变速箱体工艺与工装设计.doc

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湖南工贸技师学院

技师论文案例报告

变速箱体工艺与工装设计
湖南工贸技师学院 何延钢
摘要：本文对变速箱体的加工难点、生产类型进行了分析，针对零件的结构特点进行毛坯设计、对其工艺过程进行了设计。为提高生产效率，设计了镗孔夹具，对其它箱体零件的加工有一定的借鉴意义。
关键词：变速箱 工艺 夹具 设计

序言
机械制造技术基础课程是在学完了机械制造技术基础和大部分专业课，并进行了生产实习的基础上进行的又一个实践性环节。这次设计使我能够综合运用机械制造技术基础中的基本理论，并结合生产实习中学到的经验，分析和解决机械制造工艺问题，进行夹具设计，提高结构设计能力。为今后的毕业设计及从事的工作打下良好基础。
一、零件的工艺分析及生产类型的确定
1． 零件的作用
题目所给定的零件是变速箱，用于机床主轴变速，且只能装有两根主轴，用于简单的二级变速。输入轴与电动机相连，输出轴与工作机相连。

2． 零件的工艺分析
通过对该零件图的重新绘制，对零件有些深入的了解，轴承孔为主要的加工部分。此零件为典型的箱体类零件，并不是所有的表面和轮廓都要加工，除几个轴承孔外，其他部分加工要求不高，都比较容易获得。主要保证好输入轴与输出轴孔的精度以及两个面的位置度。箱体类零件其设计基准与装配基准为底部，首先应保证好，两侧面与轴承盖相配合，要保证的位置度不难，在加工中心上可完成大部分的工作，此零件孔较多，但大部是小螺丝孔，只要能满足装配则可。主要的工艺思路是先面后孔，先粗后精的原则。零件的加工难点及关键点为轴承孔，而且为大批量生产，后面将着重为这方面的工艺进行考虑，进行夹具设计。
3． 零件的生产类型
依设计题目知：Q=40000件/年，N=2件/台，结合生产实际。备品率α和废品率β分别取为5%和3%。代入公式得该零件的生产纲领
N=40000*2*（1+5%）*（1+3%）=86520件/年
零件为变速箱，质量为4.9kg,查表2-1可知其属轻型零件，生产类型为大批生产。
二、选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图
1.选择毛坯
该零件材料是HT200。考虑到此材料可铸性较好，因此应该选用铸造件，保证零件工作可靠。由于零件年产量为40000件，属于大批量生产，而且零件的轮廓尺寸不大，故可以采用铸造成型。这从提高生产率、保证加工精度考虑，也是应该的。
2、确定机械加工余量、毛坯尺寸和公差
参见《机械制造技术基础课程设计指南》第五章第一节，灰铸铁的公差及机械加工余量按GB/T 6414-1999 确定。要确定毛坯的尺寸公差及机械加工余量，应先确定如下各项因素。
①、基本概念
（1）铸件基本尺寸R 机械加工前的毛坯铸件的尺寸，包括必要的机械加工余量。
（2）尺寸公差CT 允许尺寸的变动量。
（3）要求的机械加工余量RMA 在毛坯铸件上为了随后可用机械加工方法去除铸造对金属表面的影响，并使之达到所要求的表面特征和必要的尺寸精度而留出的金属余量。单侧作机械加工时,RMA与铸件其他尺寸之间的关系如(2-1)表示。对圆柱形的铸件部分或在双侧机械加工的情况下，RMA要加倍，如（2-1）表示。对内腔作机械加工相对应的表达式如（2-3）表示。
R=F+RMA+CT/2 （2-1）
R=F+2RMA+CT/2 （2-2）
R=F-2RMA+CT/2 （2-3）
F为最终机械加工后的尺寸
②、公差等级
铸件公差有16级，常用的为CT4～CT13，该零件采用砂型铸造手工造型，材料是灰口铸铁，根据表5-1查得，公差为CT11～CT14。
3、要求的机械加工余量
根据表5-4和5-5查得，铸件的机械加工余量为2～4mm。

4、确定毛坯尺寸
由零件图可知，所有的表面粗糙度都≥1.6um,所以所有表面加工余量都无须增
大。
分析本零件，有的表面只需粗加工，这时可取所查数据的小值，需要精加工和半精加工时可取其大值。

综上所述，确定毛坯尺寸见下表
表1-1 变速箱毛坯尺寸
零件尺寸
单边余量
铸件尺寸
零件尺寸
单边余量
铸件尺寸
326
2
330
Φ72J7
2.1
Φ67.8
230
2
234
Φ62J7
2.1
Φ57.8
Φ80J7
2．1
Φ75.8
Φ42
2.1
Φ37.8
Φ92H7
2.1
Φ87.8
Φ72J7
2.1
Φ67.8

5.确定毛坯尺寸公差
根据查表5-3得，本毛坯允许偏差见下表1-2

表1-2 变速箱毛坯尺寸允许偏差
铸件尺寸
偏差
根据

铸件尺寸
偏差
根据
330
+1.9
-0.9
铸件公差表使用方法

Φ67.8
+1.4
-0.6
铸件公差表使用方法
234
+1.9
-0.9

Φ57.8
+1.4
-0.6
Φ76
+1.4
-0.6

Φ37.8
+1.4
-0.6
Φ87.8
+1.5
-0.7

Φ67.8
+1.4
-0.6
6． 设计毛坯图
（1） 确定圆角半径 铸件圆角半径要求不高，满足要救即行。内圆角半径为3.5，外圆角半径为5
（2） 确定铸造方法 由于批量生产，且零件较大，选为砂型铸造。
（3） 确定毛坯的热处理方式 为消除铸造时产生的残余应力采用人工时效处理，改善加工条件。
（4） 毛坯图见下图

三、选择加工方法，制定工艺路线
1．定位基准的选择
本零件是变速箱，底面是其设计基准（也是装配基准），为避免由于基准不重合而产生误差，应选底面为定位基准进行加工。
从图可知，此零件要加工的尺寸不多，为6个轴孔以及上、下面以及两轴承盖端面及其它螺纹孔。底面作为定位基准加工上表面。另外两侧面以一边作为粗基准加工另一面，然后以另一面作为基准加工对面。加工孔时一加工好的一侧面作为基准进行镗削。
2．零件表面加工方法的选择
本零件的加工面有端面、底面、内孔、小孔、螺纹孔等，材料为HT200。以公差等级和表面粗糙度要求，其加工方法选择如下。
（1）.变速箱上、下面 粗糙度要求为6.4，只需进行粗铣就行。
（2） 轴承端盖面 粗糙度要求为1.6，且两侧面相对于基准A-B的垂直度公差为0.03，需进行粗铣、半精铣、精铣，且要保证好垂直度。
（3） Φ80J7内孔 粗糙度要求为1.6，垂直度要求为0.03，公差等级为IT7，毛坯孔已经铸出，加工方法可采用粗镗、半精镗、精镗就可以满足加工要求。其它五个轴承孔及2个Φ30H7的孔的加工方法相同。
（4） 螺丝孔及4个地脚螺钉孔 孔较多，但要求不高，保证好位置度后一次性在加工中心上完成即可。
3．制定工艺路线
按照加式原则，先加工基准面及先粗后精，同时，为保证加工效率，成批量生产，此零件的加工工艺路线按如下方式进行。

工序1：以底面为定位基准粗铣上表面，铣4个Φ26的孔以及加工9个M10的螺纹。
工序2：以粗铣后的上表面为基准粗铣下底面及铣4个Φ13的孔。
工序3：粗加工右侧面，粗镗Φ42内孔，粗镗两个Φ72内孔，钻两个Φ30、Φ20的内孔以及钻端面上的螺纹孔。
工序4：粗加工左侧面，粗镗Φ80、Φ62内孔，粗镗Φ92内孔，钻螺纹孔。
工序5 半精加工左侧面及半精镗Φ80、Φ92及Φ62的内孔。
工序6：半精加工右侧面，半精镗两个Φ72、Φ42及两个Φ30、两个Φ20内孔。
工序7：定位不变，精加工右侧面，精镗两个Φ72、Φ42及Φ30内孔至尺寸，完成此面上各个螺纹孔。
工序8：精加工左侧面，精镗各孔，完成各螺纹孔的加工。
工序9：加工两个英制螺纹。
工序10：钳工去毛刺。
工序11：终检。
四、工序设计
1．选择加工设备与工艺装备
（1） 选择机床 根据工序要求选择合适的机床。
此零件为变速箱体，为提高生产效率，各个工序之间完成的工作较多，且有大量的孔及螺纹，此零件的所有工序应选择在立式加式中心上完成，这样能较大程度上减少零件在加工过程中的装夹次数保证加工精度。
（2） 选择夹具 零件为成批量生产，所以必需定好位，但要求不高，只需以面销组合定位就可。此零件较高的地方为两侧面及轴承孔，且相互之间垂直度要求较高，定位时考虑以面孔定位，保证好精度。所有工序无须采用专用夹具。
（3） 选择刀具 根据不同的工序选择刀具。详情见下面的数控加工工序卡中的说明。
A 粗加工上、下面时可采用Φ80硬质合金端铣刀。
B 半精加工、精加工侧面时可采用硬质合金铣刀，注意控制铣刀直径。
C 钻各个小孔时，用普通钻头一次性钻出。

机械加工工艺过程卡
产品名称
零件名称
零件图号
减速器
减速器

材料名称及牌号
　HT200
毛坯种类或材料规格
铸件
总工时

工序号
工序名称
工序简要内容
设备名称及型号
夹具
量具
工时
　1
　粗铣 钻孔 攻丝
铣上表面，钻4个Φ26的孔以及加工9个M10的螺纹　
　立式加式中心
　压板

　2
　粗铣 钻孔 攻丝
铣下底面及钻4个Φ13的孔　
　立式加式中心
　压板

　3
　粗铣 粗镗孔
粗铣右侧面，粗镗Φ42内孔，粗镗两个Φ72内孔，粗镗两个Φ30、Φ20的内孔以及钻端面上的螺纹孔　
　卧式加式中心
　专用夹具

　4
　粗铣 粗镗孔
粗加工左侧面，粗铣Φ80、Φ62内孔，粗铣Φ92内孔，钻螺纹孔　
　卧式加式中心
　专用夹具

　5
　半精加工
半精加工左侧面及半精镗Φ80、Φ92及Φ62的内孔　
　卧式加式中心
　专用夹具

　6
　半精加工
半精加工右侧面，半精镗两个Φ72、Φ42及两个Φ30、两个Φ20内孔　
　卧式加式中心
　专用夹具

　7
　精加工、攻丝
精加工右侧面，精镗两个Φ72、Φ42及Φ30内孔至尺寸，完成此面上各个螺纹孔　
　卧式加式中心
　专用夹具

　8
　精加工
精加工左侧面，精镗各孔，完成各螺纹孔的加工　
　卧式加式中心
　专用夹具

　9
　加工螺纹
加工两个英制螺纹　
　立式加工中心
　普通夹具

　10
　钳工去毛刺

D 攻丝时用机用丝锥即可，大小根据螺纹大小而定，有M10及M16两种类型。
E 半精镗、精镗孔时用微调镗刀，在加工Φ92H7的孔及Φ42的孔时注意镗刀杆深度。
（4）选择量具 本零件属于成批生产，一般情况下尽量采用通用量具。此零件要加工的地方不多，主要是孔的测量，
A 选择面的测量，用游标卡尺则行。
B 选择加工孔的量具。Φ22H7、Φ30H7、Φ42、Φ62J7、Φ72J7、Φ80J7、Φ92H7孔经粗镗、半精镗、精镗三次加工。粗镗时，用内径千分尺测量则可。（范围为25-50、50-125）半精镗上述孔，公差等级在IT9，需用相适应的内径千尺测量。精镗上述孔时，精度要求很高，加工时每个工作都要测量，故宜选用极限量规。
五、确定切削用量及基本时间
切削用量包括背吃刀量、进给量和切削速度。确定顺序是先确定、,再确定。
详细请见下面的数控加工工序卡的说明

可修改编辑
数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
1　

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
1
装夹、对刀　

2
粗铣上表面　
50
　350
100
0.5
01
　Φ80面铣刀

3
预钻Φ26底孔　

　200

07
　Φ16钻头

4
铣Φ26孔　
30
700
150
4
03
　Φ12立铣刀

5
预钻螺纹底孔

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　第 页

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
2　

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
　1
粗铣下底面　
50
　350
100
0.5
01
　Φ80面铣刀

　2
加工Φ13孔
30
　800
200
2
08
　复合钻

共 页
　第 页

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
3　

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
1
以左面为基准粗铣右侧面　
50
350
100
0.5
01
　Φ80面铣刀

2
粗镗Φ42内孔　
50
600
80
0.2
02
　镗刀

　游标卡尺
3
粗镗Φ72内孔　
50
450
50
0.2
02
　镗刀

　游标卡尺
4
钻Φ30内孔　
20
450

　镗刀

　游标卡尺
5
钻Φ20内孔
50
450

　镗刀

游标卡尺
6
预钻螺纹底孔

钻头

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
4　

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
1
以右面为基准粗铣左侧面　　
50
　350
100
0.5
01
　Φ80面铣刀

2
粗镗Φ80内孔　
50
　350
30
0.2
02
镗刀

　游标卡尺
3
粗镗Φ62内孔　
50
　450
50
0.2
02
镗刀

　游标卡尺
4
粗镗Φ42内孔　
50
　600
55
0.2
02
镗刀

　游标卡尺
5
预钻螺纹底孔

钻头

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
5

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
1
半精加工左侧面　
50
　350
100
0.5
01
　Φ80面铣刀

　游标卡尺
2
半精镗Φ80孔　
50
　400
40
0.2
02
镗刀

内径百分表
3
半精镗Φ62孔　
50
　450
45
0.2
02
镗刀

内径百分表
4
半精镗Φ92孔　
50
　300
30
0.2
02
镗刀　

内径百分表

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
6　

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
1
半精加工右侧面　
50
　500
80
0.5
01
　Φ80面铣刀

　高度游标卡尺
2
半精镗Φ72孔　
50
　400
40
0.2
02
　镗刀

内径百分表
3
半精镗Φ40孔　
50
　560
45
0.2
02
　镗刀

内径百分表
4
半精铣Φ30孔　
50
　600
60
0.2
02
　铣刀

内径百分表
5
半精铣Φ20孔
50
500
50
0.2
02
铣刀

内径百分表

共 页
　第 页

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
7　

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
1
精加工右侧面　
50
　500
50
0.2
01
　Φ80面铣刀

2
精镗Φ72孔　
50
　400
40
0.2
02
精镗刀

　内径百分表
3
精镗Φ42孔　
50
　600
55
0.2
02
精镗刀

　内径百分表
4
精铣Φ30孔　
50
　800
80
0.2
05
精铣刀

　内径百分表
5
精铣Φ20孔
50
1000
100
0.2
05
精铣刀

内径百分表

完成各螺纹加工

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
8

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
1
精加工左侧面　
50
　500
50
0.5
01
Φ80面铣刀

高度游标卡尺
2
精镗Φ80孔　
50
　400
50
0.2
02
　镗刀

内径百分表
3
精镗Φ62孔　
50
　500
50
0.2
02
　镗刀

内径百分表
4
精镗Φ92孔　
50
　350
50
0.2
02
　镗刀

内径百分表
5
完成此面各螺纹的加工

丝锥

数控加工工序卡
零件名称
减速器
零件图号

夹具名称
压板　
设备名称及型号

材料名称及牌号
HT200
硬度

工序名称
粗铣
工序号
9

工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
Vf
n
f

编号
名称
编号
名称
　1
加工两个英制螺纹　

专用刀具　

六、夹具设计
1．夹具的设计及作用条件
机械制造业中广泛采用的能迅速把工作固定在准确位置上或同时能够确定加工工具位置的辅助装置，这种装备统称为夹具。在金属切削机床上采用的夹具统称为机床夹具。夹具在机械加工中起着重要的作用，它直接影响机械加工的质量、工人劳动强度、生产率和成本。
1） 夹具在现代机械加工中应用得相当广泛，它能够起到下列作用：
（1） 保证稳定可靠地达到各项加工精度要求。
（2） 缩短加工工时，提高劳动生产率。
（3） 降低生产成本。
（4） 减轻劳动强度。
（5） 可由较低技术等级的工人进行操作。
（6） 能够扩大机床工艺范围。
2） 机床夹具作用实现必须满足三个条件
a 夹具在机床上的准确的位置
b 工件在夹具中占有正确的加工位置
c 刀具相对于工件有准确的位置

本夹具是针对轴承孔的加工满足以上原则进行专门设计，在卧式加工中心上完成，以便提高生产效率及精度保证。

1、 定位方案 在箱类、盖板类、杠杆类、拨叉类、甚至某些盘类工件的定位中， 广泛地应用平面双销组合定位，尤其是在各种生产流水线、自动线等自动化作业线和数控机床、柔性制造系统中，平面双销定位几乎成为夹具定位方案的首要选择。上图就是一面两销定位的基本情况，从图上可以看出，零件应以底面及Φ13孔定位，采用一面两销组合定位。两孔成一条直线。定位的分析：其中台阶平面限制3个自由度，圆柱销限制2个自由度，削边销限制1个自由度，共限制了6个自由度，完全定位。
（1）菱形销结构及规格
菱形销的尺寸由于削边销的直径尺寸需要根据具体定位精度要求来计算确定，所以，削边销的规格以与之配合的定位孔的直径D来确定。
图1—29为削边销主要结构尺寸。其中参数为：
D——定位孔直径基本尺寸；
B——削边销宽度；
6——削边销圆弧宽度；
图1—29 削边销主要结构尺寸
削边销规格及主要参数见表。

D
3～6
>6～8
>8～20
>20～24
>24～30
>30～40
>40～50
B
D-0.5
D-1
D-2
D-3
D-4
D-5
D-5
6
2
3
4
5
5
6
8
削边销的主要参数
（2）削边销的设计
如所示，当孔距为最大极限尺寸，销距为最小极限尺寸时，菱形销的干涉点会发生在A、B。当孔距为最小极限尺寸，销距为最大极限尺寸时，菱形销的干涉点则在、 (图1—30 b)。为了满足工件顺利装卸的要求，需控制菱形销直径，和经削边后的圆柱部宽度。
菱形销宽度可由下所示几何关系求得。在中

在中

联立两式得

略去项
则

菱形销宽度已标准化，故可反算得

式中——菱形销定位的最小间隙(mm)；
——菱形销圆柱部分的宽度(mm)；
—— I件定位孑L的最大实体尺寸(mm)；
——补偿量(mm)。
又

式中 ——孔距公差(mm)；
——销距公差(mm)。
菱形销直径可按下式求得

根据以上可以得出两销的中心距为3660.015,公差为0.03。削边销的直径为12.966，取公差带为H7。
（3）菱形销的工作高度
上述两销定位中，圆柱销l为第二定位基准，消除两个移动自由度，菱形销为第三定位基准，消除最后一个转动不定度，所以，一般的安装顺序，多希望圆柱销首先插入1号定位孔一小段高度后，菱形销再参与安装。因此，为装夹方便，菱形销的工作高度可比圆柱销的工作高度低3～5 mm。
即：

2、 夹紧方案
在机械加工过程中，为保持工件定位时所确定的正确加工位置，防止工件在切削力、惯性力、离心力及重力等作用下发生位移和振动，一般机床夹具都应有一个夹紧装置，以将工件夹紧。

从前面的零件图可以看出，零件的两侧底面各边有35mm的宽度，在此处采用两块压板夹紧，见上夹具体图。而且这种夹紧方式夹紧方便简易可靠，可免去夹紧力的计算。
3、 对刀
4、 夹具与机床连接元件 采用两个标准的定位键，固定在夹具体底面的同一直线位置的键槽中，用于确定铣床夹具相对于机床进给方向的正确位置，并保证定位键的宽度与机床工作台T形槽相匹配的要求。
5、 夹具体 工件的定位元件固定于夹具体上，夹紧元件安装于夹具体上，同时将对刀装置安装于夹具体上，这样整个夹具便有机连在一起。
6、 使用说明 安装工件时，松开螺栓上的螺母，将两块压板后撤，把工件安装在定位板上，再将两块压板前移，然后旋紧螺母。
7、 结构特点 此夹具结构简单，操作方便。夹具体上有对刀块，可以在对零件加工之前很好的对刀，夹具体上有一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有一正确的安装位置，方便铣削加工。
8、 对夹具进行试用
夹具的具体设计加工过程

夹具体机械加工工艺过程卡
产品名称
零件名称
零件图号
减速器夹具体
减速器

材料名称及牌号
　45
毛坯种类或材料规格
铸件
总工时

工序号
工序名称
工序简要内容
设备名称及型号
夹具
量具
工时
1
粗铣
粗铣夹具的下底面
　立式加工中心

2
粗铣
粗铣夹具体的上面以及钻螺纹底孔
　立式加工中心

3
粗铣
粗铣夹具体的侧面以及U形槽　
　立式加式中心

4
半精加工
半精加工夹具体的上面、下底面及侧面
　立式加式中心

5
精加工
精加工夹具体的上下面及侧面以及完成螺纹的加工
　立式加式中心

6
去毛刺

7
终检

设计小结
经过这段时间，在指导老师的精心指导下，完成了此次任务的设计。从零件的工艺的分析至毛坯的选择以及毛坯尺寸的确定，从而设计毛坯图。之后，对加工方法进行确定，设计合理的加工工艺方案，对各工序进行设计，包括刀、量具的选择。最后，进行夹具设计。通过这个过程，让我了解到设计的基本过程，加强了对于基础知识的综合运用能力，加强了识图、制图的能力，了解了夹具设计基本步骤。这将对以后的工作和学习起到非常重要的作用，是做为机械专业毕不可少的课程。但是由于能力所限，经验不足，设计中有许多不足之处请各位老师多多指点。
参考文献
《夹具设计手册》 机械工业出版社
《机械设计手册》 机械工业出版社
《机械制造技术基础》 化学工业出版社

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