大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽柱塞泵的設(shè)計(jì)與加工

摘 要：本文主要介紹了參加2013工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽，獲得一等獎(jiǎng)的柱塞式水泵（主要介紹柱塞）的設(shè)計(jì)思路及加工過(guò)程。通過(guò)參加此次競(jìng)賽，學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力與工程素質(zhì)均得到了一定的提升。

關(guān)鍵詞：工程訓(xùn)練；柱塞式水泵；工程素質(zhì)

2013大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽以柱塞式水泵的設(shè)計(jì)與制造為題目，要求參賽學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，在規(guī)定原材料種類(lèi)及基本結(jié)構(gòu)的前提下，加工出排量最大的柱塞式水泵。競(jìng)賽綜合考察了學(xué)生的機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力、車(chē)床及銑床等典型加工設(shè)備的使用能力、機(jī)械裝配能力、質(zhì)量檢驗(yàn)和常規(guī)測(cè)量工具的使用能力。整個(gè)大賽的命題兼顧了常規(guī)制造和先進(jìn)制造技術(shù)方法的應(yīng)用，難易適中。

1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)競(jìng)賽總體方案：泵的額定壓力為0.3Mpa，生產(chǎn)類(lèi)型為單件小批量生產(chǎn)，加工地點(diǎn)為本校制作與現(xiàn)場(chǎng)加工相結(jié)合，確定了柱塞式水泵的設(shè)計(jì)思路：（1）柱塞：在滿(mǎn)足水泵基本給排水的功能的前提下，設(shè)計(jì)外形，使其更加輕便。（2）泵體：在滿(mǎn)足材料的許用強(qiáng)度下，合理的設(shè)計(jì)泵孔的個(gè)數(shù)，直徑，提高效率。（3）精度要求：柱塞與泵孔精密配合，確保柱塞與泵孔接觸面的光度。（4）創(chuàng)新點(diǎn)：從柱塞的外形設(shè)計(jì)、連接細(xì)節(jié)等處著手，更好的提高配合效果，準(zhǔn)確運(yùn)行，保護(hù)水泵的結(jié)構(gòu)特性。泵體與柱塞3D模型見(jiàn)圖1及圖2。

2 泵體的設(shè)計(jì)與加工

泵體孔的設(shè)計(jì)：通過(guò)對(duì)比賽要求的分析，在泵體上加工三個(gè)互成120度，直徑45mm的泵體孔為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行銑削加工。分別用Ф22mm，Ф37mm，Ф44mm的刀具逐步鉆孔，最后用鏜刀精確鏜孔，使誤差更低更接近要求Ф45mm。

3 柱塞的設(shè)計(jì)與加工

柱塞式水泵的柱塞在在整個(gè)水泵的運(yùn)作當(dāng)中提供壓強(qiáng)，從而達(dá)到給排水的作用。柱塞的設(shè)計(jì)與加工，應(yīng)在保證滿(mǎn)足柱塞的性能的前提下進(jìn)行。根據(jù)柱塞的一體式設(shè)計(jì)，以及各部分的作用，將柱塞分為配合部分、傳動(dòng)部分和連接部分。

3.1 配合部分

與傳統(tǒng)的柱塞相比，本設(shè)計(jì)減少了柱塞配合部分（即有效接觸部分）的長(zhǎng)度，采用25mm的配合長(zhǎng)度。這樣既可以保持與泵孔配合的密閉空間，使壓力差穩(wěn)定，又可以減少柱塞本身的重量，使其更加輕便，提高效率，并且降低了柱塞運(yùn)作過(guò)程中，因孔加工后的實(shí)效變形而導(dǎo)致卡死現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率，從而將配合沖突發(fā)生的可能性降到了最低。

配合尺寸方面，經(jīng)過(guò)反復(fù)加工試驗(yàn)，配合公差選定為0.03mm-0.04mm之間，這樣既可以保證柱塞與泵孔之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的順暢進(jìn)行，又可以保證整體空間的密閉性，盡量減少漏水。

柱塞的加工采用傳統(tǒng)普通臥式車(chē)床進(jìn)行車(chē)削加工，首先選用外圓車(chē)刀車(chē)削至指定尺寸即接近ф45mm，轉(zhuǎn)數(shù)在500―700r/min之間，進(jìn)給量適中。然后左端制作倒角，便于整體零件的裝配。因?yàn)榕浜喜糠忠罅慵砻娲植诙容^低，所以最后使用光刀加工至配合公差允許范圍之內(nèi)。

3.2 傳動(dòng)部分

由于傳統(tǒng)部分本身在整個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到承受與傳遞工作載荷的作用，所以本身需要一定的強(qiáng)度。根據(jù)制作材料硬鋁的抗拉強(qiáng)度，在規(guī)定的工作壓力下，根據(jù)競(jìng)賽組委會(huì)要求采用了ф16mm直徑、80mm長(zhǎng)的鋁合金棒料為毛坯料，這樣既滿(mǎn)足了強(qiáng)度特性與功能需要，也大大減少了本身重量。

采用外圓車(chē)刀車(chē)削加工，轉(zhuǎn)數(shù)在500―700轉(zhuǎn)之間，進(jìn)給量可以根據(jù)條件的限制自行確定，但為了更好地控制尺寸及考慮到工件成型后的美觀，最后一次車(chē)削可采用較小的進(jìn)給量，使表面更加光滑。

3.3 連接部分

連接部分的作用在于與連接板連接并且穩(wěn)定的運(yùn)作，這里我們采用了階梯軸的結(jié)構(gòu)形式，兩段的外圓直徑非別為ф11mm與ф7.8mm。一級(jí)用來(lái)支撐連接板，另一極用來(lái)固定螺母。并且在連接板與柱塞柱塞之間增加了巧妙的設(shè)計(jì)——連接板的孔大于螺紋直徑，使得在運(yùn)作時(shí)，三個(gè)柱塞的相對(duì)位置更加穩(wěn)定，不會(huì)造成配合沖突，損壞泵體。

最初設(shè)計(jì)采用的方案為在柱塞的傳動(dòng)末端先使用中心鉆進(jìn)行鉆孔，然后使用板牙套手動(dòng)套螺紋，最后采用類(lèi)似螺釘鏈接的方式固定連接。后來(lái)考慮到的鋁合金本身較軟，疲勞強(qiáng)度有限，易變形，改用外圓車(chē)刀車(chē)削加工兩級(jí)階梯軸（ф11mm、ф7.8mm），然后在末端用機(jī)動(dòng)板牙套自動(dòng)套螺紋，最后用螺母連接方案。后者在擁有與前者相同螺紋連接長(zhǎng)度的情況下，直徑減少?gòu)亩档妥陨淼目傊亓浚衣菽傅膽?yīng)用使連接處強(qiáng)度增加，提高的安全運(yùn)作的幾率。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)作品最終獲得競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，柱塞式水泵泵體采用數(shù)控銑床銑削加工、柱塞采用車(chē)削一次加工完成，在保證性能的前提下不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最終成品重量更加輕便，運(yùn)行更加流暢，工作效率得到提高，同時(shí)兼顧了外形的美觀。

通過(guò)參加競(jìng)賽，提高了大學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，通過(guò)參賽隊(duì)員之間的相互磨合，也使其了解到團(tuán)隊(duì)精神的重要性。

[參考文獻(xiàn)]

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