【《CA6140变速箱拨叉加工工艺分析及专用夹具设计》15000字】

I1绪论1.1研究的背景、目的及意义1.1.1研究背景近年来，我国国民经济发展趋势十分迅猛，机械制造业已经由一门单一的学科逐渐发展成为一门包括了传感器及计算机技术和机电一体化技术等的跨门类学科[1]。随着机械制造业的迅猛发展，机械加工工艺也逐渐向着全球化、虚拟化、绿色化、精细化的方向发展；伴随着零件种类和加工精度的提升，夹具设计也在向着柔性化、标准化、高效化、精密化的趋势逐步迈进。1.1.2研究目的作为制造业形式的一种，机械加工工艺的发展，也必然会对国民经济产生影响。先进的加工工艺必然会使得零件的精度得到提升，使得生产过程实现绿色环保。在这个事物瞬息万变的21世纪，研究和掌握先进的加工工艺是大势所趋，而明确当前机械加工工艺和夹具的发展现状，分析当前在机械加工工艺领域和夹具设计领域存在的问题，如：机械加工工艺过程繁琐，实际生产效率低；夹具设计工作量大，设计难度大等问题，并针对这些问题提出相关的解决方案，这是十分必要的。1.1.3研究意义伴随着机械制造业的发展，机械零件的加工工艺也在逐渐的发生变革，基于机械制造工艺面临全球化、虚拟化、绿色化、精细化的发展趋势，零件的加工工艺也在向着高效、节能、绿色的方向逐步迈进。这也就意味着，传统的零件加工工艺将逐渐被淘汰，取而代之的，将是新的工艺和方法。如果不能跟上加工工艺发展的步伐，及时对零件的加工工艺进行革新与改进，那么就将落后于世界。1.2机械加工工艺和夹具国内研究现状1.2.1机械加工工艺和夹具国内研究现状我们所认为的机械加工工艺，简而言之，就是按照图纸要求加工出合格零件的全过程。在生产过程中，利用对生产对象某些属性、性质等的改变，从而将未经加工的对象变半成品甚至成品的整个过程则称之为工艺过程[2]。由于制造业的快速发展以及机械化时代的到来，整个社会对机械加工的要求在不断的提升；相应的，对一些特殊零件的加工及专用夹具的设计的需求也在不断增加，精细化越来越成为衡量加工水平高低的重要标准。湛江市技师学院阮百强[3]在设计零件材料具有特殊性、形状具有不规则性的摆臂固定架的加工工艺时，传统的切削和装夹一方面会使得加工达不到零件精度的要求，另一方面装夹力的大小在加工过程中因为会产生变化，所以也难以确定。这时候，传统的方式便无法解决这些难题了，需要借助精密的电火花线切割以及高速数控加工。由于壳体零件本身的作用的特殊性使得其结构较为复杂，对其的加工质量要求也偏高。苏州市职业大学的刘旭、朱学超[4]等在对典型壳体零件进行加工工艺规程设计时，不但介绍了典型壳体零件的用途、使用场合，分析了零件的技术指标，为了确保加工过程效率高，加工的出的零件质量好，他们还对该壳体零件进行了特定工序夹具的设计。他们对比了铸造成型和焊接成型这两种零件毛坯制造方法，在结合加工成本及时间等经济效益后，最后选择了铸造成型的方式。由于机械零件的应用范围很广，在各式各样的系统中都有机械零件的存在。如液压系统中密封接头，由于它在液压系统中其密封作用，所以它的机械加工工艺值得研究。赵宏平[5]工程师在研究典型密封接头零件时，分析了零件的技术指标和相关加工要求，并针对相关加工要求制定了加工路线与加工方案。吴敬教授与张树伟[6]以公司实际生产加工为例，细致的研究了连杆零件的加工方案，针对不同的零件部分，提出了包括镗、铣、钻等的加工方式。汽车转向节作为汽车在进行转向操作时起到重要作用的部件，其加工工艺的过程也较为复杂。而且由于与汽车的转向有关，对保证汽车平稳、精确的运行有重要意义，所以，它的加工质量同样要求很高。袁帮谊和王安芝[7]在对汽车转向节进行研究后，提出了两种汽车转向节的加工工艺路线方案。但由于第一种方案的精度较差，且在镗孔时容易产生锥孔现象，故在第一种方式的基础上加以改进，产生了第二种方式。在他们的分析过程中，还提及到了工艺设计过程中应该考虑的其他因素，如材料的硬度及刀具的选取、量具的使用、有几道工序。吴敬、孙涛[8]等就圆柱十字滑块零件的加工工艺提出了安排，并且每个部分都进行了相应的精度分析，从而保证整体的精度范围。早在18世纪后期，夹具就有使用。所谓夹具，就是在在机械的加工和制造的过程之中，用来定位和固定加工器件的一种机械设备[9]。夹具对于整个机械制造行业的作用是十分重要的，它不仅可以要加工的器具得到固定，而且还方便了加工器具的检测。随着科学技术的快速发展，夹具作为机械制造业重要的工具，同样经历了漫长而迅速的发展。早期的机床夹具如鸡心夹头、卡盘、虎钳等是伴随着各式机床的出现发展起来的，可以将其称为机床附件，现代的专用夹具主要是随少品种、大批量生产方式的发展而发展出现的，尤其与19世纪以来汽车工业的发展密切相关[10]。就目前的情况来看，我国国内主要研究专用夹具和通用夹具，而专业化程度较高的企业则多以专用夹具和可调夹具为主[11]。夹具的发展方向主要有柔性化、标准化、高效化和精密化，这是毋庸置疑的。随着生产力水平的提高，夹具也演化出包括通用夹具、专用夹具、可整夹具和成组夹具、组合夹具以及随行夹具五种类型[12]。近年来，由于数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统等新加工计术的使用，对机床夹具提出了如下新的要求[13]：（1）能快速而简便的应用于新产品的生产，以缩短整个生产周期，减低成本；（2）能应用于一组外形特征具有相似性的零件；（3）能适用于精细加工的高精准度的机床夹具；（4）能适用于各种现代化制造工艺的新型机床夹具；（5）能进一步降低劳动的强度和提升生产力水平；（6）提高机床夹具的标准化程度。基于传统夹具在设计方法上存在如：过程繁琐，工作量大，设计难度大的问题，为了解决这些问题，计算机辅助夹具设计（,)便应运而生了。通过利用计算机进行夹具的相关设计和评价，大大提高了设计生产效率，因此得到了广泛的研究与使用。由于国内夹具起始于20世纪80年代，起点相对较落后，所以其还有相对较大的发展前景，就目前的发展趋势看，将会发展成为：（1）与三维数字化定义()技术相融合以及与等异构平台进行全面集成，实现产品特征及加工信息的全面展示，从而实现夹具设计的智能化与集成化；（2）实现与的并行设计，从而减少设计和准备周期、提高夹具的质量并降低设计、制造、生产夹具的各种成本。（3）智能化程度大幅提升，在设计过程中减少了人为因素的干扰，实现复杂工件和复杂工艺的专用与组装夹具的设计、元组件选取以及机器装配的智能化[14]。柔性制造作为一种新型的制造方式，因其大大节省了制造企业的设计和制造成本而备受青睐。将柔性制造应用于夹具的设计生产和制造中，同样也是夹具发展的一大趋势。柔性夹具的优点是：内部结构简单，组装环节少，强度高，易于满足柔性制造系统中待加工器件经常更换与自动化加工的需要；夹具零部件的种类和数量少，制作柔性制造系统的花费少；存储柔性夹具及夹具元件的空间小，元件容易搜索，可快速完成设计与组装[15]。基于这些优点，柔性夹具的研究和应用是十分必要的。1.2.2机械加工工艺和夹具国外研究现状较之国内，国外发达国家由于机械化、智能化程度较高，在零件加工工艺方面则偏向于精细化、绿色化和轻质化。V.Piwek、B.Kuhfuss等[16]针对汽车传动系统中的轴组件提出了轻量化的设计思路，通过旋转锻造的方式将轴加工成空心，以减少轴的重量，从而降低汽车油耗。齿轮作为现代生产制造行业中必不可少的传输动力的零件，对其的使用可谓是处处可见，无论是日常生活中常见的机械设备，还是一些精密的仪器，都能见到齿轮的身影。正因为如此，对齿轮加工工艺的分析研究与设计就很重要。B.A.Behrens和D.Odening[17]针对齿轮加工提出了精密锻造的方案，这种方案会使整个加工工艺链变得简化，材料的效率和利用率得到提升，同时，加工出来的零件的特性较传统方法也会有所提高。由于只有定义的功能表面需要经过锻造和综合退火后的精加工，所以生产效率也大大提高。计算机辅助模拟是国外夹具设计的一项重要工具，模块化和集成化是计算机辅助夹具设计的重要方面，EmadAbouelNasr、AbdulrahmanAl-Ahmari等[18]针对夹具设计提出了一整套的自动化系统，其中包括夹具的设计、加工和检测。他们使用了计算机辅助工艺规划的模块，利用模块化和集成化的思想，将夹具的设计和检测通过计算机模拟加以实现。LuisFernandoPuenteMedellín、VíctorAlfonsoRamírezElías等[19]将有限元分析应用在夹具的设计中，以十字形试件为例加以验证。由于制造过程的特殊性，金属板材往往具有各向异性，这也使得夹具在制造过程中的机械性能需要被考虑、被表征。而利用有限元分析，便可以很好的解决这一问题。1.3机械加工工艺和夹具设计尚待解决的问题由于机械零件种类繁多，且应用十分广泛，同一类零件因为使用的场合不同，其工艺性就会不同。这使得零件的机械加工工艺和夹具设计变得十分复杂。总结当前机械加工工艺和夹具设计尚待解决的问题，主要有一下几个方面：（1）工作效率低，生产成本高，产品品质低；（2）加工精度低，加工过程繁琐；（3）加工技术低，虽然规模庞大，但核心技术掌握度低。1.4本设计主要研究内容本次设计是针对CA6140变速箱拨叉进行加工工艺设计和专用夹具设计。拨叉位于车床主运动变速机构中，通过控制滑移齿轮动作，使输出轴获得不同的输出速度[20]。所以拨叉的主要作用是实现机床的换挡变速。拨叉加工工艺的设计与一般的零件相类似，主要有：确定CA6140变速箱拨叉零件的生产类型，对零件进行工艺分析，绘制零件图；确定拨叉毛坯种类及制造方法，绘制毛坯图；拟定拨叉零件的机械加工工艺过程；选择各工序的加工设备和工艺装备；确定各工序加工余量和工序尺寸；计算各工序的切削用量和工时定额；完成技术经济管理分析；填写工艺文件，如工艺过程卡片、工序卡片；设计指定工序的专用夹具，绘制装配总图和主要零件图。由于拨叉零件既有与操纵机构的轴相连的孔，也有与滑移齿轮的槽相接触的叉，所以对于拨叉的专用夹具的设计可以有：钻轴孔夹具、合铸拨叉切开夹具、拨叉钻定位销孔夹具以及拨叉叉口面加工夹具。2零件的加工工艺分析2.1零件的作用如下图2-1所示零件是CA6140车床的拨叉，它位于车床主运动变速机构中，通过控制滑移齿轮动作，使主轴获得不同的主运动速度。拨叉的孔与操纵机构的轴相连，叉口圆弧和叉头两侧面与所控制的滑移齿轮的槽相接触，通过操纵机构的力拨动下方的滑移齿轮移动到不同的啮合位置，从而实现变速。图2-2为该拨叉零件的三维建模。图2-1CA6140车床拨叉零件图图2-2CA6140变速箱拨叉三维建模2.2零件的技术要求该零件有两处主要加工面，他们之间还存在一定的位置要求。主要有：（1）以为中心的加工表面。这一组加工面主要包括：孔，上下偏差分别为和；表面粗糙度为，孔两端面，表面粗糙度为；上端面与孔垂直度要求为。（2）以为中心的加工表面。这一组加工表面包括：的孔，上下偏差分别为和，表面粗糙度为；叉口两端面（孔两端面），表面粗糙度为。这两组表面有一定的位置度要求，即孔两个端面与孔的垂直度要求为。该零件的次要加工表面主要有孔壁有一个装配时钻铰的锥孔、一个的螺纹孔、下端有一个的斜面。这三个的位置要求都没有很高。2.3零件工艺分析由上面的零件技术要求分析可知，该零件的孔及上端面为主要的设计基准，由于基准重合原则，加工时应先加工该组表面，再以这组加工后的表面为精基准加工其他表面。拔叉使用HT200件的材料，HT200材料制造的工艺不难，而且铸造的产品性能以及减震的性能都非常的好。拔叉待加工的表面以及表面所要求得精度，分析下面几点：拨叉需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求：（1）孔以及与此孔相通的的锥孔、M6螺纹孔。（2）大头半圆孔。（3）拨叉底面、孔端面、半圆孔端面半圆孔两端面与孔中心线的垂直度误差为0.07mm，孔上端面与其中心线的垂直度误差为0.05mm。由上面分析可知，可以粗加工拨叉下端面，然后以此作为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。3工艺规程设计3.1确定零件的生产类型本CA6140变速箱拨叉假设重1.0㎏，若机床的年产量，，备品率，废品率，则生产纲领为：所以查表3-1可知，该拨叉为轻型零件；由此查表3-2可知，该拨叉零件的生产类型为大批生产。表3-1不同机械产品的零件质量型别表表3-2机械加工零件生产类型的划分3.2确定毛坯的制造形式零件材料为灰铸铁()。考虑零件在机床工作过程中所受到的冲击不大，零件的结构又比较简单，故选择铸件毛坯。毛坯采用合件铸造，即将两个零件铸为一体，加工到一定程度后铣断切开。这样做的好处是：在基准选择时，便于实现基准重合和基准统一；加工过程中零件完全对称，有利于车床夹具设计。由于零件的产量为5176件/年，为大批量生产，故采用模锻铸造毛坯。这从提高生产率、保证加工精度方面考虑，也是应该的。下图3-1即为该零件的毛坯图。图3-1拨叉毛坯图3.3基准的选择基准选择是工艺规程设计中十分关键的工作之一。基准选择的精确与合理，加工的质量便可以得到保证，生产率也将会随之提高。否则，加工过程中问题便会层出不穷，严重甚至还会造成零件大批损坏，使生产无法正常进行。对于粗基准的选择，若零件上有不加工面与加工面之间的位置要求时，应尽可能选择不加工表面作为粗基准；而对有若干个不加工表面的工件，则应以与加工表面要求相对应位置精度较高的不加工表面作粗基准。根据这个基准选择原则，该零件在钻扩铰孔时，应选择不加工表面外圆作为粗基准，这样可使外圆与孔的同轴度较高，也即钻孔后，零件壁厚比较均匀。对于精基准的选择，主要应该考虑基准重合和加工过程基准统一的问题。当设计基准与工序基准不重合时，就要进行尺寸换算，并引入基准不重合误差。根据零件毛坯为合件铸造，选择一面两孔作为精基准，即以两个孔及其一个端面作为精基准，既实现了基准重合，又使基准统一。3.4拟定工艺路线拟定工艺路线的出发点，首先应考虑零件的生产类型和现场生产条件。然后应使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在满足生产纲领的情况下，应尽量采用通用机床配以专用夹具，或部分工序采用数控加工，保证高的生产效率。还应当考虑经济效益，以便使生产成本尽量下降，充分体现“优质、高产、低耗、清洁”生产。（1）工艺路线方案一：工序Ⅰ粗铣、精铣上端面。工序Ⅱ钻、扩、铰、精铰、孔。工序Ⅲ粗、精铣孔上端面。工序Ⅳ粗、精铣、孔下端面。工序Ⅴ切开成单件。工序Ⅵ钻孔。工序Ⅶ钻孔，攻螺纹底。工序Ⅷ铣小斜面工序Ⅸ去各处毛刺。工序Ⅹ检查。（2）工艺路线方案二：工序Ⅰ粗、精铣孔上端面。工序Ⅱ粗、精铣孔下端面。工序Ⅲ钻、扩、铰孔上端面。工序Ⅳ钻、扩、铰孔下端面。工序Ⅴ粗、精铣孔上端面。工序Ⅵ粗、精铣孔下端面。工序Ⅶ切开成单件。工序Ⅷ钻孔。工序Ⅸ钻孔，攻螺纹底。工序Ⅹ铣小斜面。工序Ⅺ去各处毛刺。工序Ⅻ检查。（3）工艺方案的比较分析上述两个工艺方案的特点在于：方案一是先加工孔为中心的一组上端面，并以此为基准面同时钻三个孔；方案二在方案一的基础上将钻孔工序进行了分离，使三个孔不再同时被钻。比较两个方案可以看出，同时方案一的加工效率比较高，但是同时钻三个孔，对设备也有一定的要求。而方案二虽然避免了同时加工三个孔，但加工效率较低。因此将方案一和方案二进行整合，具体加工工艺过程如下：工序Ⅰ以外圆为粗基准，粗铣孔上下端面。工序Ⅱ精铣孔上下端面。工序Ⅲ以孔下端面为精基准，钻、扩、铰、精铰孔。工序Ⅳ钻、扩、铰、精铰孔。工序Ⅴ切开成单件。工序Ⅵ粗铣孔上下端面。工序Ⅶ精铣孔上下端面。工序Ⅷ钻孔。工序Ⅸ钻孔，攻螺纹。工序Ⅹ铣小斜面。工序Ⅺ去各处毛刺。工序Ⅻ检查。以上加工方案工序虽然仍是十二步，但是效率却大大提高了。工序Ⅰ和工序Ⅱ比起工艺路线方案二快了一倍（实际铣削只有两次，而且刀具不用调整）。这里多次加工和孔是因为这两个孔的精度相对要求较高，且孔作为精基准，只有它的尺寸误差小，才能保证整个加工出来的零件误差小。3.5确定加工设备和工艺装备3.5.1机床选用（1）工序粗铣、精铣和车。各工序的工步数不多，成批量生产，因此选择普通铣床就能满足要求。本零件外轮廓尺寸不大，精度要求属于中等要求，故选用XA5032铣床。（2）工序钻孔。选用Z525摇臂钻床。3.5.2选择刀具（1）在车床上加工的工序，一般选用硬质合金车刀。加工刀具选用YG6类硬质合金车刀，他的主要应用范围为灰铸铁、可锻铸铁、铝、铝合金的半精加工和精加工。（2）钻孔时可选用高速钢麻花钻。3.5.3选择量具本零件属于成批量生产，一般均采用通常量具。选择量具的方法有两种：一是按计量器具的不确定度选择；二是按计量器的测量方法极限误差选择。采用其中的一种方法即可。3.6机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定CA6140变速箱拨叉材料为灰铸铁，硬度为200~270HB，生产类型为大批生产，采用锻锤上合模模锻毛坯。根据上述资料及加工工艺，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：（1）孔为中心的加工表面（、孔端面）查《机械加工工艺手册》（以下称《工艺手册》）表2.3-5，取、端面长度余量均为2.5（均为双边加工）。铣削加工余量为：粗铣：;精铣：（2）内孔（已铸成孔）查《工艺手册》表2.3-5，取已铸成孔长度余量为3，即铸成孔半径为。工序尺寸加工余量：钻孔：；扩孔：；铰孔：；精铰：。（3）其他尺寸直接铸造得到由于本设计规定的零件为大批量生产，应该采用调整加工。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认。3.7确定切削用量及基本工时工序Ⅰ以外圆为粗基准，粗铣孔上下端面。（1）加工条件工件材料：,,HB=200~270,铸造。加工要求：粗铣孔上下端面。机床：XA5032立式铣床。刀具：W18Cr4V硬质合金钢端铣刀，牌号YG6。铣削宽度，深度，齿数z=10。根据《金属机械加工工艺人员手册》（后简称《工艺人员手册》）取刀具直径。选择刀具前角，后角，副后角，刀齿斜角，主刃，过渡刃，副刃，过渡刃宽。（2）切削用量①切削深度因为切削量较小，故可以选择，一次走刀即可完成所需长度。②每齿进给量机床功率为7.5kw。查《工艺人员手册》得。由于是对称铣，选较小量。③查后刀面最大磨损及寿命查《工艺人员手册》得后刀面最大磨损为。查《工艺人员手册》得寿命④计算切削速度按《工艺人员手册》(3.3)算得，，。根据XA5032卧式铣床参数，选择，，则实际切削速度为：(3.4)实际进给量为：(3.5)⑤校验机床功率查《工艺人员手册》得，而机床所能提供的功率为>。故校验合格。最终确定，，，，⑥计算基本工时(3.6)工序Ⅱ精铣孔上下端面。（1）加工条件工件材料：,,HB=200~270,铸造。加工要求：精铣孔上下端面。机床：XA5032立式铣床。刀具：W18Cr4V硬质合金钢端铣刀，牌号YG6。铣削宽度，深度，齿数z=10。根据《工艺人员手册》取刀具直径。选择刀具前角，后角，副后角，刀齿斜角，主刃，过渡刃，副刃，过渡刃宽。（2）切削用量①切削深度因为切削量较小，故可以选择，一次走刀即可完成所需长度。②每齿进给量机床功率为7.5kw。查《工艺人员手册》得。由于是对称铣，选较小量。③查后刀面最大磨损及寿命查《工艺人员手册》得后刀面最大磨损为。查《工艺人员手册》得寿命④计算切削速度按《工艺人员手册》，查得，，。根据XA5032立式铣床参数，选择，，则实际切削速度为：(3.7)实际进给量为：(3.8)⑤校验机床功率查《工艺人员手册》得，而机床所能提供的功率为>。故校验合格。最终确定，，，，。⑥计算基本工时(3.9)工序Ⅲ以孔下端面为精基准，钻、扩、铰、精铰孔。（1）选择钻头选择高速钢麻花钻钻头，粗钻时，钻头采用双头刃磨法，后角，二重刃长度，横刀长，宽，棱带长度，，，（2）选择切削用量①决定进给量查《工艺人员手册》，得，，所以。按钻头强度选择；按机床强度选择。最终决定选择机床已有的进给量。经校验，<，校验成功。②钻头磨钝标准及寿命查《工艺人员手册》，得后刀面最大磨损限度为,寿命。③切削速度查《工艺人员手册》，，修正系数，,，，，。故：，(3.10)查《工艺人员手册》，机床实际转速为，故实际切削速度为：(3.11)④校验扭转功率，(3.12)所以<。(3.13)故满足条件。校验成立。（3）计算工时(3.14)由于所有工步所用工时很短，所以使得切削量一致，以减少辅助时间。扩铰和精铰的切削用量如下：扩钻：，，，；铰孔：，，，；精铰：，，，。工序Ⅳ钻、扩、铰、精铰孔。（1）选择钻头选择高速钢麻花钻钻头，粗钻时，钻头采用双头刃磨法，后角，二重刃长度，横刀长，弧面长，棱带长度，，，。（2）选择切削用量①决定进给量查《工艺人员手册》，有，按钻头强度选择，按机床强度。最终决定选择Z550机床已有的进给量。经校验：，校验成功。②钻头磨钝标准及寿命查《工艺人员手册》，后刀面最大磨损限度为，寿命查《工艺人员手册》，扩孔后刀面最大磨损限度为，寿命查《工艺人员手册》，铰和精铰后刀面最大磨损限度为，寿命③切削速度查《工艺人员手册》，，修正系数，,，，，。故：，(3.15)查《工艺人员手册》，机床实际转速为，故实际的切削速度为：(3.16)④校验扭转功率，(3.17)所以<。(3.18)故满足条件。校验成立。（3）计算工时(3.19)所有工步工时相同。扩铰和精铰的切削用量同理如下：扩钻：，，，；铰孔：，，，；精铰：，，，。工序Ⅴ切开成单件。（1）加工条件工件材料：,,HB=200~270,铸造。加工要求：切开成单件。机床：XA6132卧式铣床刀具：中齿锯片铣刀，取，齿数z=20。根据《工艺人员手册》取刀具直径。（2）切削用量①切削深度选择，一次走刀即可切断。②每齿进给量机床功率为7.5kw。查《工艺人员手册》得③查后刀面最大磨损及寿命查《工艺人员手册》，得后刀面最大磨损为。查《工艺人员手册》得寿命。④计算切削速度按《工艺人员手册》，查得，，。根据XA6132卧式铣床参数，选择，，则实际切削速度为：(3.20)实际进给量为：(3.21)⑤校验机床功率查《工艺人员手册》机床所能提供的功率为>。故校验合格。最终确定，，，，。⑥计算基本工时(3.22)工序Ⅵ粗铣孔上下端面。（1）加工条件工件材料：,,HB=200~270,铸造。加工要求：粗铣孔上下端面。机床：XA6132卧式铣床刀具：W18Cr4V硬质合金钢端铣刀，牌号YG6。铣削宽度，深度，齿数z=12。根据《工艺人员手册》取刀具直径。（2）切削用量①切削深度因为切削量较小，故可以选择，一次走刀即可完成所需长度。②每齿进给量机床功率为7.5kw。查《工艺人员手册》得。由于是对称铣，选较小量。③查后刀面最大磨损及寿命查《工艺人员手册》，得后刀面最大磨损为。查《工艺人员手册》得寿命。④计算切削速度按《工艺人员手册》，查得，，。根据XA6132卧式铣床参数，选择，，则实际切削速度为：(3.23)实际进给量为：(3.24)⑤校验机床功率查《工艺人员手册》机床所能提供的功率为>。故校验合格。最终确定，，，，。⑥计算基本工时(3.25)工序Ⅶ精铣孔上下端面。（1）加工条件工件材料：,,HB=200~270,铸造。加工要求：精铣孔上下端面。机床：XA6132卧式铣床刀具：W18Cr4V硬质合金钢端铣刀，牌号YG6。铣削宽度，深度，齿数z=12。根据《工艺人员手册》取刀具直径。（2）切削用量①切削深度因为切削量较小，故可以选择，一次走刀即可完成所需长度。②每齿进给量机床功率为7.5kw。查《工艺人员手册》得。③查后刀面最大磨损及寿命查《工艺人员手册》，得后刀面最大磨损为。查《工艺人员手册》得寿命。④计算切削速度按《工艺人员手册》，将降一级为。查得，，。根据XA6132卧式铣床参数，选择，，则实际切削速为：(3.26)实际进给量为：(3.27)⑤校验机床功率查《工艺人员手册》机床所能提供的功率为>。故校验合格。最终确定，，，，。⑥计算基本工时(3.28)工序Ⅷ钻孔。（1）选择钻头选择高速钢麻花钻钻头，粗钻时，后角，二重刃长度，，（2）选择切削用量①决定进给量查《工艺人员手册》，。按钻头强度选择；按机床强度选择。最终决定选择Z550机床已有的进给量。经校验，校验成功。②钻头磨钝标准及寿命查《工艺人员手册》，后刀面最大磨损限度为，寿命③切削速度查《工艺人员手册》，，修正系数，,，，，。故：，(3.29)查《工艺人员手册》，机床实际转速为，故实际的切削速度为：(3.30)④校验扭转功率，(3.31)故满足条件，校验成立。（3）计算工时(3.32)工序Ⅸ钻孔，攻螺纹。钻孔：（1）加工条件工艺要求：孔径，孔深，通孔选择机床：Z525立式钻床刀具：高速钢麻花钻。选择的高速钢麻花钻的直径，，，，（2）切削用量①决定进给量按加工要求决定进给量根据《工艺人员手册》，当铸铁的强度,时，。由于，故修正系数,所以：(3.33)按钻头强度决定进给量根据《工艺人员手册》，当，，钻头强度允许的进给量。按机床进给机构强度决定进给量根据《工艺人员手册》，当，，机床进给机构允许的轴向力为（Z525钻床允许的轴向力为）时，进给量为。从以上三个进给量比较可以看出，受限制的进给量是工艺要求，其值为，根据Z525钻床说明书，选，根据《工艺人员手册》可以查出钻孔时的轴向力，当，时，轴向力。因为轴向力的修正系数为1.0，故。根据Z525钻床说明书，机床机构强度允许的最大轴向力为,由于，故可以用。②决定钻头的磨钝标准及寿命根据《工艺人员手册》表2.12，当时，钻头后刀面最大磨钝量取为,寿命。③决定切削速度根据《工艺人员手册》表2.15，可知时，标准钻头，时，。切削速度修正系数《工艺人员手册》表2.31可知：，，，。所以：(3.34)(3.35)根据Z525钻床说明书，可考虑④检验机床扭转及功率根据《工艺人员手册》表2.21，当，时，。根据Z525钻床说明书，当时，(3.36)又根据《工艺人员手册》表2.23，当，，，时，。根据Z525钻床说明书，,所以有，(3.37)故选择的切削用量可用。即：，，(3.38)（3）计算基本工时，(3.39)由《工艺人员手册》表2.29查得。故(3.40)攻螺纹：由《工艺人员手册》表6.2-14可知：(3.41)其中，，。公式中的为丝锥或工件回程的每分钟转数；为使用丝锥的数量；为丝锥或工件每分钟转数；为螺纹大径，为工件每转进给量，等于工件螺距。由上面的条件及相关资料有：，，，，。（1）计算切削速度(3.42)所以(3.43)（2）计算基本工时(3.44)工序Ⅹ铣小斜面。（1）加工条件工件材料：,,HB=200~270,铸造。加工要求：铣小斜面。机床：XA5032立式铣床刀具：W18Cr4V硬质合金端铣刀。牌号YG6。铣削宽度，深度，齿数z=10时，取刀具直径。选择刀具的前角，后角，刀具斜角，主刃，过渡刃，副刃，过渡刃宽（2）切削用量①切削深度因切削用量较小，故可以选择，一次走刀即可完成所需尺寸。②每齿进给量由《工艺人员手册》表3.30可知机床的功为，查《工艺人员手册》表3.5可得，由于是对称铣，选较小量。③后刀面最大磨损及寿命由《工艺人员手册》表3.7，后刀面最大磨损为由《工艺人员手册》表3.8，寿命④计算切削速度按《工艺人员手册》，有：(3.45)这里，，，各修正系数为：，。故(3.46)(3.47)(3.48)又根据XA5032铣床数据参数，选择，，则实际的切削速度为：(3.49)实际进给量为：(3.50)⑤校验机床功率由《工艺人员手册》表3.24，当，，,,,,近似为。根据XA5032铣床数据参数，机床主轴允许的功率为，故(3.51)因此选择的切削用量可以使用。即：，，，，⑥计算基本工时(3.52)式中，；根据《工艺人员手册》表3.26，可得，所以(3.53)故(3.54)3.8工艺过程的技术经济分析3.8.1时间定额我们把在一段时间内的和相应加工关系条件下，生产出来的完成一件产品或一个工序所花费的工时叫做时间定额。它是安排制造计划、计算产品本钱和公司经济核查的重要依据之一，也是新研发或扩大厂房时确定机器和加工人数的重要资料。工人生产技术和操作熟练度的持续提升与升级需要时间定额适当的推动，这将使得工人发挥他们生产的主动性和创新意识，从而推动产品制造速率的不断提高。因此，确定的时间定额要杜绝过与紧张和过于松散这两种极端，应该采用平均的水平，并随着生产水平的发展而及时修订。完成零件一个工序的时间称为单件时间，用来表示。则(3.55)这里，——基本时间；——辅助时间；——工作地点服务时间；——休息和自然需要时间；在成批生产中，我们还需要考虑准备终结时间，所以，成批生产的单件时间定额为：(3.56)这里，取2~7；取2。又在大批生产中，每个工作地点完成固定的一个工序，不需要准备终结时间，所以其单件时间定额为：(3.57)由于在前文中，我们已经计算出每个工序的单件时间，所以，生产一个拨叉零件的时间定额为(3.58)3.8.2工艺成本和工艺方案经济性制造一个零件或产品所必须的一切费用的总和就是零件或产品的生产成本。所谓工艺成本，是指生产成本中与工艺过程有关的成本，如毛坯或原料的费用，生产工人的工资、机床电费(设备使用费）、折旧费和维修费、工艺装备的折旧费和修理费以及车间和工厂的管理费用等。与工艺成本无关的成本，如行政总务人员的工资，厂房折旧和维修费、照明取暖费等，在不同方案中的分析和评比中均是相等的，因而可以略去。若零件的年产量为，则全年工艺成本为：(3.59)式中，——可变费用（元/件）；——不变费用（元）因此单件工艺成本为：(3.60)图3-2表示全年工艺成本与年产量的关系和单价工艺成本与年产量的关系。由图可知，与是线性关系，即全年工艺成本与年产量成正比；直线的斜率就是工件的可变费用，直线的起点（截距）为工夹的不变费用；与成双曲线关系，当增大时，逐渐减小，极限值接近可变费用。图3-2全年工艺成本和单件工艺成本与年产量的关系这里，对应前文中所设计的三套工艺路线，可以发现，在年产量相同的虽然工艺路线一效率高，但由于其对与设备的要求较高，所以他的工艺成本也会随之升高，工艺二由于其效率低，故其全年的工艺成本也会升高。工艺路线三在前面两个的基础上进行了改进，在保证效率的同时，也降低了单件的工艺成本。综合来看，选择路线三的技术经济性是最高的。

4夹具设计为了提升劳动生产率，确保加工品质，减轻劳动强度，需要设计专用夹具。本章以第Ⅴ道工序——切开成单件的铣床夹具和第Ⅸ道工序——钻孔，攻螺纹钻床夹具设计为例。其中，切开成单件的铣床夹具将用于X6132卧式铣床，刀具为中齿锯片铣刀；钻孔，攻螺纹钻床夹具将用于Z525立式钻床，刀具为高速钢麻花钻及M6丝锥。4.1切开成单件的铣床夹具设计4.1.1问题的提出本夹具用来铣开合铸在一起的拨叉，且铣开的表面与的孔之间有一点的公差要求，考虑到在加工本道工序之前，的孔已经加工，所以，在本道工序中主要考虑加工面与的孔之间相关要求，其次是考虑怎样提高劳动生产率，保证加工质量，减轻劳动强度。4.1.2夹具的设计（1）定位基准的选择由零件图可以发现，被铣开的那孔的中心线与孔的中心线之间的公差等级要求较高，且切开时的设计基准为孔的中心线。为尽可能的减小定位误差，应选孔为主要的定位基准。（2）工件定位方案的确定①刀具：采用中齿锯片铣刀，，z=20。②切削力及夹紧力计算由《工艺人员手册》，有(4.1)其中，,,，,,,，z=20，，，，所以，(4.2)水平分力：(4.3)垂直分力：(4.4)又在计算切削力时，必须把安全系数考虑在内。安全系数(4.5)其中，——基本安全系数，取1.5；——加工性质指数，取1.1；——刀具钝化指数，取1.1；——断续切削指数，取1.1。所以(4.6)为克服水平方向的力，实际的夹紧力为(4.7)式中，、——夹具定位面及夹紧面上的摩擦因数，，则(4.8)所以(4.9)4.1.3定位误差分析（1）定位原件尺寸公差的确定。本夹具的定位原件为钻模板上的一个圆销和两块压板。定位销的尺寸公差为（定位销的尺寸公差取h8）。（2）零件图样规定。孔的中心线与孔的中心线的长度误差为0.2mm。已知孔的宽度为，定位销为，则一个孔与一个定位销的定位误差为(4.10)4.1.4夹具设计及操作的简要说明如前所述，在设计夹具时，首先要考虑到能保证加工精度，其次要尽可能的提高劳动生产率。为此，应该首先考虑所设计的夹具体与零件在夹具上的定位。本道工序中，由于零件的底面的定位是夹具体上的模板，所以其表面粗糙度要求较高，又因为铣削的切削力不大，所以在设计夹具时，应该考虑夹具的简单化和常用化。除此以外，本夹具在设计时，正是基于从提高劳动生产率出发，设计了一次可以加工两件合铸拨叉的夹具。在夹具体的底面上有一对定位键可以使整个夹具在机床上的工作台上有一个正确的安装位置，以便于铣削加工。图4-1及4-2所示即为该铣床夹具的装配图。图4-1切开成单件的铣床夹具三维建模俯视图4-2切开成单件的铣床夹具三维建模仰视4.2钻φ5mm孔，攻M6螺纹钻床夹具设计4.2.1问题的提出本夹具主要用来钻M6螺纹底孔，该孔为斜孔，跟拨叉的中线有一定的角度关系，在加工时，应确保孔的角度要求。此外，在本道工序加工时，还应考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度，而精度不是主要考虑的问题。4.2.2夹具的设计（1）定位基准的选择由零件图可知，M6螺纹孔为斜孔，相对于拨叉中线有10°的要求，为使定位误差为零，应该选择拨叉中线为定位基准，从而保证螺纹孔在拨叉体上的准确位置。为了提高加工效率，现决定采用手动夹紧工件快换装置，并采用快换钻套以利于在钻底孔后攻螺纹。（2）切削力及夹紧力计算①刀具：高速钢麻花钻，。②由实际加工的经验可知，钻削时的主要切削力为钻头的切削方向，即垂直与工作台，查《工艺人员手册》表14-30,夹紧力计算公式为：(4.11)其中，,,,，。(4.12)式中，与加工材料有关，取0.94；与刀具刃磨形状有关，取1.3；与刀具磨钝标准有关，取1.0。所以(4.13)4.2.3定位误差分析（1）定位原件尺寸及公差的确定夹具的主要定位原件是两个定位销，这两个定位销的尺寸与公差规定为与本零件在工作时与其相匹配的轴的尺寸与公差相同。除此之外，这两个定位销共同保证加工孔偏斜的角度，其中心线与工作台成10°角。（2）计算钻套中心线与工作台的垂直度误差钻套外径与衬套孔的最大间隙为：(4.14)衬套外径与钻模板孔的最大间隙为：(4.15)则钻套中心与工作台平面的垂直度误差为(4.16)（3）计算定位销轴与工作台的平行度误差定位销轴与夹具体孔的最大间隙为：(4.17)夹具体孔的长度为22mm，则上述间隙引起的最大平行度误差为：(4.18)4.2.4夹具设计及操作的简要说明如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动生产率。正因为如此，本道工序夹具设计采用了快换装置。如图4-3所示，拆卸时，松开夹紧螺母，将开口垫圈拔下，实现工件的快换。攻螺纹时，松开压紧螺母即可替换可换钻套，进行攻螺纹加工。同时，夹具体底面上的一对定位槽可使整个夹具在机床工作台上有一正确的安装位置，以便加工，如图4-4所示。图4-3钻孔，攻M6螺纹钻床夹具三维建模图4-4钻床夹具体三维建模

5结论随着科学技术的蓬勃发展，制造业也在这蒸蒸日上的发展形式下，逐步向着精细化、现代化的方向迈进，这也就使得数控机床的应用变得越来越频繁和广泛。而拨叉零件作为机床变速箱中起到调节速度作用的重要零件，其加工的精度及工艺性决定了机床在要求不同转速变换下，工作的平稳性及准确性。在此背景下，本文以CA6140变速箱拨叉零件为研究对象，并结合校外实习企业的生产实际，设计了一套完整的零件加工工艺及两套专用夹具，综合运用了相关的数学、力学等的专业知识，在充分研究和考虑安全、绿色、可持续发展及技术经济性等影响因素后，分析了零件的作用、技术要求、工艺性指标，确定了零件的生产类型、毛坯制造形式、加工基准的选择、工艺路线以及加工设备和工艺装备的选择；计算了机械加工余量、工序尺寸、切削用量和基本工时；设计了一套铣床和一台钻床的夹具；绘制了零件和专用夹具的二维工程图以及三维建模。现将整个设计过程中的取得的结论总结如下：（1）本文中所加工的拨叉零件为轻型零件，生产类型为大批生产。（2）本文中所设计的加工工艺在传统技术的基础上，提出了一些新的思路和方法，减少了刀具的调整次数，提高了加工的效率。（3）由于需要加工的拨叉零件尺寸不大，且为了提高加工效率，所以本文在设计铣床夹具时，创新性的将原本只能装夹一组毛坯的夹具模板设计成可以装夹两组的模板，且一次装夹便可直接加工，既避免了因多次装夹而产生的误差，又大幅提高了生产的效率。（4）本设计借助了AutoCAD以及Solidworks对拨叉零件及专用夹具进行了二维工程图和三维建模的绘制，并根据实际绘制的结果对零件和夹具的尺寸设计进行了必要的修正，以确保装配时的精度和准确性。

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