活塞止口的加工工艺与要求

1.概述

（1）活塞的结构特点和技术要求 活塞是在气缸内作往复运动，当气缸里的混合气体（空气和燃料）燃烧并膨胀时，活塞受到高温气体的压力，经活塞销和连杆把压力传给曲轴。气体的吸入、压缩和废气的排出，也都由活塞的运动来完成。因此，活塞是在高温、高压和长期连续交变载荷的条件下工作的，为了适应这样的工作条件，活塞必须具备下列性能：

1）高温高压下具有足够的强度和刚度。

2）轻的结构重量。

3）良好的导热性，热膨胀小。

4）保证气缸内部空间密封。

图3-60所示为活塞零件图。活塞由头部（包括顶面，环槽，油孔，横槽等）和裙部（包括销孔，直槽，止口等）两部分组成。其结构特点：头部呈圆锥体，裙部呈扁锥体，而且内腔形状复杂，壁厚很不均匀；在活塞纵向截面上，头部尺寸小于裙部尺寸；在裙部横向截面上，销孔轴线方向尺寸小于垂直销孔轴线方向尺寸。

采用这种结构的原因是为了补偿活塞工作时的热变形，使活塞受热膨胀后能保持圆柱体形状，与气缸内孔有比较均匀的工作间隙。但是这种结构给活塞加工带来了许多困难。

活塞的止口位于活塞底部，它包括止口内孔，锥面和端面，这些表面是活塞加工的工艺基准，从活塞的工作性能来看，对它并没有要求，而只是加工工艺上的需要。

图3-60 活塞零件图

按照国家标准，活塞一般按下列技术要求进行加工：

①活塞销与销孔的配合精度很高，销孔的尺寸精度一般为IT6级。

②活塞裙部外圆与气缸内孔的配合精度也较高，裙部外圆的尺寸精度通常为IT7级，高速发动机活塞的裙部外圆尺寸精度要求为IT6级。

③环槽宽度尺寸应能保证活塞环能随气缸内孔大小的变化而自由地胀缩。其宽度尺寸公差约为IT8级精度，表面粗糙度值为Ra0.4μm。

④销孔轴线与顶面的距离尺寸主要是为了保证工作时压缩比。

⑤活塞头部外圆不与气缸内孔接触，其直径尺寸公差约为IT9级精度，表面粗糙度值为Ra3.2μm。

（2）几何形状精度

1）销孔的圆度和素线平行度误差不能超过1.5μm。

2）裙部横截面要求为椭圆，长轴在销孔垂直方向。

3）裙部外圆为锥体，大端在下方。圆度和锥度公差在其尺寸的公差范围内。

（3）互相位置精度

1）销孔轴线对裙部外圆轴线的对称度误差会引起气缸内孔不均匀磨损。一般当活塞直径小于100mm时对称度误差要求为0.1mm，活塞直径大于100mm时为0.15mm。

2）销孔轴线对裙部外圆轴线的垂直度误差将会使活塞在气缸内偏斜，运动时产生倾侧力，加剧磨损。

3）环槽两侧面应垂直于裙部外圆轴线，在25mm长度上垂直度公差不大于0.05mm，两侧面对裙部轴线的圆跳动误差不应大于0.05mm。

（4）活塞重量差 为了保证工作平稳，同一台机器的各个活塞重量不能相差很大，所以活塞应按重量分组后进行装配。

活塞的材料一般采用铸铁和铝合金两种。铸铁活塞价格低廉，成本较低，具有很好的耐磨性，较高的强度和刚度，膨胀系数也较小；但由于重量较大，导热性较差，所以主要是用于低速的工作状态中。汽油机和高速柴油机常采用铝合金活塞。铝合金的重量较小，高速运动时产生的惯性力也小，导热性好，有利于降低活塞顶面温度，而且铝合金的切削性能和铸造性能都较好；但其价格较高，力学性能和耐磨性较差。

用来制造活塞的铝合金种类有铜硅铝合金和高硅铝合金等。在合金中加硅可以提高活塞的耐磨性，但含硅量高的铝合金在加工时会影响刀具的寿命，特别是对精镗销孔、精车外圆和环槽等精加工工序的加工精度、生产率有一定影响。

铝合金活塞的毛坯一般采用金属模浇铸，其毛坯精度高，单边机械加工余量可减小到1～1.2mm，销孔也可以铸出，材料利用率较高。铝合金活塞的毛坯需经过时效处理，以消除内应力和获得所需要的硬度。

2.活塞加工工艺过程与工艺分析

活塞的工艺过程见表3-5（按大量生产制订）。

表3-5 活塞工艺过程

由于活塞内腔形状复杂，厚度不均匀，径向刚性较差，在铸造和加工时内应力都会造成裙部变形，每一道加工工序也会产生夹紧变形，从而影响加工精度。因此，在制订活塞工艺过程时必须充分考虑活塞的结构特点和精度要求。制订活塞工艺过程的要点如下：

（1）精基准的选择 活塞各加工表面的互相位置精度要求主要有：孔轴线与裙部外圆轴线垂直且对称，环槽两侧面与裙部外圆轴线垂直等。从保证这些技术要求来看，应以裙部外圆表面作为精基准，但实际生产中一般都不用裙部外圆，而用止口作为统一基准，即精车外圆和精磨外圆工序采用止口锥面和顶面中心孔定位，其余工序都采用止口内孔、端面定位。

采用止口内孔、端面或止口锥面和顶面中心孔作为精基准具有下列优点：

1）基准统一。它可以作为加工裙部、头部、顶面和销孔等主要表面的统一定位基准，有利于保证它们的相互位置精度，而且可以在一次装夹中车削外圆，顶面和环槽，实现工序集中。

2）减少变形。活塞的径向刚性较差，裙部容易变形，采用止口和中心孔定位可以沿活塞轴向夹紧，从而减少变形，而且可以进行多刀切削，提高生产率。

3）使用方便。采用止口定位会给多品种小批量生产和配件生产带来不少方便。当活塞品种改变时，只需更换止口定位元件即可。在配件生产中，由于气缸内孔磨损情况不同，同一台发动机的各个活塞外径往往需要加工成不同的修配尺寸，但各活塞的止口尺寸仍是相同的，这样就不需要换止口定位元件。

（2）粗基准的选择 由于活塞内腔表面是不加工的，而活塞零件要求内腔表面相对外形壁厚均匀，否则活塞的重量相对其轴线不对称，会影响活塞工作时的平稳性。因此，所选择的粗基准应能保证活塞的壁厚均匀，即用此粗基准加工出的止口相对于内腔不加工表面能保证较准确的位置。

对于铸造精度不高的毛坯，可以采用以内腔表面和顶面上铸出的外顶锥为粗基准的夹具（图3-61）。加工时，夹具的柱塞3可在心轴的斜面推动下向外均匀伸出，支撑住活塞内腔表面；轴向位置由支承头4确定；另一端采用反顶尖使活塞定位并夹紧。这样定位较合理，且可多刀切削，能在一次装夹中粗车出止口，外圆，顶面和环槽，生产效率较高。但这种夹具的结构复杂，刚性较差，刀具调整较费时，当夹紧力不适当时会引起活塞变形。

对于金属模浇铸的毛坯，由于其铸造精度较高，故可以外圆和内腔底面（或外圆和顶面）为粗基准。加工时，可用长自定心卡盘夹持活塞外圆，再用轴向定位件控制内腔底面到止口端面的尺寸（或控制活塞总长度尺寸）来粗车止口。这样既能使活塞径向内外表面壁厚均匀些，又能保证顶面到内腔底面的轴向厚度，且所用工具简单，操作方便，夹紧可靠。

（3）精基准的修整 经粗加工的止口精度不是很高，而且在活塞的粗加工阶段切除余量多，夹紧力和切削力都较大，也会影响止口的精度。因此，在各主要表面的精加工之前，需要修整止口，提高精基准的精度。图3-62为精车止口，钻中心孔的示意图。车床的空心主轴中装有反中心钻（左旋），这样止口的内孔，端面，倒角和顶面中心孔就能在一次装夹中加工出来，容易保证它们之间的相互位置精度。

（4）其他精基准的选择 如前所述，止口可作为活塞加工大多数工序的统一基准。但对于销孔精加工则需要考虑选择其他精基准，如精镗销孔时，为了直接获得销孔轴线与顶面的距离尺寸和避免用止口定位时产生夹紧变形，可以选择顶面和头部外圆作为定位基准；又如滚压销孔时，为了保持精镗孔获得位置精度，可以用销孔本身作为定位基准并采用V形块支承。

图3-61 粗基准采用内表面定位

1—心轴 2—套筒 3—柱塞 4—支承头 5—带斜面的套筒

图3-62 精车止口、内孔示意图

（5）加工顺序的安排

1）加工阶段的划分。划分加工阶段时应将粗、精加工分开，这对于容易变形的活塞尤为重要，因为粗、精加工分开后，能使加工变形所引起的各种误差尽量减小。由表3-5知，活塞的加工工艺过程可分为粗、精加工两个阶段。工序7以前为粗加工阶段，包括对各主要表面如止口、外圆、环槽、顶面等进行粗加工，同时将一些要求不高，又要切除较多金属余量的表面如油孔、横槽、直槽等加工出来。从工序7开始为精加工阶段，在工序7中对精基准止口进行修整，为了是保证后面精加工工序的定位精度。此外，为了避免精加工后的表面受到损伤，主要表面的精加工应尽量放在最后进行，如精磨裙部外圆放在第10工序，滚压销孔放在第14工序。

2）工艺原则的确定。由于该活塞属于大量生产，故其加工工艺过程是按工序集中的原则，采用了较多的高效率专用机床和许多专用工、夹、量具，组成流水生产线。如第3工序的多刀半自动车床在一次装夹中同时加工出了外圆、环槽和顶面等，又如第5工序在专用多轴钻床上同时钻出了10个油孔。在活塞加工过程中的大多数工序都是由复合工序组成的。这是由于工序集中可以减少机床数量，并可相应地减少操作工人数和生产面积；并且可以采用自动化程度较高的专用机床和工、夹、量具，从而大大提高了生产效率，而且可以在一次装夹中加工尽可能多的表面，这样不仅减少了辅助生产时间，而且有利于保证各加工表面的相互位置精度。

3.活塞特殊表面的加工

活塞裙部外圆、环槽和销孔的精度加工工序是活塞加工中的三道主要工序。

（1）裙部外圆精加工 该活塞的裙部横截面为椭圆曲线，纵向带有锥度或呈桶形。裙部外圆精加工除了要获得规定的形状、尺寸和表面粗糙度外，还需要提高与止口的同轴度，因为环槽、销孔等主要表面都以裙部外圆为设计基准。

裙部外圆精加工可以采用磨削或精车，现将其加工方法简述如下：

1）偏心靠模磨削。为了磨出裙部横截面为椭圆曲线的活塞外形，活塞相对砂轮必须作径向附加运动，当活塞旋转一周时，其轴线应往复移动两次，移动量为椭圆长轴尺寸与短轴尺寸差的一半。

2）仿形靠模车削。随着车削加工技术的不断发展，已经出现了许多类型的仿形车床。为了获得裙部横截面为椭圆曲线（或其他横截面）、纵向带有锥度（或各种中凸曲线）的活塞外形，采用立体靠模的仿形车床加工。其工作原理是根据采用的不同外形的立体靠模，由仿形刀架的随动控制装置来控制刀具的运动轨迹，以实现各种不同外形活塞的仿形加工。当然，外形不同的活塞需要设计制造不同的立体靠模。比较先进的仿形车床还配备了自动测量和自动补偿装置，以保证活塞外形的加工精度。这种加工方法的加工精度极高，其尺寸精度可达5μm，表面粗糙度值为Ra0.4μm，且生产效率高。

除了上述加工方法外，常见的还有双偏心连杆机构椭圆磨削、偏心套车削等。

（2）活塞环槽加工 环槽精加工方法如图3-63所示。在前后刀架上分别装有两组切槽刀进行半精加工和精加工；环槽宽度和槽间距离决定于切槽刀的宽度和夹板厚度。为了提高槽宽和槽间距离的精度，切槽刀和夹板的两侧面均需经过磨削，其厚度尺寸误差应限定在0.005～0.01mm。为了保证环槽侧面与裙部轴线垂直，切槽刀应与活塞裙部轴线垂直，也就是要使刀架装夹刀具的基准面A与机床主轴的轴线垂直。这可在装夹刀具前用指示表找正，使其误差不超过0.01mm。

图3-63 精车活塞环槽

切槽刀刃口的表面粗糙度对环槽侧面的表面粗糙度影响很大，因此要求刃口棱边宽度为0.2～0.4mm，副后角为0°，从而对环槽侧面起挤压修光作用，以减小其表面粗糙度也有一定影响，常用的切削液是煤油和柴油的混合液，可获得较好的效果。

（3）销孔精加工 为了保证活塞与连杆的连接状况良好，对活塞销孔提出了很高的技术要求，一般活塞销孔的尺寸精度要求高于IT6级，表面粗糙度值为Ra0.1μm，圆度和素线平行度误差应不超过1.5μm。这样高的技术要求用一般的孔加工方法显然是难以达到的，所以活塞销孔经粗镗后，还要采用精镗和滚压两种高精度的加工方法，才能稳定地达到规定的技术要求。

销孔精镗工序是在金刚石镗床上进行的，机床主轴采用的是静压轴承，刚性好，回转精度高，所以能达到很高的加工精度。精镗销孔的一个重要技术问题是选择定位基准问题。如前所述，为了直接获得销孔轴线与顶面的距离尺寸和减小夹紧变形，应选择顶面和头部外圆作为定位基准，因为这样有利于保证加工精度。

滚压加工是销孔加工的最终工序，主要是为了提高销孔的几何形状精度和获得较细的销孔表面粗糙度。滚压销孔用的滚压工具，由导向套、凸轮心轴、保持器和滚针等组成。滚压工具装在立式钻床的主轴锥孔中，活塞放在V形支座上。先将滚压工具前端的导向套插入活塞销孔中自动找正中心，然后开动机床使滚压工具旋转，同时向下作进给运动。

采用滚压加工销孔的加工精度很高，可达到IT6级以上尺寸精度和表面粗糙度Ra0.1μm；生产效率也较高，但滚压工具本身的制造精度要求很高，而且对前道精镗销孔工序也提出了较高的加工精度要求。

（4）活塞检验 活塞检验主要的项目有：

1）加工表面的表面粗糙度和外观。

2）销孔的尺寸和几何形状精度。

3）销孔轴线对裙部外圆轴线的对称度、垂直度和销孔轴线到顶面的距离尺寸精度。

4）裙部外圆尺寸和形状精度，并按裙部椭圆长轴尺寸分组。

5）环槽的宽度、底径尺寸、环槽侧面对裙部外圆轴线的垂直度和圆跳动。

6）称活塞重量，并按重量分组。

（5）活塞主要技术要求的测量方法 活塞主要技术要求的测量方法如下：

1）裙部外圆尺寸和椭圆形状的测量。由于裙部横截面为椭圆曲线，而纵向带有锥度，所以以它的检验复杂，通常在生产车间中进行测量时只检验裙部上、下端规定位置上的尺寸。其测量方法如图3-64所示。先用一个直径尺寸已知的标准件校正好指示表的零位，然后将活塞按图示位置放在测量工具上，读得的最大读数即为活塞外圆尺寸与标准件直径尺寸之差，因此可以得到裙部椭圆的长轴尺寸。将活塞转过90°再测量一次，就可得到裙部椭圆的短轴尺寸。两次读数的差值即为裙部椭圆的长、短轴尺寸之差。

图3-64 裙部直径和椭圆度的测量

1—工件 2—指示表

对于裙部横截面是规定曲线，而纵向是中凸曲线等复杂形状的活塞，考虑到测量的复杂性和仪器的精密性，应采用外形轮廓测量仪器在计量室以抽验的方式来进行测量。

最后，可按活塞裙部椭圆的长轴尺寸进行分组。

需要特别注意的是：由于铝合金的线膨胀系数较大，测量时环境温度的变化会对测量结果有很大的影响，因此在测量过程中，要按环境温度的变化对测量尺寸进行修正。

2）销孔轴线对裙部外圆轴线对称度的测量。可采用图3-65所示的测量方法。测量时，在销孔中插入适当尺寸的心轴1，按图示位置使心轴1与两根圆柱2接触，记下指示表的最大读数。然后将活塞和心轴一起水平转过180°，用同样的方法记下活塞另一边的指示表最大读数。两次读数差值的一半就是销孔轴线对裙部外圆轴线的对称度误差，即：（l₁-l₂）/2。

3）销孔轴线对裙部外圆轴线垂直度的测量。可采用图3-66所示的测量方法。测量时，在销孔中插入适当尺寸的心轴，按图示位置的心轴一端记下指示表的最大读数。然后将活塞和心轴一起水平转过180°，在心轴另一端记下指示表的最大读数。设两次测量点之间的距离尺寸为L。则两次读数的差值就是销孔轴线在距离L上对裙部外圆轴线的垂直误差，即：（H₁-H₂）/L。

采用图3-65和图3-66所示测量方法的前提是活塞两挡销孔的尺寸、形状精度和裙部外圆轴线对止口端面的垂直度都能达到足够的精度。

图3-65 销孔轴线对裙部外圆轴线对称度的测量

1—检验心轴 2—检验圆柱

图3-66 销孔轴线对裙部外圆轴线垂直度的测量

其他测量项目则可采用塞尺、卡规、槽规或内径指示表等通用量具进行检验。