毕业设计（论文）-CA6140车床离合齿轮的有限元分析及加工工艺设计.doc

Sanming UniversityDiploma Work (Project)Title: The Processing Process Design for Grade & Major: Grade 2010, Mechanical Design and manufacturing ( Mechatronics ) Number: Name: Instructor: 2012-05-08三明学院毕业论文(设计)承诺书我仔细阅读了三明学院毕业论文（设计）的有关文件规定。我知道，抄袭别人的成果是剽窃行为，是可耻的，也是违反毕业论文（设计）规定的。如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我郑重承诺，严格遵守学院毕业论文（设计）规定，以自己的真实水平认真做好毕业论文（设计）。如有违反规定的行为，我将接受严肃处理。我的毕业论文（设计）题目为：CA6140车床拨叉的加工工艺设计 学生签名： 日期: 导师签名： 日期:论文版权使用授权书本论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权三明学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 导师签名： 日期：目 录摘要I1绪论11.1 国内外研究状况11.2 本文的背景及意义11.3 本文的相关工作22 CA6140车床离合齿轮工作特性32.1 CA6140车床离合器的工作原理32.2 离合齿轮参数42.3 小结43 CA6140离合齿轮的有限元分析53.1 任务分析53.2 有限元分析法53.3 CA6140离合齿轮分析63.4小结194 CA6140离合齿轮的结构改善204.1前期准备214.2 施加约束载荷224.3 求解224.4 小结265 CA6140离合齿轮的机械加工工艺设计275.1零件的分析275.2毛坯的确定275.3 工艺路线及加工方法295.4 确定切削用量及基本时间315.5 小结346总结与展望356.1 全文总结356.2 研究及展望35参考文献36致 谢37CA6140车床离合齿轮的有限元分析及其加工工艺设计三明学院2008级机械设计制造及其自动化 福建三明 365004【摘要】 CA6140离合齿轮是车床离合器的重要组成部分，它的主要作用是传递扭矩，实现车床主轴的正反转。其工作是否正常，将直接关系到车床的运行情况。该零件工作时受到交变应力作用，易疲劳失效，因此有必要对其进行静力的分析。首先，本文研究了CA6140离合器的工作原理，分析离合齿轮的作用。其次，通过pro/e绘制零件模型，导入ANSYS软件中进行有限元的静力分析，得到分析应力云图。再次，根据应力应变图，对应力集中区域进行改进设计，降低其应力及应变值，提高离合齿轮的工作性能。最后对离合齿轮进行机械加工工艺的设计，获得详细的加工工艺过程，并完成相关图纸的绘制。【关键词】 CA6140车床 离合齿轮 疲劳失效 静力分析 加工工艺Abstract CA6140clutch gear is the important part of the lathe clutch, Its main role is to transfer torque, realization of lathe spindle rotation. Whether it works normally or not will be directly related to the operation of machine tool. When the part works, it is subjected to the action of alternating stress and it is easy to be fatigue failure, so it is necessary to perform static analysis.Firstly, this article will tell you the working principle of the CA6140clutch, analysising of the role of clutch gear. Secondly, the model of the CA6140 clutch gear is created by the Pro / e software , and imported to the ANSYS software for finite element static, and then the results of the analysis will be to know. Thirdly, according to the stress-strain diagram, the stress concentration region is improved, the stress and strain values is reduced to improve the working performance of the clutch gear. Finally, it will be the processing design of the part, obtaining a detailed process, and completing the relevant drawings.Key words CA6140 lathe Clutch gear Fatigue failure Static analysis Processing technologyI三明学院2012届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）1绪论1.1 国内外研究状况CAE(Computer Aided Engineering) 技术作为一种新兴的数值模拟分析技术，在工程应用上已经得到越来越多人的重视。以ANSYS为例，其不仅能够协助设计人员进行产品的设计，发现问题，及时改进；还可作为营销人员及管理人员与客户进行沟通的工具1。与传统的零件机构设计相比较，CAE技术显现出了突出的优势。传统设计依赖于设计者的经验，需要花更多的时间去分析解决问题，给最优化设计带来的困难。而CAE技术的应用恰能解决产品分析上的问题，它对产品的开发、设计及优化提供了有力的保证。对于一个企业来说，不仅仅是效率上的提高，更是竞争实力上的提升。1.1.1国内研究状况目前，相关的有限元分析技软件如：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、ADINA等，已逐渐引进的我国，并在机械、汽车、航空等行业得到了应用。然而，对于我国来说，计算机的普及应用相对较晚，因而在分析软件的开发应用上也较为薄弱。随着近几年我国经济的快速发展，人们开始重视到数值模拟分析技术的重要。在2011年9月，以“Engineering The System”为主题的ANSYS 中国用户大会在三亚成功开幕、ANSYS 2011航空航天行业研讨会在北京、西安举办。总之，CAE 技术将会给我国的制造业发展带来新的景象。1.1.2国外研究状况相对于我国而言，在国外CAE技术的应用已经涉及到各个领域。特别是在高端技术领域应用更广。以航天为例，工程师会通过使用电磁分析(CEM)预测电磁特性如雷达信号、电磁隐身等，使用流体动力学分析(CFD)来研究空气动力学、客舱通风(HVAC)和喷气发动机性能（更加复杂的流体问题还包括传热、气动力、气动热、激波、燃烧、化学反应以及噪音源研究等）。另外，还使用多物理场耦合分析如流固耦合(FSI)研究气弹颤振问题等2。总之，CAE技术的使用已经得到广泛的认可。1.2 本文的背景及意义1.2.1 背景随着CAE技术被广泛地重视，我国制造行业，尤其是机械行业，其意义更加重大。如机床的设计就需要应用到有限元分析（FEA）技术。CA6140车床离合齿轮是车床离合器的重要组成部件，其作用是实现车床的换向及停止，同时对车床也有过载保护的作用7。齿轮一端与外摩擦片结合，通过轴承与轴相互连接，当内外摩擦片离合使，力与扭矩由轴传向齿轮，再通过齿轮啮合传向下一个轴，最终使得主轴运转。控制时，只要转动手柄，让左右摩擦片结合，就可以使得主轴以不同的转向旋转。车床在停止时，离合齿轮不工作，在运转转向时，就一直处于工作状态。若在高负载作用下，离合齿轮就易造成疲劳失效。因此，对离合齿轮要求有一定的强度，以满足工作的需求。1.2.2 意义离合齿轮作为车床离合器的重要组成部件，其工作是否正常将直接影响到整台车床的正常运行。因此，通过有限元分析软件的使用，对其进行必要的分析，并改进处理有着重大意义。本文还对其做机械加工工艺的设计，可作为产品的设计、制造及其生产的参考依据。1.3 本文的相关工作（1）分析和总结了国内外CAE技术的应用情况，学习Pro/e、ANSYS软件的功能及具体操作方法。（2）研究CA6140离合器的工作原理，描述离合齿轮的具体工作状况，建立其零件模型。（3）分析CA6140离合器中的离合齿轮的受力情况，应用ANSYS软件进行静力分析，获得应力应变云图，提出改善措施。（4）对改善后的离合齿轮再一次进行相同的加载求解，进行前后的比照，评估其改进结果。（5）对CA6140离合齿轮进行机械加工工艺设计，并绘制相关的图纸，作为参考。需要解决的问题：（1）如何进行零件建模及建立有限元模型。（2）如何对有限元模型进行加载及求解。（3）如何设计零件的工艺。2 CA6140车床离合齿轮工作特性2.1 CA6140车床离合器的工作原理2.1.1 离合器组成车床离合器位于车床输出轴，其工作原理图如图2-1。如图所示，离合器由空套齿轮块1，8、内外摩擦片2，3、止推片4、销5、压块7及其它连接传动机构组成。轴I的花键上装有内摩擦片2，在轴的带动下一起旋转；齿轮1的缺口槽与外摩擦片3的4个凸起相互装配，整体套在轴上。2.1.2 离合原理1-齿轮；2-内摩擦片；3-外摩擦片；4-止推片；5-销；6-调节螺母；7-压块；8-离合齿轮；9-拉杆；10- 滑套；11杠杆；12-螺钉；13-弹簧；14-杠杆；15-制动带；16-制动盘；17-齿条轴；18-齿扇；19-曲柄；20-轴；21-手柄；22-轴；23-销图2-1 离合器原理图如图2-1所示，当操纵手柄21处于中间位置时，左右离合器均脱开，离合齿轮无法传递力矩，主轴停止；当手柄21向上时，杆20向外移动，齿扇18顺时针方向转动，齿条17通过拨叉使滑套10向右移动，则，杠杆11右端被压下。而杠杆11与销23一起装在轴I上，则杠杆就沿着顺时针方向摆动，这样杠杆下端的凸缘就推动装在轴I内孔中的杆9向左移，杆9通过左端的销5带动压块7，使压块7向左压。即左离合器被压紧，再通过齿轮的逐级传动，带动主轴正转。同理，当手柄21向下时，右离合器压紧，主轴反转。离合器在传递动力的同时，还能起过到过载保护的作用，当机床超载时，内外摩擦片2,3打滑，进而主轴停止转动，防止损坏机床7。2.2 离合齿轮参数该零件是与外摩擦片及另一个齿轮相结合来实现力矩的传递。如图2-2所示，零件为圆弧齿轮，模数为m=2.25，齿数为50，啮合齿轮模数为m=2.25，齿数28，外摩擦片安装尺寸为16X15mm。齿轮通过轴承与轴相连接，当离合器不工作时，就无法带动齿轮进行力矩的传递。零件上开有沟槽，并钻通孔作为冷却润滑离合器的通油孔。图2-2 离合齿轮零件图2.3 小结本章研究了CA6140车床离合齿轮工作特性，分析离合器的构造及其传动原理。结合离合齿轮本身的结构及相关参数和工作情况，为零件的三维建模提供了依据，也为后续的分析奠定了基础。3 CA6140离合齿轮的有限元分析3.1 任务分析本章节将以CA6140离合齿轮作为研究对象，通过Pro/e进行三维建模，导入有限元分析软件ANSYS中进行有限元的静力分析，获得分析应力应变云图，为下一步的改善提供参考依据。3.2 有限元分析法3.2.1 有限元法定义有限元法即为：工程或物理问题数值模拟分析法，把表示一个结构连续体的域离散为多个子单元，并把表示各个子单元的近似函数作为整个求解域的未知场变量，通过变分原理或加权余量法，建立微分方程组，即有限元求解方程。3.2.2 ANSYS有限元分析软件ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究1。该软件可在大多数的计算机及系统中运行，从PC机到巨型计算机，其产品都能与工作平台相兼容。该软件提供了一个不断改进的功能菜单。具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变、有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令功能。ANSYS多物理场耦合功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算成本，如：热-结构耦合、磁-结构耦合、电-磁-流体-热耦合，在PC上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就能保证ANSYS对多领域多变工程问题的分析求解6。ANSYS的分析过程主要包含三个步骤：前处理、加载并求解、后处理。（1）前处理前处理是指建立零件模型及有限元模型。包括实体模型的创建、单元属性的定义、网格的划分，修正模型等。可在ANSYS环境中创建模型，也可通过其他的建模软件来建立试实体模型，建立连接接口，可直接导入ANSYS中，最后进行网格的划分。单元属性是指分析对象的特征，有：材料实属性、单元类型、实常数等15。做好前处理之后，才能进行后续的加载求解。（2）加载并求解所谓加载，就是分析结果本身与外界环境之间的相互作用关系。加载载荷有：自由度的约束（如位移、温度）、表面载荷（如结构分析的压力，热分析的热对流）、体积载荷、惯性载荷(如重力，加速度)。在求解之前还要进行分析数据的检查，如单元类型、材料性质、载荷方向等。（3）后处理后处理是观察和分析有限元的计算结果。主要包括两项：通用和处理，即查看模型某一时刻的分析结果；时间历程后处理，观看模型在不同时间段或载荷步上的结果，如动力分析结果6。这是有限元分析中极其重要的一部分，直接关系到分析结果的正确与否。将连续体离散成若干单元体有限元法的基本思想是，并将每个单元体当作一个未知变量，再利用力学中的某些变分原理去建立可求解的有限元方程组，从而把一个连续自由度问题转换成有限的自由度问题。通过软件的分析求解，就可以直观地看到分析结果。3.3 CA6140离合齿轮分析离合齿轮是车床离合器中的重要组成部件。因此，对其进行应力应变上的分析，分析其承载能力，是十分必要的。查机械机械设计手册得，离合器可由机械操纵、气压操纵、液压操纵、电磁操纵、超越式、离心式及安全式等。下面列出机械操纵式离合器的转矩范围如表3-1所示。表3-1 各类离合器特特性机械操纵离合器转 矩 范 围特 点牙嵌离合器63 N.m 4.1kN.m结构简单，外形尺寸小，无滑动，主要用于低俗传动轴。转键离合器100 N.m 3.7kN.m利用键传递，动作灵活可靠，常用于各种曲柄压力机中。摩擦离合器20 N.m 16k N.m能在高速时平稳离合，且有过载保护功能，多用于交通、机床。圆锥摩擦离合器5kN.m 286kN.m其结合相对较小，脱开分离彻底，外形尺寸大，启动惯性大。CA6140离合器属于机械操纵里的摩擦离合器，根据离合器的结构结合手册，得知其结构为组合式。3.3.1 离合齿轮的受力分析离合齿轮通过轴承与轴相连接，可相对于轴自由旋转。其主要受到两个力矩及轴向挤压力的作用：一是在右摩擦器作用下，由输出轴带来的扭矩；二是齿轮啮合带来的反向力矩；三是摩擦片挤压力，作用力集中在16X15摩擦片安装槽面以及齿轮面上。如图3-1，为CA6140车床的传动简图，电机功率为7.5KW,转速为1450r/min,小带轮直径130mm，通过传动图可以计算出离合器M1的转矩。图3-1 CA6140车床的传动简图计算时，以电机额定工作状态为参考，机P0=7.5Kw，n0=1450/min。电机输出转矩为： （3-1）轴I转速为： （3-2）查机械设计手册可知，一般普通V带的传动效率可达到87%92%，取90%传动效率，则轴I有效功率为：轴I的转矩为：不考虑，离合器工作时的损耗，则离合齿轮受到的转矩即为78.61 N.m。离合齿轮有效工作面为摩擦片安装槽面，如图2-2所示，其在运转过程中可以等效于受到四个大小相等的力的共同作用，其中心半径为R1=50.625mm， 则四个面总的受力大小为：F=T1/R1=78.61X1000/50.625=1552.79 N则摩擦片安装槽面受到的载荷大小为：P1=F/4S=1552.79/4X15X5.25=4.93 Mpa车床在平稳运行过程中，离合齿轮的齿面上同样受到载荷作用，本文主要探究离合齿轮受到摩擦片及啮合齿作用的整体影响，不对齿轮单齿进行独立分析。分析过程中，在齿面及槽面处施加等效载荷。估算载荷大小为：P2= 22 Mpa3.3.2 实体建模建模可以在ANSYS中直接建立，但其建模较为繁琐，极不灵活。因此，本次建模采用ProENGINEER。建立三维实体零件，并通过已经建立好的链接端口,将零件导入到ANSYS中，可省去了利用中间交换格式IGS的麻烦。建模采用的是Pro/e4.0软件，分析采用的是ANSYS12.1软件，两者之间恰能设置链接端口，直接进行数据交换。如表3-2所示，为离合齿轮的主要尺寸：表3-2 离合齿轮尺寸列表齿轮大径117h11mm外圆直径106.6mm轴承安装孔68K7mm ，深度33mm齿宽12mm外圆直径90mm摩擦片安装槽尺寸16mmX15mm摩擦片安装孔径96mm，深度 15mm通油孔径及槽5mm，6mmX1.5mm如图3-2所示,为零件的ProE实体建模：图3-2 零件三维实体图3.3.3 有限元分析的前期准备（1）单元类型ANSYS有限元分析软件带有多种单元类型，如2D的结构点、线单元、3D的结构实体单元、结构壳单元、结构馆单元、热实体单元、流体单元、电磁单元等等。在选择单元类型时应综合考虑分析模型的复杂程度、计算的精度要求、计算的经济性等因素以选择合适的单元类型2。在实际工程问题中，常应变4结点四面体单元比较适应于计算的要求。如图3-3所， i、j、l、m为四个节点，每个节点有3个自由度。单元自由度的矩阵表示如式（3-3），I为三阶刚度矩阵。 （3-3）节点位移矩阵为： （3-4）节点力矩阵为： （3-5）单元刚度矩阵按节点分块的形式表示为： （3-6）图3-3 四面体单元有限元分析中，对于三维建模，首先可考虑六面体单元，因为其生成的节点少，精度高，而其对零件的结构要求相对比较规则。对于离合齿轮，考虑到其灵活和方便性及分析求解时间，可采用10节点四面体单元Solid92。ANSYS中单元类型的设定路径为：Main MenuPreprocessor-Element Type-AddEditDelete图3-4 单元类型设置（2）材料属性离合齿轮在在ANSYS中进行静力分析时，需要输入材料的弹性模量，在模态分析中要输入零件的密度。分析过程中还要确保，零件单位能够与ANSYS分析软件相匹配。通过网络查询，获得如表3-3所示的单位关系：表3-3 ANSYS单位换算表名称长 度力质量时间压力、应力、模量密 度频 率单位1e+3Mm1N1e-3kg1S1e-6 MPa1e-12kg/mm1Hz1M1N1Kg1S1 Pa1kg/m1Hz零件建模时，采用的是单位是mm，时间单位为s，力的单位为N。这些单位的派生单位为：压强、弹性模量、应力单位均为MPa，密度单位为10kgmm3，频率为Hz。查询机械设计手册得，45钢相关参数为：表3-4 45钢参数关系表名称密度弹性模量泊松比45钢参数值7.85g/cm3210GPa0.31ANSYS转换值7.85e-9kg/mm32.1e+5MPa0.31材料属性设置路径为：Main MenuPreprocessor-Material Properties- Material models如图3-5所示：图3-5 材料属性的设置（3）网格的划分ANSYS软件网格的划分可通过自由或映射划分，考虑到用自由网格划分法适应于任何实体模型，对几何形状无要求以及无其它的特殊要求，操作简便。因此，本文采用自由网格划分方式，对以建立好的离合齿轮模型进行网格划分。划分网格方式为：Main MenuPreprocessorMeshingMeshtool图3-6 网格划分设置为了减少计算机运算量，只要取其部分作为代表，进行有限元的分析即可，分析模型如图3-7所示：图3-7 有限元分析实体对其进行网格的划分，可适当提高划分精度，采用4级精度划分，划分的结果如图3-8所示。图3-8 网格划分图3.3.4 施加约束与载荷（1）约束施加在ANSYS软件中，对划分好的实体零件进行约束。约束包括，X走、Y轴、Z轴的移动约束及转动约束。施加约束的方法为：Main MenuSolutionDefine LoadsApplystructuralDisplacement对于该零件，主要约束两切开面的X轴位移，零件右端部分在工作时基本处于平衡状态，可完全约束，约束结果如图3-9所示：图3-9 约束图（2） 载荷施加载荷的施加方法为：Main MenuSolutionDefine LoadsApplystructuralpressure对零件施加载荷P1，P2。设置如图3-10所示。图3-10 载荷设置3.3.5 求解分析在约束及加载完毕之后，就可进行求解步骤，求解的方法为：Main Menu -SolutionSolveCurrent LS在ANSYS中，对于求解的结果可以通过通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26来了解。本次分析只须采用通用后处理器即可。查看模型方法为：Main Menu-General Postprocessor-Plot Results-Deformed Shape图3-11 变形图（显示变形前后）零件的位移变形、Von Mises应力图、第一主应力图、第二主应力图和第三主应力图分别如图3-12至3-16所示。图3-12 总位移云图显示由图3-12可知，离合齿轮受载荷作用的最大的位移量为0.004677mm，在槽端部的位移变形量最大。图3-13 Von mises应力图从图3-13可知，零件Von Mises应力最大为98.796Mpa，小于抗拉强600Mpa，屈服强度355Mpa，因此，零件安全可靠。图3-14 第一主应力如图3-14所示，第一主应力最大压应力为109.24Mpa，最大拉应力为28.938Mpa，未超过其屈服强度355Mpa，同样在槽连接处有应力集中的现象。图3-15 第二主应力第二主应力最大压应力为26.892Mpa，最大拉应力为31.33Mpa，也能保证零件的安全。图3-16 第三主应力由图3-16可知，第三主应力最大压应力为17.81Mpa，最大拉应力为89.939Mpa，其拉应力最大。分析图3-12至图3-16可知，离合齿轮在载荷的作用下，其最大的位移变形量为0.004677mm；Von Mises应力最大为98.796Mpa；三个主应力中最大压应力为109.24Mpa；最大拉应力为89.939Mpa；最大压应力及最大拉应力均小于屈服强度355Mpa及抗拉强600Mpa，因此零件安全可靠。3.4小结本章详细地描述了ANSYS软件的相关知识及操作方法，并对实体零件进行静力分析的全过程。得到分析结果，包含位移变形量为0.004677mm，在槽端部的位移变形量最大，符合实际情况；Von Mises应力最大为98.796Mpa；第一主应力最大压应力为109.24Mpa；第二主应力最大压应力为26.892Mpa；第三主应力最大拉应力为89.939Mpa。这些应力均在零件可承载的范围之内，零件安全可靠。后续将针对分析结果中槽连接处的应力集中显现进行改进，同时把这些数据作为改善零件工作性能指标的参考，改善目标即减少变形，降低应力。394 CA6140离合齿轮的结构改善 在详细分析求解结果后，综合考虑，在摩擦片安装槽连接处及齿根部应力较为集中，现对其结构加以改善。主要有几点：一是，齿根圆弧过渡要好；二是，槽连接处倒圆角可加大些；三是，对于摩擦片尺寸可稍作修改，使得安装槽面增大，将96mm改为94mm。图4-1 如图倒角处应力集中明显根据修改参数，从新建立分析模型进行分析求解，其目的就是要降低变形量以及减轻应力集中的现象。如图4-2所示，为新建模型。图4-2 分析模型图4.1前期准备（1）定义单元类型：选择与之前定义的零件单元Solid 92一样，直接导入ANSYS中。（2）定义材料属性：同样选择与之前相同的材料属性，定义到模型上。（3）网格划分：同样选择4级精度对模型进行自由网格划分，划分结果如图4-3所示。图4-3 改进后的模型4.2 施加约束载荷施加同样的约束，如图4-4所示。图4-4 施加约束4.3 求解由于零件尺寸的改变，使得部分参数有所变化，施加载荷分别为P1=4.22Mpa，P2=22Mpa。加载后，求解，获得4-5至4-9所示的云图。图4-5 变形图其受载荷作用的最大的位移量为0.003188mm，显然比改善前有所减少。图4-6 Von mises应力图Von mises应力图显示应力值为93.819Mpa，比改善前降低了4.904Mpa.图4-7 第一主应力由图4-7可得知，第一主应力最大拉应力为105.983Mpa，与改善前的相比降低了2.98%，最大拉应力降低到14.559Mpa，且应力集中现象得到明显改善。图4-8 第二主应力改善后，第二主最大压应力为23.311Mpa，减少了13.32%，最大拉应力降低到18.296Mpa。图4-9 第三主应力第三主应力在改善后，最大压应力降到11.295Mpa；降低了33.87；最大拉应力降到54.552Mpa降低了39.35%；降低幅度比较明显。下面对改善前后的两次分析结果进行比较分析，如表4-1所示。表4-1 离合齿轮改善前后对照项目改善前改善后差值/百分比变形量mm0.0046770.0031880.001489/31.84%Von mises/Mpa98.79693.8194.904/5.04%三个方向最大压应力/Mpa109.24Mpa105.983Mpa3.257/2.98%三个方向最大拉应力/Mpa89.939Mpa54.552Mpa35.387/39.35%通过两种结构状态的零件的结果分析，两者都能满足使用的要求，经过改善后，可适当提高其力学性能，减小了变形量及减轻部分应力过于集中的问题，达到改善的目的要求，具有一定的参考价值。4.4 小结本章对CA6140车床离合器的离合齿轮的有限元分析，了解其易失效的地方，并对此问题提出改善措施。并再次对改善后的零件进行相同载荷下的有限元分析，将二者作比较，评估改善效果，从对比结果可以看出，变形量减少了31.84%；Von mises应力减少了5.04%，应力集中现象得到明显地改善；最大压应力减少了2.98%；最大拉应力减少了39.35%，。当然还存在些不足之处，如在齿根处的应力集中现象依然存在，结构上的改进对其效果不明显，要得到较好的结果，还要考虑到其材料，工艺等各个方面的因素。总得说来，改进措施取得一定的成效。5 CA6140离合齿轮的机械加工工艺设计将改善后的零件应用于实际的生产，这也是此次分析改进的一个重要目的。对零件进行机械加工工艺的设计，确定加工工艺过程，对于实际的生产有一定的意义。5.1零件的分析5.1.1 零件的生产类型及生产纲领生产纲领是企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。假定该产品年产Q=2000台，n=1见/台，备品率5%，废品率0.5%，则生产纲领为： （5-1）查机械制造工艺设计简明手册表1.1-2的，该零件属轻型零件，生产类型为中批量生产。5.1.2 零件的作用离合齿轮是与外摩擦片及另一个齿轮相结合来实现力矩的传递。其为离合器的重要组成部分，可实现主轴的换向以及停止。5.1.3 零件的工艺分析（1）该零件主要加工要素有：内外圆面、端面、孔、槽、齿。（2）内外圆面包含68、94、71、90、106.5、117；（3）端面主要有90、106.5所对应的端面；（4）孔为4个5通油孔，其相对于90孔90度军均匀分布；（5）4个16X15的摩擦片安装槽、轴向距离20、33等；（6）其余要求，倒角及圆角，未特别指明的表面质量为Ra6.3，精度等级为IT14。5.2毛坯的确定查询手册可得钢质模锻的公差及机械加工余量按GB/T123622003确定，首先要了解相关参数：（1）锻件公差等级，该零件采用普通级即可。（2）锻件质量M，零件质量可通过软件计算得1.46kg，估算M=2.5kg。（3）零件表面粗糙度，由零件图知，68孔要求较高，为Ra0.8。5.2.1 确定毛坯的成形方法齿轮作为一种常用的传动件，材料为45钢，要求具有一定的强度。由于零件轮廓尺寸不大，形状也不复杂，在使用过程中主要承受的是扭矩。其为成批生产，可通过模锻成型。5.2.3 确定机械加工余量查机械加工余量手册，查得单边余量在厚度方向为1.72.2mm，水平方向为1.72.2mm。锻件中心两孔的单面余量为2.5mm。5.2.4 确定毛坯尺寸及公差加工余量可选大些，68K7mm孔，其表面粗糙度要求为Ra0.8，其精镗孔单面余量为0.5mm。其他槽、孔随所在平面锻造成实体。参照机械制造工艺设计简明手册，其具体加工余量以及最后毛坯的尺寸如表5-1所示。表5-1 毛坯尺寸及偏差零件尺寸单面加工余量毛坯尺寸偏差117外圆2121+1.7/-0.8106.5外圆1.75110+1.5/-0.794内孔290+0.7/-1.590外圆294+1.5/-0.768内孔362+0.6/-1.464268+1.7/-0.494孔31mm1.829.2+0.10/-0.10右端距离20121+0.10/-0.10齿轮厚度121.813.8+0.10/-0.10由以上表格即可画出毛坯图。参照机械制造工艺设计简明手册，为了方便统一性，在连接处进行的倒圆角，取R1与R3。5.3 工艺路线及加工方法5.3.1 基准的选择基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择得正确合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高。根据本零件的结构特点，选孔68为定位基准，即以保证其他尺寸的定位加工，保证设计及工序的基准重合。由于该零件外表面都要加工，而孔作为精基准应先进行加工，因此应选106.5外圆及其端面为粗基准。5.3.2 制订工艺路线生产为批量生产，故尽可能采用专用夹具，尽量使工序集中来提高生产率。工艺路线方案：工序I：106.5及端面定位,粗车117和90外圆及其端面、台阶面，粗镗68孔；工序II：90外圆及其端面定位,粗车106.5及端面，台阶面，粗镗94及台阶面，车沟槽，倒角；工序III：106.5及端面定位，半精车右端117和90外圆，半精镗68，倒角；工序IV：90外圆及其端面定位，精镗68，镗沟槽，倒角；工序V：68孔及端面定位，滚齿轮；工序VI：68孔及端面定位，粗铣4个铣槽；工序VII：68孔及端面及一个槽定位，半精铣4个槽；工序VIII：68孔及端面及一个槽定位，钻5孔；工序IX：去毛刺；工序X：终检、入库。5.3.3 确定加工的方法该零件主要加工要素有：内外圆面、端面、孔、槽、齿。具体的尺寸及加工方式如表5-2所示。参照机械制造工艺设计简明手册。表5-2 加工方法尺寸公差等级粗糙度（Ra/um）加工方法90IT143.2粗车半精车117IT113.2粗车半精车106.5 IT126.3粗车68IT70.8粗镗半精镗精镗94IT146.3粗镗端面IT146.3粗车齿面IT113.2粗车半精车槽IT133.2粗铣半精铣通油孔IT146.3钻5.3.4 确定加工工艺设备确定各个工序所使用的设备，刀具以及相关的量具，具体如表5-3所示。表5-3 工艺设备工步设备选择刀具选择量具选择粗车C620-1车床YT15游标卡尺半精车C620-1车床YT30游标卡尺粗镗C620-1车床YT15内径千分尺半精镗C620-1车床YT30内径千分尺滚齿Y3150滚齿机A级单头滚刀公法线千分尺铣槽X62卧式铣床160mm三面刃铣刀游标卡尺钻孔Z525立式钻床复合钻参照机械制造工艺设计简明手册，对于粗加工及半精加工，精度要求不高，选用C620-1型卧式车床即可。粗加工用YT15，精加工用YT30。选用转位车刀。切槽刀宜用高速钢。使用适当的量具，以便检测零件是否加工到位5。因个别尺寸要求较高，一般的卡尺到不到要求，加工过程中还要用到内径千分尺。5.3.5 确定工序尺寸表5-4 工序尺寸加工尺寸工序方式余量精度等级工序尺寸工序尺寸公差117粗车25IT1111850/-0.54半精车15IT91170/-0.22106.5粗车35IT11106.50/-0.490粗车25IT1191.50/-0.220半精车15IT9900/-0.08794孔粗镗2.5IT119468孔粗镗3IT1165+0.190/0半精镗2IT967+0.074/0精镗1IT768+0.030/-0.0215.4 确定切削用量及基本时间5.4.1工序I：（1）粗车端面及外圆118.5。选用刀尺寸BH=16mm25mm,背吃刀量：a=2.5/2=1.25mm，根据背吃力量a=3mm,直径为100-400mm时，查表得：f=0.65mm/r,45钢抗拉强度为600MPa， a=3mm、f=0.75mm/r时，切削速度v=109m/min。查得修正系数K=0.8X0.65X0.81X1.15=0.48。则n=1000V/d=138r/min, 参照机械制造工艺设计简明手册取120r/min。实际45.6m/min， a=1.25mm,f=0.60mm/r,n=120r/min,v=45.6m/min。（2）粗车外圆91.5mm ，同理与118.5。车外圆a=1.25mm, f=0.60mm/r端面a=1.3mm，f=0.52mm/r。主轴转速与车外圆118.5mm相同，则，切削速度：（3）粗镗65mm，所用刀具为YT5硬质合金、直径为20mm的圆形镗刀。确定背吃力量a，双边余量为3mm，则：a=3/2=1.5mm，f=0.15-0.3mm/r按C620-1车床的进给量，选择 f=0.2mm/r。确定切削速度v，根据公式： （5-2）查表得系数为：Cv=291，m=2，Xv=0.15，kv=0.9X0.8X0.65=0.568。所以V=78m/min，n=1000V/d=382r/min，经查C620-1车床的转速，选择=370r/min。（4）工序时间。工序时间的计算即要得知行程，进给量以及转速，以上均有相关参数，行程分别为：118.5外圆为14mm、91.5mm为21mm、65mm为35mm，端面为16mm、台阶面为15mm。则时间分别为：11s、16s、15s、14s、28s。5.4.2 工序II：工序2 与工序1基本相同，车沟槽时，采用高速钢切刀。同理，相关参数的计算结果如下表：表5-5 工序II尺寸工 步切削深度进给量mm/r速度m/s转速r/s时间s粗车端面1.70.520.69216粗车外圆1.750.650.69225粗车台阶1.70.520.7428镗孔及台阶面2.50.21.133.83695.4.3 工序III：本工序为半精加工，与粗加工类似。（1）117半精加工，切削深度为（118.5-117）/2=0.75mm。进给量为0.3mm/r。同理求的转速为390r/min，机床选择n=380r/min。则实际切削速度为v=2.33m/s。（2） 90的半精车，端面及台阶面。90外圆：切削深度0.75mm；端面及台阶面0.7mm；进给量均为0.3mm/r，转速380r/min。半精镗67，ap=（67-65）/2=1mm，f=0.1mm/r，机床转速n=760r/min，实际切削速度V=2.67m/s.（3）工序时间。117：12/(0.3X 6.33)=6s；90:20/(0.3X 6.33)=11；端面：13.5/（0.3X6.33）=7s；台阶面：14.25/(0.3X6.33)=8s, 67孔:33/0.1/2.7=26s。5.5.4 工序IV：精镗68，刀具YT30,硬质合金，切削深度：0.5mm；进给量：0.04mm/r；机床转速n=1400r/min；实际切削速度：4.98m/s。切沟槽，手动进给，转速40r/min；切实速度：0.14m/s；基本时间为：33/0.04/23.3=35s。 5.4.5 工序V：（1）选用标准的高速单头滚刀，模数2.25，直径63mm，根据其表面质量的要求，查切削用量简明手册，得f=0.83mm/r。查制造手册，切削速度为： （5-3） 查相关参数，求得v=26.4m/min。则n=133r/min。实际切削速度为v=0.45m/s。（2）基本时间，滚刀圆柱齿轮的基本时间为 （5-4）公式B=12mm，角度为0，z=50，q=1，n=1.72r/s，f=0.83mm/r，求得l1=19mm，l2=3mm。则： 5.4.6 工序VI：（1）铣槽刀具为高速钢错齿三面刃铣刀，直径125mm，齿数20。有X62铣床功率查表，取每齿进给量为：0.07mm/z。 （5-5）参数为Cv=48，qv=0.25；xv=0.1；yv=0.2；uv=0.3；pv=0.1；m=0.2；T=120min；