大學生工程訓練綜合能力競賽柱塞泵的設計與加工

摘 要：本文主要介紹了參加2013工程訓練綜合能力競賽，獲得一等獎的柱塞式水泵（主要介紹柱塞）的設計思路及加工過程。通過參加此次競賽，學生的實踐能力、創新能力與工程素質均得到了一定的提升。

關鍵詞：工程訓練；柱塞式水泵；工程素質

2013大學生工程訓練綜合能力競賽以柱塞式水泵的設計與制造為題目，要求參賽學生運用所學知識，在規定原材料種類及基本結構的前提下，加工出排量最大的柱塞式水泵。競賽綜合考察了學生的機械加工工藝基礎、機械設計和創新能力、車床及銑床等典型加工設備的使用能力、機械裝配能力、質量檢驗和常規測量工具的使用能力。整個大賽的命題兼顧了常規制造和先進制造技術方法的應用，難易適中。

1 設計思路

根據競賽總體方案：泵的額定壓力為0.3Mpa，生產類型為單件小批量生產，加工地點為本校制作與現場加工相結合，確定了柱塞式水泵的設計思路：（1）柱塞：在滿足水泵基本給排水的功能的前提下，設計外形，使其更加輕便。（2）泵體：在滿足材料的許用強度下，合理的設計泵孔的個數，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）創新點：從柱塞的外形設計、連接細節等處著手，更好的提高配合效果，準確運行，保護水泵的結構特性。泵體與柱塞3D模型見圖1及圖2。

2 泵體的設計與加工

泵體孔的設計：通過對比賽要求的分析，在泵體上加工三個互成120度，直徑45mm的泵體孔為標準進行銑削加工。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 柱塞的設計與加工

柱塞式水泵的柱塞在在整個水泵的運作當中提供壓強，從而達到給排水的作用。柱塞的設計與加工，應在保證滿足柱塞的性能的前提下進行。根據柱塞的一體式設計，以及各部分的作用，將柱塞分為配合部分、傳動部分和連接部分。

3.1 配合部分

與傳統的柱塞相比，本設計減少了柱塞配合部分（即有效接觸部分）的長度，采用25mm的配合長度。這樣既可以保持與泵孔配合的密閉空間，使壓力差穩定，又可以減少柱塞本身的重量，使其更加輕便，提高效率，并且降低了柱塞運作過程中，因孔加工后的實效變形而導致卡死現象出現的幾率，從而將配合沖突發生的可能性降到了最低。

配合尺寸方面，經過反復加工試驗，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運動的順暢進行，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普通臥式車床進行車削加工，首先選用外圓車刀車削至指定尺寸即接近ф45mm，轉數在500―700r/min之間，進給量適中。然后左端制作倒角，便于整體零件的裝配。因為配合部分要求零件表面粗糙度較低，所以最后使用光刀加工至配合公差允許范圍之內。

3.2 傳動部分

由于傳統部分本身在整個柱塞的運動過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度。根據制作材料硬鋁的抗拉強度，在規定的工作壓力下，根據競賽組委會要求采用了ф16mm直徑、80mm長的鋁合金棒料為毛坯料，這樣既滿足了強度特性與功能需要，也大大減少了本身重量。

采用外圓車刀車削加工，轉數在500―700轉之間，進給量可以根據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，最后一次車削可采用較小的進給量，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定的運作，這里我們采用了階梯軸的結構形式，兩段的外圓直徑非別為ф11mm與ф7.8mm。一級用來支撐連接板，另一極用來固定螺母。并且在連接板與柱塞柱塞之間增加了巧妙的設計——連接板的孔大于螺紋直徑，使得在運作時，三個柱塞的相對位置更加穩定，不會造成配合沖突，損壞泵體。

最初設計采用的方案為在柱塞的傳動末端先使用中心鉆進行鉆孔，然后使用板牙套手動套螺紋，最后采用類似螺釘鏈接的方式固定連接。后來考慮到的鋁合金本身較軟，疲勞強度有限，易變形，改用外圓車刀車削加工兩級階梯軸（ф11mm、ф7.8mm），然后在末端用機動板牙套自動套螺紋，最后用螺母連接方案。后者在擁有與前者相同螺紋連接長度的情況下，直徑減少從而降低自身的總重量，且螺母的應用使連接處強度增加，提高的安全運作的幾率。

4 結論

本設計作品最終獲得競賽一等獎，柱塞式水泵泵體采用數控銑床銑削加工、柱塞采用車削一次加工完成，在保證性能的前提下不斷改進設計方案，最終成品重量更加輕便，運行更加流暢，工作效率得到提高，同時兼顧了外形的美觀。

通過參加競賽，提高了大學生的動手能力、創新能力，通過參賽隊員之間的相互磨合，也使其了解到團隊精神的重要性。

[參考文獻]

[1]杜俊偉.車工工藝學.機械工業出版社.2008.

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