大学生工程训练综合能力竞赛柱塞泵的设计与加工

摘 要：本文主要介绍了参加2013工程训练综合能力竞赛，获得一等奖的柱塞式水泵（主要介绍柱塞）的设计思路及加工过程。通过参加此次竞赛，学生的实践能力、创新能力与工程素质均得到了一定的提升。

关键词：工程训练；柱塞式水泵；工程素质

2013大学生工程训练综合能力竞赛以柱塞式水泵的设计与制造为题目，要求参赛学生运用所学知识，在规定原材料种类及基本结构的前提下，加工出排量最大的柱塞式水泵。竞赛综合考察了学生的机械加工工艺基础、机械设计和创新能力、车床及铣床等典型加工设备的使用能力、机械装配能力、质量检验和常规测量工具的使用能力。整个大赛的命题兼顾了常规制造和先进制造技术方法的应用，难易适中。

1 设计思路

根据竞赛总体方案：泵的额定压力为0.3Mpa，生产类型为单件小批量生产，加工地点为本校制作与现场加工相结合，确定了柱塞式水泵的设计思路：（1）柱塞：在满足水泵基本给排水的功能的前提下，设计外形，使其更加轻便。（2）泵体：在满足材料的许用强度下，合理的设计泵孔的个数，直径，提高效率。（3）精度要求：柱塞与泵孔精密配合，确保柱塞与泵孔接触面的光度。（4）创新点：从柱塞的外形设计、连接细节等处着手，更好的提高配合效果，准确运行，保护水泵的结构特性。泵体与柱塞3D模型见图1及图2。

2 泵体的设计与加工

泵体孔的设计：通过对比赛要求的分析，在泵体上加工三个互成120度，直径45mm的泵体孔为标准进行铣削加工。分别用Ф22mm，Ф37mm，Ф44mm的刀具逐步钻孔，最后用镗刀精确镗孔，使误差更低更接近要求Ф45mm。

3 柱塞的设计与加工

柱塞式水泵的柱塞在在整个水泵的运作当中提供压强，从而达到给排水的作用。柱塞的设计与加工，应在保证满足柱塞的性能的前提下进行。根据柱塞的一体式设计，以及各部分的作用，将柱塞分为配合部分、传动部分和连接部分。

3.1 配合部分

与传统的柱塞相比，本设计减少了柱塞配合部分（即有效接触部分）的长度，采用25mm的配合长度。这样既可以保持与泵孔配合的密闭空间，使压力差稳定，又可以减少柱塞本身的重量，使其更加轻便，提高效率，并且降低了柱塞运作过程中，因孔加工后的实效变形而导致卡死现象出现的几率，从而将配合冲突发生的可能性降到了最低。

配合尺寸方面，经过反复加工试验，配合公差选定为0.03mm-0.04mm之间，这样既可以保证柱塞与泵孔之间相对运动的顺畅进行，又可以保证整体空间的密闭性，尽量减少漏水。

柱塞的加工采用传统普通卧式车床进行车削加工，首先选用外圆车刀车削至指定尺寸即接近ф45mm，转数在500700r/min之间，进给量适中。然后左端制作倒角，便于整体零件的装配。因为配合部分要求零件表面粗糙度较低，所以最后使用光刀加工至配合公差允许范围之内。

3.2 传动部分

由于传统部分本身在整个柱塞的运动过程中起到承受与传递工作载荷的作用，所以本身需要一定的强度。根据制作材料硬铝的抗拉强度，在规定的工作压力下，根据竞赛组委会要求采用了ф16mm直径、80mm长的铝合金棒料为毛坯料，这样既满足了强度特性与功能需要，也大大减少了本身重量。

采用外圆车刀车削加工，转数在500700转之间，进给量可以根据条件的限制自行确定，但为了更好地控制尺寸及考虑到工件成型后的美观，最后一次车削可采用较小的进给量，使表面更加光滑。

3.3 连接部分

连接部分的作用在于与连接板连接并且稳定的运作，这里我们采用了阶梯轴的结构形式，两段的外圆直径非别为ф11mm与ф7.8mm。一级用来支撑连接板，另一极用来固定螺母。并且在连接板与柱塞柱塞之间增加了巧妙的设计――连接板的孔大于螺纹直径，使得在运作时，三个柱塞的相对位置更加稳定，不会造成配合冲突，损坏泵体。

最初设计采用的方案为在柱塞的传动末端先使用中心钻进行钻孔，然后使用板牙套手动套螺纹，最后采用类似螺钉链接的方式固定连接。后来考虑到的铝合金本身较软，疲劳强度有限，易变形，改用外圆车刀车削加工两级阶梯轴（ф11mm、ф7.8mm），然后在末端用机动板牙套自动套螺纹，最后用螺母连接方案。后者在拥有与前者相同螺纹连接长度的情况下，直径减少从而降低自身的总重量，且螺母的应用使连接处强度增加，提高的安全运作的几率。

4 结论

本设计作品最终获得竞赛一等奖，柱塞式水泵泵体采用数控铣床铣削加工、柱塞采用车削一次加工完成，在保证性能的前提下不断改进设计方案，最终成品重量更加轻便，运行更加流畅，工作效率得到提高，同时兼顾了外形的美观。

通过参加竞赛，提高了大学生的动手能力、创新能力，通过参赛队员之间的相互磨合，也使其了解到团队精神的重要性。

[参考文献]

[1]杜俊伟.车工工艺学.机械工业出版社.2008.

[2]彭德荫.车工工艺与技能训练[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2001.