设计“换挡叉”的机械加工工艺规程与专用夹具.doc

课程设计说明书

题目 设计“换挡叉”的机械加工工艺规程与专用夹具

班 级：

学 号：

学 生：

指导老师：

内容： 1、零件图…………………………………1张
2、毛坯图………………………………....1张
3、机械加工工艺过程综合卡片…………1套
4、机械加工工序卡片................................2张
5、夹具装配图……………………………1张
6、夹具零件图……………………………1张
7、课程设计说明书………………………1张

设计资料：该零件图样中批量生产 手动夹紧 通用工艺装备
目 录

一、零件的工艺及性分析生产类型的确定 5
1.零件的作用 5
2零件的工艺分析 5
3.零件的生产类型 6
二、选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图 7
1.选择毛坯 7
2.确定机械加工余量、毛坯尺寸和公差 7
（1）最大轮廓尺寸 7
（2）公差等级CT 7
（3）要求的机械加工余量 8
（4）公差带的位置 10
（5）求毛坯基本尺寸 11
3．设计毛坯图 12
（1）确定铸造圆角 12
（2）确定铸造斜度 12
三、选择加工方法，制定工艺路线 12
1．定位基准的选择 12
（1）、 粗基准的选择 13
（2）、 精基准的选择 13
2．零件表面加工方法的选择 13
3．制定工艺路线 14
（1）工艺路线方案一 14
（2）工艺路线方案二 15
（3）工艺方案的比较与分析 16
四、工序设计 16
1．选择加工设备与工艺装备 16
五、确定切削用量及基本时间 18
1. 工序2切削用量及基本时间的确定 18
（1）背吃刀量的确定 18
（2）进给量的确定 18
（3）铣削速度计算 19
（4）基本时间 19
2.工序8 切削用量及基本时间的确定 19
（1）背吃刀量的确定 19
（2）进给量的确定 20
（3）切削速度的确定 20
（4）基本时间 20
六、φ16孔钻扩铰专用机床夹具设计 20
1设计主旨 20
2夹具设计 20
（1）约束自由度 20
（2）设计夹具定位夹紧结构 20
（3）定位误差分析 21
（4）夹紧力计算 21
七、方案综合评价与结论 22

1 零件的工艺分析及生产类型的确定

换挡叉头以孔套在变素差叉轴上，并用销钉经孔与变速叉轴联接，换挡叉脚则夹在双联变换齿轮的槽中，当需要变速时，操纵变速杆，变速操纵机构就通过换挡叉头部的操纵槽带动换挡叉与变速叉轴一起在变速箱中滑移，换挡叉脚拨动双联变速齿轮在花键轴上滑动以变换档位，从而改变机器的运转速度。
换挡叉在改变档位时要承受弯曲应力和冲击载荷的作用，因此该零件应具有足够的强度、刚度和韧性，以适应换挡叉的工作条件。该零件的主要工作表面为换挡叉脚两端面、叉轴孔和锁销孔，在设计工艺规程时应重点予以保证。
2零件的工艺分析
分析零件图可知，拨插头两端面和差脚两端面均要求切削加工，且在轴向方向上均高于相邻表面，这样既减少里加工面积，又提高了换挡时叉脚端面的接触刚度；mm孔的端面为平面，可以防止加工过程中钻头钻偏以保证孔的加工精度；另外，该零件除主要工作表面（换挡叉脚两端面、内表面mm和差轴孔mm）外，其余表面加工精度均较低，不需要高精度机床加工，通过铣削、钻床的粗加工就可以达到加工要求；而主要工作表面虽然加工精度相对较高，但也可以在正常的生产条件下，采用较经济的方法保质保量的加工出来。由此可见，该零件的工艺性较好。
3.零件的生产类型
依设计题目知：Q=4000台/年，n=1件/台；结合生产实际，备品率α和废品率β分别取为4%和1%。代入公式N=Qn（1+α）（1+β）得该零件的生产纲领N=4000×1×（1+4%）×（1+1%）=4201件/年
根据 45钢密度为7.85g/cm3，估算零件的重量小于40kg,查表1可知属轻型零件，生产类型为中批生产。

表1 生产类型与生产纲领的关系

生产类型
同类零件的年产量/件
重型（零件质量大于2000kg）
中型（零件质量100~2000kg）
轻型（零件质量小于100kg）
单件生产
<5
<20
<100

成批生产
小批生产
5~10
20~200
100~500
中批生产
100~300
200~500
500~5000
大批生产
300~1000
500~5000
5000~50000
大量生产
>1000
>5000
>50000
产品代表
轧钢机
柴油机
缝纫机

已知此拨叉零件的生产纲领为4000件/年，零件的质量是1.0Kg/个，该拨叉生产类型为中批生产，所以初步确定工艺安排为：加工过程划分阶段；工序适当集中；加工设备以通用设备为主，大量采用专用工装。
二、选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图
1.选择毛坯
由于该换挡叉在工作过程中要承受冲击载荷，为增强换挡叉的强度和冲击韧度，获得纤维组织，毛坯选用铸件，该换挡叉的轮廓尺寸不大，且生产类型属于中批生产，为提高生产率和铸件精度，以采用砂型铸造方法制造毛坯。毛坯的拔模斜度为5°。
2.确定机械加工余量、毛坯尺寸和公差
查《铸件尺寸公差与机械加工余量》确定步骤如下
（1）最大轮廓尺寸
根据零件图计算轮廓尺寸，长100mm，宽42mm，高136mm。故最大轮廓尺寸为136 mm.。
（2）公差等级CT
由于铸件选择机器造型，材料为ZG45Ⅱ，生产类型为大批量，查表2得铸件公差等级CT为8~12级，取10级。

表2 大批量生产的毛坯铸件的公差等级

方法
公差等级CT
铸件材料
钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铜合金
锌合金
砂型铸造
手工造型
11~14
11~14
11~14
11~14
10~13
10~13
砂型铸造
机器造型和壳型
8~12
8~12
8~12
8~12
8~10
8~10
金属型铸造

8~10
8~10
8~10
8~10
7~9
压力铸造

6~8
4~6
熔模
铸造
水玻璃
7~9
7~9
7~9

5~8

硅溶胶
4~6
4~6
4~6

4~6

（3）要求的机械加工余量
由表3得铸件机械加工余量等级为F~H，取G级。

表3 毛坯铸件典型的机械加工余量等级

方法
要求的机械加工余量等级
铸件材料
钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铜合金
锌合金
砂型铸造
手工造型
G~K
F~H
F~H
F~H
F~H
F~H
砂型铸造
机器造型和壳型
F~H
E~G
E~G
E~G
E~G
E~G
金属型铸造

D~F
D~F
D~F
D~F
D~F
压力铸造

B~D
B~D
熔模铸造
E
E
E

E

对所有加工表面取同一个数值，由表4查最大轮廓尺寸为136 mm，机械加工余量等级为H级，得RMA数值为3 mm

表4 要求的铸件机械加工余量（RMA） /mm

最大尺寸
要求的机械加工余量等级
大于
至
C
D
E
F
G
H
I
J

40
0.2
0.3
0.4
0.5
0.5
0.7
1
1.4
40
63
0.3
0.3
0.4
0.5
0.7
1
1.4
2
63
100
0.4
0.5
0.7
1
1.4
2
2.8
4
100
160
0.5
0.8
1.1
1.5
2.2
3
4
6
160
250
0.7
1
1.4
2
2.8
4
5.5
8
250
400
0.9
1.3
1.4
2.5
3.5
5
7
10
400
630
1.1
1.5
2.2
3
4
6
9
12

（4）公差带的位置
根据加工面的基本尺寸和铸件公差等级CT为9，由表6得公差带的位置（注：除非另有规定，公差带应相对于基本尺寸对称分布，即一半在基本尺寸之上，一半在基本尺寸之下）

表6 铸件尺寸公差 /mm
毛坯铸件基本尺寸
铸件尺寸公差等级CT
大于
至
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

10
0.26
0.36
0.52
0.74
1
1.5
2
2.8
4.2

10
16
0.28
0.38
0.54
0.78
1.1
1.6
2.2
3.0
4.4

16
25
0.30
0.42
0.58
0.82
1.2
1.7
2.4
3.2
4.6
6
25
40
0.32
0.46
0.64
0.9
1.3
1.8
2.6
3.6
5
7
40
63
0.36
0.50
0.70
1
1.4
2
2.8
4
5.6
8
63
100
0.40
0.56
0.78
1.1
1.6
2.2
3.2
4.4
6
9
100
160
0.44
0.62
0.88
1.2
1.8
2.5
3.6
5
7
10
160
250
0.50
0.72
1
1.4
2
2.8
4
5.6
8
11
250
400
0.56
0.78
1.1
1.6
2.2
3.2
4.4
6.2
9
12
400
630
0.64
0.9
1.2
1.8
2.6
3.6
5
7
10
14

（5）求毛坯基本尺寸
换挡叉铸件尺寸公差、加工余量和基本尺寸如下

表5 换挡叉毛坯（铸件）尺寸 /mm
加工表面
公差等级
加工面基本尺寸
铸造尺寸公差
机械加工余量公差等级
RMA
毛坯基本尺寸
换挡叉头部上端面
10
21
2.4
G
1.4
23.6
换挡叉头部方槽两侧面
—
—
—
—
—
0
换挡叉头部方槽底面
—
—
—
—
—
0
换挡叉头部两侧面
10
42
2.8
G
1.4
46.2
螺纹孔端面
10
14
2.2
G
1.4
16.5
孔
—
—
—
—
—
0
换挡叉脚两端面
10
8
2
G
1.4
11.8
换挡叉脚内表面
10
R43
3.2
G
1.4
R40.8
3．设计毛坯图
（1）确定铸造圆角
对于金属型铸造铸件一般统一用R3、R5。查《金属加工工艺及工装设计》表1-16，最小铸造圆角为R2。
（2）确定铸造斜度
查《金属加工工艺及工装设计》表1-15，取铸造圆角为 1.14°。

三、选择加工方法，制定工艺路线
1．定位基准的选择
（1）、 粗基准的选择
选择粗基准主要是选择第一道机械加工工序的定位基准，以便为后续的工序提供精基准。选择粗基准的出发点是：一要考虑如何分配各加工表面的余量：二要考虑怎样保证不加工面与加工面间的尺寸及相互位置要求。
粗基准：选择换挡叉脚两端面和内表面作为粗基准。
（2）、 精基准的选择
根据该换挡叉零件的技术要求和装配要求，选择换挡叉头右端面和叉轴孔mm做为精基准，零件上的很多表面都可以采用他们作基准进行加工，即遵循了“基准统一”原则。
叉轴孔mm的轴线是设计基准，选用其做精基准定位加工换挡叉脚两端面，实现了设计基准和工艺基准的重合，保证了被加工表面的垂直度要求。
选用换挡叉左端面作为精基准同样是遵循了“基准重合”的原则，因为该换挡叉在轴方向的尺寸多以该端面作为设计基准；
另外，由于换挡叉刚性较差，受力易产生弯曲变形，为了避面在机械加工中产生加紧变形，根据夹紧力应垂直于主要定位基面，并应作用在刚度较大部位的原则，夹紧力作用点不能做用在叉杆上。
选用换挡叉头右端面作精基准，夹紧可作用在换挡叉左端面上，加紧稳定可靠。
2．零件表面加工方法的选择
零件的加工面有圆、内孔、端面、槽等，材料为ZG45Ⅱ。参考《设计指南》表5—15、表5—16等，其加工方法选择如下：
一、Φ 16H8圆孔上端面：公差等级为IT12，表面粗糙度为12.5μm , 采用粗铣加工方法。
二、Φ 16H8圆孔下端面。公差等级为IT12，表面粗糙度为12.5μm, 采用粗铣加工方法。
三、Φ86 35º圆孔上表面。公差等级为IT6，表面粗糙度为0.8μm，采用粗铣→精铣→磨削加工方法。
四、Φ86 35º圆孔下表面。公差等级为IT6，表面粗糙度为0.8μm，采用粗铣→精铣→磨削加工方法。
五、Φ 16H8圆孔。公差等级为IT6，表面粗糙度为0.2m，采用钻→扩→粗铰→精铰加工方法。
六、深度H8的螺纹孔M10的表面。未注公差等级，根据GB1800—79规定公差为4H-7H，表面粗糙度为3.2μm ，采用的加工方法为钻孔→攻丝
七、Φ86圆孔。公差等级为IT9，表面粗糙度为3.2μm，采用粗镗→半精镗加工方法。
八、宽度42的上端面。公差等级为IT14，表面粗糙度为6.3μm，采用粗铣加工方法。
九、深度10宽14的方形槽。公差等级为IT11，表面粗糙度为3.2μm，采用粗铣→半精铣加工方法。
十、Φ2的通孔。公差等级为IT12，表面粗糙度为12.5μm，采用钻的加工方法。
3．制定工艺路线
制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状，尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领一确定为中批生产的条件下，可以考虑采用万能性的机床配以专用工夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。
（1） 工艺路线方案一
工序一：粗铣换挡叉头上下两端面
工序二：粗铣换挡叉脚和头部两端面
工序三：粗铣换挡叉头部方槽
工序四：粗镗R41孔
工序五：精铣换挡叉头部11方槽
工序六：钻 扩 铰φ16孔至图样
工序七：锪mm孔处倒角1×45º
工序八：钻φ2孔
工序九：粗铣螺纹孔端面
工序十：钻M10mm底孔Φ8.5mm倒角 ，攻M10mm螺纹
工序十一：精镗R43孔
工序十二：精铣—磨削换挡叉脚两端面
工序十三：中检
工序十四：热处理—换挡叉脚两侧面和方槽两侧面高频淬火
工序十五：磨削换挡叉脚两端面
工序十六：铣开拨叉
工序十七：去毛刺，倒角
工序十八：清洗
工序十九：终检
（2）工艺路线方案二
工序一：粗铣换挡叉头左右两端面
工序二：钻mm孔。
工序三：拉mm孔至图样尺寸。
工序四：锪mm孔处倒角1×45º。
工序五：粗铣换挡叉头上端面。
工序六：粗铣—精铣换挡叉头部方槽。
工序七：粗铣—精铣—磨削换挡叉脚两端面。
工序八：粗铣—精铣换挡叉脚内表面。
工序九：粗铣螺纹孔端面。
工序十：钻M10mm底孔Φ8.5mm，倒角120 º，攻螺纹M10mm。
工序十一：清洗。
工序十二：终检。
（3）工艺方案的比较与分析
上述两个方案的特点在于：方案二是先加工换挡叉头部两端面及Φ16mm孔，再加工换挡叉头部方槽，再加工换挡叉脚部端面及内表面，最后加工M10mm螺纹孔。方案一是先加工换挡叉头部两端面及Φ16mm孔，再加工换挡叉脚部端面及内表面，再加工换挡叉头部方槽，最后加工M10mm螺纹孔。显然在加工换挡叉脚部端面及内表面之后在加工换挡叉头部方槽，较易保证方槽的加工精度和形位公差，所以方案一较合理。
四、工序设计
1．选择加工设备与工艺装备
在综合考虑工序顺序安排原则的基础上，表6列出了换挡叉的工艺路线。
表6换挡叉工艺路线及定位基准、设备的选用
工序号
工序名称
机床设备
刀具
定位基准
1
同时粗铣换挡叉头上下两端面
卧式双面铣床
三面刃铣刀
叉脚左侧边
2
粗铣换挡叉头部和叉脚两端面
卧式双面铣床
三面刃铣刀
叉头部上下端面
3
粗铣换挡叉头部方槽
立式铣床X51
铣刀
叉顶部侧面
4
粗镗R41孔
镗床68
镗刀
叉头部左右端面
5
精铣换挡叉头部11方槽
立式铣床X51
铣刀
叉头部左右端面、叉脚内表面
6
钻 扩 铰φ16孔至图样
四面组合钻床
麻花钻、扩孔钻、机用铰刀
叉脚内表面和叉顶部侧面
7
锪Φ16mm孔处倒角1×45º
钻床
锪钻
叉脚内表面和叉顶部侧面
8
钻Φ2mm通孔
立式钻床
麻花钻
Φ16mm孔，叉脚内表面，叉头右端面
9
粗铣螺纹孔端面
立式铣床X51
铣刀
Φ16mm孔，叉脚内表面
10
钻M10mm底孔Φ8.5mm倒角 ，攻M10mm螺纹
四面组合钻床
麻花钻，锪钻
Φ16mm孔，叉脚内表面，叉头右端面
11
精镗R43孔
镗床68
镗刀
Φ16mm孔
12
粗铣—精铣换挡叉脚两端面
卧式双面铣床
三面刃铣刀
Φ16mm孔，叉头部右端面
13
中检

14
热处理—换挡叉脚两侧面和方槽两侧面高频淬火
淬火机等

15
磨削换挡叉脚两端面
平面磨床M7120A
砂轮
Φ16mm孔，叉头部右端面
16
铣开拨叉
X5032
指状成形铣刀
Φ16mm孔，叉头部右端面
17
去毛刺，倒角

钳工台

18
清洗
清洗机

19
终检

五、确定切削用量及基本时间
切削用量包括背吃刀量ap、进给量f和切削速度v。确定顺序是先确定ap、f，再确定v。
1. 工序2切削用量及基本时间的确定
该工序就一个工步，即同时粗铣换挡叉头左右两个端面。
（1）背吃刀量的确定
mm
（2）进给量的确定
由表5-71，按机床功率5~10kW、工件—夹具系统刚度为中等条件选取，该工件的每齿进给量取为0.08mm/z。
（3）铣削速度计算
由表5-71，按镶齿铣刀、d/z=80/10的条件选取，铣削速度v可取为44.9m/min。由公式n=1000v/πd可求得该工序铣刀转速，即
n=1000×44.9m/min/π×80=178.65r/min，
参照表5-72所列X51型立式铣床的主轴转速，取转速n=160r/min。
再取此转速代入速度公式，可求出该工序的实际铣削速度
v=nπd/1000=40.2m/min。
（4）基本时间
根据《机械制造课程设计指南》表2-28：

=22mm，
mm，
mm

2.工序8 切削用量及基本时间的确定
钻通孔Φ2mm。
（1）背吃刀量的确定
mm。
（2）进给量的确定
=0.08mm。
（3）切削速度的确定
v=20m/min。
（4）基本时间
=29mm，
mm，
mm,

3铣槽专用夹具设计
3.1设计主旨
为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，形成大批量生产，通常需要设计专用夹具。
经过选择课题和指导老师的帮助，决定设计两端面卧式双面铣床夹具。本夹具将用于卧式铣床，刀具为立式铣刀，对工件的槽进行铣削。
3.2夹具设计
3.2.1约束自由度
由于加工19、20两端面，所以至少要约束Z轴的平移、X轴旋转和Y轴的旋转。
3.2.2设计夹具定位夹紧结构
因为只需约束三个自由度，
所以设计为小圆面、支撑板和大圆柱销定位结构来限制自由度，详见右图。
3.2.3定位误差分析
工件在竖直平面内最大转角误差
Δdw=Δdb=arctan≈
为小圆面上偏差；
为支撑板上偏差；
L为二者之间距离。

3.2.4夹紧力计算
=2.5×N=25kN。
5参考文献
[1]赵丽娟，冷岳峰.机械几何量精度设计与检测[M]阜新:辽宁工程技术大学出版社,2010.
[2]孙丽媛.机械制造工艺及专用夹具设计指导[M]北京:冶金工业出版社,2002.
[3]李凤平，张士庆.机械图学[M]沈阳:东北大学出版社,2003.
[4]黄健求.机械制造技术基础[M]北京:机械工业出版社,2010.
[5]徐萃萍，赵树国.工程材料与成型工艺[M]北京:冶金工业出版社,2010.
[6]孙志礼，冷兴聚.机械设计[M]沈阳:东北大学,2000.
[7]李育锡.机械设计课程设计[M]北京:高等教育出版社,2008.
[8]吴拓，方琼珊.机械制造工艺与机床夹具课程设计指导[M] 北京:机械工业出版社,2006.
[9]崇凯.机械制造技术基础课程设计指南[M]北京:化学工业出版社,2007.
[10]孙恒，陈作模.机械原理[M]北京:高等教育出版社,2006.