05第四章活塞环的制造工艺

第四章活塞环的制造工艺活塞环的性能对整台发动机系统的良好工作运转是十分重要的，活塞环组件必须有较长的使用寿命。

现在通过改进材料和表面制造工艺，活塞环已能满足这样的寿命要求。

4.1 活塞环的生产特点活塞环是内燃机中的重要易损件，生产批量很大，可想而知，必须高度专业化，组织流水生产作业线。

活塞环流水生产具有下列特点：1 工作地专业化程度高。

每个工作地固定完成一道或几道工序，而每一道工序都在固定的工作地加工。

如活塞环粗磨两端面统一在粗磨组进行加工。

2 产品在流水线上按单向运输路线移动，生产过程具有良好的连续性。

活塞环单向运动移动路线为：粗磨→去油→热处理→细磨→去油→半成品检查→切削流水工作线→表面处理→成品检查→配组入库。

3 在整个加工过程中，产品按平行移动方式在各工序的工作地之间移动，生产具有明显的节奏性；4 工艺过程是封闭的，产品的所有工序在流水线内全部完成，如活塞环切削流水线在两端面加工完成后，内圆、外圆、开口间隙等加工全部在切削生产线上完成，加工过程象流水一样从上一工序转到下一工序，连续生产。

4.2 活塞环的加工方法依照活塞环成型的方法不同，制造活塞环的方法主要有两种：1 热定型法（整体正圆法）：即浇铸出圆筒形活塞环毛坯，然后在普通车床上切削加工，切割成单环；按工作间隙尺寸铣出切口，最后扩张至所需要的自由切口间隙尺寸，并在此状态下热处理定型，即成所需尺寸的活塞环。

2 单体椭圆法：即浇铸出单个的椭圆形活塞毛坯，然后在靠模车床上切削加工，并按自由切口间隙尺寸切口，就成为所需尺寸的活塞环。

这两种方法都获得广泛采用，但有几点需指出：（1）单体椭圆法属于机械定型。

既可用于制造等压环，又可用于制造非等压环；但主要用于制造非等压环。

它在造型过程中，设计椭圆形状时就考虑了弹力和环的结构尺寸等方面的关系。

热定型法，环自由形状的形成主要靠热定型，因此在高温下会发生回火，促使环的弹力消失。

由于定型性质不同，所以在用前一种方法制成的活塞环寿命比较长。

热定型法主要用于制造等压环。

（2）从加工过程看，单体椭圆法在铸造和机械加工时要用专用模具和靠模车床，设备复杂，而热定型法无论从铸造或机械加工看都比前法简单，所以它的生产率高，成本低。

前一种方法适用于大批量生产，后一种方法大、中、小批量生产均可。

（3）单体椭圆法节省金属材料，因为它的切削加工裕量可以留得很少。

图4-1 活塞环热定型加温曲线4.3 活塞环的铸造目前活塞环的铸造方法主要有单体叠箱铸造、双片叠箱铸造、筒体砂型铸造和筒体离心铸造，按毛坯的形状来分又可分为正圆和椭圆两种。

早期的活塞环毛坯的铸造方法多数用正圆筒体砂型铸造，这种方法的最大特点是容易铸造、废品率低、补缩效果好，其缺点是铸件需要切片、加工余量大，大大增加了机械加工的工作量，机械性能也较差。

目前由于铁球环补缩问题还未得到很好的解决，故多数铁球环采用这种生产方式，但其他材料的中、小活塞已很少用这种方法了。

筒体离心铸造的优点是不用砂型，大大减少运输量，节省人力、设备简单、工装制造容易、操作方便、易实现机械化、自动化、劳动强度低、劳动条件好、占地面积小、铸件补缩能力强、不易产生缩孔、气孔、金属基体致密等，其缺点是毛坯是正圆的、壁的厚度很厚、要切片、内外园加工余量大、偏析比较严重、机械性能不够稳定。

因此，这种方法除少量用于球铁环生产外，其他材质的活塞环一般不用这种方法。

单体环铸造的优点是：加工余量小、组织致密、机械性能好。

其缺点：设备要求比较先进，否则废品率较高、补缩能力差。

由于合金铸铁环不存在补缩问题，故目前绝大多数合金铸铁环采用这种生产方式，而且随着管理水平和工艺水平的提高，以及不断采用先进设备，废品率高的缺点正在逐步被克服。

权衡之下，单体铸造工艺是目前被公认的好方法，但由于存在补缩问题，目前铁球环没有采用这种方法。

然而，随着技术的不断发展，也可能有朝一日这种生产方法会用于铁球环。

双片铸造的优缺点介于单体铸造和筒体铸造之间，合金铸造环一般不用这种生产方式，目前这种方式只用于生产铁球环。

正圆的优点是型板制造简单、加工设备简单。

缺点是要进行热定形、开口对面应力大，开口处径向压力低，热稳定性差，弹力消失厉害。

椭圆环的优缺点与正圆环的相反。

4.4 活塞环的加工工艺规程 4.4.1 基准的种类和选择基准是确定零件上某些点、线、面的位置时所依据的该零件上的点、线、面。

基准的概念只有在研究点、线、面之间的相互位置关系时才有意义。

在加工过程中，选择哪些点、线、面作基准将直接影响工件表面的相互位置精度。

按照基准的作用和应用场合的不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。

下面对工艺基准作一介绍。

1 工艺基准在机械加工和装配过程中，常用的工艺基准有工序基准、定位基准、测量基准和装配基准四种。

（1）工序基准 在加工工序图中，用来规定本工序和加工表面的位置的基准，称为工序基准。

加工表面与工序基准之间通常有两项相对位置要求：一是加工表面对工序基准的距离位置的要求。

另一是加工表面对工序基准的角度位置要求。

工序基准除采用实际表面外，还可以是表面的几种中心、对称线等。

图4-2为工序基准示例。

图 4-2 工序基准示例工序基准不同于设计基准。

设计基准是零件图纸上所使用的基准。

工序基准是加工过程中使用的基准。

只有当作为工序基准的表面已经加工，本工序又是对表面进行最终加工时，工序基准才与设计基准重合。

（2）定位基准 定位时，用以确定工件在夹具中的位置的表面，称为定位基准，它使工件的工序尺寸方向上相对刀具获得确定的几何位置。

（3）测量基准 测量基准是用以测量已加工表面位置的某些点、线、面或其组合。

（4）装配基准 装配时用以确定零件在部件中位置的基准，称为装配基准。

例如活塞环的外圆与平面为该零件装配基准。

2 定位基准的选择（1）选择定位基准时，要使定位基准与工序基准重合（即基准重合原则），以避免因不重合而产生定位误差。

在最初的工序中，零件的定位基准是铸造或锻造等得到的表面，这种未经加工的基准称为粗基准。

用粗基准定位加工出光洁的表面，以后的工序就该用已加工过的表面（精基准）作定位基准。

另外，当零件上没有合适的表面作定位基准时，为了便于定位，可以在工件上特意作出专供定位使用的表面，这种定位基准称为辅助基准。

例如，轴类零件两端的中心孔就是为外圆加工而设置的辅助基准。

（2）粗基准的选择在第一道工序的加工种，一般选用粗基准定位，如图4-3所示的铸件，在铸造时内孔2与外圆1有偏心，如果以不需要加工的1面作粗基准定位加工内孔，则内孔与外圆同心，但内孔的加工余量不均匀；如选用内孔作粗基准，即用卡盘夹住外圆，然后按内孔找正，则内孔的加工余量均匀，但加工后工件的壁厚不均匀。

因此，粗基准的选择对加工面的余量分配以及工件面上加工表面与不加工表面的相互位置影响极大。

选择粗基准应考虑下列原则：a 对于具有不加工表面的工件，为了保证不加工表面与加工表面间的相对位置要求，一般应选择不加工表面为粗基准。

如果在工件上有很多不需要加工的表面，则应以其中与加工面的相互位置要求较高的表面作粗基准；b 如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀时，则应选择该表面作粗基准；c 选择粗基准时，必须考虑定位准确，夹紧可靠以及所用的夹具结构简单。

因此要求粗基准尽可能平整，不允许有锻造飞边、铸造浇冒口等缺陷；d 如果能用精基准定位时，则粗基准一般不应重复使用。

当毛坯精度较低时，如果在两次安装中重复使用同一粗基准，则会造成较大的定位误差。

因此在粗基准定位加工出其他表面后，就应以加工出的表面作精基准来进行其它工序加工。

（3）精基准的选择精基准的选择，主要考虑的问题是如何保证加工精度和安装准确、方便。

因此选择精基准时应遵循下列原则。

a 为了易于获得加工表面与其设计基准的相对位置精度，应选择设计基准作为精基准，这一原则通常为基准重合原则。

b 当工件以某一精基准定位，可以比较方便地加工其余各表面时，则应尽早地在开始几道工序中就把该基准加工出来，以后各道工序都以它为精基准。

这就是基准统一原则。

这个原则经常用于加工复杂的零件，以保证各加工面的相互位置精度。

图 4-3 粗基准的选择例如轴类零件一般用两个顶针孔作精基准；圆盘类零件常用一个端面和一个短孔作精基准；箱型零件一般用一个较大的平面或两个距离较远的孔作精基准。

采用基准统一原则有一系列的优点，它不但可以简化工艺过程的制定及统一夹具设计，而且还可以避免因基准转换所带来的误差，由于基准统一，就可能在一次安装中加工更多的表面。

c 选择精基准时，必须考虑定位准确、稳定，夹紧可靠，并使夹具的结构简单。

d 选择精基准时，有时还要遵循互为基准的原则。

例如磨削精密齿轮时，为了保证齿面硬度均匀，一般在齿面淬硬后，以齿面定位磨内孔，再以孔为基准磨齿面，以保证齿面余量的均匀。

e 选择精基准时，有时还要遵循自为基准的原则。

为了使加工余量少而均匀，有的精加工工序就选择加工表面本身作为精基准，而该加工表面与其他表面之间的位置精度则由前道工序保证。

在实际选择基准的过程中，有时也会有这样的情况，即为了使夹具的结构简单，就放弃了基准重合的要求。

在选择定位基准时，必须根据具体情况定出最合理的定位基准。

4.4.2 活塞环的工艺规程为了进行科学管理，将工艺过程的各项内容写成文件，用来指导生产和组织生产，工厂的各种工艺规程是将有关内容编写成各种文件图纸和表格等形式来表达的，这些文件统称为工艺文件。

零件生产所用的工艺文件的种类很多，也没有统一的规定格式，由各工厂自行规定。

主要的工艺文件有工艺过程卡片、工序卡片、调整卡片、检验卡片等。

1 工艺过程卡片：也称综合卡片或工艺流程卡片。

在卡片上规定了制造该零件所经过的各个车间，经过的全部工艺过程。

按照零件工艺过程的加工顺序列出所有的工序，表示零件的生产路线。

以及对每个工序所使用设备，工艺参数等作出简要说明，表示零件加工完整的工艺过程。

在单件、小批生产中一般只用工艺过程卡。

2 工序卡片：这种卡片也称操作卡片，用来具体指导工人进行生产，这是为零件生产过程中的每一道工序编写的，是工艺过程卡上每一道工序的详细规定。

在工艺过程上绘有工序简图，注明定位基准和加工表面的工序尺寸，光洁度、技术要求等，并分出工步的次序和内容、切削规范和工时定额以及使用的设备工、夹、量、辅具的具体情况等。

对于大批量生产的零件和小批量生产的关键零件，除了工艺卡片，还要详细编制工艺装备明细表。

3 调整卡片：对于在自动和半自动机床上完成的工序，往往不用工序卡片，而要编制调整卡片，供机床操作人和调整人使用。

4 检验卡片：它是检查人员使用的主要文件，其中对检验对象、检验项目、检查方法及使用检具均有具体规定。

零件加工完毕按检验卡检收。

对于成批大量产品，一般需要检验卡。