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换挡叉课程设计

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2020年4月19日
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课程设计示例及相关内容讲解
图2-1、图2-2分别为某拖拉机用拨叉零件的零件图和三维图样。已知：零件材料为45钢，重量为4.5kg，年产量Q=8000台/年，m=1件/台。试为该拨叉零件编制工艺规程。

第一节 零件的工艺分析及生产类型的确定
一、 零件的作用
该拨叉应用在某拖拉机变速箱的换档机构中。拨叉头以孔套在变速叉轴上，并用销钉经孔与变速叉轴联结，拨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，变速操纵机构就经过拨叉头部的操纵槽带动拨叉与变速叉轴一起在变速箱中滑动，拨叉脚拨动双联变换齿轮在花键轴上滑动以改换档位，从而改变拖拉机的行驶速度。
该拨叉在改换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，以适应拨叉的工作条件。该零件的主要工作表面为拨叉脚两端面、叉轴孔和锁销孔，在设计工艺规程时应重点予以保证。
二、 零件的技术要求
1.示例
该拨叉的全部技术要求列于表2-1中。

表2-1 拨叉零件技术要求表

该拨叉形状特殊、结构简单，属典型的叉杆类零件。为实现换档、变速的功能，其叉轴孔与变速叉轴有配合要求，因此加工精度要求较高。叉脚两端面在工作中需承受冲击载荷，为增强其耐磨性，该表面要求高频淬火处理，硬度为48~58HRC；为保证拨叉换档时叉脚受力均匀，要求叉脚两端面对叉轴孔的垂直度要求为0.1mm，其自身的平面度为0.08mm。为保证拨叉在叉轴上有准确的位置，改换档位准确，拨叉采用锁销定位。锁销孔的尺寸为，且锁销孔的中心线与叉轴孔中心线的垂直度要求为0.15mm。
综上所述，该拨叉件的各项技术要求制定较合理，符合该零件在变速箱中的功用。
2.相关内容讲解——分析零件的技术要求
对零件的技术要求进行分析，应包括以下内容：
1） 掌握零件的结构形状、材料、硬度及热处理等情况，了解该零件的主要工艺特点，形成工艺规程设计的总体构想。
2） 分析零件上有哪些表面需要加工，以及各加工表面的尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等方面的技术要求；明确哪些表面是主要加工表面，以便在选择表面加工方法和拟定工艺路线时重点考虑；并将全部技术要求归纳整理成表2-1所示形式，以防止在拟定工艺路线时漏掉某个表面。
三、 审查零件的工艺性
1.示例分析
由零件图可知，拨叉头两端面和叉脚两端面均要求切削加工，并在轴向方向上均高于相邻表面，这样既减少了加工面积，又提高了换档时叉脚端面的接触刚度；孔和孔的端面均为平面，能够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（叉脚两端面、变速叉轴孔和锁销孔）外，其余表面加工精度均较低，不需要高精度机床加工，经过铣削、钻床的粗加工就能够达到加工要求；而主要工作表面虽然加工精度相对较高，但也能够在正常生产条件下，采用经济加工方法加工出合格产品。由此可见，该零件的工艺性较好。
2.相关内容讲解——审查零件的工艺性
1） 审查零件图样上的视图、尺寸公差和技术要求是否齐全和正确。
2） 审查零件的结构工艺性，是否能以较高的生产率加工、刀具是否能正常工作、加工时工件是否有足够的刚性以及是否有利于装配等。详细内容参见配套教材《机械制造技术基础》第五章第六节。
如发现明显问题，应和指导老师商量，提出合理的改进方案。
四、 确定零件的生产类型
1.示例
结合生产实际，备品率a%和废品率b%分别取3%和0.5%，则年产纲领
拨叉重量为4.5kg，查表2-2知，拨叉属轻型零件；由表2-3知，该拨叉的生产类型为大批生产。
2.相关内容讲解——确定零件的生产类型
零件的年产纲领可按下式计算----------（2-1）
式中 N——零件的生产纲领（件/年）
Q——产品的年产量（台、辆/年）
M——每台（辆）产品中该零件的数量（件/台、辆）
a%——备品率，一般取2%~4%
b%——废品率，一般取0.3%~0.7%
表2-2 不同机械产品的零件质量型别表

表2-3机械加工零件生产类型的划分

第二节 选择毛坯、确定毛坯尺寸、绘制毛坯简图
一、选择毛坯
1.示例
由于该拨叉在工作过程中要承受冲击载荷，为增强拨叉的强度和冲击韧度，获得纤维组织，毛坯选用锻件。该拨叉的轮廓尺寸不大，且生产类型为大批生产，为提高生产率和锻件精度，宜采用模锻法制造毛坯。毛坯的拔模斜度为5度。
2.相关内容讲解——毛坯种类及其制造方法
机械加工中常见毛坯种类有：铸件、锻件、型材、挤压件、冲压件及焊接组合件等，其中最常见的是铸件和锻件。
铸件：一般适用于形状较复杂、生产批量较大的零件，如床身、立柱等。当前，多数铸件采用砂型铸造，少数优质铸件采用特种铸造。砂型铸造中，木模手中铸造生产率低、铸件精度低、加工余量大，适于单件小批生产；金属模机器造型生产率较高、铸件精度高、表面质量与机械性能均较好，适于大批大量生产。
锻件：当零件承受重载荷、冲击载荷或交变载荷时，宜选锻件毛坯，因为锻件的强度与冲击韧度较高。因此锻件适于强度要求较高、形状比较简单的零件。锻造方法有自由锻、模锻、胎膜锻和精密锻造等。其中，自由锻生产率低、锻造精度低、表面质量差、加工余量大，但成本较低，适于单件小批生产或大批锻件的生产；模锻生产率高、锻件精度高、表面质量好、加工余量小、可锻造较复杂的件，但成本较高，适于成批大量生产中小型锻件；胎膜锻介于自由锻和模锻之间，适于中小批生产小型锻件。
冲压件：适于中小尺寸的板料零件，一般可不再经过切削加工，用于成批大量生产。
型材：热轧型材的尺寸较大，精度低，用于做一般零件的毛坯。拉制型材的尺寸较小，精度较高，适于制造中小型零件。
组合件：把铸件、锻件、型材或经过局部机械加工的半成品组合在一起作为零件的毛坯，如焊接的床身、箱体等。
二、确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量
1.相关内容讲解——钢质模锻件公差及机械加工余量 （摘自GB/T 12362--1990）
要确定锻件毛坯的尺寸公差及机械加工余量，应先确定如下因素，然后再查相关表格：公差等级 锻件重量 锻件形状复杂系数 锻件材质系数 锻件分模线形状 零件表面粗糙度
1） 适用范围：本标准适用于此标准的锻件重量应小于或等于250kg，长度（最大尺寸）应小于或等于2500mm。
2） 公差及机械加工余量等级：国标中规定钢质模锻件的公差分为两级，即普通级和精密级。精密级公差适用于有较高技术要求，但需要采取附加制造工艺才能达到的锻件，一般不宜采用。精密级公差可用于某一锻件的全部尺寸，也可用于局部尺寸。平锻件只采用普通级。机械加工余量只采用一级。
3） 锻件重量：锻件重量的估算按下列程序进行：零件图基本尺寸——估计机械加工余量——绘制锻件图——估算锻件重量（本示例中根据已知重量，估计了一个比它稍大的合适值）——按此重量查表确定公差和机械加工余量。
4） 锻件形状复杂系数S：是锻件重量与相应的锻件外廓包容体重量之比，图2-3和图2-4分别为圆形锻件和非圆形锻件的外廓包容体示意图。锻件外廓包容体重量以包容锻件最大轮廓的圆柱体或长方体作为实体计算重量，其中圆形锻件按公式（2-3）计算，非圆形锻件按公式（2-4）计算。式中为锻件材料密度。 根据S值的大小，锻件形状复杂系数分为4级： 级（简单）：
级（一般）：
级（较复杂）：
级（复杂）：

特殊情况：
①当锻件形状为薄形圆盘或法兰件（如图2-5所示），且圆盘厚度和直径之比t／d≤0．2时，采用级；
②当平锻件（如图2－6所示），采用级；
③平锻件冲孔深度大于直径1．5倍时，形状复杂系数提高一级。

5）锻件材质系数M： 锻件材质系数分为两级：和。
级：碳的质量分数小于0．65％的碳素钢或合金元素总质量分数小于3．0％的合金钢；
级：碳的质量分数大于或等于0，65％的碳素钢或合金元素总质量分数大于或等于3，0％的合金钢。
6）锻件分模线形状分为两类：
①平直分模线或对称弯曲分模线（如图2－7a、b所示）；
②不对称弯曲分模线（如图2－7c所示）。

7）零件表面粗糙度：按Ra数值大小分为两类：
①Ra≥1，6；
②Ra≤1．6。
8）锻件公差
表2－4至表2－6为锻件公差表。公差表使用方法： 当确定锻件长度、宽度或高度尺寸公差时，在相应表中，应根据锻件重量选定相应范围，然后沿水平线向右移动。若材质系数为，则沿同一水平线继续向右移动，若材质系数为，则沿倾斜线向右下移动到与垂线的交点。对于形状复杂系数S，用同样方法，沿水平或倾斜线移动到或、、格的位置，并继续向右移动，直到所需尺寸的垂直栏中，即可查得所需的公差值。每个表格下都有例题，相应的查表路线在表格中用粗线表示，供大家参考。
I．长度、宽度和高度尺寸公差
①长度、宽度和高度尺寸公差是指在分模线一侧同一块模具上沿长度、宽度、高度方向上的尺寸公差（如图2－8所示）。图中，l—长度方向尺寸；b—宽度方向尺寸；h—高度方向尺寸；f—落差尺寸；t—跨越分模线的厚度尺寸。
此类公差根据锻件基本尺寸、重量、形状复杂系数以及材质系数查表2－4确定。
②孔径尺寸公差：按孔径尺寸由表2－4确定公差值，其上下偏差按+1/4， －3/4比例分配。
③落差尺寸公差：是高度尺寸公差的一种形式（如图2－8中的f），其数值比相应高度尺寸公差放宽一档，上下偏差值按±l／2比例分配。
II．厚度尺寸公差
厚度尺寸公差指跨越分模线的厚度尺寸的公差（如图2－8中的t）。
锻件所有厚度尺寸取同一公差，其数值按锻件最大厚度尺寸由表2-5确定。
III．中心距公差
对于平面直线分模，且位于同一块模具内的中心距公差由表2－6确定；弯曲轴线及其它类型锻件的中心距公差由供需双方商定。

9）机械加工余量：根据估算锻件重量、零件表面粗糙度及形状复杂系数由表2-7和2-8来确定。对于扁薄截面或锻件相邻部位截面变化较大的部分应适当增大局部余量。
2.相关内容讲解——铸件尺寸公差与机械加工余量（摘自GB/T6414-1999）
1）基本概念
①铸件基本尺寸 机械加工前的毛坯铸件的尺寸，包括必要的机械加工余量（图2－9）。

②尺寸公差 允许尺寸的变动量。公差等于最大极限尺寸与最小极限尺寸之代数差的绝对值；也等于上偏差与下偏差之代数差的绝对值。
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，如图2-10所示，RMA与铸件其它尺寸之间的关系由公式R=F+RMA+CT/2表示。对圆柱形的铸件部分或在双侧机械加工的情况下，RMA应加倍。例如，图2-11所示外圆面作机械加工时，RMA与铸件其它尺寸之间的关系可由公式R=F+2RMA+CT/2表示；而与图2-12所示内腔作机械加工相对应的表示式为式R=F-2RMA-CT/2

表2-8（1） 大批量生产的毛坯铸件的公差等级

表2-8（2） 小批量生产或单件生产的毛坯铸件的公差等级

2）．公差等级
铸件公差有16级，代号为CT1～CT16，常见的为CT4～CT13，表2-8（1）和表2-8（2）列出了各种铸造方法一般能够达到的公差等级。
对于大批量重复生产方式，有可能经过精心调整和控制型芯的位置达到比表2-8（1）所示更精的公差等级。
在用砂型铸造方法作小批量和单个铸件生产时，经过采用金属模样和研制开发装备及铸造工艺来达到小公差的做法一般是不切实际且不经济的。表2-8（2）给出了适用于这种生产方式的较宽的公差。
铸件的尺寸公差可由表2-8（3）查出。
表2-8（3）铸件尺寸公差 /mm
3）．公差带的位置

表2-8（4） 要求的铸件机械加工余量（RMA） /mm

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（图2-9）。
4）要求的机械加工余量
①除非另有规定，要求的机械加工余量适用于整个毛坯铸件，即对所有需机械加工的表面只规定一个值，且该值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸，在相应的尺寸范围内选取。
铸件某一部位在铸态下的最大尺寸应不超过成品尺寸与要求的加工余量及铸造总公差之和（图2-9、图2-11和图2-12）。
②要求的机械加工余量等级 要求的机械加工余量等级有10级，称为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K级，其中A、B级仅用于特殊场合。表2-8（4）列出了C～K级的机械加工余量数值。推荐用于各种铸造合金和铸造方法的RMA等级列在表2-8（5）中，仅作为参考。
5）在图样上的标注
I．铸造公差的标注主要有统一标注和个别标注两种。
①用公差代号统一标注。例如：“一般公差GB/T-CT12”
②如果需要在基本尺寸后面标注个别公差。例如：“953”或“”
II．机械加工余量的标注 应在图样上标出需机械加工的表面和要求的机械加工余量值，并在括号内标出要求的机械加工余量等级。要求的机械加工余量应按下列方式标注在图样上。
①用公差和要求的机械加工余量代号统一标注。例如：对于轮廓最大尺寸在400～630mm范围内的铸件，要求的机械加工余量等级为H．要求的机械加工余量值为6mm（同时铸件的一般公差为GB /T 6414—CT12）为“GB／T 6414—CT12—RMA6（H）”，也能够在图样上直接标注经计算后得出的尺寸值。
表2-8（5） 毛坯铸件典型的机械加工余量等级
②如果需要个别要求的机械加工余量，则应标注在图样的特定表面上（图2-13）

6）例：图2-14中的支座，材料为HT200，大批量生产，试确定各加工表面的尺寸公差与加工余量。
解：
①求最大轮廓尺寸 根据零件图计算轮廓尺寸，长l40mm，宽50mm，高l00mm，故最大轮廓尺寸为l40mm。
②选取公差等级CT 由表2-8（1），铸造方法按机器造型、铸件材料按灰铸铁，得公差等级CT范围8～12级，取为10级。
③求铸件尺寸公差 根据加工面的基本尺寸和铸件公差等级CT，查表2-8（3），其中公差带相对于基本尺寸按对称分布。
④求机械加工余量等级 由表2-8（5），铸造方法按机器造型、铸件材料按灰铸铁，得机械加工余量等级范围E～G级，取为F级。
⑤求RMA（要求的机械加工余量） 对所有加工表面取同一个数值，由表2-8（4）查最大轮廓尺寸为140mm、机械加工余量等级为F级，得RMA数值为1.5mm。
⑥求毛坯基本尺寸 2×13孔较小，铸成实心；A面、B面属双侧加工，应由式R=F+2RMA+CT/2=50+2X1.5+2.8/2=54.4mm求出。

孔属内腔加工，应由式R＝F－2RMA一CT／2＝40－2×1.5－2.6/2 =35.7mm求出。
C面为单侧加工，毛坯基本尺寸由式R＝F＋RMA＋CT／2＝65＋1.5＋3.2/2=68.1mm求出。
支座铸件毛坯尺寸公差与加工余量见表2-8（6）。
表2-8（6） 支座铸件毛坯尺寸公差与加工余量

7）毛坯图的绘制
I.毛坯图的表示 毛坯总余量确定以后，便可绘制毛坯图。图2-15为上例中的支座铸件毛坯图，其表示方法如下：
①实线表示毛坯表面轮廓，以双点划线表示经切削加工后的表面，在剖视图上可用交叉线表示加工余量。
②毛坯图上的尺寸值包括加工余量在内。可在毛坯图上注明成品尺寸（基本尺寸）但应加括号，如图2-15中的（）。
③在毛坯图上可用符号表示出机械加工工序的基准。
④在毛坯图上注有零件检验的主要尺寸及其公差，次要尺寸可不标注公差。
⑤在毛坯图上注有材料规格及必要的技术要求。如材料及规格、毛坯精度、热处理及硬度、圆角半径、分模面、起模斜度、内部质量要求（气孔、缩孔、夹砂）等。
II.毛坯图的绘制方法 毛坯图的绘制方法如下。
①用粗实线表示毛坯表面形状，以双点划线表示经切削加工后的表面。
②用双点划线画出经简化了次要细节的零件图的主要视图，将确定的加工余量叠加在各相应被加工表面上，即得到毛坯轮廓，用粗实线表示。注意画出某些特殊余块，例如热处理工艺夹头、机械加工用的工艺搭子等。比例1：1。
③和一般零件图一样，为表示清楚某些内部结构，可画出必要的剖视图、剖面图。对于由实体上加工出来的槽和孔，不必专门剖切，因为毛坯图只要求表示清楚毛坯的结构。
图2-15 支座铸件毛坯图

3.示例——确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量
1）公差等级
由拨叉的功用和技术要求，确定该零件的公差等级为普通级。
2）锻件重量
已知机械加工后拨叉重量为4.5kg，可初步估算出机械加工前锻件毛坯重量为6 kg
3）锻件形状复杂系数S
对拨叉零件图进行分析计算，可大致确定锻件外廓包容体的长度、宽度和高度（每个待加工面留大致3mm余量），即l=158mm,b=120mm,h=86mm;由公式2-4和2-2可计算出该拨叉锻件的形状复杂系数

由于0.47介于0.32和0.63之间，因此该拨叉的形状复杂系数属级。
4）锻件材质系数
由于该拨叉材料为45钢，是碳的质量分数小于0．65％的碳素钢，故该锻件的材质系数级。
5）锻件分模线形状
根据该拨叉件的形位特点，本例选择零件高度方向的对称平面为分模面，属平直分模线，如图2－16拨叉锻造毛坯简图所示。
6）零件表面粗糙度
由零件图可知，该拨叉各加工表面的粗糙度均大于等于1．6。
根据上述诸因素，可查表确定该锻件的尺寸公差和机械加工余量，所得结果列于表2-9中。
1） 绘制拨叉锻造毛坯件图
由表2-9所得结果，绘制毛坯简图如图2-16。

图2-16 拨叉锻造毛坯简图

第三节 拟定拨叉工艺路线
一、定位基准的选择
先确定精基准，再确定粗基准。
1.精基准的选择
根据该拨叉零件的技术要求和装配要求，选择拨叉头左端面和叉轴孔作为精基准，零件上的很多表面都能够采用它们作基准进行加工，即遵循了“基准统一”原则。拨叉轴孔的轴线是设计基准，选用其作精基准定位加工拨叉脚两端面和锁销孔，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。选用拨叉头左端面作为精基准同样是遵循了“基准重合”的原则，因为该拨叉在轴向方向上的尺寸多以该端面作设计基准；另外，由于拨叉件刚性较差，受力易产生弯曲变形，为了避免在机械加工中产生夹紧变形，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，夹紧力作用点不能作用在叉杆上。选用拨叉头左端面作精基准，夹紧可作用在拨叉头的右端面上，夹紧稳定可靠。
2.粗基准的选择
作为粗基准的表面应平整，没有飞边、毛刺或其它表面缺欠。本例选择拨叉头右端面作粗基准。采用拨叉头右端面作粗基准加工左端面，能够为后续工序准备好精基准；再采用加工过的拨叉头左端面作为精基准加工插轴孔，这样遵循了粗基准不重复使用的原则，同时能保证拨叉头左端面与插轴孔的垂直度。
二、表面加工方法的选择
根据拨叉零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，确定加工件各表面的加工方法，如表2－10所示。

三、加工阶段的划分
该拨叉加工质量要求较高，可将加工阶段划分成粗加工、半精加工和精加工几个阶段。
在粗加工阶段，首先将精基准（拨叉头左端面和叉轴孔）准备好，使后续工序都可采用精基准定位加工，保证其它加工表面的精度要求；然后粗铣拨叉头右端面、拨叉脚内表面、拨叉脚两端面的粗铣、操纵槽内侧面和底面。在半精加工阶段，完成拨叉脚两端面的精铣加工和销轴孔的钻、铰加工；在精加工阶段，进行拨叉脚两端面的磨削加工。
四、工序的集中与分散
本例选用工序集中原则安排拨叉的加工工序。该拨叉的生产类型为大批生产，能够采用万能型机床配以专用工、夹具，以提高生产率；而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少，不但可缩短辅助时间，而且由于在一次装夹中加工了许多表面，有利于保证各加工表面之间的相对位置精度要求。
五、工序顺序的安排
1.机械加工工序
（1）遵循“先基准后其它”原则，首先加工精基准—拨叉头左端面和叉轴孔。
（2）遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
（3）遵循“先主后次”原则，先加工主要表面——拨叉头左端面和叉轴孔以及拨叉脚两端面，后加工次要表面——操纵槽底面和内侧面。
（4）遵循“先面后孔”原则，先加工拨叉头端面，再加工叉轴孔孔；先铣操纵槽，再钻销轴孔。
2．热处理工序
模锻成型后切边，进行调质，调质硬度为241～285HBS，并进行酸洗、喷丸处理。喷丸能够提高表面硬度，增加耐磨性，消除毛坯表面因脱碳而对机械加工带来的不利影响。叉脚两端面在精加工之前进行局部高频淬火，提高其耐磨性和在工作中承受冲击载荷的能力。
3．辅助工序
粗加工拨叉脚两端面和热处理后，安排校直工序；在半精加工后，安排去毛刺和中间检验工序；精加工后，安排去毛刺、清洗和终检工序。
综上所述，该拨叉工序的安排顺序为：基准加工——主要表面粗加工及一些余量大的表面粗加工——主要表面半精加工和次要表面加工——热处理——主要表面精加工。
六、确定工艺路线
在综合考虑上述工序顺序安排原则的基础上，表2－11列出了拨叉的工艺路线。
表2-11 拨叉工艺路线及设备、工装的选用
工序号
工序名称
机床设备
刀具
量具
1
初检

2
粗铣拨叉头两端面
立式铣床X50
端铣刀
游标卡尺
3
半精铣拨叉头左端面
立式铣床X50
端铣刀
游标卡尺
4
粗扩、精扩、倒角、铰孔
四面组合钻床
麻花钻、扩孔钻、铰刀
卡尺、赛规
5
粗铣拨叉脚两端面
卧式双面铣床
三面刃铣刀
游标卡尺
6
铣叉爪口内侧面
立式铣床X50
铣刀
游标卡尺
7
粗铣操纵槽底面和内侧面
立式铣床X50
键槽铣刀
卡规深度游标卡尺
8
精铣拨叉脚两端面
卧式双面铣床
三面刃铣刀
游标卡尺
9
钻、倒角、粗铰、精铰孔
四面组合钻床
复合钻头、铰刀
卡尺、赛规
10
去毛刺
钳工台
平挫

11
热处理——拨叉脚两端面局部淬火
淬火机等

12
中检

赛规、百分表、卡尺等
13
校正拨叉脚
钳工台
手挫

14
磨削拨叉脚两端面
平面磨床M7120A
砂轮
游标卡尺
15
清洗
清洗机

16
终检

赛规、百分表、卡尺等