汽车万向节滑动叉结构与工艺设计毕业设计论.doc

毕业设计（论文） 第 1 页 共 50 页 汽车万向节滑动叉滑动叉结构与工艺设计 摘要：汽车上有一个很重要的部件，称为万向节滑动叉滑动叉。本文综合应用了机 械设计、机床、刀具、工艺等机械设计、制造系统理论知识与实践技能，适当结合 CAD 相关知识与技术，以质量、生产率和经济性辩证统一为原则，设计汽车万向节 滑动叉滑动叉的结构，制定并优化汽车万向节滑动叉滑动叉工艺规程和方案，对汽 车万向节滑动叉滑动叉工艺方案进行技术经济性评价并最终完成其工装设计。 关键词：万向节滑动叉；工艺；夹具；设计 Abstract: There are a very important component on automobile, be called the Universal joint glide fork. Machinery design , machine tool , machinery design such as cutter , handicraft the main body of a book has been applied synthetically, create system theory knowledge and carry out a technical ability, the appropriate union CAD relevance knowledge and technology, take that mass , efficacy and economy discriminate an unification as principle , fork structure designing that automobile joint Universal slides, works out and optimizes automobile Universal joint glide fork technological procedure and the scheme, the frock carrying out the technology economic evaluation and accomplishing the person ultimately designs the fork handicraft scheme sliding to automobile Universal joint. Keywords: Universal joint slides fork；handicraft；grip；design 1 概述 零件的作用题目所给订的零件是解放牌汽车底盘传动轴上的万向节滑动叉滑动叉， 它位于传动轴的端部。主要作用一是传递扭矩，使汽车获得前进的动力; 二是当汽车 后桥钢板弹簧处在不同状态时，由本零件可以调整传动轴的长短及其位置。零件的两 个叉头部位上有两个39mm 的孔，用以安装滚针轴承并与十字轴相连，起万向联 027 . 0 010 . 0 轴节的作用。零件65mm 外圆内为50mm 花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用于 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 2 页 共 50 页 传递动力之用。总体尺寸约为 14165118mm。年产量 5000 台/年（每台一件） 、备品 率 3%、废品率 0.5%、每日 1 班。 1.1 汽车零部件企业面对的市场形势 1.1.1 汽车零部件企业的现状和发展趋势 在汽车工业高速发展的带动下，我国汽车零部件产业有了飞速发展，在全球供应 链中的地位明显提高。目前，我国汽车零部件产品已经从售后配件市场开始进入 OEM 市场，从低附加值产品向高附加值产品转变，特别是一些自主品牌产品开始进入国际 采购体系。2006 年中国零部件总产值为 5240 亿元，同比增加 30%，按产值排名，前十 家企业中有 5 家为外资企业，另外 5 家为本土企业，本土企业的产值远远超过外资企 业的产值。2006 年，零部件出口连续第三年实现贸易额顺差。汽车空调、车身零部件 和空气压缩机的出口均实现了 100%的增长速度，同时我国比较传统的汽车零部件产品 比如汽车轮胎、汽车玻璃和车轮零部件也有较高的增长速度。 按照国际运行的标准，汽车行业整车与零部件规模比例应为 1：1.7，由此可以推 算，我国汽车零部件产业还有很大的提升空间，另据有关资料显示，到 2010 年，世界 汽车产品贸易总额将达到 1.2 万亿美元，跨国公司到 2007 年底前，计划在低成本国家 采购 500 亿美元的汽车零部件，其中 70%瞄准中国企业。 1.1.2 汽车零部件企业存在的问题 中国零部件在全球供应链中的地位有显著提高，但是这个地位还很脆弱。我国汽 车零部件在汽车价值链中所占的比例还不高，本土企业配套率低，配套产品附加值低。 中国汽车零部件企业在核心技术上对外资依赖明显，零部件依托于整车企业的发展， 自主品牌汽车企业成立时间不长，没有形成具有本土特征的零部件产业链协作模式， 很难做到以整车为中心的零部件配套体系竞争。 1.1.3 汽车零部件企业的发展 目前，跨国零部件生产商正在进一步加大对中国的投资，在华进行汽车零部件生 产的外商独资或合资企业已经达到近 1200 家，在零部件一级供应商这条链上，外资企 业占据主导地位，尤其是在最近，跨国汽车零部件企业明显有把零部件的研发工作转 向中国的趋势，随着他们建厂规模的逐渐扩大和对中国市场的熟悉，本土零部件企业 面对的压力也将越来越大。 1.2 课题的提出及主要工作 毕业设计（论文） 第 3 页 共 50 页 1.2.1 万向节的结构分析 一、十字轴万向节一、十字轴万向节 典型的十字轴万向节主要由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承及其轴向定位件 和橡胶密封件等组成。 目前常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式(图41a、b)、卡环式(图41c、d)、 瓦盖固定式(图41e)和塑料环定位式(图41f)等。 盖板式轴承轴向定位方式的一般结构(图41a)是用螺栓1和盖板3将套筒5固定在万 向节叉4上，并用锁片2将螺栓锁紧。它工作可靠、拆装方便，但零件数目较多。有时 将弹性盖板6点焊于轴承座7底部(图41b)，装配后，弹性盖板对轴承座底部有一定的 预压力，以免高速转动时由于离心力作用，在十字轴端面与轴承座底之间出现间隙而 引起十字轴轴向窜动，从而避免了由于这种窜动造成的传动轴动平衡状态的破坏。卡 环式可分为外卡 式(图41c)和内卡式(图41d)两种。它们具有结构简单、工作可靠、 零件少和质量小的优点。瓦盖固定式结构(图41e)中的万向节叉与十字轴轴颈配合的 圆孔不是一个整 体，而是分成两半用螺钉联接起来。这种结构具有拆装方便、使用可 靠的优点，但加工工艺较复杂。塑料环定位结构(图41f)是在轴承碗外圆和万向节叉 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 4 页 共 50 页 的轴承孔中部开一环形槽，当滚针轴承动配合装入万向节叉到正确位置时，将塑料经 万向节叉上的小孔压注到环槽中，待万向节叉上另一与环槽垂直的小孔有塑料溢出时， 表明塑料已充满环槽。这种结构轴向定位可靠，十字轴轴向窜动小，但拆装不方便。 为了防止十字轴轴向窜动和发热，保证在任何工况下十字轴的端隙始终为零，有的结 构在十字轴轴端与轴承碗之间加装端面止推滚针或滚柱轴承。 滚针轴承的润滑和密封好坏直接影响着十字轴万向节的使用寿命。毛毡油封由于 漏油多，防尘、防水效果差，在加注润滑油时，在个别滚针轴承中可能出现空气阻塞 而造成缺油，已不能满足越来越高的使用要求。结构较复杂的双刃口复合油封(图4 2a)，其中反装的单刃口橡胶油封用作径向密封，另一双刃口橡胶油封用作端面密封。 当向十字轴内腔注入润滑油时，陈油、磨损产物及多余的润滑油便从橡胶油封内圆表 面与十字轴轴颈接触处溢出，不需安装安全阀，防尘、防水效果良好。在灰尘较多的 条件下使用时，万向节寿命可显著提高。图42b为一轿车上采用的多刃口油封，安装 在无润滑油流通系统且一次润滑的万向节上。 十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成本低。但所连接 的两轴夹角不宜过大，当夹角由4增至16时，十字轴万向节滚针轴承寿命约下降至 原来的14。 二、准等速万向节二、准等速万向节 1.双联式万向节 双联式万向节(图43)是由两个十字轴万向节组合而成。为了保证两万向节连接 的轴工作转速趋于相等，可设有分度机构。偏心十字轴双联式万向节取消了分度机构， 也可确保输出轴与输入轴接近等速。五分度杆的双联式万向节，在军用越野车的转向 毕业设计（论文） 第 5 页 共 50 页 驱动桥中用得相当广泛。此时采用主销中心偏离万向节中心103. 5mm的方法，使 两万向节的工作转速接近相等。双联式万向节的主要优点是允许两轴间的夹角较大(一 般可达50，偏心十字轴双联式万向节可达60)，轴承密封性好，效率高，工作可靠， 制造方便。缺点是结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。当应用于转向驱动桥 时，由于双联式万向节轴向尺寸较大，为使主销轴线的延长线与地面交点到轮胎的接 地印迹中心偏离不大，就必须用较大的主销内倾角。 2凸块式万向节 对于凸块式万向节(图44)，就运动副来看也是一种双联式万向节。它主要由两 个万向节叉1和4以及两个特殊形状的凸块2和3组成。两凸块相当于双联万向节装置中 两端带有位于同一平面上的两万向节叉的中间轴及两十字销，因此可以保证输入轴与 输出轴近似等速。这种结构工作可靠，加工简单，允许的万向节夹角较大(可达50)。 但是由于工作面全为滑动摩擦，所以效率低，摩擦表面易磨损，且对密封和润滑要求 较高。它主要用于中型以上越野车的转向驱动桥。 3三销轴式万向节三销轴式万向节 (图45)是由双联式万向节演变而来。它主要由两个偏心轴叉、两个三销轴和六个 滚针轴承组成。三销轴式万向节允许所连接的两轴最大夹角为45，易于密封。但其 外形尺寸较大，零件形状较复杂，毛坯需要精确模锻。由于在工作中三销轴间有相对 轴向滑动，万向节的两轴受有附加弯矩和轴向力，所以主动轴一侧需装轴向推力轴承。 这种结构目前用于个别中、重型越野车的转向驱动桥。 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 6 页 共 50 页 三、等速万向节三、等速万向节 1. 球叉式万向节 球叉式万向节按其钢球滚道形状不同可分为圆弧槽和直槽两种形式。 圆弧槽滚道型的球叉式万向节(图46a)由两个万向节叉、四个传力钢球和一个定 心钢球组成。两球叉上的圆弧槽中心线是以O1和O2为圆心而半径相等的圆，O1和O2到万 向节中心O的距离相等。当万向节两轴绕定心钢球中心O转动任何角度时，传力钢球中 心始终在滚道中心两圆的交点上，从而保证输出轴与输入轴等速转动。这种球叉式万 向节结构较简单，可以在夹角不大于3233的条件下正常工作。由于四个钢球在 单向传动中只有两个传递动力，故单位压力较大，磨损较快。另外，这种万向节只有 在传力钢球与滚道之间具有一定的预紧力时，才能保证等角速传动。预紧力用选择不 同尺寸级别的传力钢球来保证。在使用中，随着磨损的增加，预紧力逐渐减小以至消 失，这时两球叉之间便发生轴向窜动，从而破坏了传动的等速性，严重时会造成钢球 脱落。 毕业设计（论文） 第 7 页 共 50 页 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 8 页 共 50 页 直槽滚道型球叉式万向节(图46b)，两个球叉上的直槽与轴的中心线倾斜相同的 角度，彼此对称。在两球叉间的槽中装有四个钢球。由于两球叉中的槽所处的位置是 对称的，这便保证了四个钢球的中心处于两轴夹角的平分面上。这种万向节加工比较 容易，允许的轴间夹角不超过20，在两叉间允许有一定量的轴间滑动。 圆弧槽型球叉式万向节主要应用于轻、中型越野车的转向驱动桥中。直槽型球叉 式万向节主要应用于断开式驱动桥中，当半轴摆动时，用它可补偿半轴的长度变化而 省去滑动花键。 圆弧槽型球叉式万向节作为转向驱动桥的传力构件时，万向节旋转轴线应与车桥的 轴线相重合，以避免发生万向节的摆动现象。为了不至于在万向节转角接近最大值时， 放置传力钢球的主、从动叉的交叉槽趋于平行位置导致钢球无法约束而自动散开，造 成万向节装配关系的破坏，在设计时应使两叉的最大夹角大于车轮的最大转角，同时 万向节中心应位于转向主销轴线上。另外，应保证在万向节处于最大转角时，各传力 钢球与定心钢球之间不接触，至少使传力钢球与定心钢球在此情况下的间隙不小于 5mm，且使各钢球与万向节轴头均匀地预紧在一起，使得在任意方向旋转时能通过万向 节的两个传力钢球来传递转矩，避免靠一个钢球来传递，从而防止产生过载现象。 2球笼式万向节 球笼式万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。早期的 Rzeppa 型球笼式万向节 (图 47a)是带分度杆的，球形壳 1 的内表面和星形套 3 的球表面上各有沿圆周均匀分 布的六条同心的圆弧滚道，在它们之间装有六个传力钢球 2，这些钢球由球笼 4 保持在 同一平面内。当万向节两轴之间的夹角变化时，靠比例合适的分度杆 6 拨动导向盘 5， 并带动球笼 4 使六个钢球 2 处于轴间夹角的平分面上。经验表明，当轴间夹角较小时， 分度杆是必要的；当轴间夹角大于 11时，仅靠球形壳和星形套上的子午滚道的交叉 也可将钢球定在正确位置。这种等速万向节无论转动方向如何，六个钢球全都传递转 矩，它可在两轴之间的夹角达 3537的情况下工作。 目前结构较为简单、应用较为广泛的是Birfield型球笼式万向节(图47b)。它取 消了分度杆，球形壳和星形套的滚道做得不同心，令其圆心对称地偏离万向节中心。 这样，即使轴间夹角为0，靠内、外子午滚道的交叉也能将钢球定在正确位置。当轴 间夹角为0时，内、外滚道决定的钢球中心轨迹的夹角稍大于11，这是能可靠地确 定钢球正确位置的最小角度。滚道的横断面为椭圆形，接触点和球心的连线与过球心 毕业设计（论文） 第 9 页 共 50 页 的径向线成45角，椭圆在接触点处的曲率半径选为钢球半径的103105倍。当 受载时，钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。由于工作时球的每个方向都有 机会传递转矩，且由于球和球笼的配合是球形的，因此对这种万向节的润滑应给予足 够的重视。润滑剂的使用主要取决于传动的转速和角度。在转速高达1500rmin时， 一般使用防锈油脂。若转速和角度都较大时，则使用润滑油。比较好的方法是采用油 浴和循环油润滑。另外，万向节的密封装置应保证润滑剂不漏出，根据传动角度的大 小采取不同形式的密封装置。这种万向节允许的工作角可达42。由于传递转矩时六 个钢球均同时参加工作，其承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便。 但是滚道的制造精度高，成本较高。 伸缩型球笼式万向节(图47c)结构与一般球笼式相近，仅仅外滚道为直槽。在传 递转矩时，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动，故可省去其它万向传动装置中的滑 动花键。这不仅使结构简单，而且由于轴向相对移动是通过钢球沿内、外滚道滚动实 现的，所以与滑动花键相比，其滚动阻力小，传动效率高。这种万向节允许的工作最 大夹角为20。 Rzeppa型球笼式万向节以前主要应用于转向驱动桥中， 目前应用较少。 Birfield型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节被广泛地应用在具有独立悬架的转向 驱动桥中，在靠近转向轮一侧采用Birfield型万向节，靠近差速器一侧则采用伸缩型 球笼式万向节，以补偿由于前轮跳动及载荷变化而引起的轮距变化。伸缩型万向节还 被广泛地应用到断开式驱动桥中。 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 10 页 共 50 页 四、挠性万向节四、挠性万向节 挠性万向节依靠其中弹性元件的弹性变形来保证在相交两轴间传动时不发生干涉。 弹性元件可以是橡胶盘、橡胶金属套筒、铰接块、六角环形橡胶圈等多种形状。 盘式挠性万向节的弹性元件通常是412层的橡胶纤维或橡胶帘布片结构，并用金 属零件加固。在挠性万向节装配时，通常使纤维层依次错开，以便于当挠性盘变形时， 保证纤维帘布层承受最小的力。六角环形橡胶挠性万向节的橡胶与用钢或铝合金制成 的金属骨架硫化在一起。为了使橡胶与金属可靠地结合，在硫化之前，骨架镀一层黄 铜覆盖层。使用这种万向节时，为了保证高速转动时传动轴总成有良好的动平衡，常 在万向节所连接的两轴端部设专门机构保证对正中心。图48a为具有球面对中机构的 环形挠性万向节。这种结构中装有无需润滑的球形滑动对中轴承，如能正确选择轴承 配合，可使其内部在装配后具有适当的预紧力。为使万向节有必要的寿命，总是设法 毕业设计（论文） 第 11 页 共 50 页 使其轴向位移引起的轴向力、侧向位移引起的侧向力和万向节工作角引起的力矩尽可 能小，使挠性万向节主要传递工作转矩。有的结构允许有一定的轴向变形(图48b)。 当这种环形挠性万向节的轴向变形量满足使用要求时，可省去伸缩花健。 挠性万向节能减小传动系的扭转振动、动载荷和噪声，结构简单，使用中不需润 滑，一般用于两轴间夹角不大(一般为35)和很小轴向位移的万向传动场合。如 它常在轿车万向节传动中，被用来作为靠近变速器的第一万向节，或在重型汽车中用 于发动机与变速器之间，越野汽车中用于变速器与分动器之间，以消除制造安装误差 和车架变形对传动的影响。 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 12 页 共 50 页 1.2.2 转矩分析 万向节滑动叉位于传动轴的端部,端部联接的唯一功能是传递转矩。它们应该使 传动轴有很好的对中性，并且通过摩擦或是刚性、或者二者兼有的联接，经传动轴 把输入轴和输出轴联接起来。联接传动轴有五种可能的实用形式： 凸缘。传动轴端部用带有耳叉的凸缘联接，由于结构形式简单，制造及装配 容易，是一种广泛采用的联接形式。按定心方式区分，有内圆定心和外圆定心两种； 根据传力的方式不同，又有刚性传递和摩擦传递之分。 开槽叉。传动轴端部与毂联接，毂上开有槽，闭合时锁紧，张开时松开，多 用在农业机械上，并且这种能快速分离的花键毂已经标准化。 花键半轴。带有一个单万向节滑动叉或者是一个双联式万向节滑动叉的传动 轴，其端部是通过两个轴上的键或花键联接的，转向驱动桥多用这种形式。 翼形轴承。传动轴端部用两个带有小型翼状的轴承的组合件联接，并可作为 组合件更换，这种形式多用于工程机械。 端部节叉。端部是一个节叉，靠十字轴与被联接件联接。主动轴端的十字轴 安装在套筒里，用形螺栓把十字轴上的套筒固定在从动轴端部节叉的两个半圆槽 内，且由套筒对中心，这种联接形式多用于美国。 工程机械的主传动轴，其端部联接多采用凸缘或翼形轴承。传动轴端部形式的 选择要考虑： 传递转矩的平衡性 端部形式的对中性影响传递转矩的平衡性。凸缘式传动轴通过调整轴承组合件 的轴向间隙及具有精确、自由对中性的特点，因而运转非常平稳；开槽叉和花键半 轴联接靠输入轴、输出轴对中心，由于制造公差的原因，轴的对中心性偏底，传动 轴的平衡性也会降低；翼形轴承和形螺栓联接的情形与开槽叉类似，由于十字轴 的轴向间隙不可调整，因而也达不到高水平的平衡品质。 传递转矩的可靠性 对端部联接的设计计算要么按刚性传递计算，要么按摩擦传递计算，二者不宜同时 计入。摩擦传递受摩擦系数离散度的影响，不易按传递转矩准确设计联接参数，为 安全起见，要采取保守设计，结构偏大。而刚性传递靠平键或花键等传力，传递转 矩更大、更可靠，因而在传递大转矩时，刚性传递优于摩擦传递。 徐工系列装载机传动轴端部多为摩擦凸缘式，一些系列装载机传动轴的端 毕业设计（论文） 第 13 页 共 50 页 部虽为翼形轴承式，但在传动轴和箱桥之间另有一个联结盘过渡，这个联结盘是靠 摩擦传递转矩的。 其他因素 端部联接形式还应考虑布置空问、配套供应、成本等其他因素。 2 万向节滑动叉的总体设计 2.1 零件的工艺分析 万向节滑动叉滑动叉共有两组加工表面，它们相互间有一定的位置要求。现分 述如下： (1) 以39mm 孔为中心的加工表面。这一组加工表面包括：两个39mm 027 . 0 010 . 0 的孔及其倒角，尺寸为 118mm 的与两个孔39mm 相垂直的平面，还有在平 0 07. 0 027 . 0 010 . 0 面上的四个 M8 螺孔。其中，主要加工表面为39mm 的两个孔。 027 . 0 010 . 0 (2) 以50mm 花键孔为中心的加工表面。这一组加工表面包括：50mm 039 . 0 0 十六齿方齿花键孔，55mm 阶梯孔，以及65mm 的外圆表面和 M601mm 的外螺纹 表面。 这两组加工表面之间有着一定的位置要求，主要是： 50mm 花键孔与39mm 二孔中心连线的垂直度公差为 100：0.2； 039 . 0 0 027 . 0 010 . 0 39mm 二孔外端面对39mm 孔垂直度公差为 0.1mm； 50mm 花键槽宽中心线与39mm 中心线偏转角度公差为 2。 039 . 0 0 由以上分析可知，对于这两组加工表面而言，可以先加工其中一组表面，然后 借助于专用夹具加工另一组表面，并且保证它们之间的位置精度要求。 2.2 工艺规程的设计 2.2.1 确定毛坯的制造形式 零件一般是由毛胚加工而成。在现有的生产条件下，毛胚主要有铸件，锻件和 冲压件等几个种类。铸件是把熔化的金属液浇注到预先制作的铸型腔中，待其冷却 凝固后获得的零件毛胚。在一般机械中，铸件的重量大都占总机重量的 50%以上， 它是零件毛胚的最主要来源。铸件的突出优点是它可以是各种形状复杂的零件毛胚， 特别是具有复杂内腔的零件毛胚，此外，铸件成本低廉。其缺点是在其生产过程中， 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 14 页 共 50 页 工序多，铸件质量难以控制，铸件机械性能较差，锻件是利用冲击力或压力使用， 加热后的金属胚料产生塑性变形，从而获得的零件毛胚。锻件的结构复杂程度往往 不及铸件。但是，锻件具有良好的内部组织，从而具有良好的机械性能。所以用于 做承受重载和冲击载荷的重要机器零件和工具的毛胚，冲压件是利用冲床和专用模 具，使金属板料产生塑性变形或分离，从而获得的制体。冲压通常是在常温下进行， 冲压件具有重量轻，刚性好，尺寸精度高等优点，在很多情况下冲压件可直接作为 零件使用。选择毛胚还应该考虑的原因 （1）零件的力学性能要求 相同的的材料采用不同的毛胚制造的方法，其力学 性能有所不同。铸铁的强度，离心浇注，压力浇注的铸体，金属型浇注的铸体，沙 型浇注的铸体依次递减；钢质零件的锻造毛胚，其力学性能高于钢质棒料和铸钢体。 （2）零件的结构形状和外廓尺寸，直径相差不大的阶梯轴宜采用棒料。相差 较大时宜采用锻件。形状复杂的毛胚不宜采用金属型铸造。尺寸较大的毛胚，不宜 采用摸锻，压铸和精铸。多采用沙型铸造和自由锻造。外型复杂的小零件宜采用精 密铸造的方法 （3）生产纲领和批量 生产纲领大时宜采用高精度与高生产率的毛胚制造方 法，生产纲领小时，宜采用设备投资小的毛胚制造方法 （4）现场生产条件和发展 应该经过技术经济分析和论证 零件材料为 45 钢。考虑到汽车在运行中要经常加速及正、反向行驶，零件在 工作过程中则经常承受交变载荷及冲击性载荷，因此应该选用锻件，以使金属纤维 尽量不被切断，保证零件工作可靠。由于领奖年产量为 4000 件，已达到大批生产 的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，故可采用模锻成型。这对提供生产率、保证加 工质量也是有利的。 2.2.2 基准的选择 (1)粗基准的选择 对于一般的轴类零件而言，以外圆作为粗基准是完全合理的。但对于零件来说， 如果以65mm 外圆（或62mm 外圆）表面作基准（四点定位） ，则可能造成这一组 内外圆柱表面与零件的叉部外形不对称。按照有关粗基准的选择原则（即当零件有 不加工表面时，应以这些不加工表面作粗基准；若零件有若干个不加工表面时，则 应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作为粗基准） ，现选取叉部这 毕业设计（论文） 第 15 页 共 50 页 两个39mm 孔的不加工外轮廓表面作为粗基准，利用一组共两个短 V 形块支 027 . 0 010 . 0 撑这两个39mm 的外轮廓作主要定位面，以消除四个自由度；再用 027 . 0 010 . 0 X X Y Y 一对自动定心的窄口卡爪夹持在65mm 外圆柱面上，用以消除两个自由度，Z Z 达到完全定位。 (2)精基准的选择 精基准的选择主要应该考虑基准重合的问题。当设计基准与工序基准不重合时， 应该进行尺寸换算。 2.3 制定工艺路线 2.3.1 工艺路线的提出 由于生产类型为大批生产，故采用万能机床配以专用工夹具，并尽量使工序集 中来提高生产率。除此之外，还应降低生产成本。 (1)工艺路线方案一： 工序 1：车外圆62mm，60mm，车螺纹 M601mm 工序 2：两次钻孔并扩钻花键底孔43mm，锪沉头孔55mm 工序 3：倒角 530 工序 4：钻 Rc1/8 底孔 工序 5：拉花键孔 工序 6：粗铣39mm 二孔端面 工序 7：精铣39mm 二孔端面 工序 8：钻、扩、粗铣、精铣两个39mm 孔至图样尺寸并锪倒角 245 工序 9：钻 M8mm 底孔6.7mm，倒角 120 工序 10：攻螺纹 M8mm，Rc1/8 工序 11：冲箭头 工序 12：终检 (2)工艺路线方案 2 工序 1：粗铣39mm 二孔端面 工序 2：精铣39mm 二孔端面 工序 3：钻39mm 二孔（不到尺寸） 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 16 页 共 50 页 工序 4：镗39mm 二孔（不到尺寸） 工序 5：精镗39mm 二孔，倒角 245 工序 6：车外圆62mm，60mm，车螺纹 M601mm 工序 7：钻，镗孔43mm，并锪沉头孔55mm 工序 8：倒角 530 工序 9：钻 Rc1/8 底孔 工序 10：拉花键孔 工序 11：钻 M8mm 底孔6.7mm，倒角 120 工序 12：攻螺纹 M8mm，Rc1/8 工序 13：冲箭头 工序 14：终检 2.3.2 工艺方案的比较与分析 上述两个工艺方案的特点在于：方案一是先加工艺花键孔为中心的一组表面， 然后以此为基面加工39mm 二孔；而方案二则与其相反，先加工39 孔，然后再 以此二孔为基准加工花键孔及其外表面。经比较可见，先加工花键孔后再以花键孔 定位加工39mm 二孔，这是的位置精度较易保证，并且定位及装夹都较方便。但 方案一中的工序 8 虽然代替了方案二种的工序 3、4、5，加少了装夹次数，但工序 内容太多，不设计组合机床也只能选用转塔车床，而转塔车床大多用于粗加工，用 来加工39mm 二孔不合适。故决定将方案中的工序 3、4、5 移入方案一，改为两 道工序。具体工艺过程如下： 工序 1：车外圆62mm，60mm，车螺纹 M601mm（粗基准的选择如前所述） 工序 2：两次钻孔并扩钻花键底孔43mm，锪沉头孔55mm，以62mm 外圆定位 工序 3：倒角 530 工序 4：钻 Rc1/8 底孔 工序 5：拉花键孔 工序 6：粗铣39mm 二孔端面，以花键孔及其端面为基准 工序 7：精铣39mm 二孔端面 工序 8：钻孔两次并扩孔39mm 工序 9：精镗并细镗39mm 二孔，倒角 245（工序 7、8、9 的定位均与工序 6 相同） 毕业设计（论文） 第 17 页 共 50 页 工序 10：钻 M8mm 螺纹底孔，倒角 120 工序 11：攻螺纹 M8mm，Rc1/8 工序 12：冲箭头 工序 13：终检 以上加工方案大致看来还是合理的。但通过仔细考虑零件的技术要求以及可能 采取的加工手段以后，发现仍有问题，主要表现在39mm 两个孔及其端面加工要 求上。图样规定：39mm 二孔中心线应与55mm 花键孔垂直，垂直度公差为 100：0.2；39mm 二孔与其外端面应垂直，垂直度公差为 0.1mm。由此可见，因为 39mm 二孔的中心线要求与55mm 花键孔中心线向垂直，因此，加工及测量 39mm 孔时应以花键孔为基准。这样做，能保证设计基准与工艺基准相重合。在 上述工艺路线中也是这样拟定的。同理，39mm 二孔与其外端面的垂直度 （0.1mm）的技术要求在加工与测量时也应遵循上述原则。但再以制定的工艺路线 中却没有这样做：加工39mm 孔时，以55mm 花键孔定位（这是正确的） ；而加工 39mm 孔的外端面时，也是以55mm 花键孔定位。这样做，从装夹上看似乎比较 方便，但却违反了基准重合原则，产生了基准不重合误差。具体来说，当39mm 二孔的外端面已花键孔为基准加工时，如果两个端面与花键孔中心线以保证绝对平 行的话（这是不可能的） ，那么由于39mm 二孔中心线与花键孔仍有 100：0.2 的 垂直度公差，则39mm 孔与其外端面的垂直度误差会很大，甚至会超差而报废。 这就是基准不重合而造成的结果。而乐解决这个问题，原有的加工路线可仍大致保 持不变，只是在39mm 二孔加工完了以后，再增加一道工序：以39mm 孔为基准， 磨39mm 二孔外端面。这样做，可以修正由于基准不重合造成的加工误差，同时 也照顾了原有的加工路线中撞夹角方便的特点。另外，采用直边花键拉刀加工汽车 转向轴的万向节滑动叉花键时，常常出现切削热过大、积屑瘤残留严重、烧刀等现 象，且刀具稍有磨损，切削力即急剧增大，使刀具拉断，严重影响正常生产。为解 决这一问题，我对直边花键拉刀进行了分析及改进。 原拉刀问题分析 原拉刀的拉削方式为成型拉削，拉削面积较大，导致拉削力较大。由于拉削孔径较 小，为保证拉刀强度，原拉刀设计时选用了较小的齿升量，但齿升量过 小易造成 切屑层较薄，当拉刀稍磨损(即刀尖钝化)时 ，就可能在工件拉削表面形成挤压(而 非剪切)，使前部刀齿的齿槽中无切屑产生。当接近精拉刀齿时，工件拉削表面受 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 18 页 共 50 页 挤压后弹性恢复，使刀齿齿升量瞬时增大，拉削力也急剧增大，造成打齿现象，进 而使刀具拉断。此时，刀齿后刀面也处于严重挤压磨损状态下，大量产生的切削热 进一步加剧了刀具的破坏程度。 拉刀结构的改进 由上述分析可知，原拉刀齿升量过小是造成拉削问题的主要原因，但单纯增大 齿升量则必然会使切削力增大。通常有两种方法可减小切削力：一是增大齿距，即 减少同时拉削齿数；二是减小切削面积。增大齿距会增加拉刀长度，使拉刀形状细 长，不可取，所以一般采用减小切削面积的方法。对于拉刀，则可采用同廓轮切方 式来减少每个刀齿的切削面积。 如上所述，刀齿采用异侧倒角，这样既有利于磨制加工，又可在拉削时消除切 削扭矩，保证花键齿形加工精度。在倒角边磨制出后角，可减小侧刃加工时后刀面 的挤压摩擦，从而减小拉削力，降低切削热。拉刀经改进设计后，可使刀齿齿数相 对减少，拉 刀长度缩短。此外，由于拉削前工序为预孔扩孔加工，这样可使拉刀 的危险断面直径增大，拉刀强度相应提高。 改进后的加工效果 经过改进设计，拉刀的拉削形式发生变化，拉刀刃前区切削层的切削状况改善， 由原来的挤压硬化变为剪切剥离，进而改善了切削条件。因此，在拉削力允许情况 下尽量加大齿升量有助于提高拉削加工质量。齿升量提高后，刀齿切入性好，加工 表面弹性变形小，可有效减小挤压摩擦阻力，使切削热显著下降，烧齿现象消失。 改进后的拉刀使用效果良好，拉削轻快，刀具寿命提高一倍。拉削后刀齿各齿 槽的切屑大小均匀，且易于清除。由于刀齿刃前区不产生挤压，因此已加工表面回 弹量小，加工尺寸稳定，加工精度提高。 2.3.3 加工路线的确定 工序 1：车外圆62mm，60mm，并车螺纹 M601mm。以两个叉耳外轮廓及65mm 外圆为粗基准，选用 C620-1 卧式车床和专用夹具。 工序 2：钻孔并扩钻花键底孔43mm，锪沉头孔55mm，以62mm 外圆为基准，选 用 C365L 转塔车床。 工序 3：内花键孔倒角 530。选用 C620-1 车床和专用夹具。 工序 4：钻锥 Rc1/8 底孔。选用 Z525 立式钻床及专用钻模。这里安排钻 Rc1/8 底 孔主要是为了下道工序拉花键孔时为消除回转自由度而设置的一个定位基准。本工 毕业设计（论文） 第 19 页 共 50 页 序以花键内底孔定位，并利用叉部外轮廓消除回转自由度。 工序 5：拉花键孔。利用花键内底孔、55mm 端面及 Rc1/8 锥螺纹底孔定位，选用 L6120 卧式拉床加工。 工序 6：粗铣39mm 二孔端面，以花键孔及其端面为基准，选用 X63 卧式铣床加工。 工序 7：钻、扩39mm 二孔及倒角。以花键孔及端面定位，选用 Z535 立式钻床加 工。 工序 8：精镗并细镗39mm 二孔。选用 T740 型卧式金刚镗床及专用夹具加工，以 花键内孔及其端面定位。 工序 9：磨39mm 二孔端面，保证尺寸 118mm，以39mm 孔及花键孔定位，选 0 07. 0 用 M7130 平面磨床及专用夹具。 工序 10：钻叉部四个 M8mm 螺纹底孔并倒角。选用 Z525 立式钻床及专用夹具，以 花键孔及39mm 孔定位。 工序 11：攻螺纹 4-M8mm 及 Rc1/8。 工序 12：冲箭头 工序 13：终检 以上工艺过程详见机械加工工艺过程卡片和机械加工工艺卡片 2.4 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 “万向节滑动叉滑动叉”零件材料为 45 钢，硬度 HBS 为 207241 毛坯重量约 为 6kg，生产类型为大批量生产，采用在锻锤上合模锻毛坯。 根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺 寸及毛坯尺寸如下： 2.4.1 外圆表面（62mm 及 M601mm）机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确 定外圆表面（62mm 及 M601mm） 。考虑其加工长度为 90mm，与其联结的非加工 外圆表面直径为65mm，为简化模锻毛坯的外形，现直接区旗外圆表面直径为 65mm。62mm 表面为自由尺寸公差，表面粗糙度值要求为 R 200m，只要求粗 Z 加工，此时直径余量 2Z=3mm 已能满足加工要求。 2.4.2 外圆表面沿轴线长度方向的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 外圆表面沿轴线长度方向的加工余量及公差（M601mm 断面） 。查机械制造工艺 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 20 页 共 50 页 设计简明手册 （以下简称工艺手册 ）表 2.2-14，其中锻件重量为 6kg，锻件复 杂形状系数为 S ，锻件材质系数取 M ，锻件轮廓尺寸（长度方向）180315mm， 11 故长度方向偏差为mm。 5 . 1 7 . 0 长度方向的余量查工艺手册表 2.22.5，其余量值规定为 2.02.5mm，现 取 2.0mm。 2.4.3 俩内孔39mm（叉部）机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 027 . 0 010 . 0 俩内孔39mm（叉部） 。毛坯为实心，不冲孔。俩内孔精度要求介于 IT7IT8 027 . 0 010 . 0 之间，参照工艺手册表 2.3-9 及表 2.3-12 确定工序尺寸及余量为： 钻孔：25mm 钻孔：37mm，2Z=12mm 扩孔：38.7mm，2Z=1.7mm 精镗：38.9mm，2Z=0.2mm 细镗：39mm，2Z=0.1mm 027 . 0 010 . 0 2.4.4 花键孔机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 花键孔（1650mm43mm5mm） 。要求花键孔为外径定心，故采 039 . 0 0 16 . 0 0 048 . 0 0 用拉削加工。 内孔尺寸为43mm，见图样。参照工艺手册表 2.3-9 确定空的加工余量分 16 . 0 0 配： 钻孔：25mm 钻孔：41mm 扩孔：42mm 拉花键孔（1650mm43mm5mm） 039 . 0 0 16 . 0 0 048 . 0 0 花键孔要求外径定心，拉削时的加工余量参照工艺手册表 2.3-19 取 2Z=1mm 39mm 二孔外端面机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 027 . 0 010 . 0 39mm 二孔外端面的加工余量（计算长度为 118mm）： 027 . 0 010 . 0 0 07. 0 按照工艺手册表 2.2-25，取加工精度 F2，锻件复杂系数 S3，锻件重 6kg， 毕业设计（论文） 第 21 页 共 50 页 则二孔外端面的单边加工余量为 2.03.0mm，取 Z=2mm。锻件的公差按工艺手册 表 2.2-14，材质系数取 M1，复杂系数 S3，则锻件的偏差为mm 3 . 1 7 . 0 磨削余量：单边 0.2mm（见工艺手册表 2.3-21） ，磨削公差即零件 公差 0.07mm。 铣削余量：铣削的公差余量（单边）为：Z=2.00.2=1.8（mm） 铣削公差：按规定本工序（粗铣）的加工精度为 IT11 级，因此可知本工 序的加工尺寸偏差-0.22mm（入体方向） 。 由于毛坯及以后各道工序（粗铣）的加工精度都有加工公差，因此所规定 的加工余量其实只是名义上的加工余量。实际上，加工余量有最大及最小之分。 由于本设计规定的零件为大批生产，应该采取调整法加工，因此在计算最 大、最小加工余量时，应按调整法加工方式予以确定。 39mm 二孔外端面尺寸加工余量和工序间余量及公差分布图见图。 39 孔外端面工序间尺寸公差分布图（调整法） 由图可知： 毛坯名义尺寸：118+2x2=122(mm) 毛坯最大尺寸：122+1.3x2=124.6（mm） 毛坯最小尺寸：122-0.7x2=120.6（mm） 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 22 页 共 50 页 粗铣后最大尺寸：118+0.2x2=118.4（mm） 粗铣后最小尺寸：118.4-0.22=118.18（mm） 磨后尺寸与零件图尺寸相同，即 118mm 0 07 . 0 最后，将上述计算的工序间尺寸及公差整理成表 1-1。 万向节滑动叉滑动叉的锻件毛坯图见附图 2。 工 序 加工尺寸及公 差 锻件毛坯 （39 二端 面，零件尺 寸 118） 0 07. 0 粗铣二端面磨二端面 最 大 124.6118.4 加 工 前 尺 寸 最 小 120.6118.18 最 大 124.6118.4118 加 工 寸 最 小 120.6-118.18117.93 最 大 3.10.2 加工余量 （单边） 2 最 小 1.210.125 加工公差 （单边） +1.3 -0.7 -0.22/2-0.07/2 2.5 确定切削用量及基本工时 毕业设计（论文） 第 23 页 共 50 页 工序 1：车削断面、外圆及螺纹。本工序采用计算法确定切削用量。 加工条件 工件材料：45 钢正火， =0.60GPa，模锻。 b 加工要求：粗车60mm 端面及60mm、62mm 外圆，表面粗糙值 R 为 200um 车螺 z 纹 M60x1mm。 机床：C620-1 卧式车床。 刀具：刀片材料为 YT15，刀杆尺寸为 16mmX25mm，k =90， =15，a =12， r00 r =0.5mm。 R 60螺纹车刀：刀片材料为 W18Cr4V。 计算切削用量 粗车 M69x1mm 端面： 确定端面最大加工余量：已知毛坯长度方向的加工余量为 2mm，考虑 7的 5 . 1 7 . 0 模锻拔模斜度，则毛坯长度方向的最大加工余量 Z=7.5mm。但实际上，由于以 max 后还要钻花键底孔，因此端面不必全部加工，而可以留出一个40mm 心部待以后 钻孔时加工掉，故此是实际端面最大加工余量可按 Z=5.5mm 考虑，分两次加工， max a =3mm 计。长度加工公差按 IT12 级，取-0.46mm（入体方向） 。 P 确定进给量 ：根据切削用量简明手册 （第 3 版） （以下简称切削手 册 ）表 1.4，当刀杆尺寸为 16mmX25mm，a 3mm 以及工件直径为 60mm 时 P =0.50.7mm/r 按 C620-1 车床说明书(见切削手册表 1.30)取 =0.5mm/r 计算切削速度：按切削手册表 1.27，切削速度的计算公式为（寿命选 T=60min）： v =k （m/min） C v y vf x p m V aT C v 式中，C =242，x =0.15，y =0.35，m=0.2。修正系数 k 见切削手册 vvvv 汽车万向节滑动叉结构与工艺设计 第 24 页 共 50 页 表 1.28，即 k=1.44，k=0.8，k=1.04，k=0.81，k=0.97。 mvsvkvkrvBv 所以 min)/( 6 . 10897 . 0 81 . 0 04 . 1 8 . 044 . 1 5 . 0360 242 35 . 0 15 . 0 2 . 0 mvc 确定机床主轴转速： min)/(523 1000 r d v n w c s 按机床说明书（见工艺手册表 4.2-8） ，与 523r/min 相近的机床转速 为 480r/min 及 600r/min。现选取。如果选 480r/min，则速度min/600rnw 损失较大。所以实际切削速度。min/122mv 计算切削工时：按工艺手册表 6.2-1，取 0, 0,2),( 5 . 12 2 4065 21 s llmmlmml (min)096 . 0 21 i fn llll t w s m 粗车60mm 外圆，同时应效验机床功率及进给机构强度：切削深度： 单边余量 z=1.5mm，可一次切除。 进给量：根据切削手册表 1.4， ，选用 f=0.5mm/r。 计算切削速度：见切削手册表 1.27 =116（m/min） v yx p m v c k faT c v v v 确定主轴转速： min)/(568 1000 r d v n w c s 按机床选取 n=600r/min。所以实际切削速度 min)/(122 1000 m dn v 检验机床功率：主切削力按切削手册表 1.29 所示公式计算 c F 毕业设计（论