
2
mm
第二道環(huán)槽高度
2
mm
第三道環(huán)槽高度
4
mm
環(huán)槽深度
8
mm
活塞頂壁厚度δ
8
mm
活塞側(cè)壁厚度
8
mm
內(nèi)部過渡圓角
8
mm
上裙尺寸h3
26
mm
活塞孔內(nèi)徑
22
mm
第四章 活塞加工
活塞是比較復(fù)雜和精密的零件。加工時(shí)通常選擇活塞頭部內(nèi)腔和止口為粗基準(zhǔn)，裙部，底面和內(nèi)置口為大多數(shù)工序的精基準(zhǔn)，有時(shí)還要用外圓表面，銷孔及頂面作為精基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)。由于以內(nèi)腔原棉作為粗基準(zhǔn)來直接加工內(nèi)口不方便，故第一工序先安排以內(nèi)腔圓面為粗基準(zhǔn)來粗車外圓面，第二工序則以外圓表面和頂面內(nèi)壁定位，加工內(nèi)止口和裙部底面，這樣可保證外圓表面和內(nèi)腔之間的壁厚的均勻性及頂面的壁厚，并為后面的工序準(zhǔn)備好定位基準(zhǔn)。另外，內(nèi)止口在夾具的短圓柱銷上定位時(shí)，為了保證最小間隙和定位精度，保證以后各工序加工表面之間的位置精度和加工余量的均勻性等，要求內(nèi)置口孔徑要達(dá)到2級，活塞加工的工藝過程見下表
活塞加工的工藝過程
工序號
工序名稱
機(jī)床
10
粗車上口
車床
20
粗鏜銷孔
鏜床
30
粗切外圓，環(huán)槽及頂面
多刀車床
40
鉆油孔
多軸專用鉆床
50
去內(nèi)腔毛刺
沙輪機(jī)
60
精車止口，打中心孔
專用機(jī)床
70
精車外圓并倒角
多刀車床
80
精鏜銷孔
金剛鏜床
90
切卡環(huán)槽
專用車床
100
車橢圓裙部
活塞橢圓車床
110
精車頂面
車床
120
挑渣吹凈
130
表面鍍錫
140
滾壓銷孔
立式鉆床
150
清洗
160
終檢
第五章 活塞鑄造方式的選取及優(yōu)缺點(diǎn)
5.1 鑄造方式的比較
關(guān)于活塞的制造方法前而也略提及，活塞的鑄造方式主要為鑄造。鑄造的種類很多，如何選取最合適的鑄造方式是關(guān)鍵，以下對凡種鑄造方式進(jìn)行比較分析。
1.砂型
它適用于鑄造各種合金，但只適用于進(jìn)行小批量的生產(chǎn)，而且表而粗糙度值過大。
2.熔模鑄造
適用于碳鋼、合金、有色金屬，但是適用于小于25Kg的復(fù)雜鑄件。
3.低壓鑄造
適用于有色金屬、中小鑄件，有時(shí)達(dá)數(shù)噸，適用于大批生產(chǎn)，對高要求的鋁、鎂合金都可以鑄造。
4.壓力鑄造
適用于有色金屬、中小鑄件，但難以鑄造內(nèi)凹復(fù)雜的鑄件，也適用于大批量的生產(chǎn)。
5. 離心鑄造
適用于鑄鋼、鑄鐵、銅合金、中小件，最大達(dá)數(shù)噸，適用于中、大批量的生產(chǎn)。
6，擠壓鑄造
適用于有色金屬、鑄鋼、鑄鐵、3OKg以下的小件，大批量的生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)輕合金的薄板形鑄件?，F(xiàn)在有的活塞也用此種方法鑄造。
7.金屬型鑄造
適用于各種鑄造合金、中小件，有時(shí)達(dá)數(shù)噸，大批量生產(chǎn)，適用于高要求的鋁、鎂合金。
綜合上述，可知鑄造鋁合金只有低壓鑄造、金屬型鑄造和擠壓鑄造適用，但是低壓鑄造成本過高，而且本設(shè)計(jì)活塞的要求不是很高，而低壓鑄造比金屬型鑄造的過程復(fù)雜。另一方而擠壓鑄造(又稱液態(tài)模鍛)主要應(yīng)用于直徑在200mm以上的大活塞，在個(gè)大、壁厚、用鋁多、凝固慢和相對批量較少的情況下，對于本設(shè)計(jì)的活塞不太適合。所以本設(shè)計(jì)采用金屬型鑄造。
金屬型鑄造工藝有許多優(yōu)點(diǎn)，但它是在高溫下工作的，如果單純用手工操作，體力勞動(dòng)繁重，條件惡劣，不但生產(chǎn)率低，而且其優(yōu)點(diǎn)也不能充分發(fā)揮。如果采用機(jī)械化或自動(dòng)化生產(chǎn)，這一工藝的優(yōu)點(diǎn)就得以體現(xiàn)了。
金屬型鑄造機(jī)由開合型機(jī)構(gòu)、抽芯機(jī)構(gòu)、頂出鑄件機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。按照所需要的動(dòng)力，金屬型鑄造機(jī)大致可分為手動(dòng)金屬型鑄造機(jī)、氣動(dòng)金屬型鑄造機(jī)、液壓傳動(dòng)金屬型鑄造機(jī)三類。
5.2 鋁合金的鑄造方式的選取及優(yōu)缺點(diǎn)
由以上分析可知，鋁合金活塞的主要鑄造方式是采用金屬型鑄造。金屬型鑄造是將液體金屬用澆注法澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。由于鑄型是用金屬鑄成，可以反復(fù)使用多次(凡百次到幾·千次)，故又有永久型鑄造之稱.金屬型鑄造在技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上有許多優(yōu)點(diǎn)和不足之處，優(yōu)點(diǎn)是:
1）金屬型鑄件的力學(xué)性能比砂型高。如侶合金鑄件，其抗拉強(qiáng)度平均可提高約25%，屈服強(qiáng)度平均提高約20%，這是由于鑄件在凝固時(shí)冷卻速度高的結(jié)果。由于同樣原因，鑄件表層結(jié)晶組織細(xì)密，形成“鑄造硬殼”，鑄件的抗蝕性能和硬度亦顯著提高。
2)鑄件的精度和表面粗糙度比砂型好，而且質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定。如金屬型產(chǎn)生的鑄件，其精度平均為7級，而砂型鑄件平均只能達(dá)到8級。
(3)鑄件的工藝收縮率高，液體金屬消耗量減少，一般為15%~30%
(4)不用型砂或少用型砂，一般可節(jié)約造型材料80%~100%相應(yīng)減少型砂處埋和運(yùn)愉設(shè)備，降低了車間粉塵含量，減輕環(huán)境污染，改善了勞動(dòng)條件。
此外，金屬型鑄造的生產(chǎn)效率高，使鑄件產(chǎn)生缺陷的原因減少，工序簡單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。
其不足之處是:
(1)金屬型制造成本高。
(2)金屬型不透氣，鑄件在其中冷速大，而且無退讓性，易造成鑄件澆不足、開裂或鑄鐵件白口等缺陷，因此對用金屬型生產(chǎn)的鑄件要有選擇。
(3)金屬型鑄造時(shí)，鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度、鑄件在鑄型中停留的時(shí)間，以及所用的涂料等鑄造工藝對鑄件的質(zhì)量影響甚為敏感，故要求嚴(yán)格控制。
金屬型鑄造目前所能生產(chǎn)的鑄件，在重量和形狀方而還有一定的限制，如對黑色金屬只能是形狀簡單的鑄件;鑄件的重量不可太大;壁厚也有限制，較小的鑄件壁厚無法鑄出。
在決定采用金屬型鑄造時(shí)，必須綜合考慮下列各因素:鑄件形狀和重量大小必須合適，要有足夠的批量;金屬型的制造周期比木模的制作周期長，因此，對試件產(chǎn)品必須要有充裕的時(shí)間。
第六章 金屬型的設(shè)計(jì)
6.1 冒口的設(shè)計(jì)
金屬型鑄造同砂型鑄造一樣，設(shè)置冒口的主要目的就是補(bǔ)縮。避免鑄件出現(xiàn)縮孔與縮松等缺陷。金屬型鑄造冒口位置的確定，仍可以使用砂型鑄造時(shí)常用的結(jié)晶等溫法及內(nèi)切圓法，找出鑄件上可能產(chǎn)生縮孔的熱節(jié)部位，在熱節(jié)處設(shè)置冒口。
1.1 冒口的作用
1)補(bǔ)充鑄件凝固中的體積收縮.防止或減輕鑄件的縮孔、疏松等缺陷;
2)調(diào)整鑄件在凝固過程中溫度的分布，控制鑄件朝順序凝固或同時(shí)凝固方式進(jìn)行;
3)收集金屬液上浮的熔渣，熔化金屬液，排除型腔內(nèi)的氣體，減弱氣墊反壓，減少鑄件的氣孔、澆不到等缺陷;
4)使?jié)沧⒉僮髡呖衫妹髅翱谟^察探測所澆入金屬液的充型情況。
1.2 設(shè)計(jì)冒口的原則
1)要保證冒口比鑄件被補(bǔ)縮部件(通常為肥大的熱節(jié)部位)凝固得晚.其設(shè)置位置要比被補(bǔ)縮部位高，冒口下無易凝固結(jié)殼妨礙或截?cái)嘁毫髁鲃?dòng)的瓶頸，以確保冒口內(nèi)的合金液能在重力作用下流人鑄件的已收縮部位;
2)冒口應(yīng)有足夠大的體積，可容納足夠量的金屬液補(bǔ)充給鑄件的收縮部位的體積收縮;
3)對某些合金和結(jié)構(gòu)形狀奇異、難解決縮孔、疏松缺陷的鑄件，還需把冒口與冷鐵和澆注系統(tǒng)配合起來使用，以增大鑄件的溫度梯度，住順序凝固的方式進(jìn)行:
1.3 冒口的補(bǔ)縮原理
冒口的補(bǔ)縮作用不是孤立的，它與冒口本身的形狀和尺寸、鑄件的結(jié)構(gòu)和形狀、澆入的合金特性、使用冷鐵的形狀和安放位置等因素均有密切的關(guān)系，鑄造工作者必須了解冒口的補(bǔ)縮原理及這些相關(guān)因素的影響，才能正確地設(shè)計(jì)和設(shè)置冒口，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。
保持冒口里金屬液在冒口與鑄件待補(bǔ)縮部位之間有暢通的補(bǔ)縮通道(流路)，是實(shí)現(xiàn)冒口作用的必要條件。這種補(bǔ)縮通道又因鑄件的結(jié)構(gòu)形狀不同而異。板狀鑄件的補(bǔ)縮通道較寬闊，冒口的有效補(bǔ)縮距離也大;棒狀鑄件的補(bǔ)縮通道比較狹窄，冒口的有效補(bǔ)縮距離也小些。要保持金屬液(特別是結(jié)晶溫度間隔較寬的合金)有暢通的補(bǔ)縮通道，必須保證在鑄件的凝固方向上有較大的溫度梯度。配合使用的冷鐵，就在于增大此處鑄件與冒口方向的溫度梯度，使鑄件朝著有利于順序凝固的方向冷卻凝固，因此也擴(kuò)大了冒口的有效補(bǔ)縮距離;同時(shí)，須保證要補(bǔ)縮的部位在冒口的有效補(bǔ)縮范圍(補(bǔ)縮距離)之內(nèi);鑄型型腔中的氣墊反壓大，會(huì)使冒口的補(bǔ)縮液的流動(dòng)阻力增大，縮短冒口的有效補(bǔ)縮距離，降低其補(bǔ)縮效果。
1.4 冒口的形式與種類
金屬型冒口可以根據(jù)具體的情況設(shè)計(jì)成不同的形式與結(jié)構(gòu)，按是否與大氣直接相通，可以分為明冒口與暗冒口，按位置的高低可分為頂冒口與側(cè)冒口，具體形式的特點(diǎn)見表：
冒口的種類與應(yīng)用
種類
形式
應(yīng)用
明冒口
明頂冒口
1.頂冒口應(yīng)用最廣，形狀一般為圓形，因?yàn)樵谕葦嗝鏁r(shí)圓形周長最短，所以保溫良好。同時(shí)也與鑄件需要補(bǔ)縮形狀相仿，也便于補(bǔ)縮
2.為了使冒口的上端最后凝固，冒口的尺寸多設(shè)計(jì)成下小上大，由上到下成5到8度得斜度。在水平分型時(shí)，為了便于開型取件，才設(shè)計(jì)成下小上大，用涂料控制冷卻
3.冒口根部尺寸略小于鑄件尺寸，于鑄件圓角相連，并留有明顯的切割線
明側(cè)冒口
1.鑄件厚大部位處于鑄型中，下部，鑄件頂部不便于設(shè)置頂冒口的情況下才設(shè)置側(cè)冒口。側(cè)冒口金屬液的消耗量比頂冒口大
2.根部形狀一般與鑄件形狀相仿，但盡可能為圓形或橢圓形
3.博壁，板行鎂合金件垂直澆注時(shí)，為了消除鑄件中縮松的缺陷也常設(shè)置側(cè)冒口
暗冒口
暗頂冒口
鑄件熱節(jié)部位不便于設(shè)置明冒口，而在該處又必須補(bǔ)縮的情況下，才設(shè)置暗冒口
暗側(cè)冒口
1.5 冒口尺寸的確定
冒口的尺寸大小可按熱節(jié)圓的直徑來確定，一般情況下參考下列公式即：
明冒口： D=(1.2～1.5)d
D=10mm
暗冒口： D=(1.2～2)d
D=10mm
D為冒口根部直徑；d為鑄件熱節(jié)圓直徑。
熱節(jié)圓直徑大、補(bǔ)縮條件好的情況下，冒口尺寸取下限;熱節(jié)圓直徑小或補(bǔ)縮條件差的情況下，冒口尺寸取上限。當(dāng)鑄件熱節(jié)所處的高度不大，而水平尺寸較大，要求冒口有橫向補(bǔ)縮作用時(shí)，計(jì)算公式為D=（2～4)d。
冒口高度計(jì)算參考公式如下。
頂冒口:H =(0.8～1.5）D
H=30mm
側(cè)冒口:H=(2~3)D
H=50mm
暗冒口:H =（1.2一2)D
H=30mm
式中，H為冒口高度，D為冒口根部直徑。
冒口高度太低，補(bǔ)縮效果不好;太高則金屬消耗多，并可能引起內(nèi)澆道過熱。直徑較大的冒口，在補(bǔ)縮條件好的情況下，高度取下限。冒口的直徑不宜過小也不宜過大，太大的冒口會(huì)使鑄件靠冒口處產(chǎn)生縮松，當(dāng)冒口的位置與鑄件分不清時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)冒口切割線。
在活塞冒口的設(shè)計(jì)中結(jié)合以上經(jīng)驗(yàn)，再根據(jù)活塞自身的特點(diǎn)，將冒口設(shè)置
成為暗冒口，并根據(jù)公式進(jìn)行了尺寸計(jì)算。
6.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
金屬型的澆注系統(tǒng)由澆口杯、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道等部分組成。小型鑄件的金屬型一般不設(shè)澆口杯，有時(shí)為了澆注方便，直澆道上部加大。直澆道斷而最好是圓的，這樣可以避免熱量的散失和氣體的卷入，垂直直澆道由于幾金屬液對底部的沖擊比較大，所以高度一般不超過150mm;斜澆道的高度一般不超過250mm。橫澆道起緩沖、穩(wěn)流和擋渣的作用，并將金屬液分配給內(nèi)澆道，但是金屬型往往受分型而的限制，除水平分型外，有的澆注系統(tǒng)不設(shè)橫澆道，內(nèi)澆道的大小、形狀與位置直接影響鑄件的質(zhì)量，設(shè)計(jì)內(nèi)澆道時(shí)應(yīng)考慮鑄型熱量的分布、合金液在型腔中流動(dòng)平穩(wěn)、操作方便等因素。從熱分析的角度考慮，內(nèi)澆道的寬度與厚度比應(yīng)大于3，比例越大熱分析越均勻。從工藝簡單的角度來考慮，內(nèi)澆道盡量開在分型而上。在設(shè)計(jì)活塞的澆注系統(tǒng)時(shí)就充分的考慮到這些要求，以使工藝簡單化，盡量符合現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。
根據(jù)金屬型鑄造的某些特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)須注意下而凡點(diǎn):首先，金屬型澆注速度大，超過砂型約20%;其次，在液體金屬充型時(shí)，型腔里的氣體要能順利排除，其流向應(yīng)盡可能與液流方向一致，順利地將氣體擠向冒口或出氣冒口;此外，應(yīng)注意使液體金屬在充型時(shí)流動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生渦流，不沖擊型壁或型芯，更不可產(chǎn)生飛濺。
金屬型的澆注系統(tǒng)一般分為頂注式、底注式和側(cè)注式三種。
1）頂注式
鑄件溫度分布較合理，有利于順序凝固，可減少金屬液的消耗，但金屬液流動(dòng)不平穩(wěn)，易進(jìn)渣，鑄件高時(shí)易沖擊型腔底部和型芯。若用于澆注鋁合金件，一般只適用于鑄件高度小于100mm的簡單件。
2.）底注式
金屬液流動(dòng)較平穩(wěn)，有利于排氣，但溫度分布不合理，不利于鑄件順序凝固。
3） 側(cè)注式
兼有上述兩種的優(yōu)點(diǎn)，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，便于集渣、排氣等，但金屬液消耗大，澆口清理上作量大。
金屬型澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與砂型鑄造基本相似，但由于金屬型壁不透氣，異熱能力強(qiáng)，因此要求澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能有利于降低金屬液流速，流動(dòng)平穩(wěn)，減少其對型壁的沖刷，除應(yīng)保證型腔內(nèi)氣體有充裕的時(shí)間排除外，還應(yīng)保證在充型過程中不得產(chǎn)生噴濺。如澆注鋁合金時(shí)，直澆道可作成斜彎澆道或者蛇行澆道。
澆道的尺寸既要保證鑄件質(zhì)量，.又要求金屬液消耗量和鑄件清理一作量最小。要做到這些，一般可用計(jì)算或憑經(jīng)驗(yàn)確定，然后再經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，就可得出較合理的尺寸。
關(guān)于飛澆注系統(tǒng)最小截而積的計(jì)算，可以利用砂型鑄造中的計(jì)算公式，由于金屬型鑄件比砂型鑄件冷卻快，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，澆注時(shí)間一般比砂型減少20%、約%，使金屬液在型腔內(nèi)快速上升。由于澆注的合金不同，澆注系統(tǒng)的尺寸也有區(qū)別。
在這里，我們采用鋁合金活塞常采用的澆注方式:側(cè)注式。因?yàn)榈谝淮卧O(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，對其本身還有很多不了解的地方，所以就沒有采用斜彎澆道或者蛇行澆道，而采用了直澆道，以使設(shè)計(jì)得到簡化。
6.3 金屬型的設(shè)計(jì)
分型面形式一般有垂直、水平和綜合分型(垂直、水平混合分型或曲而分型)三種。在選擇分型方案時(shí)，必須從多方而比較，從而找出最合理的方案。選擇分型而的原則如下。
(1)為簡化金屬型結(jié)構(gòu)，提高鑄件精度，對形狀較簡單的鑄件最好都布置在半型內(nèi)，或大部分布置在半型內(nèi)。
(2)分型而數(shù)目應(yīng)盡量少，保證鑄件外形美觀，鑄件出型和下芯方便。
(3)選擇的分型而應(yīng)保證設(shè)置澆冒口方便，金屬液充型時(shí)流動(dòng)平穩(wěn)，有利于型腔里的氣體排出。
(4)分型而不得選在加工基準(zhǔn)面上。
(5)盡量避免曲而分型，減少拆卸及活塊數(shù)量，因曲而分型及采用活塊不僅使金屬型制造復(fù)雜，壽命縮短，而且降低生產(chǎn)率。
3.1 金屬型的主要結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用
金屬型的主要結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用，見下表：
整體金屬型
澆出來的鑄件沒有分型面，保證了鑄件的尺寸精度，適于從鑄型中方便取出簡單鑄件，所以受到一定的限制
鉸鏈?zhǔn)浇饘傩?
不用鑄造機(jī)，操作方便，要求鑄件外形不阻礙兩個(gè)半型圍繞軸心做弧形運(yùn)動(dòng)，適于圓形或類似于圓形鑄件
半開式金屬型
金屬型的一半固定在通用或?qū)Ｓ玫墓ぷ髋_(tái)上，另一半做開型動(dòng)作，鑄件往往留在固定的半型中，由于取出鑄件較難，應(yīng)用較少
對開式金屬型
無通用鑄造機(jī)，僅安裝在鑄件平臺(tái)上澆注，適合于中等復(fù)雜的小鑄件，這種鑄型，外郭尺寸一般不大于220mmX150mmX80mm，型壁做出減輕孔
用于在齒條傳動(dòng)式鑄造機(jī)上鑄造小型，簡單，多品種成批生產(chǎn)的鑄件，鑄型結(jié)構(gòu)簡單，常采用鑄造毛呸
用于電動(dòng)，氣動(dòng) ，液壓鑄造機(jī)上鑄造大型，復(fù)雜鑄件，鑄型結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度取決于鑄件的復(fù)雜程度，采用鑄造毛培
鑄件形狀簡單，便于加工，安裝在通用的金屬型鑄造機(jī)上，適用于多品種成批生產(chǎn)的中，小復(fù)雜及簡單鑄件
水平分型金屬型
適用于表面較大的圓盤型鑄件，鑄型一般以底部為基礎(chǔ)上下開合，一般需要頂出機(jī)構(gòu)取件。復(fù)雜鑄型用鑄件毛培，簡單的可鍛造毛培
根據(jù)活塞零件的結(jié)構(gòu)形式，本次設(shè)計(jì)中選擇對開式金屬模，這既方便取模，又符合現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。
3.2 金屬型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1)金屬型壁厚的確定 金屬型的壁厚是綜合考慮金屬型強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量及對鑄件的冷卻速度來決定的。由于影響因素太多，現(xiàn)在還沒有一個(gè)可靠的計(jì)算方法來確定不同條件下最適合的金屬型壁厚，可查閱《鑄模手冊》里介紹的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(2)型體與底座的設(shè)計(jì)型體、底座的三維設(shè)計(jì)圖分別如下圖所示。
底座
型側(cè)
金屬型型腔尺寸的計(jì)算，除了鑄件公稱尺寸及偏差外，還應(yīng)考慮合金從固相線冷卻到室溫的收縮，涂料和金屬型材料從室溫升至預(yù)熱澆注溫度的膨脹率。其計(jì)算公式為:
Ax=[Ap+Apk+δ]+△Ax
式中，Ax為型腔尺寸，mm；鑄件的平均尺寸，mm;K為綜合收縮率，%;6為涂料厚度，mm;△Ax為型腔尺寸制造公差，mm。
綜合收縮率K包括鑄件的收縮率和金屬型的膨脹率。小型鑄件金屬型設(shè)計(jì)是K值常取1%，涂料的厚度每邊為0. 1～0.3 mm}鑄件凹處取正值，凸處取負(fù)值，金屬型型腔尺寸制造公差△Ax按《鑄模手冊》選取。
(3)型芯的設(shè)計(jì)金屬型芯的特點(diǎn)如下。
①采用金屬型芯時(shí)鑄件的冷卻速度快，鑄件的結(jié)品組織細(xì)致、均勻。
②鑄件尺寸穩(wěn)定、表而粗糙度低。
③減少了制造砂芯或殼芯的上藝裝備和工序。
④內(nèi)腔復(fù)雜的鑄件可與砂芯或殼芯同時(shí)采用，否則會(huì)增加金屬型芯的復(fù)雜性，給制造和澆注帶來困難，甚至無法取出型芯。
金屬芯的設(shè)計(jì)原則如下。
①不影響零件使用和外觀的情況下，應(yīng)按鑄件圖給出足夠的鑄造斜度。對留有加土余量的鑄造表而，其鑄造斜度可適當(dāng)放大，以利于型芯的抽拔。
②型芯的定位要很準(zhǔn)確，一學(xué)向要可靠，保證型芯移動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生歪斜，以免拉傷鑄件。金屬芯的定位長度，不僅與型芯直徑大小有關(guān)，’而且與型芯上作而深度(與金屬液接觸部分)型芯固定形式等多種因素有關(guān)，如果是活動(dòng)型芯，則型芯的定位長度就較長些。
③在能方便抽拔型芯的情況下，應(yīng)盡量減少型芯的數(shù)量。這樣可以簡化操作，提高鑄件的質(zhì)量。
④型芯的結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮制造與加工的方便。
⑤圓形金屬芯的直徑在,50mm以上時(shí)，應(yīng)制成空心，壁厚取12一20mm，大型金屬芯壁厚按金屬型的壁厚來計(jì)算。
⑥組合金屬芯，當(dāng)鑄件內(nèi)形阻礙型芯取出時(shí)，金屬芯可以制造成順序抽拔形。
3.3 金屬型的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
金屬型設(shè)計(jì)中一定要注意排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因制作金屬芯的材料本身不透氣，排氣系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)就會(huì)使鑄件產(chǎn)生冷隔、澆不足、外形輪廓不清晰和氣孔等鑄造缺陷。設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)注意以下的問題。
（1）在確定鑄件在金屬型中的位置井?dāng)M定澆注系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮金屬液的充型過程，使其有利于將型腔中澆注時(shí)卷入的氣體和揮發(fā)物所產(chǎn)生的氣體排出。
（2)開設(shè)排氣孔。一般是在金屬型最后充滿處開設(shè)直徑為1～5mm的圓形排氣孔。
(3)開設(shè)排氣槽。在分型而或活塊的結(jié)合面上開設(shè)扁縫型排氣槽，其深度為h，對于鑄鐵和鑄銅一般為0.25mm，對于鋁、鎂合金一般為0.5mm，扁縫寬度為8~15mm,深度為}0.3～1.0mm，間距一般為10mm。
3.4 金屬型的導(dǎo)向與定位
金屬型合型時(shí)，要求兩半型定位準(zhǔn)確，一般采用兩種辦法:定位銷定位和“止口”定位。對于上下分型，而分型面為圓形時(shí)，可采用“止口”定位;而對于矩形分型而大多采用定位銷定位，定位銷應(yīng)設(shè)在分型而輪廓之內(nèi)。
當(dāng)金屬型本身尺寸較大，而自身的重量也較大時(shí)，要保證開合型定位方使。結(jié)合此活塞的結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)向部分是在底座上開有燕尾槽，’而在模體上設(shè)有和燕尾槽相配合的軌道。為了使模體在底座上滑行平穩(wěn)，將做出兩道平行的燕尾槽。
3.5 金屬型的鎖緊機(jī)構(gòu)
對手工操作的金屬型，合型后，為防止液體金屬進(jìn)入分型而，需采用鎖緊機(jī)構(gòu)。其中鎖緊機(jī)構(gòu)有:摩擦鎖緊、楔銷鎖緊、偏心鎖緊、插銷鎖緊、斜銷鎖緊、套鉗鎖緊等。其中插銷鎖是鉸鏈?zhǔn)浇饘傩偷墓潭ㄖc(diǎn)，偏心鎖是生產(chǎn)中應(yīng)用較多的形式。所以在制作活塞金屬型的鎖緊機(jī)構(gòu)的時(shí)候就采用了偏心鎖緊機(jī)構(gòu)。
3.6 金屬型材料的選擇
從金屬型破壞的原因分析可以看到，制造金屬型的材料，應(yīng)滿足下列要求:耐熱性和導(dǎo)熱性好，反復(fù)受熱時(shí)不變形、不破壞:應(yīng)具有一定的強(qiáng)度、韌性及耐磨性;機(jī)械加上性好。
在實(shí)際生產(chǎn)中，灰鑄鐵金屬型用的最廣泛，因鑄鐵的加工性能好，廉價(jià)，一般工廠均能自制;井且它又耐熱、耐磨，是一種較合適的盒屬型材料。只有在制作要求