机械制造工艺学课程设计-CA6140拨叉8301003夹具设计(钻孔工序).doc

广东海洋大学课程设计机械制造技术课程设计说明书设计题目： 拨叉（CA6140）零件的机械加工工艺规程及夹具设计学生： 学号： 班级： 指导教师：广东海洋大学工程学院机械系2012年7月5日目录一、拨叉的工艺分析及生产类型的确定41.拨叉的用途42.拨叉的技术要求43.审查拨叉的工艺性54.确定拨叉的生产类型6二、确定毛坯和绘制毛坯简图61.选择毛坯62.确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量62.1毛坯的结构工艺要求62.2毛坯公差等级72.3公差带位置72.4机械加工余量等级72.5铸件分型面72.6件的表面粗糙度73.绘制拨叉铸造毛坯简图8三、拟定拨叉工艺路线91.定位基准的选择91.1精基准的选择91.2粗基准的选择92.各表面加工方案的确定103.加工阶段的划分114.工序集中与分散115.工序顺序的安排115.1机械加工工序115.2热处理工序125.3辅助工序126.机床设备与工艺装备的选用126.1机床设备的选用126.2工艺装备的选用127.确定工艺路线13四、确定加工余量和工序尺寸141.工序加工过程142.确定各工序尺寸及公差143.加工余量的校核15五、确定切削用量及时间定额151.确定切削用量151.1钻孔工步151.2铰孔工步162.时间定额的计算162.1基本时间tj的计算162.2辅助时间tf计算172.3其他时间计算172.4单件时间定额tdj的计算17六、拨叉件专用夹具设计181.问题的提出181.1夹具设计181.1.1定位基准的选定181.1.2夹紧力分析181.1.3定位误差的分析191.1.4夹具设计及操作19结束语20参考文献21序言机械制造工艺学设计是在我们学完了大学的全部基础课，技术基础课以及大部分专业课之后进行的。这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。就我个人而言，我希望能通过这次课程设计对自己末来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题，解决问题的能力，为今后参加祖国的“四化”建设打下一个良好的基础。由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给予指导。一、拨叉的工艺分析及生产类型的确定1.拨叉的用途CA6140车床的拨叉。它位于车床变速机构中，主要起换档，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。拨叉通过拨叉花键孔安装在变速叉轴上，销钉经拨叉上两个M8螺纹孔与变速叉轴连接作轴向固定，拨叉脚则夹在双联变速齿轮的槽中。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移，拨叉脚拨动双联齿轮在花键轴上滑动以改变齿轮配合，从而改变主轴转速。2.拨叉的技术要求拨叉C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，其加工内花键的精度要求较高，此外还有上端面要求加工，对精度要求也很高。其底槽侧边与花键孔中心轴有垂直度公差要求，上端面与花键孔轴线有平行度要求。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。加工技术要求如下图的零件图所示： 图1.2.1 零件图其加工有四组加工：内花键孔；粗精铣上端面；粗精铣18H11底槽；钻、铰2-M8通孔，并攻丝。（1）第一组为主要加工面，拉内花键槽，槽数为6个，其粗糙度要求是底边Ra=1.6，两侧边Ra=3.2，22mm内孔粗糙度是Ra=6.3。（2）第二组加工是粗精铣上端面，表面粗糙度要求为Ra=3.2。（3） 第三组为粗精铣18H11底槽，该槽的表面粗糙度要求是两槽边Ra=3.2，槽底的表面粗糙度要求是Ra=6.3。（4）第四组为钻孔并攻丝2M8，钻孔并铰5mm的锥孔。 3.审查拨叉的工艺性分析拨叉的零件图可知，拨叉头与左叉脚采用加强筋连接，提高了换挡时叉脚端面的接触刚度和抗拉强度。M8螺纹孔和5mm锥孔的端面以及花键孔两端端面均是平面可以防止加工过程中钻头钻偏，以保证孔的加工精度。另外零件除主要加工表面外，其余表面加工精度均较低，通过铣削、钻削的一次加工就能达到要求。主要加工表面虽然加工精度相对较高，但也可以在正常生产条件下，采用较经济的方法保质保量地加工出来。由此可见该零件工艺性很好。4.确定拨叉的生产类型依设计题目知：Q=5000台/年，m=1件/台，结合生产实际，备品率a%和废品率b%分别取3%和0.5%。代入公式得N=Qm（1+a%）（1+b%）=50001（1+3%）(1+0.5%)=5175.75件/年根据拨叉的质量为0.84kg，查机械制造技术基础课程设计指导教程（下同）表1-4知，该拨叉属于轻型零件，再查表1-5可知，该拨叉的生产类型为大批生产。二、确定毛坯和绘制毛坯简图1.选择毛坯拨叉在工作过程中承受载荷、振动和磨损，故选择耐磨性和消振性好的铸铁，考虑到灰铸铁工艺性能和消振性最好，所以选择灰铸铁；由于工作过程中需承受载荷，所以选择抗拉强度较高的HT200灰铸铁。200表示最低抗拉强度为200MPa。根据零件的形状复杂程度、尺寸、材料、生产类型查表1-6选择砂型铸造机器造型生产毛坯。2.确定毛坯的尺寸公差和机械加工余量2.1毛坯的结构工艺要求（1）拨叉C为铸造件，对毛坯的结构工艺有一定要求：铸件的壁厚应合适、均匀，不得有突然变化。铸造圆角要适当，的得有尖棱、尖角。铸件的结构要尽量简化，并要有合理的起模斜度，以减少分型面、芯子。并便于起模。加强肋的厚度和分布要合理，以免冷却时铸件变形或产生裂纹。铸件的选材要合理，应有较好的可铸性。（2）设计毛坯形状、尺寸还应考虑到：各加工面的几何形状应尽量简单。工艺基准以设计基准相一致。便于装夹、加工和检查。结构要统一，尽量使用普通设备和标准刀具进行加工。在确定毛坯时，要考虑经济性。虽然毛坯的形状尺寸与零件接近，可以减少加工余量，提高材料的利用率，降低加工成本，但这样可能导致毛坯制造困难，需要采用昂贵的毛坯制造设备，增加毛坯的制造成本。因此，毛坯的种类形状及尺寸的确定一定要考虑零件成本的问题但要保证零件的使用性能。2.2毛坯公差等级根据表2-1，大批量生产的灰铸铁毛坯铸件的公差等级为CT812级，由拨叉的功用和技术要求，选择CT10级。2.3公差带位置没有特殊要求，公差带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。2.4机械加工余量等级根据表2-5，灰铸铁采用砂型铸造机器造型所要求的机械加工余量等级为EF级，由零件的尺寸、零件的材料和机械加工余量等级适合的加工场合选择F级。2.5铸件分型面根据分型面位置的确定原则，结合该拨叉的特点，本例选择零件花键孔的轴线所在的水平面为分型面。2.6件的表面粗糙度由零件图可知，该拨叉各加工表面粗糙度均大于等于1.6um，即Ra1.6um。根据上述条件，查表2-1表2-5，可得拨叉铸件的毛坯尺寸及公差，进而求得各加工表面的加工余量，所求结果列于表2.2.1中。表2.2.1拨叉铸件毛坯机械加工总余量及毛坯尺寸毛坯尺寸/mm机械加工总余量/mm尺寸公差/mm毛坯尺寸/mm备注花键轴向长度 803.21.683.61.6表2-31（两端面都取1）表2-4左右叉脚距离 182.21.115.91.1表2-30.5（两端面都取0.5）表2-422孔2.41.2121.2表2-30.5（单边）表2-4厚度 251.30.6526.150.65表2-30.5（单边）表2-4厚度 151.10.5516.050.55表2-30.5（单边）表2-43.绘制拨叉铸造毛坯简图表2.2.1所得的结果，绘制毛坯简图如图2.3.1所示。图2.3.1 拨叉铸件毛坯简图三、拟定拨叉工艺路线1.定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分，通常先确定精基准再确定粗基准。1.1精基准的选择精基准选择原则：（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。基准的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。（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。（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。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25H7内花键槽，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。根据拨叉零件的技术要求和装配要求，选择拨叉的设计基准叉头左端面、花键轴作为精基准，符合“基准重合”原则；同时，零件上很多表面都可以采用该组表面作为精基准，又遵循了“基准统一”的原则。花键孔25H7的轴线是设计基准，选用其做精基准定位加工拨叉脚槽面和锥孔、M8螺纹孔，有利于保证被加工表面的垂直度,同时选用其做精基准定位加工拨叉上端面有利于保证上端面与花键轴线的平行度；选用拨叉头左端面作为精基准同样是服从了“ 基准重合”的原则，因为该拨叉在轴向方向上的尺寸多以该断面为设计基准；另外，由于拨叉刚性差，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，选用拨叉头左端面作为精基准，夹紧力可作用在拨叉头右端面上，夹紧稳定可靠。1.2粗基准的选择粗基准选择原则： （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较高的表面作为粗基准。以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。（2）选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。（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）应尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。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）粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的。多次使用难以保证表面间的位置精度。作为粗基准的表面应平整，没有分边、毛刺或其他表内缺欠。此零件选择前后端面和拨叉头右端面作为粗基准。采用拨叉头右端面为粗基准加工左端面，接着以左端面为基准加工右端面，然后以右端面为基准加工左端面，可以为后续工序做好精基准。2.各表面加工方案的确定在考虑加工方案时，要考虑一下因素：（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，在大批量生产中可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。（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。根据拨叉零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，查表1-10和表1-11，确定各表面加工方案，如表3.2.1所示。表3.2.1 拨叉零件各表面加工方案加工表面经济精度表面粗糙度Ra/um加工方案备注拨叉头左端面IT113.2粗铣-半精铣表1-11拨叉头右端面IT1312.5粗铣表1-11花键孔IT73.2（键槽侧边）1.6（键槽底边）扩-拉表1-10底槽IT116.3（底槽上端面）3.2（底槽侧面）粗铣-半精铣表1-11上端面IT113.2粗铣-半精铣表1-11M8通孔IT1112.5钻-扩-攻丝表1-105mm锥孔IT93.2钻-铰表1-103.加工阶段的划分该拨叉加工质量要求较高，可将加工阶段划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。在粗加工阶段，首先将精基准（拨叉左端面和花键孔）准备好，使后续工序都可以采用精基准定位加工，保证其他加工表面的精度要求。4.工序集中与分散制订工艺路线时，应考虑工序的数目，采用工序集中或工序分散是其两个不同的原则。所谓工序集中，就是以较少的工序完成零件的加工，反之为工序分散。 （1）工序集中的特点工序数目少，工件装，夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。（2）工序分散的特点工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。工序集中与工序分散各有特点，必须根据生产类型。由于该拨叉零件生产类型为大批生产，确定选用工序集中的原则组织工序内容，一方面可以采用万能、通用机床配以专用夹具加工，以提高生产率；另一方面也可以减少工件的装夹次数，有利于保证各加工表面之间的相互位置精度，并可以缩短辅助时间。5.工序顺序的安排5.1机械加工工序（1）遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准花键孔25H7。（2）遵循“先粗后精”原则，对各加工表面都是先安排粗加工工序，后安排精加工工序。（3）遵循“先主后次”原则，先加工主要表面花键孔25H7；后加工次要表面上端面、拨叉头右端面、拨叉头左端面、底槽。（4）遵循“先面后孔”原则，先加工上端面，后加工M8的通孔、5mm锥孔。5.2热处理工序为改善工件材料切削性能各消除毛坯内应力，在粗加工前即铸造完成后安排退火；拨叉脚端面在精加工之前进行局部高频淬火，淬火硬度为HRC5560，有利于提高耐磨性。5.3辅助工序粗加工拨叉脚端面和热处理后，安排矫直工序；在半精加工后，安排去毛刺、中检工序；精加工后，安排去毛刺、清洗和终检工序。终上所述，该拨叉工序安排为：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，其间穿插一些辅助工序（参见表3.7.1）。6.机床设备与工艺装备的选用6.1机床设备的选用在大批生产条件下，可以选用万能设备，参考机械制造技术基础课程设计指导教程第四章，该拨叉的各工序所选用机床设备详细见表3.7.1。6.2工艺装备的选用工艺装备主要包括刀具、夹具、量检具和辅具等。该拨叉的工序锁选用的刀具、量具详细见表3.7.1。7.确定工艺路线归纳以上考虑，制订了拨叉的工艺路线，详见表3.7.1。表3.7.1 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定位基准备注1铸造（高压造型）高压造型机铸件毛坯尺寸：长：80mm 宽：40mm 高：75mm 铸出预制孔12mm、底槽15.9mm2热处理（退火）退火机等3粗铣拨叉头两端面卧式铣床（X52K）面铣刀游标卡尺右端面为基准加工左端面，左端面为基准加工右端面。4半精铣拨叉头左端面卧式铣床（X52K）面铣刀游标卡尺右端面5粗扩、倒角22mm孔轻型圆柱立钻床床(ZQ5035)扩孔钻、锪钻、铰刀卡尺、塞规左端面和已铸孔6拉花键孔卧式拉床（L6120）成型拉刀卡尺、塞规左端面和已扩孔7粗、半精铣上端面卧式铣床（X52K）铣刀游标卡尺内花键轴和左端面8粗铣底槽18H11卧式铣床（X52K）硬质合金立铣刀游标卡尺内花键轴和左端面9校正拨叉脚钳工台手锤卡规10钻通孔6.7mm攻M8螺纹立式钻床(Z525)组合攻丝机麻花钻、攻丝钻游标卡尺内花键轴和左端面11钻、铰5mm的锥孔立式钻床(Z525)莫氏锥柄麻花钻、机用1：50锥度铰刀卡尺、塞规内花键轴和左端面12去毛刺钳工台平锉13中检卡尺、塞规百分表等14热处理拨叉脚两端面局部淬火淬火机等15校直拨叉脚钳工台手锤16清洗清洗机17终检卡尺、塞规百分表等四、确定加工余量和工序尺寸按照任务分配要求，确定第11道工序钻、铰5mm的锥孔的加工余量和工序尺寸。1.工序加工过程（1）以左端面定位，钻孔，保证工序尺寸d1；（2）以已钻的孔轴线定位，铰锥孔，保证工序尺寸d2。2.确定各工序尺寸及公差查表2-21查得，铰孔余量Z铰=0.2mm，钻孔余量Z钻=4.8mm，各工序尺寸按加工精度查表1-10可依次确定为：铰孔为IT9，钻孔为IT12。查标准公差数值表2-30可确定各工步的公差值为：铰孔为0.030mm，钻孔为0.12mm。综上所述，工序尺寸按入体原则标注，该工序各工步的工序尺寸及公差分别为：锥孔工序尺寸d=d2=，钻孔工序尺寸d1=mm，它们的相互关系如下图所示。3.加工余量的校核为了验证工序尺寸及公差确定的是否合理，还需对加工余量进行校核。Z2max= d2max- d1min=5.003-4.8=2.003；Z2min= d2min- d1max=5-4.92=0.08校核结果表明，Z2的大小是合适的，即所确定的尺寸公差合理。五、确定切削用量及时间定额1.确定切削用量1.1钻孔工步（1）机床：立式钻床Z525。（2）刀具：高速钢莫氏锥柄麻花钻 4 GB/1438.1-2008。（3）背吃刀量：=Z钻/2=4.8/2=2.4mm（4）进给量：查表5-22，取进给量为0.070.12mm/r，结合表4-10，取f=0.10mm/r。（5）切削速度：查表5-22，切削速度v=1624 m/min，取v=20m/min。有式查表4-6对照该工序所选的Z3025摇臂钻床的转速系列，取转速1360r/min。此转速代入上式，可取出该工序的实际转速钻削速度v=nd/1000=13603.144.8/1000=20.5m/min。1.2铰孔工步（1）机床：立式钻床Z525。（2）刀具：硬质合金机用1：50锥度铰刀 573 GB1138-84。（3）背吃刀量：=Z铰/2=0.2/2=0.1mm（4）进给量：查表5-32，取进给量为0.150.25mm/r，结合表4-10，取f=0.17mm/r。（5）切削速度：查表5-32，切削速度v=815m/min取v=10m/min。有式查表4-6对照该工序所选的Z3025摇臂钻床的转速系列，取转速680r/min。此转速代入上式，可取出该工序的实际转速钻削速度v=nd/1000=6803.145/1000=10.68m/min。2.时间定额的计算2.1基本时间tj的计算 （1）钻孔工步根据表5-45，钻孔的基本时间可以由公式tj=L/fn=（l+l1+l2）/fn 求得，式中l=11mm，取l2=1mm，l1=0.5Dcotkr +（12）=（0.54.8cot54+1）mm = 1.29mm，f=0.10mm/r,n=1360r/min。将上述结果代入公式，则该工序的基本时间tj =（11+1.29+1）/（0.101360）min=0.098min=5.86s。（2）铰孔工步根据表5-45，铰孔的基本时间可以由公式式中，Lp取11.5mm，l1取2mm，kr=arctan，i取2，f=0.17mm/r，n=680r/min，将上述结果代入公式，则该工序的基本时间=0.234min=14.04s2.2辅助时间tf计算根据第五章的第二节所述，辅助时间tf与基本时间tj之间的关系可表示为tf=（0.150.2）tj，在此取tf=0.2tj，则各工步的辅助时间分别为：钻孔工步的辅助时间：tf=0.25.86=1.172s；铰孔工步的辅助时间：tf=0.214.04=2.808s2.3其他时间计算除了作业时间（基本时间和辅助时间之和）以外，每道工序的单件时间还包括布置工作地时间、休息与生理需要和准备与终结时间。由于本拨叉的生产类型为大批生产，需要考虑各工序的准备与终结时间，tz/m为作业时间的3%5%；而布置工作地时间tb是作业时间的2%7%，生理需要时间tx是作业时间的2%4%，在此均取3%，则各工序的其他时间（tb+tx+tz/m）应按关系式（3%+3%+3%）（tj+tf）计算，它们分别为：钻孔工步的其他时间：tb+tx+(tz/m）=9%（5.86+1.172）=0.633s铰孔工步的其他时间：tb+tx+(tz/m）=9%（14.04+2.808）=1.52s2.4单件时间定额tdj的计算根据公式，单件时间= tj+tf +tb+tx+(tz/m），则该工序的单件时间为：钻孔工步：tdj钻=5.86+1.172+0.633=7.665s；铰孔工步：tdj铰=14.04+2.808+1.52=18.368s因此该工序的单件时间为tdj= tdj钻 + tdj铰 =7.665+18.368=26.033s将确定的上述各项内容填入工艺卡片中，得到拨叉工件的机械加工工艺工程卡片和第11道工艺卡片。六、拨叉件专用夹具设计为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。经分析决定设计第七道工序钻攻2-M8螺纹孔钻床专用夹具。1.问题的提出本夹具主要用于加工5mm锥孔，因此，在本工序加工时，主要考虑如何提高生产率，降低劳动强度，提高加工质量。1.1夹具设计1.1.1定位基准的选定如之前所述，工件以22H12花键孔轴线及左端面为定位基准。1.1.2夹紧力分析（1）夹紧力方向的确定由螺旋机构夹紧工件，所以可以判定工件的受力方向是水平方向。（2）夹紧力作用点的选择夹紧力的作用点应该在端面上，这样可以保证工件不会产生较大的变形。（3）夹紧力大小的确定由资料机床夹具设计手册查表可得：切削力公式： 式（2.17）式中 D=4.8 f=0.10mm/r查表得： 即：实际所需夹紧力：由机床夹具设计手册表得： 安全系数K可按下式计算，由式（2.5）有：式中：为各种因素的安全系数，见机床夹具设计手册表 可得： 所以 由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。取，螺旋夹紧时产生的夹紧力，由式（2.9）有：式中参数由机床夹具设计手册可查得： 其中： 由机床夹具设计手册表得：原动力计算公式：由上述计算易得： 因此采用该夹紧机构工作是可靠的。1.1.3定位误差的分析本夹具采用分度结构，用于在