ca6140车床变速拔叉机械加工工艺及加工拔叉槽口夹具设计下.docx
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ca6140车床变速拔叉机械加工工艺及加工拔叉槽口夹具设计下
前言
机械制造工艺学是以机械制造中的工艺问题为研究对象，实践性较强的一门学科，通过对此门学科的课程设计，使我在下述各方面得到了锻炼：
⒈能熟练运用机械制造工艺学课程中的基本理论以及在生产实习中学到的实践知识，正确的解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线的安排、工艺尺寸的确定等问题，保证零件的加工质量。
⒉提高结构设计能力。
通过设计夹具的训练，获得根据被加工零件的加工要求，设计出高效、省力、既经济合理又能保证加工质量的夹具的能力。
⒊学会使用手册及图表资料。
⒋培养了一定的创新能力。
通过对CA6140拔叉的工艺及夹具设计，汇总所学专业知识如一体（如《互换性与测量技术基础》、《机械设计》、《金属切削机床概论》、《机械制造工艺学》、《金属切削原理与刀具》等）。
让我们对所学的专业课得以巩固、复习及实用，在理论与实践上有机结合；使我们对各科的作用更加深刻的熟悉与理解，并为以后的实际工作奠定坚实的基础！
一、设计目的
制造技术课程设计是机制专业的一个重要的实践教学环节,是在完成了机制专业的两大专业课——《机械制造技术》和《机械制造装备设计》的理论学习以及“制造技术实习”实践教学以后进行的。
本次课程设计的目的在于：
1、运用所学理论知识及实习中所学到的实践知识，进行机械加工工艺设计以及夹具设计的初步训练，以培养设计零件加工工艺及夹具结构的基本能力。
2、课程设计过程也是理论联系实际的过程，设计中的许多工作需要借助有关的手册资料来完成。
因此，通过设计，培养学生使用各种手册及图表资料的能力，使学生掌握并熟练运用与本设计有关的各种资料的查阅方法，增强学生解决工程实际问题的独立工作能力。
3、能熟练的运用机械制造工艺学的基本理论和夹具设计原理的知识，正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及合理制订工艺规程等问题的方法，培养学生分析问题和解决问题的能力。
二、工件分析
（一）工件的分析：
题目所给的工件是CA6140车床变速拨叉，它位于车床的变速机构中，主要起换档作用，使主轴回转运动达到要求，获得所需的速度和扭矩。
工件上的Ф22mm的孔与操纵机构相连，而Ф55mm的半孔则用于与控制齿轮所在的轴接触，通过上方的力拨动下方的齿轮变速。
在毛坯生产时可将两个工件铸为一体，加工到最后时候铣开即可。
（二）工件工艺分析：
首先是工件材料的选择，选择HT200，灰口铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，虽塑性较差，脆性高，不适合磨削，但可在以下的加工中做到扬长避短。
工件需要加工的表面：
1.带通孔圆柱的上端面，大孔的上下端面。
2.通孔以及其上的锥孔及螺纹孔。
3.Ф55mm的半圆孔，以及Ф73mm的半圆孔。
位置要求：
带通孔的圆柱面与通孔中心线的垂直度误差为0.05mm，Ф55mm的半圆孔的上下端面与通孔中心线的垂直度误差为0.07mm。
通过以上分析，可粗加工拨叉底面，然后以此为粗基准采用专用夹具进行加工，并保证位置精度要求，因为工件没有复杂的加工表面，采用能够达到精度要求的通用机床即可实现。
三、工艺规程设计
（一）、毛坯设计
1、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，故选择砂型机器造型铸件毛坯。
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-8。
2、毛坯的加工
2.1毛坯余量的确定
①总体分析
通过分析零件图纸（图1），零件的两小孔、大孔及上下端面需要机加工才能满足表面精度要求。
其余表面精度要求不高，直接铸出既能满足要求。
②Φ22的通孔
通孔较小，不易用型芯铸出。
考虑到这些结构即使铸造形式铸出表面精度也不能满足要求，还会大大降低零件的铸造工艺性。
故采用余块结构不铸出孔。
③Φ55的大孔
孔大，可直接铸造出来。
然后再粗铣削，精铣达到所需要的要求。
④拨叉槽
槽尺寸虽不是太大，机加工（三面刃盘状铣刀铣削加工）达到要求的尺寸及表面精度。
经查阅资料（铸件机械加工余量表）从而确定该面的毛坯中孔的机械加工余量可定为2mm，侧面的机械加工余量定为2.5mm，又铸件的尺寸公差为1.6mm，故该面的孔的毛坯余量为2±0.8mm，侧面的毛坯余量为2.5±0.8mm。
⑤侧面孔系
侧面孔系，孔的直径都较小，不易用铸造铸出，且有螺纹孔，采用后期机加工的方法更容易制作，故选用余块结构不铸出。
2.2分型面的选择与浇注位置的确定
分型面选择的合适与否直接影响到铸造的工艺性能，甚至影响铸件的制造质量。
浇注位置也对铸件的质量有直接影响，不良的浇注位置还会导致残次品率升高的问题，因此要合适的选择分型面以及浇冒口的位置。
观察零件形状，可取下端面分型面。
经分析，若选用上端面为分型面，零件纵向尺寸较大，拔模难度较大，需要较大的拔模斜度。
若采用下端面为分型面不仅可以减小拔模方向的尺寸从而降低拔模难度，还能顺利铸拨叉槽。
综上选择下端面作为分型面。
由于零件通孔不铸出，零件材料集中在下底面，故应该讲冒口位置设在下底面右端弥补材料凝固时收缩带来的材料不足问题，防止出现缩孔。
浇口应设置在零件左端面一侧，开挖内浇道使铁水自然流入型腔，避免对型腔的冲刷。
2.3拔摸斜度与收缩率
零件材料为HT200
经查资料可知，采用1—1.5度的拔模斜度材料的收缩率为0.8—1%
2.4毛坯工艺简图
综上所述，根据零件尺寸以及个面所需的加工余量画出零件的毛坯工艺简图如下：
（二）基面的选择：
1.粗基准的选择：
以工件的底面为主要的定位粗基准，实现对三个方向自由度的约束即Z方向的移动自由度，X和Y两个方向的转动自由度；再用短V型块将工件插入，以两个外圆柱面进行定位，限制X和Y方向的移动自由度，通过一面两孔的定位方式实现完全定位。
2.精基准的选择：
依据基准重合原则和基准统一的原则，以粗加工后的底面为第一定位精基准，实现对三个方向自由度的约束，Z方向的移动自由度，X和Y两个方向的转动自由度，再以小通孔作为辅助定位精基准，限制X和Y方向的移动自由度和Z方向的转动自由度，在设计基准和工序基准不重合时，要进行必要的尺寸换算。
（三）制定工艺路线
在制定工艺路线时应以保证工件的几何形状，尺寸精度和位置精度等技术要求，生产纲领确定零件为中等批量，考虑采用通用机床，只要精度达到要求即可，夹具的使用上尽量采用组合夹具，必要的时候采取工序集中的办法提高生产率等方法降低成本。
3.1工艺方案：
工艺路线方案一：
工序
（1）粗铣Ф40mm孔的两头的端面，Ф73mm孔的上下端面。
工序
（2）精铣Ф40mm孔的两头的端面，Ф73mm孔的上下端面。
工序（3）粗镗、半精镗、精镗Ф55mm孔至图样尺寸。
工序（4）钻、扩、铰两端Ф22mm孔至图样尺寸。
工序（5）钻M8的螺纹孔，钻Ф8的锥销孔钻到一半，攻M8的
螺纹。
工序（6）铣断保证图样尺寸。
工序（7）去毛刺，检查。
工艺路线方案二
工序
（1）粗铣Ф40mm孔的两头的端面。
工序
（2）钻、铰两端Ф22mm孔之图样尺寸。
工序（3）利用组合机床，将两把铣刀面对面安装到同一高度，使其轴线重合，制作专用刀具，Ф73mm,在专用夹具上将仍旧连接在一起的两个工件立起来装夹到机床上，一次性完成图样Ф55mm孔的端面和图样Ф73mm孔的内表面的加工。
工序（4）粗镗、半精镗、精镗Ф55mm孔至图样尺寸。
工序（5）钻Ф8mm的锥销孔钻到一半，然后与轴配做钻通，再钻M8x1mm的螺纹孔，攻M8x1mm的螺纹。
工序（6）铣断保证图样尺寸。
工序（7）去毛刺，检查。
上述两个工艺方案的特点在于：
方案一是先加工完与Ф22mm的孔有垂直度要求的面再加工孔。
而方案二则恰好相反，先是加工完
Ф22mm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。
方案一的装夹次数少，但在加工Ф22mm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Ф22mm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：
（1）粗铣Ф40圆柱的两个端面。
（2）钻，铰两端Ф22的孔至图样尺寸。
（3）利用组合机床，将两把铣刀面对面爱撞到同一高度，使其轴线重合，制作专用刀具，Ф73mm,在专用夹具上将仍旧连接在一起的两个工件立起来装夹到机床上，一次性完成图样Ф55mm孔的端面和图样Ф73mm孔的内表面的加工。
（4）精镗，半精镗，精镗直径为55mm的孔至图样尺寸。
（5）钻直径为8mm的锥销孔钻到一半，然后与轴配做钻通，再钻M8*1mm的螺纹孔，攻M8*1mm螺纹。
（6）铣断保证图样尺寸。
（7）去毛刺，检查。
3.2刀具选择
工序号
工序
工艺装备
1
铣床
专用夹具、专用端面铣刀、盘铣刀
2
钻床
专用夹具、直柄麻花钻，卡尺，塞规
3
车床
专用夹具
4
拉床
专用夹具、盘铣刀深度，
5
铣床
专用夹具、专用端面铣刀，
6
钻床
专用夹具、麻花钻，内径千分尺
7
丝锥
锥丝
8
检验
塞规，卡尺等。
（四）机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸
1.外圆表面（Ф40及Ф73外表面）
考虑到此表面为非加工表面其精度为铸造精度CT8即可，又因为它们是两个连在一起的工件，最后要将其分开，故对Ф40的中心轴线的尺寸偏差为120+4mm。
2.Ф22mm的通孔：
由于孔的直径仅为22mm，且其深度为50mm,若在毛坯上铸出孔来，会因为孔中心的砂芯过长而损坏毛坯，所以对于孔的部分直接铸造成实体结构，再在后续的加工中进行钻孔，铰孔操作，并保证它与操纵机构的配合精度，必须使其精度介于IT7~IT8之间，参照《机械加工工艺手册》确定工序尺寸余量为：
钻孔至Ф21.8mm铰孔Ф22mm达到图样要求。
3.铣削附在圆柱体上的台体的上表面：
在铣削完工件的下表面时，图样高度为30mm的台体结构的上表面仍旧为铸造的毛坯时的精度及粗糙度，需要进行铣削至图样尺寸。
4.中间孔（Ф55和Ф73）
在铸造的毛坯当中，这两个孔的尺寸为直径铸为一体，均为Ф48.5mm，而且Ф55mm和Ф73mm的半孔的高度相差10mm，且分在两侧，不易铸造成型，也将这两个铸造成一体。
在上两步铣削的基础上，将上下表面各自相差的5mm铣削出来，再铣削两个半孔：
粗铣：
Ф71mm,再精铣至Ф73mm。
Ф55mm工序尺寸及余量：
粗镗至Ф53mm，半精镗至Ф54mm，精镗至Ф55mm即可。
5.螺纹孔及销孔；
在铸造毛坯的时候，很难将与轴线垂直的孔铸造出来，于是将毛坯上的螺纹孔和销孔铸造成实体，再在毛皮成型之后，钻削出基孔，在经过适当的铰孔，钻螺纹成型。
钻Ф8mm螺纹基孔，Ф8mm圆柱销孔和螺纹孔的攻丝。
6.铣断连接在一起的毛坯：
完成上述的加工后，将两个连接在一起的毛坯铣开，铸造时将Ф73两个工件铸造在一起成为一个整圆，每一侧有2mm的加工余量，依据此完成图样尺寸的加工。
（五）切削用量
工序一：
铣削工件两端面。
1.加工条件
工件材料HT200，硬度190~260HBS，σb=0.16GPa，铸造。
加工要求：
粗铣两端面至51mm，再精铣至50mm.
刀具：
涂层硬质合金盘铣刀Ф45mm，选择刀前角γo＝＋5°后角αo＝8°，副后角αo’=8°，刀齿斜角λs=－10°,主刃Kr=60°,过渡刃Krε=30°,副刃Kr’=5°过渡刃宽bε=1mm。
2.切削用量：
（1）切削深度在铸造过程中将其在长度方向的余量设置为6.5mm，故可以选择背吃刀量2mm，每个端面加工2次，铣去各自3mm的余量，最后的0.5mm的余量用作精铣或进行适度的位置精度的调整即可。
（2）计算切削速度：
由公式可知:
算得Vc=98mm/s,n=439r/s,Vf=490mm/s。
根据x52k立式铣床的参数，选择nc=475r/min,Vfc=475mm/s,所以实际的切削速度为Vc=3.14*80*475/1000=1.06m/s，实际的进给量为fzc=V*fc/ncz=475/（300×10）=0.16mm/z。
校验机床功率，Pcc=1.5kw，而机床所提供的功率为Pcm〉Pcc，是符合要求的。
最终确定
f
工序二：
钻，铰Ф22mm的孔
1.加工条件
工件材料：
HT200，硬度190-260HBS，σb=0.16Gpa，铸造。
加工要求：
钻控制Ф21.8mm,精铰至Ф22mm，保证孔壁的粗糙度值为Ra=1.6。
机床的选择：
Z512台式钻床
刀具：
YG8硬质合金麻花钻Ф21.8mm，钻出Ф21.8mm的通孔，然后用铰刀进行精铰至Ф22mm即可。
2.查机械工艺手册知f=11mm/r，此强度下的钻头f=1.75mm/r机床强度选择f=0.53mm/r。
当钻头的后刀面磨损值为0.5~0.8mm的时候，刀具寿命为60min。
切削速度：
有机床的实际转速nc=460r/min。
故实际的切削速度为Vc=0.52m/s.
钻孔和精铰孔的切削用量：
钻孔：
n=460r/minf=1.1mmVc=0.52mm/s
铰孔：
n=850r/minf=1mm/rVc=0.98mm/s
工序三：
利用组合机床，将两把铣刀面对面爱撞到同一高度，使其轴线重合，制作专用刀具，直径为73mm,在专用夹具上将仍旧连接在一起的两个工件立起来装夹到机床上，一次性完成图样直径为55mm孔的端面和图样直径为73mm孔的内表面的加工。
机床选择：
X63卧式机床。
刀具：
专用的涂层硬质合金盘铣刀Ф73mm，选择刀具前角γo＝＋5°后角αo＝8°，副后角αo’=8°，刀齿斜角λs=－10°,主刃Kr=60°,过渡刃Krε=30°,副刃Kr’=5°过渡刃宽bε=1mm。
计算切削用量：
切削深度：
因下端面切削量较小，故背吃刀量ap=5mm，一次走到就可以完成加工。
而上端面的加工余量为8mm，分两次进给完成加工即可，背吃刀量ap=4mm即可。
算得Vc=98mm/s，n=780r/min，Vf=475mm/s，则实际的切削速度为Vc=3.14*80*750/1000=1.78mm/s，实际的进给速度为fzc=Vfc/ncz=750/（300*10）=0.25mm/r。
机床功率校验：
查《机械工艺手册》Pcc=2kw，而机床所提供的功率为Pcm>Pcc，校验合格。
最终确定：
工序四：
粗镗，半精镗，精镗Ф55mm的孔
1.加工条件：
工件材料：
HT200，硬度190~260HBS，σb=0.16G，铸造。
加工要求：
粗镗中间孔至Ф53mm，半精镗中间孔至Ф54mm，然后再精镗至Ф55mm。
机床：
T616卧式镗床。
刀具：
YG8硬质合金镗刀。
2.计算切削用量：
单边余量Z=3mm，分三次切除，则第一次背吃刀量=2mm时，进给量f=1mm/r，由《机械加工手册》确定转速n=245r/min。
同理，当第二次背吃刀量=0.6mm，第三次背吃刀量=0.4mm，进给量f=0.3mm/r和f=0.2mm/r，机床主轴都取64r/min。
工序五：
钻Ф8mm的锥销孔，钻至一半，然后再钻M8x1mm的螺孔，并攻相应的螺纹。
1.加工条件：
工件材料：
HT200，硬度190~260HBS，σb=0.16G，铸造。
加工要求：
Ф8mm的锥销孔，钻至一半后将与该孔配合的轴安装进去，把两者配做加工，为的是保证孔与轴的同轴度，同时在尺寸上保证距离上端为10mm，在钻M8x1mm的螺孔，并攻相应的螺纹。
机床：
组合机床。
刀具：
Ф8mm麻花钻，直径为7.5的麻花钻，直径为8的丝锥。
2.计算切削用量：
（1）钻直径为8的锥销孔
根据《机械工艺加工手册》查得进给量f=0.18~0.33mm/r,于是取f=0.3mm/r，v=5m/min,则：
n=199r/min，取nw=195r/min。
所以实际的切削速度为：
V=
=0.1m/s。
（2）攻M8*1mm的螺纹
刀具：
丝锥M6，P=1mm
切削用量为：
V=0.1m/s，机床主轴转速为：
ns=219r/min，按机床使用说明书选取：
nw=195r/min，则V=0.1m/s。
工序六：
铣断保证图样尺寸
1.加工条件：
工件材料：
HT200，硬度190~260HBS，σb=0.16G，铸造。
加工要求：
铣断后保证两边对称相等。
刀具：
YG硬质合金圆盘铣刀，厚度为4mm。
机床：
组合机床。
2.计算切削用量
查《机械工艺手册》确定进给量fm=400mm/min。
工序七：
去毛刺，检查。
四．夹具设计
为提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需设计专用夹具。
并设计可完成拨叉工作面加工工序的夹具结构设计。
（一）问题的提出
本夹具是用来完成拨叉工作面的铣削加工，即完成Ф73mm的侧面铣削加工，和Ф55mm的半圆的端面加工，而且是两侧的加工，表面的粗糙度值为Ra=3.2，铣削深度为每侧5mm，由于铣削量较小，可在一次装夹中通过一次性铣削完成。
考虑保证图样的垂直度要求及表面粗糙度要求，增强装夹的可靠性及降低劳动强度。
（二）夹具设计
1.定位基准的选择
由于在铸造时采用一模两腔的方法铸造，在加工至此工序时，两个工件仍旧是连接在一起的，且其上下端面的加工和Ф22mm的孔的加工已经完成，具有良好的尺寸精度和位置精度，使用做定位的不二之选，采用一面两孔的定位方式。
3.切削力及夹紧力计算：
（1）切削力的计算
Fz=Cf*Kf*ap^0.83*af^0.65*d0^-0.83*Z*ap
=294*200/190^0.55*5^0.83*0.11^0.65*73^0.83*16*5/1000
=771.43N
在计算切削力时，需把安全因数考虑在内。
（2）夹紧力计算：
K=K0*K1*K2*K3*K4*K5*K6K的取值如下：
K0=1.3K1=1.0K2=1.5K3=1.0K4=1.3K5=1.1K6=1.0
计算得到K=2.7885，为方便计算取K=3，所以
Fj=K*Fz*d0/4L
=（3*771.43*73）/（4*60）
=703.93N
（3）具体的夹具装配图见附图
（4）夹具设计及操作的简要说明
如前所述，为便于操作，在夹具的底部用螺栓将其固定在铣床的工作台上。
将工件竖立放置，并以此位置在夹具上装夹定位，为防止过定位将用于固定的长圆柱销设计成槽型的，以弹簧连接，在长圆柱销的端部加攻螺纹，用相应的螺母紧固工件使定位更加的稳定，减小振动等因素对加工精度的影响，为保证铣刀在加工时与孔的同轴度要求设置中间部分的导向装置，用螺柱连接进行微调，这样还可以防止滑动，保证定位精度。
这样设计夹具，也满足了螺旋夹紧机构用于手工加紧的场合的使用要求。
参考文献：
1.《机械设计工艺手册》软件版。
2.《机械加工常用刀具数据速查手册》。
3.《实用金属切削加工工艺手册》陈家芳主编。
4.《机械制造工艺设计简明手册》李益民主编。
5.《机械制造工艺手册》孟少农主编。
6.《切削加工简明实用手册》黄如林主编。
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