机械制造技术课程设计-换挡叉加工工艺及铣M10小凸台夹具设计

课程设计说明书PAGE214课程设计说明书1目录TOC\o"1-2"\h\z\u1零件工艺性分析 11.1换挡叉的概述 11.1.1换挡叉的功用 11.1.2换挡叉的结构特点 11.2换挡叉的技术要求 11.3分析换挡叉的工艺性 21.4确定换挡叉的工艺类型 32换挡叉机械加工工艺规程设计 32.1换挡叉材料及毛坯制造方法 32.2确定毛坯尺寸公差和加工余量 32.2.1铸件机械加工余量等级 32.2.2铸件公差等级 32.2.3确定铸件基本尺寸 32.3定位基准的选择 42.3.1粗基准 42.3.2精基准 42.4制订工艺路线 52.4.1工艺路线方案一 52.4.2工艺路线方案二 52.4.3工艺方案的比较与分析 62.4.4工艺路线确定 62.5确定切削用量及基本工时 72.5.1切削用量的计算 72.5.2基本工时的计算 103铣M10小凸台专用机床夹具设计 123.1设计主旨 123.2夹具设计 123.2.1约束自由度 123.2.2设计夹具定位夹紧结构 123.3切削力及夹紧分析计算 123.4误差分析与计算 143.5零、部件的设计与选用 153.6夹具设计及操作的简要说明 172.3切削力及夹紧分析计算 172.4误差分析与计算 182.5零、部件的设计与选用 192.6夹具设计及操作的简要说明 214方案综合评价与结论 215体会与展望 226参考文献 22课程设计说明书PAGE22课程设计说明书21零件工艺性分析1.1换挡叉的概述1.1.1换挡叉的功用换挡叉头以孔套在变素差叉轴上，并用销钉经孔与变速叉轴联接，换挡叉脚则夹在双联变换齿轮的槽中，当需要变速时，操纵变速杆，变速操纵机构就通过换挡叉头部的操纵槽带动换挡叉与变速叉轴一起在变速箱中滑移，换挡叉脚拨动双联变速齿轮在花键轴上滑动以变换档位，从而改变机器的运转速度。1.1.2换挡叉的结构特点换挡叉在改变档位时要承受弯曲应力和冲击载荷的作用，因此该零件应具有足够的强度、刚度和韧性，以适应换挡叉的工作条件。该零件的主要工作表面为换挡叉脚两端面、叉轴孔和锁销孔，在设计工艺规程时应重点予以保证。1.2换挡叉的技术要求换挡叉零件技术要求如下表加工表面尺寸及偏差/mm公差及精度等级表变粗糙度Ra/形位公差/mm换挡叉头两端面42IT1312.5换挡叉头部上端面21IT136.3换挡叉头部方槽两侧面14IT133.2换挡叉头部方槽底面IT143.2孔IT80.2换挡叉脚两端面IT110.8换挡叉脚内表面IT103.2该换挡叉形状特殊、结构简单，属典型的叉杆类零件。为实现换挡、变速的功能，其叉轴孔与变速叉轴有配合要求，因此加工精度要求较高。差脚两端面以及换挡叉头部方槽两侧面在工作中需承受冲击载荷为增强其耐磨性，该表面要求高频淬火处理，硬度为55-63HRC；为保证换挡叉换挡时叉脚受力均匀，要求叉脚两端面对叉轴孔mm垂直度为0.1。为保证换挡叉在叉轴上有准确的位置，该换档位准确，换挡叉采用螺栓螺纹连接定位。为保证整个零件的硬度和加工性能，要求对整个零件进行热处理、调质，硬度为18-25HRC。综上所述，该换挡叉零件的各项技术要求制定的较为合理，符合该零件在变速箱中的功用。1.3分析换挡叉的工艺性分析零件图可知，拨插头两端面和差脚两端面均要求切削加工，且在轴向方向上均高于相邻表面，这样既减少里加工面积，又提高了换挡时叉脚端面的接触刚度；mm孔的端面为平面，可以防止加工过程中钻头钻偏以保证孔的加工精度；另外，该零件除主要工作表面（换挡叉脚两端面、内表面mm和差轴孔mm）外，其余表面加工精度均较低，不需要高精度机床加工，通过铣削、钻床的粗加工就可以达到加工要求；而主要工作表面虽然加工精度相对较高，但也可以在正常的生产条件下，采用较经济的方法保质保量的加工出来。由此可见，该零件的工艺性较好。1.4确定换挡叉的工艺类型设计要求该零件的生产类型为大批生产。2换挡叉机械加工工艺规程设计2.1换挡叉材料及毛坯制造方法由于该换挡叉在工作过程中要承受冲击载荷，为增强换挡叉的强度和冲击韧度，获得纤维组织，毛坯选用铸件，该换挡叉的轮廓尺寸不大，且生产类型属于中批生产，为提高生产率和铸件精度，以采用砂型铸造方法制造毛坯。毛坯的拔模斜度为5°。2.2确定毛坯尺寸公差和加工余量要确定毛坯的尺寸公差及机械加工余量，应先确定如下各项因素。2.2.1铸件机械加工余量等级查表2-5[1]得铸件机械加工余量等级为F~H，取G级。2.2.2铸件公差等级由于铸件选择机器造型，材料为ZG45Ⅱ，生产类型为大批量，查表2-1[1]得铸件公差等级CT为8~12级，取10级。2.2.3确定铸件基本尺寸换挡叉铸件尺寸公差、加工余量和基本尺寸如下：加工表面公差等级加工面基本尺寸铸造尺寸公差机械加工余量公差等级RMA毛坯基本尺寸换挡叉头部上端面10212.4G1.423.6换挡叉头部方槽两侧面—————0换挡叉头部方槽底面—————0换挡叉头部两侧面10422.8G1.446.2螺纹孔端面10142.2G1.416.5孔—————0换挡叉脚两端面1082G1.411.8换挡叉脚内表面10R433.2G1.4R40.82.3定位基准的选择2.3.1粗基准作为粗基准的表面应平整，没有飞边、毛刺或其他表面欠缺。粗基准：选择换挡叉脚两端面和内表面作为粗基准。2.3.2精基准根据该换挡叉零件的技术要求和装配要求，选择换挡叉头右端面和叉轴孔mm做为精基准，零件上的很多表面都可以采用他们作基准进行加工，即遵循了“基准统一”原则。叉轴孔mm的轴线是设计基准，选用其做精基准定位加工换挡叉脚两端面，实现了设计基准和工艺基准的重合，保证了被加工表面的垂直度要求。选用换挡叉左端面作为精基准同样是遵循了“基准重合”的原则，因为该换挡叉在轴方向的尺寸多以该端面作为设计基准；另外，由于换挡叉刚性较差，受力易产生弯曲变形，为了避面在机械加工中产生加紧变形，根据夹紧力应垂直于主要定位基面，并应作用在刚度较大部位的原则，夹紧力作用点不能做用在叉杆上。选用换挡叉头右端面作精基准，夹紧可作用在换挡叉左端面上，加紧稳定可靠。2.4制订工艺路线2.4.1工艺路线方案一工序1：粗铣换挡叉头左右两端面工序2：钻mm孔。工序3：拉mm孔至图样尺寸。工序4：锪mm孔处倒角1×45º。工序5：粗铣换挡叉头上端面。工序6：粗铣—精铣换挡叉头部方槽。工序7：粗铣—精铣—磨削换挡叉脚两端面。工序8：粗铣—精铣换挡叉脚内表面。工序9：粗铣螺纹孔端面。工序10：钻M10mm底孔Φ8.5mm，倒角120º，攻螺纹M10mm。工序11：清洗。工序12：终检。2.4.2工艺路线方案二工序1：粗铣换挡叉头左右两端面工序2：钻mm孔。工序3：拉mm孔至图样尺寸。工序4：锪mm孔处倒角1×45º。工序5：粗铣—精铣—磨削换挡叉脚两端面。工序6：粗铣—精铣换挡叉脚内表面。工序7：粗铣换挡叉头上端面。工序8：粗铣—精铣换挡叉头部方槽。工序9：粗铣螺纹孔端面。工序10：钻M10mm底孔Φ8.5mm，倒角120º，攻螺纹M10mm。工序11：清洗。工序12：终检。2.4.3工艺方案的比较与分析上述两个方案的特点在于：方案一是先加工换挡叉头部两端面及Φ16mm孔，再加工换挡叉头部方槽，再加工换挡叉脚部端面及内表面，最后加工M10mm螺纹孔。方案二是先加工换挡叉头部两端面及Φ16mm孔，再加工换挡叉脚部端面及内表面，再加工换挡叉头部方槽，最后加工M10mm螺纹孔。显然在加工换挡叉脚部端面及内表面之后在加工换挡叉头部方槽，较易保证方槽的加工精度和形位公差，所以方案二较合理。2.4.4工艺路线确定在综合考虑工序顺序安排原则的基础上，表4列出了换挡叉的工艺路线。表4换挡叉工艺路线及定位基准、设备的选用工序号工序名称机床设备刀具定位基准1同时粗铣换挡叉头左右两端面卧式双面铣床三面刃铣刀叉脚左侧边2钻Φ16mm孔四面组合钻床麻花钻、扩孔钻叉脚内表面和叉顶部侧面3拉Φ16mm孔拉床拉刀叉脚内表面和叉顶部侧面4锪Φ16mm孔处倒角1×45º钻床锪钻叉脚内表面和叉顶部侧面5粗铣—精铣换挡叉脚两端面卧式双面铣床三面刃铣刀Φ16mm孔，叉头部右端面6粗铣—精铣叉脚内侧面立式铣床X51铣刀Φ16mm孔，叉脚外曲面7粗铣换挡叉头上端面，并粗铣、精铣方槽立式铣床X51铣刀Φ16mm孔，叉脚内表面8粗铣螺纹孔端面立式铣床X51铣刀Φ16mm孔，叉脚内表面9钻M10mm底孔Φ8.5mm倒角，攻M10mm螺纹四面组合钻床麻花钻，锪钻Φ16mm孔，叉脚内表面，叉头右端面10去毛刺钳工台平锉11中检12热处理—换挡叉脚两侧面和方槽两侧面高频淬火淬火机等13校正换挡叉脚钳工台手锤14磨削换挡叉脚两端面平面磨床M7120A砂轮Φ16mm孔，叉头部右端面15清洗清洗机16终检2.5确定切削用量及基本工时2.5.1切削用量的计算工序1：同时粗铣换挡叉头左右两端面。该工序就一个工步，即同时粗铣换挡叉头左右两个端面。（1）背吃刀量的确定mm（2）进给量的确定由表5-7，按机床功率5~10kW、工件—夹具系统刚度为中等条件选取，该工件的每齿进给量取为0.08mm/z。（3）铣削速度计算由表5-9，按镶齿铣刀、d/z=80/10的条件选取，铣削速度v可取为44.9m/min。由公式（5-1）n=1000v/πd可求得该工序铣刀转速，即n=1000×44.9m/min/π×80=178.65r/min，参照表4-15所列X51型立式铣床的主轴转速，取转速n=160r/min。再取此转速代入公式（5-1），可求出该工序的实际铣削速度v=nπd/1000=40.2m/min。工序2：钻Φ16mm孔。背吃刀量的确定由表2-28，mm。进给量的确定查表5-22，按钢件45刚查表得进给量取=0.25mm/r。切削速度的确定查表5-22得切削速度v=20m/min.工序3：拉Φ16mm孔。背吃刀量的确定mm。进给量的确定查表5-33得拉削进给量=0.05mm/z切削速度的确定查表5-34，取第2组切削速度，切削速度为v=4m/min.工序4：锪Φ16mm孔两端倒角1×45º背吃刀量的确定mm进给量的确定查表5-32，取进给量=0.10mm/r.切削速度的确定查表5-32，取切削速度v=14m/min.工序5：粗铣—精铣换挡叉脚两端面本工序由两个工步组成，即工步1：同时粗铣换挡叉脚两端面；工步2：同时精铣换挡叉脚两端面。背吃刀量的确定工步2的机械加工余量为1mm，所以工步1的背吃刀量mm；工步2的背吃刀量mm。进给量的确定工步1：查表5-7，取每齿进给量=0.08mm/z；工步2：查表5-8，进给量=1.5mm/r。铣削速度的确定工步1：铣削速度同工序1，即:v1=40.2m/min；工步2：铣削速度同工步1，即v2=40.2m/min.工序6：粗铣—精铣叉脚内侧面本工序由两个工步组成，即工步1：粗铣换挡叉脚内侧面；工步2：精铣换挡叉脚内侧面。（1）背吃刀量的确定工步2的机械加工余量为1mm，所以工步1的背吃刀量mm；工步2的背吃刀量mm。（2）进给量的确定工步1：查表5-7，取每齿进给量=0.08mm/z；工步2：查表5-8，进给量=1.5mm/r。（3）铣削速度的确定工步1：铣削速度同工序1，即:v1=40.2m/min；工步2：铣削速度同工步1，即v2=40.2m/min工序7：粗铣换挡叉头上端面，并粗铣、精铣方槽本工序共有三道工步，即工步1：粗铣换挡叉头上端面；工步2：粗铣方槽；工步3：精铣方槽。背吃刀量的确定工步1：mm；工步2：由于精加工余量为1mm，所以mm；工步3：该工步进给量包括方槽纵向背吃刀量和左侧及右侧横向背吃刀量，三个背吃刀量相同，即mm。进给量的确定工步1和工步2的进给量相同，即mm/z；工步3的进给量为=1.5mm/r。铣削速度的确定三个工步的切削速度相同，即v=40.2m/min。工序8：粗铣螺纹孔端面背吃刀量的确定mm。进给量的确定=0.08mm/z。铣削速度的确定v=40.2m/min。工序9：钻M10mm底孔Φ8.5mm，倒角120，攻M10mm螺纹本工序包括三道工步，即工步1：用Φ8.5mm的麻花钻钻削底孔；工步2：用锪钻钻削倒角；工步3：攻M10mm螺纹。背吃刀量的确定工步1：mm；工步2：=0.5mm；工步3：mm。进给量的确定工步1：查表5-22，按钢件45刚查表得进给量取=0.0.15mm/r。工步2：查表5-32，取进给量=0.10mm/r；工步3：由于攻螺纹的进给量就是被加工螺纹的螺距，取本螺纹的螺距为1mm，所以本工步的进给量=1mm。切削速度的确定工步1：查表5-22得切削速度v=20m/min；工步2：查表5-32，取切削速度v=14m/min。工步3：由表5-37差得攻螺纹的切削速度v=3~8m/min，暂取v=3m/min。由公式（5-1）求该工步的主轴转速r/min，又由立式钻床主轴转速表4-9，取转速44r/min。再将此转速代入公式（5-1）可求出该工步的实际切削速度m/min。工序10：钻通孔Φ2mm（1）背吃刀量的确定mm。（2）进给量的确定=0.08mm。（3）切削速度的确定v=20m/min。2.5.2基本工时的计算工序1：同时粗铣换挡叉头左右两端面按表5-43，取=22mm，mm，mm工序2：钻Φ16mm孔根据表5-41，取=42mm，mm，mm工序3：拉Φ16mm孔设拉刀长度为400mm，则工序5：粗铣—精铣换挡叉脚两端面=19mm，mm，mm工序6：粗铣—精铣叉脚内侧面=26mm，mm，mm工序7：粗铣换挡叉头上端面，并粗铣、精铣方槽粗铣换挡叉头上端面时所用基本工时计算：=42mm，mm，mm粗铣方槽所用基本工时为=12mm，mm，mm精铣方槽两侧面所用基本工时为=12mm，mm，mm工序8：粗铣螺纹孔端面=14mm，mm，mm工序9：钻M10mm底孔Φ8.5mm，攻M10mm螺纹（1）钻M10mm底孔Φ8.5mm所用基本工时为=8mm，mm，mm（2）攻M10mm螺纹所用基本工时为=8mm，mm，mm工序10：钻通孔Φ2mm=29mm，mm，mm3铣M10小凸台专用机床夹具设计3.1设计主旨为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，形成大批量生产，通常需要设计专用夹具。经过选择课题和指导老师的帮助，决定设计M10小凸台铣床夹具。本夹具将用于立式铣床，刀具为三面刃铣刀，对工件的凸台进行铣削。3.2夹具设计3.2.1约束自由度由于加工M10小凸台，所以至少要约束Z轴的平移、X轴旋转和Y轴的旋转。3.2.2设计夹具定位夹紧结构因为只需约束三个自由度，所以设计为小圆柱销和大圆柱销定位结构来限制自由度，螺母夹紧。详见夹具装配图。3.3切削力及夹紧分析计算刀具：三面刃铣刀（硬质合金）刀具有关几何参数：由参考文献[5]5表1～2～9可得铣削切削力的计算公式：有：根据工件受力切削力、夹紧力的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬间状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值，即：安全系数K可按下式计算：式中：为各种因素的安全系数，查参考文献[5]1～2～1可知其公式参数：由此可得：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。选用夹紧螺钉夹紧机由其中f为夹紧面上的摩擦系数，取 F=+GG为工件自重夹紧螺钉：公称直径d=20mm，材料铝合金钢性能级数为6.8级螺钉疲劳极限：极限应力幅：许用应力幅：螺钉的强度校核：螺钉的许用切应力为[s]=2.5~4取[s]=4得满足要求经校核：满足强度要求，夹具安全可靠，使用快速螺旋定位机构快速人工夹紧，调节夹紧力调节装置，即可指定可靠的夹紧力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。3.4误差分析与计算为了满足工序的加工要求，必须使工序中误差总和等于或小于该工序所规定的尺寸公差。与机床夹具有关的加工误差，一般可用下式表示：由参考文献[5]可得：=1\*GB2⑴两销定位误差：其中：，，，⑵夹紧误差：其中接触变形位移值：查[5]表1～2～15有。⑶磨损造成的加工误差：通常不超过⑷夹具相对刀具位置误差：取误差总和：从以上的分析可见，所设计的夹具能满足零件的加工精度要求。3.5零、部件的设计与选用定向键与对刀装置设计定向键安装在夹具底面的纵向槽中，两个一般的使用。的布局尽可能远的距离。通过方向键的协调与铣床工作台的T型槽，使工作表面定位元件夹具工作台的进给方向具有正确的位置。方向键可以下产生的扭矩铣削时，螺栓夹紧夹具可以降低负荷，加强加工夹具牢固。根据GB2207—80定向键结构如图所示：图3.1夹具体槽形与螺钉根据T形槽的宽度a=14mm定向键的结构尺寸如表5.4：表3.4定向键BLHhD夹具体槽形尺寸公称尺寸允差d允差公称尺寸允差D14～0.012～0.03525124124.518+0.0195对刀装置由对刀块和塞尺组成，用来确定刀具与夹具的相对位置。塞尺选用平塞尺，其结构如图5.3所示：图2.3平塞尺塞尺尺寸参数如表5.5：表2.5塞尺公称尺寸H允差dC3～0.0060.253.6夹具设计及操作的简要说明2.3切削力及夹紧分析计算刀具：错齿三面刃铣刀（硬质合金）刀具有关几何参数：由参考文献[5]5表1～2～9可得铣削切削力的计算公式：有：根据工件受力切削力、夹紧力的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬间状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值，即：安全系数K可按下式计算：式中：为各种因素的安全系数，查参考文献[5]1～2～1可知其公式参数：由此可得：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。选用夹紧螺钉夹紧机由其中f为夹紧面上的摩擦系数，取 F=+GG为工件自重夹紧螺钉：公称直径d=20mm，材料铝合金钢性能级数为6.8级螺钉疲劳极限：极限应力幅：许用应力幅：螺钉的强度校核：螺钉的许用切应力为[s]=2.5~4取[s]=4得满足要求经校核：满足强度要求，夹具安全可靠，使用快速螺旋定位机构快速人工夹紧，调节夹紧力调节装置，即可指定可靠的夹紧力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。2.4误差分析与计算为了满足工序的加工要求，必须使工序中误差总和等于或小于该工序所规定的尺寸公差。与机床夹具有关的加工误差，一般可用下式表示：由参考文献[5]可得：=1\*GB2⑴两V型块定位误差：其中：，，，⑵夹紧误差：其中接触变形位移值：查[5]表1～2～15有。⑶磨损造成的加工误差：通常不超过⑷夹具相对刀具位置误差：取误差总和：从以上的分析可见，所设计的夹具能满足零件的加工精度要求。2.5零、部件的设计与选用定向键与对刀装置设计定向键安装在夹具底面的纵向槽中，两个一般的使用。的布局尽可能远的距离。通过方向键的协调与铣床工作台的T型槽，使工作表面定位元件夹具工作台的进给方向具有正确的位置。方向键可以下产生的扭矩铣削时，螺栓夹紧夹具可以降低负荷，加强加工夹具牢固。根据GB2207—80定向键结构如图所示：图2.1夹具体槽形与螺钉根据T形槽的宽度a=14mm定向键的结构尺寸如表5.4：表5.4定向键BLHhD夹具体槽形尺寸公称尺寸允差d允差公称尺寸允差D14～0.012～0.03525124124.518+0.0195对刀装置由对刀块和塞尺组成，用来确定刀具与夹具的相对位置。塞尺选用平塞尺，其结构如图5.3所示：图2.3平塞尺塞尺尺寸参数如表5.5：表2.5塞尺公称尺寸H允差dC3～0.0060.252.6夹具设计及操作的简要说明当夹具有制造误差、工作过程出现磨损、以及零件尺寸变化时，影响定位、夹紧的可靠。为防止此现象，选用快换垫圈，方便取下。以便随时根据情况进行调整换取。应该注意提高生产率，但该夹具设计采用了手动夹紧方式，在夹紧和松开工件时比较费时费力。这类夹紧机构结构简单、夹紧可靠、通用性大，在机床夹具中很广泛的应用。由于该工件体积小，经过方案的认真分析和比较，选用了手动夹紧方式（螺旋夹紧机构）。此外，当夹具有制造误差，工作过程出现磨损，以及零件尺寸变化时，影响定位、夹紧的