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夹具设计课程设计论文
夹具设计课程设计论文
设计CA6140车床拨叉零件（831005）的机械加工工艺规程及加工Φ22+0.280夹具
一序言
现代机械制造工艺设计是宽口径机械类专业学生在学完了《机械制造工艺学》等技术基础和专业课理论之后进行的一个实践教学环节。
其目的是巩固和加深理论教学内容，培养学生综合运用所学理论，解决现代实际工艺设计问题的能力。
通过工艺规程及工艺装备设计，学生应达到：
1掌握零件机械加工工艺规程设计的能力；
2掌握加工方法及其机床、刀具及切削用量等的选择应用能力；
3掌握机床专用夹具等工艺装备的设计能力；
4学会使用、查阅各种设计资料、手册和国家标准等，以及学会绘制工序图、夹具总装图，标注必要的技术条件等。
就我个人而言，我希望能通过这次课程设计，了解并认识一般机器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，对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础，并且为后续课程的学习大好基础。
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。
二零件的分析，确定生产类型
1、零件设计要求
该零件是CA6140车床上的拨叉，按照指导老师的要求，设计此零件为中批量生产。
零件效果图
图1
2、零件分析
2.1．零件的作用
拨叉是一种辅助零件，通过拨叉控制滑套与旋转齿轮的接合。
滑套上面有凸块，滑套的凸块插入齿轮的凹位，把滑套与齿轮固连在一起，使齿轮带动滑套，滑套带动输出轴，将动力从输入轴传送至输出轴。
摆动拨叉可以控制滑套与不同齿轮的结合与分离，达到换档的目的。
分析这种动力联接方式可知，车换档时要减速，这样可以减少滑套与齿轮之间的冲击，延长零件的使用寿命。
2.2．零件的工艺分析
零件的材料为HT200，灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性高，不适合磨削，为此以下是拨叉需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求：
2.2.1左边A面及Φ22+0.280mm花键底孔
这一组加工表面包括:
A端面和轴线与A端面相垂直的Φ22+0.280mm花键底孔。
2.2.28+0.030mm槽及其外端平面和18+0.120mm槽
这一组加工表面包括:
8+0.030mm槽的D端面，8+0.030mm槽和18+0.120mm的槽。
2.2.3花键孔及两处倒角
这一组加工表面包括:
6个方齿花键孔，及Φ25+0.0230mm花键底孔两端的2×75°倒角。
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、确定生产类型
已知此拨叉零件的生产纲领为5000件/年，零件的质量是1.3kg/个，查《机械制造工艺设计简明手册》第2页表1.1-2，可确定该拨叉生产类型为中批生产，所以初步确定工艺安排为：
加工过程划分阶段；工序适当集中；加工设备以通用设备为主，大量采用专用工装。
三确定毛坯
1、确定毛坯种类
零件材料为HT200。
考虑零件在机床运行过程中所受冲击不大，零件结构又比较简单，生产类型为中批生产，故选择木摸手工砂型铸造毛坯。
查《机械制造工艺设计简明手册》第41页表2.2-5,选用铸件尺寸公差等级为CT-12。
2、确定铸件加工余量及形状
零件形状简单，因此毛坯形状需与零件的形状尽量接近，又因内孔很小，不可铸出。
查《机械制造工艺设计简明手册》第41页表2.2-5，选用加工余量为MA-H级，并查表2.2-4确定各个加工面的铸件机械加工余量，铸件的尺寸，如下图所示：
铸件平面图
图2
铸件效果图
图3
四工艺规程设计
1、定位基准的选择
定位基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一，正确合理的选择定位基准，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，还会造成大批零件报废，使生产无法正常进行。
定位基准的选择可以分为粗基准的选择和精基准的选择。
1.1．粗基准的选择
该零件属于一般轴类零件，以外圆为粗基准就已经合理了（夹持长四点定位），为保证A面与花键孔轴线垂直，可以把A面与花键底孔放在一个工序中加工，因而该工序总共要消除X，Y，Z轴三个方向的移动自由度，X，Y轴两个方向的转动自由度共五个自由度（建立空间坐标系为：
以花键孔轴线方向为Z轴，垂直花键孔轴线，平行槽、花键、肋板对称线并且从槽18+0.120mm指向8+0.030mm的方向为X轴，同时垂直于X轴、Z轴的方向为Y轴，取坐标原点为花键孔轴线与A面的交点为原点），用三爪卡盘卡
夹持外圆柱面。
消除X，Y轴方向的移动和转动自由度，共四个自由度，再用一个浮动支承顶住B面，消除Z轴方向的移动自由度，达到定位要求。
1.2．精基准的选择
考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便，依据“基准重合”原则和“基准统一”原则，以粗加工后的底面为主要的定位精基准，以侧面及外圆柱体面为辅助的定位精基准。
2、零件表面加工方法的选择
本零件的加工面有端面、内孔、花键、槽等，材料为HT200灰铸铁，参考《机械制造工艺设计简明手册》（以下简称《工艺手册》）表1.4-7、表1.4-8及表1.4-17，加工方法选择如下：
2.1．A端面
根据GB1800-79规定毛坯的公差等级为IT13，表面粗糙度为Ra12.5um，要达到零件的技术要求，公差等级为IT9，表面粗糙度为Ra3.2um，需要经过粗铣
2.2．Φ22花键底孔
公差等级为IT12，表面粗糙度为Ra6.3um，毛坯为实心，未铸出孔，故采用粗铣
2.3．8mm槽的D端面
零件技术要求表面粗糙度达到Ra3.2，而毛坯的公差等级为IT13，表面粗糙度为Ra12.5，故需要采用粗铣à半精铣。
2.4．8mm槽
零件技术要求槽的两侧端面表面粗糙度为Ra1.6um，槽的底端面为Ra6.3um，需要采用粗铣à精铣，就可以达到公差等级为IT8表面粗糙度Ra1.6um。
2.5．18mm槽
零件技术要求槽的各端面要达到的表面粗糙度为Ra3.2um，需要采用粗铣à半精铣
2.6．花键孔
要求花键孔为外径定心，两侧面表面粗糙度为Ra3.2um底面表面粗糙度为Ra1.6um，故采用拉削加工
2.7．两处倒角
Φ25mm花键底孔两端处的2×75°倒角，表面粗糙度为Ra6.3um，为了使工序集中，所以花键底孔的两端面的2×75°倒角在Z525立式钻床上采用锪钻的方法即可。
3、制定工艺路线
根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求，以及加工方法所能达到的经济精度，在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用工卡具,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。
查《机械制造工艺设计简明手册》第20页表1.4-7、1.4-8、1.4-11，选择零件的加工方法及工艺路线方案如下：
3.1．工艺路线方案一
工序Ⅰ：
粗铣Φ40mm右端面A面
工序Ⅱ：
钻孔并扩钻花键底孔Φ22+0.280mm
工序Ⅲ：
铣28mm×40mm端面D
工序Ⅳ：
铣宽为8+0.030mm槽
工序Ⅴ：
铣宽为18+0.120mm的槽
工序Ⅵ：
锪两端面15°倒角
工序Ⅶ：
拉花键孔Φ25+0.0230mm
工序Ⅷ：
去毛刺
工序Ⅸ：
终检
3.2．工艺路线方案二
工序Ⅰ：
粗车Φ40mm右端面A面
工序Ⅱ：
钻孔并扩钻花键底孔Φ22+0.280mm
工序Ⅲ：
拉花键孔Φ25+0.0230mm
工序Ⅳ：
铣28mm×40mm的端面D
工序Ⅴ：
铣8+0.030mm槽
工序Ⅵ：
铣18+0.120mm槽
工序Ⅶ：
车Φ40mm左端面B倒角2×75°
工序Ⅷ：
车Φ40mm右端面A倒角2×75°，半精车Φ40mm右端面A
工序Ⅸ：
去毛刺
工序X：
终检
3.3．工艺方案的比较与分析
上述两工艺方案的特点在于：
方案一工序Ⅰ、Ⅱ是以Φ40mm左端面B为粗基准，用铣床粗铣A端面，然后再以A端面为基准钻花键底孔。
方案二在该两工序中的定位加工方法也是相同的，只是在加工A端面时将铣床改用车床来加工，两个方案的定位方法都可以达到加工要求，但是从零件结构可知用车床来加工在装夹时较困难，而用铣床来加工在装夹时较方便。
另外，工艺路线一中是在完成前面5道工序后，才以花键底孔及Φ40mm右端面A上一点，及28mm×40mm端面D上两点为定位基准加工花键孔，能较好的保证花键孔的位置尺寸精度，而在工艺路线方案二中，在工序Ⅰ、Ⅱ完成后就开始以花键底孔、A端面一点及28mm×40mm端面D两点为定位基准拉花键孔，这样就是重复采用粗基准定位，就不保证花键孔与宽为8mm或18mm槽的位置精度，最终达不到零件技术要求，甚至会造成偏差过大而报废，这是重复利用粗基准而造成的后果，而应该避免重复利用粗基准。
通过以上的两工艺路线的优、缺点分析，最后确定工艺路线方案一为该零件的加工路线。
4、确定机械加工余量、工序尺寸及公差的确定
4.1．确定毛坯
灰铸铁铸造的机械加工余量按GB/T11351-89确定。
确定时根据零件重量来初步估算零件毛坯铸件的重量，加工表面的加工精度，形状复杂系数，由《工艺手册》表2.2-3，表2.2-4，表2.2-5查得，除孔以外各内外表面的加工总余量（毛坯余量），孔的加工总余量由表2.3-9查得，表2.3-9中的余量值为双边余量。
本零件“CA6140车床拨叉”材料为HT200，毛坯重量估算约为1.3kg，生产类型为中批量生产，采用砂型铸造毛坯。
4.1.1A端面毛坯余量
加工表面形状简单，由铸件重量为1.3kg，粗糙度Ra3.2，保证长度尺寸为80mm，查《工艺手册》表2.2-4得加工单边余量为5.5mm，另查表1.4-24得长度尺寸公差范围为±0.27，即长度方向毛坯尺寸为85.5±0.27mm。
4.1.2宽为80+0.030槽的端面毛坯余量
由毛坯重1.3kg，粗糙度为Ra3.2，加工表面形状简单，从孔的中心线到端面的长度尺寸为27mm，查《工艺手册》表2.2-4得单边余量为Z=5.5，另查表1.4-24得长度方向尺寸公差为±0.195，即长度方向毛坯尺寸为32.5±0.195mm。
4.1.3其他
孔Φ22+0.280mm、槽8+0.030mm和槽18+0.120mm均为实心，未铸造出来。
4.2．确定工序余量，工序尺寸及其公差
确定工序（或工步）尺寸的一般方法是：
由加工表面的最后工序（或工步）往前推算，最后工序（或工步）的工序（或工步）尺寸只与工序（或工步）的加工余量有关。
前面已经根据有关资料查出零件各加工表面的加工总余量（即毛坯余量），将加工总余量分配给各工序（或工步）加工余量，然后由后往前计算工序（或工步）尺寸。
本零件各加工表面的加工方法（即加工工艺路线）已经在前面根据有关资料确定，本零件的各加工表面的各工序（或工步）的加工余量除粗加工工序（或工步）加工余量之外，其余工序（或工步）加工余量可以根据《现代制造工艺设计方法》以后简称为《现代工艺》中精、半精加工余量建议值来确定，粗加工工序（或工步）加工余量不是由表中查出确定，而是通过计算的方法得到的：
本零件各加工表面的工序（或工步）的经济精度，表面粗糙度的确定，除最后工序（或工步）是按零件图样要求确定外，其余工序（或工步）主要是根据《工艺手册》表1.4-7、表1.4-8及参考表1.4-17定公差等级（即IT）和表面粗糙度。
公差等级确定后，查《工艺手册》表1.4-24得出公差值，然后按“入体”原则标注上下偏差。
本零件的各加工表面的工艺路线，工序（或工步）余量，工序（或工步）尺寸及其公差，表面粗糙度如表：
4.3．各加工表面的工艺路线
各加工表面的工艺路线
（未注单位：
mm）
加工表面
工序（或工步）名称
工序（或工步）余量
工序（或工步）基本尺寸
工序（或工步）经济精度
表面粗糙度（um）
工序基本尺寸
公差等级
公差值
A面
半精铣
Z=0.5mm
80
IT9
0.074
Ra3.2
80
粗铣
Z=5
80.5
IT11
0.22
Ra6.3
80.5
毛坯
Z=5.5
85.5
IT13
0.54
Ra12.5
85.5
花键底孔
扩
2Z=2
Φ22
IT11
0.28
Ra6.3
Φ22
钻
2Z=20
Φ20
IT12
0.37
Ra12.5
Φ20
毛坯
实心
—
—
—
—
—
A端倒角
2×75°
0.21
B端倒角
2×75°
0.39
槽的端面D
半精铣
Z=1
27
IT10
0.084
Ra3.2
27
粗铣
Z=4.5
28
IT12
0.15
Ra6.3
28
毛坯
Z=5.5
32.5
IT13
0.39
Ra12.5
32.5
槽
精铣
2Z=1
8
IT8
0.012
Ra1.6
8
粗铣
2Z=7
7
IT12
0.11
Ra6.3
7
毛坯
实心
—
─
─
─
—
槽
半精铣
2Z=1
18
IT8
0.012
Ra3.2
18
粗铣
2Z=6
17
IT9
0.043
Ra6.3
17
毛坯
2Z=7
11
IT12
0.18
Ra12.5
11
花键孔
拉削
2Z=3
Φ25
IT8
0.023
Ra1.6
Φ25
毛坯
圆环
Φ22
IT11
0.28
Ra6.3
Φ22
表1
5、确定切削用量及时间定额
在工艺文件中还要确定每一工步的切削用量。
（1）切削用量指：
背吃刀量asp、进给量f及切削速度Vc。
（2）确定方法是：
确定切削深度à确定进给量à确定切削速度
（3）具体要求是：
①由工序或工步余量确定切削深度：
精、半精加工全部余量在一次走刀中去除；
在中等功率机床上一次走刀ap可达8～10mm。
②按本工序或工步加工表面粗糙度确定进给量：
对粗加工工序或工步按加工表面粗糙度初选进给量后还要校验机床进给机构强度
③切削用量：
可用查表法或计算法得出切削速度Vc查，用公式换算出查表或计算法所得的转速nc查，根据Vc查在选择机床实有的主轴转速表中选取接近的主轴转速n机作为实际的转速，再用换算出实际的切削速度Vc机填入工艺文件中。
对粗加工，选取实际切削速度Vc机、实际进给量f机和背吃刀量asp之后，还要校验机床功率是否足够等，才能作为最后的切削用量填入工艺文件中。
5.1．工序Ⅰ端面A铣削用量及基本时间的确定
5.1.1加工条件
工件材料：
HT200正火，δb=220MPa，190～220HBS
加工要求：
粗铣A端面，加工余量4.5mm
机床选择：
为X51立式铣床，采用端铣刀粗铣。
机床功率：
4.5kw
工件装夹：
工件装夹在铣床专用夹具上。
5.2．确定切削用量及基本工时
5.2.1粗铣
1选择刀具：
刀具：
YG6硬质合金端铣刀。
铣削宽度ae≤90,深度ap≤6,齿数z=10,故根据《机械制造工艺设计简明手册》（后简称《简明手册》）表3.1，取刀具直径d0=100mm。
根据《切削用量手册》（后简称《切削手册》）表3.16，选择刀具前角γ0＝0°后角α0＝8°，副后角α0`=10°，刃倾角：
λs=－10°,主偏角Kr=60°,过渡刃Krε=30°,副偏角Kr`=5°。
2确定铣削深度ap：
单边加工余量Z=5.5±0.27，余量不大，一次走刀内切完，则：
ap=4.5mm
3确定每齿进给量ƒz：
根据《切削手册》表3.5，用硬质合金铣刀在功率为4.5kw的X51铣床加工时，选择每齿进给量ƒz=0.14～0.24mm/z，由于是粗铣，取较大的值。
现取：
ƒz=0.18mm/z
4选择铣刀磨钝标准及刀具耐用度：
根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.0～1.5mm，现取1.2mm，根据《切削手册》表3.8铣刀直径d0=100mm的硬质合金端铣刀的耐用度T=180min。
5确定切削速度Vc：
根据《切削手册》表3.16可以查Vc
由ap=4.5mmƒz=0.18mm/z，查得
Vc=77mm/zn=245mm/zVƒ=385mm/z
根据X51型立铣床说明书（表4.2-35）
nc=255r/minVƒc=400mm/min（横向）
6计算基本工时：
T=L/Vƒ=（40+40）*10/385=2min
5.2.2半精铣
1选择刀具：
根据《工艺手册》表3.1-27，选择用一把YG6硬质合金端铣刀，铣刀外径d0=100mm，铣刀齿数Z=10
2确定铣削深度ap：
由于单边加工余量Z=1，故一次走刀内切完，则：
ap=1mm
3确定每齿进给量ƒz：
由《切削手册》表3.5，用硬质合金铣刀在功率为4.5kw的X51铣床加工时，选择每齿进给量ƒz=0.14～0.24mm/z，半精铣取较小的值。
现取：
ƒz=0.14mm/z
4选择铣刀磨钝标准及刀具耐用度：
根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.0～1.5mm，现取1.2mm，根据《切削手册》表3.8铣刀直径d0=100mm的硬质合金端铣刀的耐用度T=180min。
5确定切削速度Vc：
根据《切削手册》表3.16可以查Vc
由ap≤4mmƒz=0.14mm/z，查得：
Vc=110mm/zn=352mm/zVƒ=394mm/z
根据X51型立铣床说明书（表4.2-35）
nc=380r/minVƒc=400mm/min（横向）
6计算基本工时：
T=L/Vƒ=（40+40）*10/394=2min
5.3．工序Ⅱ钻—扩孔Φ22mm
5.3.1加工条件
工件材料：
HT200正火，δb=220MPa，190～220HBS
加工要求：
钻扩孔Φ22mm
机床选择：
选用立式钻床Z525（见《工艺手册》表4.2-14）
5.3.2钻孔Φ22mm
选择Φ20mm高速钢锥柄标准麻花钻（见《工艺手册》P84）
d=20L=238mmL1=140mm
ƒ机=0.48mm/r（见《切削手册》表2.7和《工艺手册》表4.2-16）
Vc=13m/min（见《切削手册》表2.15）
按机床选取n机=195r/min（按《工艺手册》表4.2-15）
所以实际切削速度：
基本工时：
T=L/（n机*ƒ机）=90/（195*0.48）=0.96min
5.3.3扩花键底孔φ22mm
选择Φ22高速钢锥柄扩孔钻（见《工艺手册》表3.18）
根据《切削手册》表2.10规定，查得扩孔钻扩Φ22孔时的进给量
ƒ=0.7～0.8mm，并根据机床选取（见《工艺手册》表4.2-16）
ƒ机=0.81mm/r
扩孔钻扩孔时的切削速度，根据有关资料确定为：
其中Vc钻为用钻头同样尺寸实心孔时的切削速度，现由《切削手册》表2.13查得Vc=14m/min，故有：
按机床选取n机=97r/min（见《工艺手册》表4.2-15）
所以实际切削速度：
基本工时
T=L/（n机*ƒ机）=90/（95*0.81）=1.17min
5.4．工序Ⅲ端面D铣削用量及基本时间的确定
5.4.1加工条件
工件材料：
灰铸铁HT200，硬度190～220HBS
工件尺寸：
宽28mm，长40mm平面
加工要求：
粗铣——半精铣D端面
加工余量：
h粗=4.5mmh半精=1mm
机床选择：
选择X51立式铣床，用端铣刀粗铣。
机床功率：
4.5kw
5.4.2粗铣
1选择刀具
根据《工艺手册》表3.1-27，选择用一把YG6硬质合金端铣刀，铣刀外径d0=100mm，铣刀齿数Z=10
2确定铣削深度ap
由于单边加工余量Z=4.5，余量不大，故一次走刀内切完，则：
ap=4.5mm
3确定每齿进给量ƒz
由《切削手册》表3.5，在X51铣床功率为4.5kw，用硬质合金铣刀加工时，选择每齿进给量ƒz=0.14～0.24mm/z，现取：
ƒz=0.18mm/z
4选择铣刀磨钝标准及刀具耐用度
根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.0～1.2mm，现取1.0mm，根据《切削手册》表3.8铣刀直径d0=100mm的硬质合金端铣刀的耐用度T=180min。
5确定切削速度Vc
根据《切削手册》表3.16可以查Vc：
由ap=4.5mmƒz=0.18mm/z，查得
Vc=77mm/zn=245mm/zVƒ=385mm/z
根据X51型立铣床说明书（表4.2-35）
nc=255r/minVƒc=400mm/min（横向）
实际切削速度和每齿进给量：
6计算基本工时
T＝（L+L1+△）/Vƒ=42*10/385=1.09min
5.4.3半精铣
1选择刀具
根据《工艺手册》表3.1-27，选择用一把YG6硬质合金端铣刀，铣刀外径d0=100mm，铣刀齿数Z=10
2确定铣削深度ap
由于单边加工余量Z=1，故一次走刀内切完，则：
ap=1mm
3确定每齿进给量ƒz
由《切削手册》表3.5，在X51铣床功率为4.5kw，用硬质合金铣刀加工时，选择每齿进给量ƒz=0.14～0.24mm/z，现取：
ƒz=0.14mm/z
4选择铣刀磨钝标准及刀具耐用度
根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1.0～1.5mm，现取1.2mm，根据《切削手册》表3.8铣刀直径d0=100mm的硬质合金端铣刀的耐用度T=180min。
5确定切削速度Vc
根据《切削手册》表3.16可以查Vc：
由ap≤4mmƒz=0.14mm/z，查得：
Vc=110mm/zn=352mm/zVƒ=394mm/z
根据X51型立铣床说明书（表4.2-35）
nc=380r/minVƒc=400mm/min（横向）
实际切削速度和每齿进给量：
6计算基本工时
T＝（L+L1+△）/Vƒ=42*10/394=1.06min
5.5．工序Ⅳ槽8mm的铣削用量及基本时间的确定
5.5.1加工条件
工件材料：
灰铸铁HT200，硬度190～220HBS
工件尺寸：
宽为80mm，深为8mm的槽
加工余量：
粗加工时单边加工余量为Z=3.5mm
机床选择：
选择X51立式铣床，使用专用铣床夹具
机床功率：
4.5kw
5.5.2粗铣
1选择刀具：
根据《工艺手册》表3.1-33，选择Φ7的锥柄键铣刀。
2确定铣削深度ap：
由于槽深为8mm，宽为8，加工余量比较大，故可分二次走刀，则：
ap=7.5mm
3确定每齿进给量ƒz:
根据《现代工艺方法》表1.2-10，在X51铣床功率为4.5kw（参看《工艺手册》表4.2-35），工艺系统刚性为中等，用高速钢槽铣刀加工时，选择每齿进给量ƒz=0.13mm/z
4选择铣刀磨钝标准及刀具耐用度：
根据《切削手册》表3.7，槽铣刀后刀面最大磨损量为0.2mm，根据《切削手册》表3.8槽铣刀直径Φ7的最大刀具耐用度T=60min。
5确定切削速度Vc：
Vc可根据《切削手册
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