拨叉零件加工工艺规程的计算机辅助设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 35 页1 绪论1.1 加工工艺的发展随着科学技术的发展，各种新材料、新工艺和新技术不断涌现，机械制造工艺正向着高质量、高生产率和低成本方向发展。各种新工艺的出现，已突破传统的依靠机械能、切削力进行切削加工的范畴，可以加工各种难加工材料、复杂的型面和某些具有特殊要求的零件。数控机床的问世，提高了更新频率的小批量零件和形状复杂的零件加工的生产率及加工精度。特别是计算方法和计算机技术的迅速发展，极大地推动了机械加工工艺的进步，使工艺过程的自动化达到了一个新的阶段 【1】 。“工欲善其事，必先利其器。 ”工具是人类文明进步的标志。自 20 世纪末期以来，现代制造技术与机械制造工艺自动化都有了长足的发展。但工具（含夹具、刀具、量具与辅具等）在不断的革新中，其功能仍然十分显著。机床夹具对零件加工的质量、生产率和产品成本都有着直接的影响 【2】 。因此，无论在传统制造还是现代制造系统中，夹具都是重要的工艺装备。拨叉是我们通用机械重要分支，拨叉类零件是汽车、拖拉机、机器人等机械变速箱中不可或缺的重要零件之一，其作用是用于换档变速 【3】 。而随着时代的发展，拨叉的类型也发展的越来越全面，制造拨叉的技术也越来越先进。此次设计是对拨叉零件的加工工艺和夹具设计，其零件为锻件，具有体积小，零件复杂的特点，由于面比孔易加工，在制定工艺规程时，就先加工面，再以面为基准来加工其它，其中各工序夹具都采用专用夹具，特别的对于加工大头孔、槽和钻小头孔斜面小孔的工序中，选一销面两的定位方式，并以操作简单的手动夹紧方式夹紧，其机构设计简单，方便且能满足要求 【4】 。在生产过程中，使生产对象（原材料，毛坯，零件或总成等）的质和量的状态发生直接变化的过程叫工艺工程，如毛坯制造，机械加工，热处理，装配等都称之为工艺过程。在制造工艺过程中，要确定各工序的安装工位和该工序需要的工步，加工该工序的机车及机床的进给量，切削深度，主轴转速和切削速度，该工序的夹具，刀具及量具，还有走刀次数和走刀长度，最后计算该工序的基本时间，辅助时间和工作地服务时间 【5】 。机械加工工艺是规定产品或零件机械加工工艺过程和操作方法，是指导生产的重要的技术性文件。它直接关系到产品的质量、生产率及其加工产品的经济效益，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 35 页生产规模的大小、工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺来体现，因此工艺规程的编制的好坏是生产该产品的质量的重要保证的重要依据 【6】 。在编制工艺时须保证其合理性、科学性、完善性。而机床夹具是为了保证产品的质量的同时提高生产的效率、改善工人的劳动强度、降低生产成本而在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。它们的研究对机械工业有着很重要的意义，因此在大批量生产中，常采用专用夹具。通过对拨叉零件的初步分析，了解其零件的主要特点，加工难易程度，主要加工面和加工粗、精基准，从而制定出拨叉加工工艺规程；对于专用夹具的设计，首先分析零件的加工工艺，选取定位基准，然后再根据切销力的大小、批量生产情况来选取夹紧方式，从而设计专用夹具。1.2 CAPP 简要介绍CAPP 是计算机辅助工艺过程设计（ Computer AidedProcess Planning）的简称，是利用计算机技术辅助工艺人员进行零件从毛坯到成品制造方法的设计，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术 7。由此可见，CAPP 是 CAD、CAM 集成系统中信息交叉和汇集的中心环节，是 CAD 和 CAM 的“纽带”。没有 CAPP 的桥梁作用，CAD 和 CAM 就成了相互隔离的“孤岛”，也就无法实现真正意义的集成。传统的 CAPP 系统按其原理可分为派生式和创成式 2 大类。国内自 20 世纪 80 年代初开始 CAPP 的应用研究，经过了 20 年的发展历程，尽管 CAPP 已取得卓越的成果，但与 CAD 和 CAM 的发展速度相比，CAPP 仍显得相对滞后，至今仍是计算机辅助技术领域的薄弱环节和企业实施推广 CIMS 的瓶颈所在 8。究其原因，传统 CAPP 过分强调对零件信息的自动获取，过份强调工艺决策的自动化。近年来，CAPP 的研究开始注重工艺基本数据结构及基本设计功能，开发重点从注重工艺过程的自动生成，转向整个产品的工艺设计，为工艺设计人员提供辅助工具，同时为企业的信息化建设服务 9。这直接导致了 CAPP 软件产品的迅速发展，产生了人机交互为主的新一代 CAPP 工具系统，并在企业实际应用中取得良好成效 10。在当前 CAD/ CAPP/ CAM 向集成化、智能化方向发展的情况下，CAPP 已不再是简单的完成工艺设计，输出工艺规程，而是在原有的基础上进一步加强与 CAD 和CAM 的联系，以满足机械制造业向 CAD/ CAPP/ CAM 集成化方向发展需要。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 35 页因此，利用计算机辅助工艺设计构件零件的 CAPP 系统可以较清晰地反映出工艺方案的特点和工艺过程中的关键技术 11，既有利于工艺方案的快速识别和处理，也有助于工艺的优化和管理，对于增强和拓展 CAPP 的功能，促进 CAPP 的发展具有实际意义。1.3 夹具的发展状况夹具在其发展的 200 多年历史中，大致经历了三个阶段：第一阶段，夹具在工件加工、制造的各工序中作为基本的夹持装置，发挥着夹固工件的最基本功用。随着军工生产及内燃机，汽车工业的不断发展，夹具逐渐在规模生产中发挥出其高效率及稳定加工质量的优越性，各类定位、夹紧装置的结构也日趋完善，夹具逐步发展成为机床工件工艺装备工艺系统中相当重要的组成部分 【12】 。这是夹具发展的第二阶段。这一阶段，夹具发展的主要特点是高效率。在现代化生产的今天，各类高效率，自动化夹具在高效，高精度及适应性方面，已有了相当大的提高。随着电子技术，数控技术的发展，现代夹具的自动化和高适应性，已经使夹具与机床逐渐融为一体，使得中，小批量生产的生产效率逐步趋近于专业化的大批量生产的水平【13】 。这是夹具发展的第三个阶段，这一阶段，夹具的主要特点是高精度，高适应性。可以预见，夹具在下一个阶段的主要发展趋势将是逐步提高智能化水平。 一项优秀的夹具结构设计，往往可以使得生产效率大幅度提高，并使产品的加工质量得到极大地稳定。尤其是那些外形轮廓结构较复杂的，不规则的拔叉类，杆类工件，几乎各道工序都离不开专门设计的高效率夹具。目前，中等生产规模的机械加工生产企业，其夹具的设计，制造工作量，占新产品工艺准备工作量的 50%80%【14】 。生产设计阶段，对夹具的选择和设计工作的重视程度，丝毫也不压于对机床设备及各类工艺参数的慎重选择。夹具的设计，制造和生产过程中对夹具的正确使用，维护和调整，对产品生产的优劣起着举足轻重的作用。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 35 页2 零件的分析2.1 零件的工作状态及工作条件工作状态：工作频繁。工作条件：工作表面有冲击，受力较大。已知此拨叉零件的生产类型为中批量生产，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。2.2 零件的作用题目所给的零件是汽车变速箱的拨叉。它位于汽车、拖拉机、机器人等变速机构中，主要作用是变速换档，使主轴回转运动按照工作者的要求工作，获得所需的速度和扭矩的作用。当拨动变速杆时，可通过拨叉使滑动齿轮移动，达到滑动齿轮时省力的效果。零件上方的 22 孔与操纵机构相连，二下方的 55 半孔则是用于与所控制齿轮所在的轴接触。通过上方的力拨动下方的齿轮变速。两件零件铸为一体，加工时分开。2.3 零件的工艺分析拨叉类零件是一个很重要的零件，因为其零件尺寸比较小，结构形状较复杂，但其加工孔和底面的精度要求较高，此外还有小头孔端要求加工，对精度要求也很高。拨叉的底面、大头孔上平面和小头孔粗糙度要求都要精加工。其小头孔与底平面有垂直度的公差要求，拨叉底面与大头孔上平面有平行度公差要求，所要加工的槽，在其槽边有平行度公差和对称度公差要求等。因为其尺寸精度、几何形状精度和相互位置精度，以及各表面的表面质量均影响机器或部件的装配质量，进而影响其性能与工作寿命，因此它们的加工是非常关键和重要的。拔叉这个零件从零件图上可以看出，它一共有两组加工表面，而这二组加工表面之间有一定的位置要求，现将这二组加工表面分述如下：1）.以 25mm 花键孔为中心的加工表面。这一组加工表面包括：25H7mm 的花键孔及倒角，尺寸为 83mm 与花键孔垂直的两端面，尺寸为 18H11 与花键孔垂直的通槽。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 35 页2）.与 25mm 花键孔平行的表面。这一组加工表面包括：与花键孔中心轴线相距22mm 的上端面，与上表面垂直的 M8 通孔和一个 3 锥孔。图 1 拨叉零件图这两组加工表面之间有着一定的位置要求，主要是：1.上表面与 25mm 花键孔中心线平行度为 0.10mm;2.18H11 通槽两侧面与 25mm 花键孔中心线的垂直度为 0.1mm。由以上分析可知，对于这二组加工表面而言，我们可以先加工其中一组表面，然后借助于专用夹具进行另一组表面的加工，并且保证它们之间的位置精度要求。以下是拨叉需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求：1 小头孔以及与此孔相通的的锥孔、螺纹孔2 大头半圆孔本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 35 页3 拨叉底面、小头孔端面、大头半圆孔端面，大头半圆孔两端面与小头孔中心线的垂直度误差为 0.1mm，小头孔上端面与其中心线的垂直度误差为 0.1mm。由上面分析可知，可以粗加工拨叉底面，然后以此作为粗基准采用专用夹具进行加工，并且保证位置精度要求。再根据各加工方法的经济精度及机床所能达到的位置精度，并且此拨叉零件没有复杂的加工曲面，所以根据上述技术要求采用常规的加工工艺均可保证。2.4 零件的工艺要求一个好的结构不但要应该达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能够保证加工质量，同时使加工的劳动量最小。而设计和工艺是密切相关的，又是相辅想成的。设计者要考虑加工工艺问题。工艺师要考虑如何从工艺上保证设计的要求。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 35 页3 工艺规程设计3.1 加工工艺过程由以上分析可知。该拨叉零件的主要加工表面是平面、内花键和槽系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证内花键的加工精度容易。因此，对于拨叉来说，加工过程中的主要问题是保证内花键的尺寸精度及位置精度，处理好内花键和平面之间的相互关系以及槽的各尺寸精度。由上工艺分析知，上端面与槽边均与花键轴有位置度公差，所以，保证内花键高精度是本次设计的重点、难点。3.2 确定各表面加工方案一个好的结构不但应该达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能保证加工的质量，同时是加工的劳动量最小。设计和工艺是密切相关的，又是相辅相成的。对于设计拨叉的加工工艺来说，应选择能够满足内花键加工精度要求的加工方法及设备。除了从加工精度和加工效率两方面考虑以外，也要适当考虑经济因素。在满足精度要求及生产率的条件下，应选择价格较低的机床。3.2.1 在选择各表面的加工方法时，要综合考虑以下因素（1）.要考虑加工表面的精度和表面质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。（2）.根据生产类型选择，在大批量生产中用专用的高效率的设备。在单件小批量生产中则常用通用设备和一般的加工方法。（3）.考虑被加工材料的性质。（4）.考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 35 页（5）.此外，还要考虑一些其它因素，如加工表面物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。选择加工方法一般先按这个零件主要表面的技术要求选定最终加工方法。再选择前面各工序的加工方法。3.2.2 上端面的加工查机械加工工艺手册表 2.1-12 可以确定，上端面的加工方案为：粗铣精铣（IT7-IT9），粗糙度为 Ra=6.30.8，一般不淬硬的平面，精铣的粗糙度可以较小。3.2.3 孔的加工（1）加工内花键前的预制孔 20H12 加工查机械加工工艺手册表 2.3-47，由于预定孔的精度为 H12，所以确定预制孔的加工方案为：一次钻孔，由于拉削的精度高，所以能满足花键表面精度，同时也能保证预制孔表面精度。（2）内花键的加工通过拉刀实现花键的加工，由于拉削的精度高，所以能满足花键表面精度，同时也能保证预制孔表面精度。（3）2-M8 螺纹孔的加工加工方案定为：钻，攻丝，去孔内毛刺。3.3 选择定位基准3.3.1 粗基准的选择选择粗基准时，考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，使不加工表面与加工表面间的尺寸、位置符合图纸要求。粗基准选择应当满足以下要求：（1）.粗基准的选择应以加工表面为粗基准。目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求作为粗基准。以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 35 页（2）.选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。例如：机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。因而在加工时选择导轨面作为粗基准，加工床身的底面，再以底面作为精基准加工导轨面。这样就能保证均匀地去掉较少的余量，使表层保留而细致的组织，以增加耐磨性。（3）.应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该面有足够的加工余量。（4）应尽肯能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定为准确夹紧可靠。有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。（5）.粗精准应避免重复使用，因为粗精准的表面大多数是粗糙不规则的。多次使用难以保证表面的位置精度。要从保证孔与孔、孔与平面之间的位置，能保证拨叉在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。从拨叉零件图分析可知，选择作为拨叉加工粗基准。3.3.2 精基准选择的原则（1）基准重合原则。即尽可能选择设计基准作为定位基准。这样可以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。（2）基准统一原则。应尽可能选用统一的定位基准。基准统一有利于保证各表面间的位置精度，避免基准转换所带来的误差，并且各工序所采用的夹具比较统一，从而可减少夹具设计和制造工作。例如：轴类零件常用顶针孔作为定位基准。车削、磨削都以顶针孔定位，这样不但在一次装夹中能加工大多数表面，而且能保证了各外圆表面的同轴度及端面与轴心线的垂直度。（3）互为基准的原则。选择精基准时，有时两个被加工面，可以互为基准反复加工。例如：对淬火后的齿轮磨齿，是以齿面为基准磨内孔，再以孔为基准磨齿面，这样能保证齿面余量均匀。（4）自为基准原则。有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，可以选择加工表面本身为基准。例如：磨削机床导轨面时，是以导轨面找正定位的。此外，像拉孔在无心磨床上磨外圆等，都是自为基准的例子。此外，还应选择工件上精度高。尺寸较大的表面为精基准，以保证定位稳固可靠。并考虑工件装夹和加工方便、夹具设计简单等。要从保证孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置，能保证拨叉 C 在整个加本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 35 页工过程中基本上都能用统一的基准定位。从拨叉 C 零件图分析可知，它的 内257H花键槽，适于作精基准使用。选择精基准的原则时，考虑的重点是有利于保证工件的加工精度并使装夹准 【15】