成都理工大学机械制造工艺学实验报告.docx

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成都理工大学机械制造工艺学实验报告

拨叉B03夹具设计与分析

摘要

机械制造工艺学是机械类学生的重要一门课程，这门课程的开设是在我们学完了大学的全部基础课，技术基础课以及大部分专业课之后进行的。

这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。

我们希望能通过这次课程设计对自己末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，为今后自己参加工作打下一个良好的基础。

关键字：

拨叉；夹具；自由度；定位元件

第1章拨叉的分析

1.1拨叉的作用

机械中的拨叉，一般分为拨叉爪子，拨叉轴和拨叉手柄座。

主要是拨动滑移齿轮，改变其在齿轮轴上的位置，可以上下移动或左右移动，从而实现不同的速度。

或则是机械产品中离合器的控制，比如端面结合齿的结构，内外齿的结构，都需要用拨叉控制其一部分来实现结合与分离。

1.2拨叉的工艺分析

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。

需要加工的表面：

1.拨叉爪子的小孔R24mm，大孔R30mm； 

2.M10螺纹孔； 

3.拨叉轴圆孔Ф19H9mm；

1.3位置要求

轴孔的中线与拨叉爪子中线的垂直度公差为0.05mm。

由上面分析可知，可以粗加工拨叉有螺纹孔的圆柱端面，然后以此作为粗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。

第2章工艺规程设计

2.1加工工艺过程

由以上分析可知。

该拨叉零件的主要加工表面是拨叉爪子，轴孔和内螺纹。

一般来说，加工轴孔的精度要比加工拨叉爪子所要求的精度更易得到保证。

因此，对于拨叉来说，加工过程中的主要问题是保证拨叉爪子的尺寸精度及位置精度，处理好拨叉爪子和轴孔之间的相互关系以及内螺纹的尺寸和精度。

由图纸可知拨叉爪子和轴孔存在位置度要求，因此保证拨叉爪子尺寸和位置精度是本次设计的重点、难点。

2.2基准的选取

零件在加工前为毛坯，所有的面均为毛面，开始加工时只能选用毛面为基准，称为粗基准。

以后选已加工的面为定位基准，称为精基准。

基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一。

基准选择得正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产效率得以提高。

否则，加工工艺过程中会漏洞百出，更有甚者，还会造成大批报废，使生产无法正常进行。

2.2.1粗基准的选取

选择粗基准时，考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，使不加工表面与加工表面间的尺寸、位置精度符合图纸要求。

粗基准选择应当满足以下要求：

（1）、保证相互位置要求。

如果必须保证工件上加工面与不加工面的相互位置要求，则应以不加工面作为粗基准。

（2）、保证加工面加工余量合理分配。

如果必须首先保证工件某重要加工面的余量均匀，则应选择该加工面的毛坯面为粗基准。

例如在车床床身加工中，导轨面是最重要的加工面，它不仅精度要求高，而且要求导轨面有均匀的金相组织和较高的耐磨性，因此希望加工时导轨面去除余量要小而且均匀。

此时应以导轨面为粗基准，先加工底面，然后再以底面为精基准，加工导轨面。

这样就可以保证导轨面的加工余量均匀。

否则，若违反本条原则，必将造成导轨余量不均匀。

（3）、便于工件装夹。

选择粗基准时，必须考虑定位准确，夹紧可靠以及夹具结构简单、操作方便等问题。

（4）、粗基准应避免重复使用。

如果能使用精基准定位，则粗基准一般不应被重复使用。

要从保证孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置，能保证拨叉B03在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。

从拨叉B03零件图分析可知，选择轴端面作为拨叉B03轴孔加工粗基准。

2.2.2精基准的选取

选择精基准时要考虑的主要问题是如何保证设计要求的实现以及装夹准确、可靠和方便。

为此，一般应遵循的五条原则为：

（1）、基准重合原则。

应尽可能选择被加工面的设计基准为精基准。

（2）、统一基准原则。

当工件以某一精基准定位，可以比较方便的加工大多数其他加工面，则应尽早的把这个基准面加工出来，并达到一定精度，以后工序均以它为精基准加工其他加工面。

（3）、互为基准原则。

某些位置度要求很高的表面，常采用互为基准反复加工的办法来达到位置度要求。

（4）、自为基准原则。

旨在减小表面粗糙度、减小加工余量和保证加工余量均匀的工序，常以加工面本身为基准进行加工，称为自为基准原则。

（5）、便于装夹原则。

所选择的精基准，应能保证定位准确、可靠，夹紧机构简单，操作方便。

在加工拨叉爪子的时候，以内螺纹的上表面为精基准进行加工。

2.3制定工艺路线

制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。

再生产纲领已确定为大批生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用的夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。

处此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。

2.3.1工艺路线方案一

工序Ⅰ粗铣Ф19mm孔的两头的端面，Ф20mm孔的上端面。

工序Ⅱ  精铣Ф19mm孔的两头的端面，Ф20mm孔的上端面。

工序Ⅲ  钻、扩、铰两端Ф19mm孔至图样尺寸。

工序Ⅳ  粗铣、半精铣、精铣R24mm拨叉爪子至图样尺寸。

工序Ⅴ  粗镗、半精镗、精镗R30mm拨叉爪子至图样尺寸。

工序Ⅵ  钻M10的螺纹孔，攻M10的螺纹。

工序Ⅶ  去毛刺，检验。

2.3.2工艺路线方案二

工序Ⅰ 以毛坯底边为基准，钻Ф17mm孔,扩孔至Ф18.8mm, 铰孔至Ф19+0.021mm，保证孔的粗糙度。

工序Ⅱ  以底端面为基准，铣Ф20mm螺纹孔上端面，保证其尺寸要求及粗糙度。

工序Ⅲ  以Ф20螺纹孔上端面为精基准，铣拨叉爪子R24保证其尺寸和粗糙度。

工序Ⅳ  以Ф20螺纹孔上端面为精基准，镗拨叉爪子R30mm,确保孔内粗糙度为6.3。

工序Ⅴ  钻M10的螺纹孔，攻M10的螺纹。

工序Ⅵ  去毛刺，检验。

2.3.3工艺方案的比较与分析

上述两个工艺方案的特点在于：

方案一是先加工完与Ф19mm的孔有垂直度要求的面再加工孔。

而方案二悄悄相反，先是加工完Ф19mm的孔，再以孔的中心轴线来定位加工完与之有垂直度要求的三个面。

方案一的装夹次数多，但在加工Ф19mm的时候最多只能保证一个面定位面与之的垂直度要求。

其他两个面很难保证。

因此，此方案有很大的弊端。

方案二在加工三个面时都是用Ф19mm孔的中心轴线来定位这样很容易就可以保证其与三个面的位置度要求。

这样也体现了基准重合的原则。

这样一比较最终的工艺方案为：

工序Ⅰ 以毛坯底边为基准，钻Ф17mm孔,扩孔至Ф18.8mm, 铰孔至Ф19+0.021mm，保证孔的粗糙度。

工序Ⅱ  以底端面为基准，铣Ф20mm螺纹孔上端面，保证其尺寸要求及粗糙度。

工序Ⅲ  以Ф20螺纹孔上端面为精基准，铣拨叉爪子R24保证其尺寸和粗糙度。

工序Ⅳ  以Ф20螺纹孔上端面为精基准，镗拨叉爪子R30mm,确保孔内粗糙度为6.3。

工序Ⅴ  钻M10的螺纹孔，攻M10的螺纹。

工序Ⅵ  去毛刺，检验。

2.4工序Ⅲ的夹具设计与分析

2.4.1加工工序内容

工序Ⅲ加工的是拨叉爪子的小圆R24mm，在加工过程中需要限制6个自由度才能实现加工的可靠进行。

同时，为了保证加工的精度所以选择精基准，Ф20上表面为定位基准，这样也就最大程度保证了零件图纸的要求与定位。

最后通过铣削进行加工，完成操作。

加工余量：

余量公差：

2.4.2夹具的设计

夹具，尤其是机床夹具，在机械制造中应用很广。

由机床夹具和机床、刀具、工件组成的加工工艺系统，能够根据工艺要求，迅速实现工件的定位和夹紧，并在加工过程中保持它们之间的正确相对位置。

使用夹具，可提高劳动生产率和加工精度。

夹具是重要的机械制造工艺装备，其主要作用包括：

1）提高加工精度和保证产品质量。

2）提高劳动生产率和降低加工成本。

3）扩大机床的工艺范围。

4）减轻工人的劳动强度。

现代的组合夹具是伴随着大批大量生产的发展而出现的，早期的夹具为专用夹具。

随着近代工业的不断发展，产品不断的更新换代，零件的结构和尺寸参数亦发生变化，原有的专用夹具就要报废，必须设计新的专用夹具，显然，在经济上和生产周期上是非常不合理的。

为解决这个问题，从本世纪四十年代开始，科技人员就着手研制能够适合单件小批量和成批生产的可多次重复使用的夹具，即组合夹具。

组合夹具的使用范围：

组合夹具的使用范围十分广泛。

从不同生产类型讲，由于组合夹具灵活多变和便于使用，它最适合于品种多、产品变化快、新产品试制和小批量的轮番生产。

对成批生产的工厂，也可利用组合夹具代替临时短缺的专用夹具，以满足生产要求。

大批生产的工厂也可在工具车间、机修车间和试制车间使用组合夹具。

近年来，随着组合夹具组装技术的提高，不少工厂也在成批生产中使用组合夹具，效果也较好。

由以上分析我们设计的是组合夹具，使用长圆柱销穿过Ф19H9的轴孔；使用两个支撑钉固定在肋板两边，增强肋板刚度，预防零件变形；使用一个短圆柱销固定在Ф20圆柱孔里，这样零件的6个自由度完全被限制。

2.4.3所用的机床、刀具

此步工序用到的机床是铣床，因此我们选择的是XK5040-1，所用的刀具是铣刀进行加工。

第三章工件的定位

3.1工件的定位原理

六点定位原理：

当工件不受任何条件约束时，其位置是任意的和不确定的。

设工件为一理想的刚体，并以一个空间直角坐标系作为参照来观察刚体的位置变动。

由理论力学可知，在空间处于自由状态的刚体，具有六个自由度，即沿x、y、z三个坐标轴的移动，和绕着这三个坐标轴的转动，如图1所示。

这六种位置变动是基本的变动形式，工件在空间的任何位置状态，都可由这六种基本位置变动的组合来得到。

在机床夹具设计中，用符号

和

分别表示沿三个坐标轴移动和绕这三个轴转动的自由度。

从自由度的数量来看，自由状态下的工件有六个自由度。

当工件受到外界条件约束时，它的某些自由度被限制，所以工件定位的实质就是从加工要求出发，限制其应该限制的自由度。

完全定位与部分定位：

如图1所示，当刚体的六个自由度被完全限制时，这种定位叫做工件的完全定位。

但在许多情况下，不需要对工件的自由度都限制，只限制那些对加工后位置精度有影响的自由度就可以了，这样的定位叫做工件的部分定位。

在保证加工精度的前提下，部分定位可简化夹具的结构。

图1刚体在空间的六个自由度

欠定位与过定位

如果一个定位结构所限制的自由度，没有完全包括必须限制的自由度，就会发生工件定位的不足，这种现象为欠定位。

欠定位不能满足加工要求，因此不允许出现。

如果在一个定位结构中，不同的支承点重复的限制工件的同一个或几个自由度，就会发生工件定位的不稳定，这种现象为过定位（或称重复定位）。

过定位结构是否允许，要具体情况具体分析，一般情况下是不允许出现过定位。

3.2定位元件所限制的自由度

工序Ⅲ零件的加工需要限制六个自由度，通过长圆柱销我们限制了工件的4个自由度，分别是：

；固定在肋板两端的支撑钉限制一个自由度，即为：

；固定在Ф20圆柱上端面的短圆柱销限制一个自由度，即为：

。

3.3定位元件的制造精度

为保证数控机床的夹具能长期使用，工件不应与夹具体直接接触，而是放在定位元件上，与定位元件接触。

定位元件应满足以下要求。

（1）足够的精度。

由于工件的定位是通过与定位元件的接触（或配合）实现的，定位元件上与工件接触的定位件表面的精度直接影响工件的定位精度，因此，定位元件的工作（接触）表面应有足够的精度，以适应工件的加工要求。

（2）足够的强度和刚度。

定位元件不仅限制工件的自由度，还有支承工件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，应有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损坏。

（3）耐磨性好。

数控机床的工件的装卸会磨损定位元件的工作表面，导致定位精度下降。

为了提高夹具的使用寿命，定位元件应有较好的耐磨性。

（4）工艺性好。

定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换。

（5）便于清除切削。

数控机床的定位元件可选用45、40Cr等优质碳素结构钢或合金钢制造，或选用T8、T10等碳素工具钢制造，并经过淬火热处理，提高表面硬度及耐磨性。

也可采用20、20Cr等低碳钢经渗碳淬火提高其耐磨性，渗碳层深度一般选为0.8~1.2mm，淬火硬度常选为55~62HRC。

数控机床的定位元件的精度对工件的加工精度影响很大。

对于定位元件与工件定位基面或夹具体接触或配合的表面，一般尺寸精度不低于IT8，常选IT7甚至IT6来制造，定位元件工作表面的粗糙度，一般不应大于Ra1.6μm,常选用Ra0.8μm和Ra0.4μm，采用调整法和修配法提高装配精度。

3.4定位误差分析和计算

定位误差是由于工件在夹具（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。

定位误差的来源主要有两个方面：

1）由于工件的定位表面或夹具上的定位元件制作不准确而引起的定位误差，称为基准位置误差。

2）由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。

对于本次实验，我们假设工件的定位表面的夹具的定位元件制作不存在误差，而只考虑基准不重合造成的误差。

定位误差出现的原因是工序基准是Ф20圆柱上表面为精基准，而定位基准是Ф19圆柱轴线和拨叉爪子中线具有垂直度公差0.05mm，从而造成了定位误差。

由以上分析可得出定位公差为：

。

第四章夹紧元件夹紧力分析

在机械加工过程中，切削力、重力、支承反作用力和惯性力均作用在工件上，为了使工件保持定位时的正确位置，必须将工件夹紧，以使夹紧力与上述各力平衡。

夹具中将工件夹紧的机构称为夹紧机构。

对组合夹具的夹紧机构有如下要求：

（1）夹紧不能破坏工件的定位。

（2）加紧后工件和组合夹具元件的变形要小。

（3）夹紧力的大小要适合。

（4）夹紧动作力求迅速、省力。

（5）加紧装置不要妨碍工件的装卸。

（6）夹紧力应指向工件各定位基准的支承面，力的作用点应落在支承面内或支承点上。

夹紧力作用方向的确定：

对于长圆柱销我们采用螺旋装置直接夹紧，夹紧力垂直于主要定位基准面，且夹紧力和切削力、工件重力同向，沿着Ф19圆柱轴线向下；Ф20圆柱上表面的单个短圆柱销，夹紧力落在支承元件上，所形成的支承面内夹紧力落在工件刚性较好的Ф20圆柱轴线上；肋板两旁的两个支撑钉，所产生的夹紧力靠近加工表面，增大零件的刚度，避免零件变形，出问题。

第五章实验结论

实验课程结束后，我们就开始分工进行报告的编写。

基本上是课程上学习多少便应用多少，对书本的知识有很好的巩固及实践的作用，效果相当受用。

在夹具这一块，在没接触之前对其比较陌生，感觉不是很好上手，但在实际设计时，慢慢从书本及现实的结合中都对其逐步加深理解，对于定位键及自由度的应用从书本上比较抽象的说法到实际使用时概念的渐渐明确，方法的逐步熟练都有不小的收获。

而夹具体的设计上，从原来的空白到参照一些典型结构之后，慢慢也是逐步上手，到最后的三维主体的完成，其中的过程有些许困难，但任务完成时的那份成就依然是比之欣喜得多。

感谢实验中老师对自己的指导，同时谢谢组员间的合作，在与同学的彼此讨论中，解决了疑问，加深了印象，这些都是我们实实在在的收获，对知识有深的理解，对将来问题的解决有信心和启发。

参考文献

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