96拖拉机拨叉的数控编程加工设计Word格式文档下载.docx
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本课题包括拖拉机拨叉结构分析、三维造型设计、编制机械加工工艺规程（毛坯图、工艺过程卡、工序卡），以及典型工序专用夹具的设计及数控加工程序编制，充分体现数控技术专业的培养目标。
此次的毕业设计的训练，能让我在计算机二维与三维设计、机械加工工艺、工装设计、夹具动画制作、数控加工程序编制等方面得到较全面的训练与提高，并培养利用所学专业知识与技能解决生产实际问题的能力。
在设计调研的过程中，进一步了解了机械零件的生产工艺过程，巩固和加深已学过的技术基础课和专业课的知识，理论联系实际，是对自己大专阶段的学习总结，进一步锻炼分析问题的能力，并且为后续的工作和学习打好基础。
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。
第一章零件的实体造型
随着时代的进步，科技的发展，许多高科技手段逐步代替了手工劳动方式，比如机械设计与制造领域，产品设计已经进入到了一种先进的、全新的三维虚拟现实的环境中，实现了产品的数字化三维设计。
CAD/CAM软件即是实现这种数字化三维设计的有效工具。
利用CAD/CAM软件制图和手工制图相比，不仅缩短设计周期，而且大大提高设计效率。
1.1拨叉的结构特点
拨叉形状不规则，它由三部分组成，即工作部分、结合部分和连接部分，见图1-1所示。
工作部分——拨叉脚，由于与结合部分被连接部分割离，加工面之间的相关尺寸不易测量，定位也相对比较困难。
结合部分——拨叉头，有圆孔、凸台、定位平面及螺孔和操纵槽等结构。
连接部分有筋板、铸造圆角和拔模斜度。
图1-1拨叉的结构
1.2零件的实体设计
零件实体的绘制可选的软件有：
Pro/E、UG、AutoCAD、CAXA实体造型以及CAXA制造工程师等，由于CAXA制造工程师价格便宜，使用方便，并且实习单位技术人员的实体设计和数控编程都习惯使用这一国产软件，所以这次零件的实体造型过程中我选用了CAXA制造工程师2006，也巩固了之前CAM课程学习的知识和技能。
前面已经分析了零件的基本结构：
拨叉头、拨叉脚通过连接部分连接成一体。
因此拨叉实体由三个基本实体组合，拨叉实体设计操作步骤如下表。
表1-1拨叉实体设计操作步骤
序号
操作内容
实体图
1
在x0y面绘制草图，然后使用拉伸增料生成出拨叉头部分。
2
在拨叉顶面创建草图，绘制出要除去的槽截面，使用拉伸除料生成出槽。
3
在顶面再创建一幅草图，画出要生成的孔的截面，使用拉伸除料生成孔。
4
在x0y面绘制草图，利用拉伸增料生成拨叉体。
5
在y0z面创建草图，画出切割的界限，使用拉伸除料生成拨叉脚轮廓。
6
最后在绘制拨叉脚两侧端面的草图，然后使用拉伸增料完成整个绘制拨叉的实体的过程。
并倒圆。
第二章拨叉的机械加工工艺编制
机械加工工艺规程是规定零件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件，是机械加工中最主要的技术文件，主要包括工艺过程卡和工序卡。
编制机械加工工艺规程分以下几个阶段：
2.1分析拨叉的技术资料
1．拨叉的功用
该拨叉是主要用于拖拉机变速箱机构中，拖拉机行进速度的变化主要通过操纵手柄拨动拨叉改变变速箱中齿轮位置，得到不同齿数的齿轮组合来实现。
不同齿数的齿轮相互啮合，得到的传动比也不同。
该拨叉结构如图2-1所示，拨叉头以直径φ15的孔套在轴上，拨叉脚卡在双联交换齿轮的槽中，变速操纵机构通过拨叉头部的操纵槽带动拨叉与轴一起在变速箱中滑移，拨叉脚拨动双联交换齿轮在轴上移动，从而实现拖拉机的变速。
2．拨叉的结构及加工精度分析
前一章已经分析过，拨叉三部分作用不同，因此加工要求也有所不同。
（1）．主要加工精度要求：
尺寸公差：
φ15H8，拨叉脚距离公差50H12，、拨叉脚厚度公差7
，操纵槽宽度13
;
位置公差：
φ5孔的位置度公差、拨叉脚后面对φ15孔轴线的垂直度公差;
粗糙度：
φ15H8孔粗糙度要求最高，Ra=3.2μm，拨叉脚两端面粗糙度要求Ra=6.3μm，其余粗糙度要求一般。
（2）．其余技术要求：
铸件表面应清除毛刺、披缝结瘤和粘沙，不应有裂缝、砂眼和局部疏松、多针孔及夹渣等缺陷;
正火处理，硬度180~229HB，拨叉脚局部淬火，硬度不小于50HRC，淬深0.7~1.2mm;
去除锐边毛刺;
不加工表面清砂洗净，涂铁红环氧底漆。
加工过程中要合理穿插热处理，钳修等辅助工序。
图2-1拨叉零件简图
3．确定关键加工表面
根据图纸标注，将精度要求高的装配表面定为关键加工表面。
（1）拨叉头孔径为15的尺寸精度为IT8，粗糙度Ra=3.2μm,其轴线是直径为5的小孔的位置度基准和拨叉角的垂直度基准，所以是关键加工表面。
（2）拨叉脚的50H12以及厚度7有尺寸公差要求IT11，厚度7对φ15孔轴线有垂直度要求，作为工作表面需要局部淬火，也是关键加工表面。
2.2确定零件毛坯的类型及其制造方法
毛坯的类型及其制造方法的选择不仅影响毛坯的制造工艺及费用，而且与零件的机械加工工艺和加工质量密切相关。
1．毛坯的类型及其制造方法的选择
选择毛坯时应该考虑的因素有：
零件的生产纲领、零件材料的工艺性、零件的结构形状和尺寸、现有的生产条件。
由于拨叉零件的材料要求为ZG310-570，因此应选用毛坯类型为铸件。
该零件是大批量生产，零件的轮廓尺寸不大，所以企业选用机械砂型铸造。
江旭铸造公司有一条机械砂型铸造流水线，生产效率比手工制砂型高数倍至数十倍，特别适合大批量生产，虽然设备昂贵，但工人的技术水平要求较低，对中小型铸件的质量稳定性也有明显提高。
2．确定拨叉毛坯的机械加工余量
毛坯选择过零件最高线且平行与叉脚对称面的平面作为分型面。
铸件采用带型芯的分模造型，多件同时浇注，铁水经两拨叉脚位置经横浇口流入。
由于该零件属特形零件，且利用不加工表面进行定位的情形较多，所以确定铸件尺寸公差等级为GB6414—1999的F，机械加工余量等级为H。
查机械工艺师手册，结合公司实际情况，将零件各加工面毛坯余量及公差列入下表2-1。
表2-1各加工面毛坯余量表
简图
表面代号
基本尺寸
余量
公差
备注
A1-A3
-
实心
B1
30
±
B2
50
B3
B4
7
0.5
B5
3．绘制毛坯图
毛坯图是在零件图基础上增加了毛坯余量并简化了尺寸后的视图，视图中用填充了交叉线图案来表示加工余量，如图2-2所示。
图2-2拨叉毛坯图。
2.3选择拨叉的定位基准
从拨叉的技术要求可知，拨叉的主要加工面是拨叉脚淬火的四个面、直径为15的孔及前端面，它们的尺寸精度要求高，粗糙度值较低，且相互位置精度要求也高。
1．粗基准的选择
粗基准的选择有多种方案，在此列出两个方案，如表2-2所示。
方案一：
选择不加工表面——拨叉头顶面以及拨叉脚后面为粗基准，加工φ15孔及端面，实现了完全定位，辅以拨叉头左面的辅助基准，增加工艺刚度。
夹紧力压住主要定位面，夹紧可靠，操作方便。
方案二：
选择不加工表面——拨叉头后面、拨叉头φ22下半圆柱为粗基准，加工φ15孔及端面，只需要五点定位，这种定位能够保证拨叉头30尺寸。
表2-2拨叉粗基准方案
方案一
方案二
2．精基准的选择
精基准选择主要考虑的原则是：
基准重合、基准统一，并保证工件定位准确。
夹紧可靠，操作方便。
现以零件最后加工表面——同时平面磨削拨叉脚前后端面工序为例，分析制订精基准选择方案，如表2-3示。
选择平面垂直度基准φ15孔及尺寸31的基准φ5轴线为精基准，实现完全定位，这种定位符合基准重合的原则，只是夹紧力离开加工表面远了些，并且装夹操作不太方便。
选择重要表面——拨叉头前端面、φ15H8孔轴线为精基准，实现了五点定位，因为设计要求不需要完全定位，辅以拨叉脚附近的辅助基准，增加工艺刚度。
夹紧力压住主要定位面以及辅助基准，夹紧方便可靠，夹具结构简单，φ15H8孔轴线为基准符合基准重合的原则，尺寸31要求不高，以拨叉头前端面为基准能够保证加工要求。
表2-3拨叉精基准方案
2.4拟定拨叉的工艺路线
1．确定各表面的加工方法和选择加工设备
表面加工方案和生产批量决定加工设备的选择。
表面加工方案是根据加工表面的尺寸公差查表确定公差等级，再根据尺寸公差等级表面粗糙度值和其他条件就可以确定加工方案。
由于获得同一精度和同一粗糙度的方案有好几种，选择时还要考虑生产率和经济性，考虑零件的结构形状，尺寸大小。
材料和热处理要求及工厂的生产条件。
拨叉头孔径为15，尺寸精度IT8，粗糙度Ra=3.2μm，根据经验法，考虑公司的设备情况，采用钻、扩、铰加工方法，选用回转式六角车床加工（也可采用数控车床加工）。
拨叉脚两端面厚度为7，尺寸精度IT11，粗糙度Ra=6.3μm先用数控铣床粗铣，淬火后再在平面磨床上磨削。
拨叉脚内侧面50H12，粗糙度Ra=12.5μm，用数控铣床铣削。
操纵槽宽度为13，尺寸精度IT12，粗糙度Ra=12.5μm，应该用数控铣床加工。
直径为5的小孔，尺寸精度IT14，粗糙度Ra=12.5μm，用台式钻床加工。
以上表面除了直径为15H8的孔的测量用专用孔用通规、止规外，其余的都用游标卡尺测量检验。
表2-4各表面加工方法和使用设备
加工部位
加工表面
精度等级
表面粗糙度
μm
加工方法
设备
拨叉头
φ15内孔
IT8
3.2
钻-扩-铰
六角车床或数控车床
孔前面
—
12.5
车
操纵槽
IT12
铣
数控铣床
小孔
φ5
IT14
钻
台式钻床
拨叉脚
内侧面
H12
铣-淬火-校正
两端面
IT11
6.3
铣-淬火-磨
平面磨床
2．划分加工阶段和工序
阶段的划分：
该零件加工余量不多切削热不高，同时装夹的刚度足够，各工序粗、精加工之间的影响不大，加上大多数工序使用的是数控机床，效率高，所以尽管是大批量生产，也不必划分加工阶段了。
工序的划分：
根据零件的生产批量和采用的机床类型，工序划分相对集中，以每次装夹来划分一个工序，具体划分详见表2-5。
工序顺序的安排：
拟订工艺路线可以有多种方案，本着“先粗后精，先面后孔，先主后次，基面先行”的原则进行安排，在公司指导老师的指点下，根据公司的实际情况，着重考虑拨叉脚和拨叉头面和孔的关键表面加工，同时注意热处理工序的穿插。
φ15的孔、拨叉端面和孔口倒角加工用六角车床和专用夹具，减少了装夹次数，易于保证加工面相互位置精度，需要的机床数量少，减少了工件在工序间的运输，减少了辅助时间和准备终结时间。
其余加工机床大都选的是效率高精度高的数控机床。
表2-5拨叉工艺路线
工序号
工序名称
工序内容
简要说明
铸造
铸造毛坯
热处理
正火
消除内应力，为局部淬火做组织准备
涂漆
涂铁红环氧底漆
防止生锈
车拨叉头端面，钻、扩、铰φ15H8，孔口倒角
先面后孔，先加工主要表面，基面先行
钳
校正拨叉脚
粗铣
粗铣拨叉脚两端面
先粗后精
铣拨叉脚内侧面
基面先行
8
铣操纵槽
9
钻φ5H14孔
次要表面后加工
10
去毛刺
减少淬火变形
11
淬火
拨叉脚局部淬火
提高硬度和耐磨度
12
修正淬火变形
13
磨
磨拨叉脚两端面
后精加工
14
清洗
15
检验
2.5设计拨叉的加工工序
1．确定加工余量
主要由查表，配合经验法类比法确定加工余量及工序尺寸。
由以上工艺路线—表2-5看，只有两道工序的5个工步需要标注工序尺寸，其余都按零件图给定的尺寸加工。
将相关数据列表2-6中。
表2-6拨叉加工余量与工序尺寸表
加工余量
公差等级
工序尺寸及公差
φ15孔、前面
铣前端面
30+3
钻孔
φ14
7×
扩孔
φ14.8
0.4×
IT10
铰孔
φ15
0.1×
拨叉脚前后两端面
7+4
1.7×
7．6±
0.045
2．确定切削用量
根据加工余量和装夹情况，确定走刀次数和背吃刀量；
查表结合经验确定主轴转数和刀具进给量，数据见表2-7。
表2-7拨叉加工切削用量汇总表
加工内容
刀具材料
走刀次数
背吃刀量
mm
主轴转数
r/.min
进给量
mm/r
硬质合金
600
0.2
高速钢
400
0.3
150
拨叉脚两端面
200
0.1
拨叉脚内端面
2×
2+1×
1000
φ5孔
2.5×
800
砂轮
0.3×
3.确定工时定额
拨叉的工时定额，使用“类比法”确定，以本人在江旭铸造公司有丰富加工经验的指导老师对该零件的加工工时类比，给出的加工工时定额见表2-8。
因为数控加工辅助时间与机动时间重叠交错，估计的时间可以通过生产过程不断修正以逐步趋向合理。
表2-8拨叉机械加工工时定额
类比工时（min）
准终/单件
30/7.5
15/3
30/4
30/5
30/2
10/2
2.6填写拨叉的机械加工工艺文件
工艺文件是用于指导生产的重要文件。
不同的生产纲领有不同的填写工艺文件的要求，因为拨叉是大批量生产，所以需要填写详细的工艺工程卡和工序卡。
见附件2。
第三章操纵槽铣夹具设计
根据任务书要求，选择典型工序进行专用夹具设计，本人选择设计工序八铣操纵槽的铣夹具，在数控铣床TK7640上加工。
3.1确定设计方案
工序八是铣拨叉头操纵槽，前面工序已经把和操纵槽加工精度相关的表面：
拨叉头的前端面、φ15H8孔以及拨叉脚内侧面加工完毕，操纵槽精度不太高，槽宽精度由刀具保证，深度由对刀块保证。
根据加工表面结构，选择直线进给式铣床夹具。
夹具由定位元件、夹紧装置、对刀元件、定位键和夹具体等部分组成。
3.2定位分析与夹紧力分析
1．确定定位方案，选择定位元件，分析定位误差
根据零件图操纵槽的技术要求分析，水平方向的设计基准在拨叉头前端面，铅垂方向的设计基准是φ15H8轴线，在绕φ15H8轴线的转动方向也需限制自由度。
从多方面因素考虑，选定的六点定位方案是：
其中与φ15H8配合的定位心轴限制4个自由度，定位盘安装在拨叉头前端面限制1个自由度，防转销限制1个自由度，（见图3-1），从而实现了完全定位，满足加工要求。
5.5mm方向基准重合，定位误差为零；
操纵槽高度方向的尺寸12mm，要求不高，定位元件完全能够满足设计要求。
立铣刀的切削力产生的力偶不影响工件的可靠定位。
根据经验选用M10的螺母压紧，保证夹紧工件夹持牢靠。
夹紧方向和位置如图3-1示。
图3-1铣操纵槽定位及夹紧方案
3.3关键尺寸设计
1．夹具的尺寸、公差和技术要求
夹具最大轮廓尺寸为长168mm、宽157mm、高126mm。
影响工件定位精度的尺寸和公差包括是定位心轴的尺寸精度、定位心轴和防转挡销的位置关系61±
0.1、43±
0.1。
影响夹具在机床上安装的精度的尺寸和公差是定位键与铣床工作台T型槽的配合尺寸8H7/h6。
定位心轴的轴心线对定位键侧面B的垂直度为0.03mm；
定位心轴的轴心线对夹具底面A的平行度为0.05mm。
影响夹具调整精度的是对刀块工作表面与定位心轴之间的距离尺寸和精度。
2．其他关键尺寸
φ15定位心轴公差的选择：
查阅手册，定位心轴直径精度可选用h6、g6、f7之现取定位心轴的尺寸公差为φ15f7，查公差表有：
。
夹具体上φ15定位心轴的定位尺寸和形位公差的控制：
φ15定位心轴的位置精度是本夹具制造的关键，它既要保证其中心线到对刀平面的公差，又要保证其中心线与两定位平面平行。
3.4夹具的结构设计
1.夹具的结构设计
铣床夹具由定位元件、夹紧装置、对刀装置、校准装置及夹具体组成。
校准夹具：
由夹具底面两定向键1实现与铣床的连接。
刀具定位：
以对刀块8定位，对刀块由2个定位销和4个螺钉固定在夹具体上。
工件定位：
以定位心轴圆柱面及台阶面5点定位，同时再以防转挡销1点定位，从而实现完全定位。
夹紧工件：
采用螺旋夹紧方式，开口垫圈12以及螺母实现夹紧，开口垫圈的作用是方便装拆。
为了保证夹具在工作台上安装稳定，应按照夹具体的高宽比不大于1.25的原则确定其宽度，并在两端设置而作，以便固定。
为了保证定位精度，夹具体上安装定位元件的定位孔平行度误差为0.05mm，垂直度误差为0.03mm。
为了让夹具体在工作台上安装的位置准确及保证槽的中心平面与之际15的孔轴线的垂直度要求，夹具体的底面可以设置定位键，定位键侧面与长销的轴心线垂直。
表3-1铣夹具的结构设计
内容
实体图示
定位盘限制一个自由度
定位心轴限制四个自由度
开口垫圈和螺母夹紧
防转挡销限制一个自由度
夹具装配示意图
2．绘制夹具装配图
图3-2所示。
图3-2操纵槽铣夹具装配图
清晰图详见附件2，DWG文件。
3．拆画夹具零件图
图3-3定位心轴零件简图
图3-4防转削零件简图
图3-5夹具体零件简图
详细夹具装配图及零件图见附件2。
3.5夹具的动画制作
将拨叉夹具夹紧部分进行三维装配，可以检查各零部件之间是否产生干涉现象，也可以直观地检查夹紧机构的选择是否合理。
装配后进行动画模拟，检查各不符的运动情况。
夹紧部分的三维造型和动画模拟如表3-2所示。
表3-2夹具动画制作过程
制作内容
图示
首先将定位元件（定位心轴、防转挡圈）安装固定好在夹具体上，再装上拨叉体
安装开口垫圈
安装螺母——紧固拨叉
打开智能动画编辑器，编辑动画的安装顺序和时间长短
鼠标双击每个零件
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