万向节滑动叉的机械加工工艺规程及工艺装备的设计.docx
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万向节滑动叉的机械加工工艺规程及工艺装备的设计
目录
引言3
二.零件的分析4
2.1零件的作用4
2.2零件的材料4
2.3零件的工艺分析5
2.3.1结构分析5
2.3.2加工表面的技术要求分析5
2.3.3.表面处理内容及作用6
三.工艺规程设计7
3.1制定零件工艺规程的原则和技术要求7
3.1.1工艺要求7
3.1.2技术依据7
3.2确定毛坯的制作形式7
3.3制定工艺路线及方法8
3.3.1加工方法的选择8
3.3.2基准的选择8
3.3.3制定工艺路线9
3.4机械加工余量、工艺尺寸及毛坯尺寸的确定13
3.5确定切削用量及基本工时16
3.5.1加工条件16
3.5.2计算切削用量16
四．夹具设计29
4.1问题的提出30
4.2夹具设计30
4.2.1定位基准的选择30
4.2.2切削力及夹紧力计算30
4.2.3定位误差分析31
4.2.4.铣床夹具设计及操作的简要说明32
总结33
参考文献34
致谢35
引言
本次毕业设计的课题名称是万向节滑动叉机加工艺及工装设计。
万向节滑动叉位于传动轴的端部，主要作用之一是传递扭矩，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。
万向节滑动叉就是将万向节叉和滑动花键副的一部分组合起来，使其成为一个零件，其特征是该万向节滑动叉为采用管材制作的万向节叉与滑动套为一体的整体式结构，其端部呈叉形结构，并设有两个十字销孔，用于安装十字万向节；在管内设有内花键，这种呈整体式结构的滑动叉，不仅加工容易、成本低，而且强度高，故其使用寿命与传统的万向节叉滑动套合件相比，有了成倍的提高。
它的研究和使用可以简化万向传动装置的结构，也满足功能要求，因此对万向节滑动叉的研究有极大的实际意义。
本课题的研究及论文的撰写是在徐老师的悉心指导下完成的。
徐老师在百忙中给我们讲解论文中的细节以及论文中所涉及的工艺分析，还有他严谨的治学态度也是我学习的榜样。
通过本次毕业设计，使我对本专业有了更加深刻的了解，在以后的工作中也具有重要意义
二.零件的分析
2.1零件的作用
题目所给定的零件是解放牌汽车底盘传动轴上的万向节滑动叉，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的状态时，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Φ
mm的孔，用以安装滚针轴承并与十字轴相连，起万向联轴节的作用。
零件Φ65mm外圆内为Φ50mm花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用于传递动力之用。
2.2零件的材料
一般的，每一个零件由于处于不同的部位，因此，各个部位的零件材料的选择就各不相同。
一般的，底座机身，用灰铁材料，耐压、吸振，成本低。
普通的轴、齿轮，用45号钢材料，强度高。
重要的轴、齿轮，用40Cr材料调质处理，高强度，价格贵些。
我们知道，45号钢为优质碳素结构用刚，经调制处理后游良好的综合机械性能和加工工艺性能，硬度不高易切削加工，模具中常用来做模板，梢子，导柱等，但必须热处理。
零件材料的选择主要是满足使用要求，同时兼顾材料的工艺性和经济性，所以万向节滑动叉的选择可以采用45号钢。
45钢调质后机械性能
屈服强度
抗拉强度
延伸率
布氏硬度
=550MPaN/m
σb=750MPaN/m
δs=20%
HB=235
2.3零件的工艺分析
2.3.1结构分析
该零件由两个叉头和一个圆套筒内有的花键孔组成，类似套筒类零件，各部分作用如下：
a.零件的两个叉头部位上有两个直径为
的孔，用以安装滚针轴承和十字轴相联，起万向连轴节的作用；
b.在叉头和花键孔套筒相联结的筋条起过渡联结和加强零件刚性作用，防止零件受阻变形；
c.外圆为Φ65mm，内圆Φ50mm花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用以传递动力。
2.3.2加工表面的技术要求分析
万向节滑动叉共有两组加工表面，他们相互间有一定的位置要求。
现分述如下：
a.以Φ39mm孔为中心的加工表面
这一组加工表面包括：
两个Φ
的孔及其倒角，尺寸为
的与两个孔
相垂直的平面，还有在平面上的四个M8螺孔。
其中，主要加工表面为
的两个孔。
b.以Φ50mm花键孔为中心的加工表面
这一组加工表面包括：
十六齿方齿花键孔，Φ55mm阶梯孔，以及Φ65mm的外圆表面和M60×1mm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：
（1）
花键孔与
二孔中心联线的垂直度公差为100：
0.2；
（2）Φ39mm二孔外端面对Φ39mm孔垂直度公差为0.1mm；
（3）
花键槽宽中心线与Φ39mm中心线偏转角度公差为2°。
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确要求。
2.3.3.表面处理内容及作用
由于零件受正反向冲击性载荷，容易疲劳破坏，喷砂处理的优势在于使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。
所以采用表面喷砂处理，既提高表面硬度，还可以在零件表面造成残余压应力，以抵消部分工作时产生的拉应力，从而提高疲劳极限。
三.工艺规程设计
3.1制定零件工艺规程的原则和技术要求
3.1.1工艺要求
制定零件机械加工工艺过程是生产技术准备工作的一个重要组成部分。
一个零件可以采用不同的工艺过程制造出来，但正确与合理的工艺过程应满足以下基本要求：
（1）保证产品的质量符合图纸和技术要求条件所规定的要求；
（2）保证提高生产率和改善劳动条件；
（3）保证经济性的合理。
3.1.2技术依据
（1）.产品零件图和装配图，技术条件；
（2）.毛坯生产和供应条件；
（3）.年生产纲领
（4）.本车间生产条件（包括设备，工人技术等级，劳动场合条件等）；
（5）.工艺技术条件，手册等。
3.2确定毛坯的制作形式
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，以使金属纤维不被切断，保证零件工作可靠。
由于零件年产量为5252件，已达大批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，故可采用模锻成型。
这对提高生产率、保证加工质量也是有利的。
模锻毛坯具有以下特点：
a.其轮廓尺寸接近零件的外形尺寸，加工余量及材料消耗均大量减少；
b.其制造周期短，生产率高，保证产品质量。
3.3制定工艺路线及方法
3.3.1加工方法的选择
零件各表面加工方法的选择，不但影响加工质量，而且也要影响生产率和成本。
同一表面的加工可以有不同的加工方法，这取决于表面形状，尺寸，精度，粗糙度及零件的整体构型等因素。
主要加工面的加工方法选择：
（1）两个
孔及其倒角可选用加工方案如下：
a）该零件的批量不是很大，考虑到经济性，不适用于钻-拉方案
b）该零件除上述因素外，尺寸公差及粗糙度要求均不是很高，因此只需采用钻-镗方案。
（2）尺寸为
的两个与孔
相垂直的平面根据零件外形及尺寸的要求，选用粗铣-磨得方案
（3）Φ50mm花键孔因孔径不大，所以不采用先车后拉，而采用钻-扩-拉方案。
（4）Φ65mm外圆和M60x1外螺纹表面均采用车削即可达到零件图纸的要求。
3.3.2基准的选择
基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。
基面选择得正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得以提高。
否则，加工工艺过程中会问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。
3.3.2.1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。
但对本零件来说，如果以Φ65mm外圆（或Φ62mm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），现选择叉部两个
孔的不加工外轮廓表面作为粗基准，利用一组共两个短V形块支承这两个
的外轮廓作主要定位面，以消除
四个自由度，再用一对自动定心的窄口卡爪，夹持在Φ65mm外圆柱面上，用以消除
两个自由度，达到完全定位。
3.3.2.2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。
3.3.3制定工艺路线
制定工艺路线的出发点，应当适时零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。
由于生产类型为大批生产，可以考虑采用万能性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，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。
根据零件的结构形状和技术要求，现初步制定两种工艺路线方案：
3.3.3.1工艺路线方案一
工序10车外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60×1mm。
工序20两次钻孔并扩钻花键底孔Φ43mm，加工沉头孔Φ55mm。
工序30倒角5×60°。
工序40钻z1/8底孔。
工序50拉花键孔。
工序60粗铣Φ39mm二孔端面。
工序70精铣Φ39mm二孔端面。
工序80钻、扩、粗铰、精铰两个Φ39mm孔至图样尺寸并锪倒角2×45°。
工序90钻M8mm底孔Φ6.7mm，倒角120°。
工序100攻螺纹M8mm底孔Φ6.7mm，倒角120°。
工序110冲箭头。
工序120检查。
3.3.3.2工艺路线方案二
工序10粗铣Φ39mm二孔端面。
工序20精铣Φ39mm二孔端面。
工序30钻Φ39mm二孔（不到尺寸）。
工序40镗Φ39mm二孔（不到尺寸）。
工序50精镗Φ39mm二孔，倒角2×45°。
工序60车外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60×1mm
工序70钻、镗孔Φ43mm，并锪沉头孔Φ55mm。
工序80倒角5×60°。
工序90钻z1/8底孔。
工序100拉花键孔。
工序110钻M8mm螺纹底孔Φ6.7mm孔，倒角120°。
工序120攻螺纹M8mm底孔Φ6.7mm，倒角120°。
工序130冲箭头。
工序140检查。
3.3.3.3工艺路线方案三
工序10车端面及外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60×1mm。
工序20钻、扩花键底孔Φ43mm，并加工沉头孔Φ55mm。
工序30内花键孔5×60°倒角。
工序40钻锥螺纹z1/8底孔。
工序50拉花键。
工序60粗铣Φ39mm二孔端面。
工序70钻、扩Φ39mm二孔及倒角。
工序80精、细镗Φ39mm二孔。
工序90磨Φ39mm二孔端面，保证尺寸1180-0.07mm。
工序100钻叉部四个M8mm螺纹底孔并倒角。
工序110攻螺纹4-M8mm，z1/8。
工序120冲箭头。
工序130终检。
3.3.3.4工艺方案的比较与分析
上述两个工艺方案的特点在于：
方案一是先加工以花键孔为中心的一组表面，然后以此为基面加工Φ39mm二孔；而方案二则与此相反，先是加工Φ39mm孔，然后再以此二孔为基准加工花键孔及其外表面。
两相比较可以看出，先加工花键孔后再以花键孔定位加工Φ39mm二孔，这时的位置精度较易保证，并且定位及装夹等比较方便。
但方案一中的工序35虽然代替了方案二中的工序10、15、20，减少了装夹次数，但在一道工序中要完成这么多工作，除了选用专门设计的组合机床（但在成批生产时，在能保证加工精度的情况下，应尽量不选用专用组合机床）外，只能选用转塔机床。
而转塔车床目前大多适用于粗加工，用来在此处加工Φ39mm二孔是不合适的。
通过仔细考虑零件的技术要求以及可能采取的加工手段之后，就会发现方案二还有其他问题，主要表现在Φ39mm两个孔及其端面加工要求上。
图样规定：
Φ39mm二孔中心线应与Φ55mm花键孔垂直，垂直公差为100：
0.2；Φ39mm二孔与其外端面应垂直，垂直度公差为0.1mm。
由此可以看出：
因为Φ39mm二孔的中心线要求与Φ55mm花键孔中心线相垂直，因此，加工及测量Φ39mm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。
在上述工艺路线制订中也是这样做了的。
同理，Φ39mm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。
但在已制订的工艺路线中却没有这样做：
Φ39mm孔加工时，以Φ55mm花键孔定位（这是正确的）；而Φ39mm孔的外端面加工时，也是以Φ55mm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的原则，造成了不必要的基准不重合误差。
具体来说，当Φ39mm二孔的外端面以花键孔为基准加工时，如果两个端面与花键孔中心线已保证绝对平行的话（这是很难得），那么由于Φ39mm二孔中心线与花键孔仍有100：
0.2的垂直公差，则Φ39mm孔与其外端面的垂直度误差就会很大，甚至会造成超差而报废。
这就是由于基准不重合而造成的恶果。
方案三解决了上述问题，因此，最后的加工路线确定如下：
工序10车端面及外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60×1mm。
以
两个叉耳外轮廓及Φ65mm外圆为粗基准，选用CA6140卧式车床，专用夹具装夹。
工序20钻、扩花键底孔Φ43mm，并加工沉头孔Φ55mm。
以Φ62mm外圆为基准，选用CA6140普通车床。
工序30内花键孔4×60°倒角。
选用CA6140车床加专用夹具。
工序40钻锥螺纹z1/8底孔。
选用钻床及专用钻模。
这里安排钻z1/8底孔主要是为了下道工序拉花键时消除回转自由度而设置的一个定位基准。
本工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50拉花键孔。
利用花键内底孔、Φ55mm端面及z1/8锥纹孔定位，选用卧式拉床加工。
工序60粗铣Φ39mm二孔端面，以花键孔定位，选用卧式铣床加工。
工序70钻、扩Φ39mm二孔及倒角。
以花键孔及端面定位，选用钻床加工。
工序80精、细镗Φ39mm二孔。
选用镗床及用夹具加工，以花键内孔及端面定位。
工序90磨Φ39mm二孔端面，保证尺寸1180-0.07mm，以Φ39mm
孔及花键孔定位，选用磨床及专用夹具加工。
工序100钻叉部四个M8mm螺纹底孔并倒角。
选用钻床及
专用夹具加工，以花键孔及Φ39mm孔定位。
工序110攻螺纹4-M8mm，z1/8。
工序120冲箭头。
工序130终检。
以上工艺过程详见附表1“机械加工工艺过程综合卡片”。
3.4机械加工余量、工艺尺寸及毛坯尺寸的确定
万向节滑动叉”零件材料为45钢，硬度207～241HBS，毛坯重量约为6Kg，生产类型为大批生产，采用在锻锤上合模模锻毛坯。
根据上述原是资料及加工工艺，分别确定各加工表面的加些加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：
1.外圆表面（Φ62mm及M60×1mm）
考虑其加工长度为90mm，与其联结的非加工表面直径为Φ65mm，为简化模锻毛坯的外形，现直接取其外圆表面直径为Φ65mm。
Φ62mm表面为自由尺寸公差，表面粗糙度值要求为Rz200µm,只要求粗加工，此时直径余量2Z=3mm已能满足加工要求。
2.外圆表面沿轴线长度方向的加工余量及公差（M60×1mm端面）
查《机械制造工艺设计简明手册》（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S1，锻件材质系数取M1，锻件轮廓尺寸（长度方向）＞180～315mm，故长度方向偏差为
mm。
长度方向的余量查《工艺手册》表2.2～2.5，其余量值规定为2.0～2.5mm，现取2.0mm。
3.两内孔
Φ39mm（叉部）
毛坯为实心，不冲出孔。
两内孔精度要求界于IT7～IT8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：
Φ25mm
钻孔：
Φ37mm2Z=12mm
扩钻：
Φ38.7mm2Z=1.7mm
精镗：
Φ38.9mm2Z=0.2mm
细镗：
2Z=0.1mm
4.花键孔（16-
×
×
）
要求花键孔为外径定心，故采用拉削加工。
内孔尺寸为
，见图样。
参照《工艺手册》表2.3-9确定孔的加工余量分配：
钻孔：
Φ25mm
钻孔：
Φ41mm
扩钻：
Φ42mm
拉花键孔（16-
×
×
）
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。
5.
二孔外端面的加工余量（加工余量的计算长度为
）
（1）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，则二孔外端面的单边加工余量为2.0～3.0mm，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。
（2）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。
（3）铣削余量：
铣削的公差余量（单边）为：
Z=2.0-0.2=1.8（mm）
铣削公差：
现规定本工序（粗铣）的加工精度为IT11级，因此可知本工序的加工公差为-0.22mm（入体方向）。
由于毛坯及以后各道工序（或工步）的加工都有加工公差，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，加工余量有最大加工余量及最小加工余量之分。
由于本设计规定零件为大批生产，应该采用调整法加工，因此在计算最大、最小加工余量时，应按调整法加工方式予确定。
Φ39mm二孔外端面尺寸加工余量和工序间余量及公差分布见图。
毛坯名义尺寸118+2x2=122
118+0.2x2=118.4最大余量
118最小余量
最大余量
最小余量
磨粗铣
-0.07/2-0.02/2-0.7+1.3
Φ39mm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+2×2=122（mm）
毛坯最大尺寸：
122+1.3×2=124.6（mm）
毛坯最小尺寸：
122-0.7×2=120.6（mm）
粗铣后最大尺寸：
118+0.2×2=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应相符，即1180-0.07mm
最后，将上述计算的工序间尺寸及公差整理成表1。
表1加工余量计算表（mm）
锻件毛坯
（Φ39mm二端面，零件尺寸1180-0.07）
粗铣二端面
磨二端面
加工前尺寸
最大
124.6
118.4
最小
120.6
118.18
加工后尺寸
最大
124.6
118.4
118
最小
120.6
118.18
117.93
加工余量（单边）
2
最大
3.1
0.2
最小
1.21
0.125
加工公差
+1.3
-0.7
-0.22/2
-0.07/2
3.5确定切削用量及基本工时
工序15：
车削端面、外圆及螺纹。
本工序采用计算法确定切削用量。
3.5.1加工条件
工件材料：
45钢正火，σb=0.60GPa、模锻。
加工要求：
粗车Φ60mm，端面及Φ60mm、Φ62mm外圆，Rz200µm；车螺纹M60×1mm。
机床：
CA6140卧式车床。
刀具：
刀片材料YT15，刀杆尺寸16×25mm2，κr=90°，
r0=15°，а0=12°，rε=0.5mm。
90°外圆车刀：
刀片材料：
W18Cr4V。
3.5.2计算切削用量
（1）粗车M60×1mm端面1）已知毛坯长度方向的加工余量为
，考虑7°的模锻拔
模斜度，则毛坯超过年度方向的最大加工余量Zmax=7.5mm。
但实际上，由于以后还要钻花键底孔，因此端面不必全部加工，而可以留出一个
Φ40mm芯部待以后钻孔时加工掉，故此时实际端面最大加工余量可按Zmax=5.5mm考虑，分两次加工，аp=3mm计。
长度加工公差按IT12级，取-0.46mm（入体方向）
2）进给量f根据《切削用量手册》（第三版）（以下简称《切削手册》）表1.4，当刀杆尺寸为16mm×25mm，аp≤3mm以及工件直径为60mm时
f=0.5～0.7mm/r
按CA6140车床说明书（见《切削手册》表）取
f=0.5mm/r
3）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）。
其中：
Cv=242，Xv=0.15，Yv=0.35，m=0.2。
修正系数Kv见《切削手册》表1.28，即
kmv=1.44，ksv=0.8，kkv=1.04，kkrv=0.81，kBv=0.97。
所以Vc=242/600.2×30.15×0.50.35×1.44×0.8×1.04×0.81×0.97
=108.6（m/min）
4）确定机床主轴转速
ns=1000vc/
dw=532（m/min）
按机床说明书（见《工艺手册》表4.2-8），与532r/min相近的机床转速为480r/min及600r/min。
现选取nw=600r/min。
如果选nw=480r/min，则速度损失太大。
所以实际切削速度v=122m/min。
5）切削工时，按《工艺手册》表6.2-1。
l=65-40/2=12.5（mm），l1=2mm，l2=0，l3=0
tm=l1+l2+l3/nwfi=12.5+2/600*0.5=0.096（min）
（1）粗车Φ62mm外圆，同时应校验机床功率及进给机构强度。
1）切削深度单边余量Z=1.5mm，可一次切除。
2）进给量根据《切削手册》，选用f=0.5mm/r。
3）计算切削速度见《切削手册》
4）确定主轴转速
ns=1000vc/
dw=568（r/min）
按机床选取n=600r/min
所以实际切削速度
V=
dn/1000=
65x600/1000=122（m/min）
5）检验机床功率主切削力Fc按《切削手册》所示公式计算
其中：
CFc=2795，XFc=1.0，YFc=0.75，nFc=-0.15，
=（σb/650）
=0.94kkr=0.89
所以Fc=2795×1.5×0.50.75×122-0.15×0.94×0.89=1012.5（N）
切削时消耗功率Pc为
Pc=FcVc/6x
=2.06（Kw）
由《切削手册》表1.30中CA6140机床说明书可知，CA6140主电动机功率为7.5kW，当主轴转速为600r/min时，主轴传递的最大功率为5.5kW，所以机床功率足够，可以正常加工。
6）校验机床进给系统强度已知主切削力Fc=1012.5N，径向切削力Fp按《切削手册》所示公式计算
其中：
CFp=1940，xFp=0.9，yFp=0.6，nFp=-0.3
=（σb/650）
=0.897
Kkr=0.5
所以Fp=1940×
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