传动轴凸缘叉加工工艺及夹具设计 大学毕业论文设计.docx

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传动轴凸缘叉加工工艺及夹具设计大学毕业论文设计

传动轴凸缘叉加工工艺及夹具设计

摘要

传动轴是汽车传动系统中的重要部件，凸缘叉又是连接变速器和驱动桥的主要零件也是承受高速传动的零件。

其结构和加工工艺直接影响零件的性能，进而影响整车动力传递的效果，其结构相对简单，但是加工工艺复杂。

本文通过搜集资料了解传动轴凸缘叉结构特点，并对凸缘叉进行了参数分析以及加工的技术要求分析，并通过其在传动系统中的作用选取适当的材料并确定其工艺流程。

绘制工艺卡片，并查找资料分析相对应的加工机床以及所需要的刀具，明确每一步的加工余量，完成工序的编制过程。

在确定工艺过程的前提下，根据传动轴凸缘叉的结构特点进行对应夹具的设计，根据零件图及加工端面设计其夹紧机构和定位元件、一起其他辅助零件及联合整体的零件，确定夹具机构方案，并明确如何拆装加工工件可以提高总体的效率问题。

选取加工粗糙度，设计钻孔和铣端面的夹具装置以及钻孔夹具夹紧力的计算和夹具精度的的校核。

希望制造出精度更高的凸缘叉，使传动轴更好的运行，提高功率，减少资源浪费，改善工人的劳动条件，降低生产成本以及扩大机床的工艺范围。

关键词　凸缘叉；工艺流程；加工工艺；夹具设计

ProcessingTechnologyandDesignoftheJigoftheFlangeYokeforShaft

Abstract

Driveshaftisanimportantpartinautomobiletransmissionsystem,theflangeyokeisconnectedtothetransmissionanddriveaxleofthemainpartsanditisunderhighspeeddriving.Thestructureandtheprocessingtechnologyimpactontheperformanceofpartsdirectly,inturn,influencingtheeffectofthevehiclepowertransmission,itsstructureisrelativelysimple,butcomplicatedprocessingtechnology.

Basedonthecollecteddatatounderstandtheshaftflangeforkstructurecharacteristics,andtheflangeforkparameteranalysisandprocessingtechnicalrequirementsanalysis,andthroughitsroleinthetransmissionsystemtoselecttheappropriatematerialsanditstechnologicalprocessweredetermined.Carddrawingprocess,andfindthecorrespondingmachinetooltoanalyzethedataandtoolsneededtocleareverystepofthemachiningallowance,andcompletetheprocessofthecompilationprocess.Indeterminingtheprocessesunderthepremiseofaccordingtothestructuralcharacteristicsofthedriveshaftflangeforkcorrespondingfixturedesign,accordingtothedetaildrawingandprocessingenddesignofthefasteningdeviceandpositioningdevice,otherauxiliarypartstogetherandunitedasawholeparts,jiginstitutionsschemeisdetermined,anddefinehowtotearopenoutfitmachiningcanimprovetheefficiencyoftheoverallproblem.Selectingmachiningroughness,endofthedesignofdrillingandmillingfixturedeviceanddrillingclampclampingforcecalculationandtheprecisionofthecheck.

Thathopestomaketheprecisionhigherflangefork,maketheshaftrunningbetter,improvepowerandreducewasteofresources,improvetheworkingconditionsofworkers,reduceproductioncostsandexpandingprocessofmachinetool.

Keywords　Flangeyoke;Theprocess;Processingtechnology;Thedesignofjig

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1论文研究背景1

1.2论文研究的目的和意义2

1.3国内外研究现状2

1.4研究内容3

第2章凸缘叉结构分析5

2.1凸缘叉的结构特点及功用分析5

2.2凸缘叉结构分析6

2.3凸缘叉的主要技术要求7

2.4凸缘叉的工艺分析7

2.5本章小结9

第3章传动轴凸缘叉的加工工艺10

3.1概述10

3.2确定毛坯的制造形式10

3.3基面的选择10

3.4加工工序安排12

3.5制定工艺过程12

3.6工艺过程方案论证12

3.7机械加工余量的确定14

3.8保证加工精度的方法15

3.9本章小结17

第4章凸缘叉夹具设计18

4.1论述18

4.2夹具设计中应注意的问题19

4.3专用夹具设计与原则21

4.4夹具设计程序22

4.5钻孔夹具25

4.6本章小结28

结论29

致谢30

参考文献31

附录A32

附录B55

绪论

论文研究背景

传动轴凸缘叉是汽车上的重要部件，它是连接变速器和驱动桥的主要零件也是承受高速传动的形状复杂的零件。

其结构和加工工艺直接影响零件的性能，进而影响整车动力传递的效果，传统热挤压成形工艺及模具设计主要依赖经验方法，往往需要反复试模才能获得所需的锻件。

采用数值模拟仿真技术对传动轴凸缘叉的成形过程进行模拟分析，根据坯料在模具中的填充情况，不断改进模具的结构、优化毛坯尺寸，从而消除种种成形缺陷，确定合理的成形工艺。

基于模拟优化的结果，开发出结构合理的模具，从而极大地降低了生产成本，缩短了开发周期。

其结构相对简单，但是加工工艺复杂，在选材中，了解其加工工艺，并在工艺设计中，合理安排加工工序，设计合理的夹具，对产品的最终质量具有十分重要的意义。

因其是能够承受重在的工件，所以一般选取45钢为加工材料，选取锻造毛坯来进行加工。

万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输人轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。

一般万向节十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。

机械制造离不开金属切削机床，而机床夹具则是保证机械加工质量，提高生产效率、减轻劳动强度、家底对工人技术的过高要求、实现生产过程自动化不可或缺的重要工艺装备之一。

机床夹具被广泛用于制造工业，大量专用机床夹具的使用为大批量生产提供了必要条件。

在机床制造或修理中，常常遇到在圆柱上横穿孔的工件，这些工件的孔或螺纹孔的中心线不相交，需在车好圆柱后装配，画好孔的位置线，在按线加工孔或螺纹。

以前当工件画好线后，用四爪卡盘按线进行安装，在加工内孔。

在校正的过程中，调整夹在圆柱面上的两爪时，工件产生滚动，使划线孔的中心线产生角度唯一，很难将工件校正，而产生加工废品。

为此人们设计制造了夹具，通过30年的使用，效果很好。

夹具不同于其他环节，它在工艺系统中有着特殊的地位，夹具的整体刚度对工件加工的动态误差产生着非常特殊的影响。

当夹具的整体刚度远大于其他化解，工件加工的动态误差基本上只取决于夹具的制造精度和安装精度。

因此，设计夹具时，对夹具的整体刚度应给予足够重视。

如因工艺系统其他环节的刚度不足引起较大的系统动态误差是，也可以采取修正夹具定位元件的方法进行补偿。

这就是夹具的能动功能。

夹具设计一般是在零件的机械加工工艺过程制订之后按照某一工序的具体要求进行的。

制订工艺过程，应充分考虑夹具实现的可能性，而设计夹具时，如确有必要也可以对工艺过程提出修改意见。

夹具的设计质量的高低，应以能否稳定地保证工件的加工质量，生产效率高，成本低，排屑方便，操作安全、省力和制造、维护容易等为其衡量指标。

除根据汽车的实际工作状态，确定参数，并完成传动轴凸缘的工艺设计外，根据传动轴的工作条件和结构设计中的确定的材料性能，进行该凸缘毛坯和机械加工的工艺路线和加工方法的设计及专用夹具设计。

同时，该设计还培养了我综合运用所学知识，独立完成产品设计的能力，以及分析和解决问题的能力。

论文研究的目的和意义

传动轴是汽车上的重要部件，它是连接变速器和驱动桥的主要零件。

其结构和加工工艺直接影响零件的性能，进而影响整车动力传递的效果。

根据汽车的实际工作状态，确定参数，并完成传动轴凸缘的工艺设计。

另外，根据传动轴的工作条件和结构设计中的确定的材料性能，进行该凸缘毛坯和机械加工的工艺路线和加工方法的设计及专用夹具设计。

传动轴是连接变速器和驱动桥的主要零件，其结构相对简单，但是加工工艺复杂，在选材中，了解其加工工艺，并在工艺设计中，合理安排加工工序，设计合理的夹具，对产品的最终质量具有十分重要的意义。

而夹具设计的目的和意义可以从两个方面考虑。

第一是在机械加工有重要的意义。

它可以缩短辅助时间，提高劳动生产率，降低加工成本；保证加工精度及稳定加工质量；降低对工人的技术要求，提高工人的工作质量，保证安全；扩大机床的工艺范围，实现一机多能；在自动化生产和流水线中便于平衡生产节拍。

第二方面是在工艺系统中有着重要的地位。

因为夹具的能动作用，使夹具的整体刚度对工件加工的动态误差产生着非常特殊的影响。

与此同时，该设计还能培养我综合运用所学知识，独立完成产品设计的能力，以及分析和解决问题的能力。

并且熟悉热处理及夹具规范标注，为自己以后的相关设计打下良好的前提，并希望对现阶段的传动的高效化、经济化有一定的帮助。

国内外研究现状

汽车用传动轴凸缘叉是一种形状较复杂的零件，传统热挤压成形工艺及模具设计主要依赖经验方法，往往需要反复试模才能获得所需的锻件。

国内外对于汽车传动的高效性已有很久的研究。

为保证更为高效的传动，现阶段，常采用数值模拟仿真技术对传动轴凸缘叉的成形过程进行模拟分析，根据坯料在模具中的填充情况，不断改进模具的结构、优化毛坯尺寸，从而消除种种成形缺陷，确定合理的成形工艺。

基于模拟优化的结果，开发出结构合理的模具，便可以极大地降低了生产成本，缩短了开发周期。

国内外为提高凸缘叉的加工精度，保证传动轴高效的运行，针对这一领域进行研究。

2009年9月，潘峰；胡全明；蓝盈照研制一种重型汽车传动轴端面齿凸缘叉切槽夹具，实现了一次装夹完成两个卡簧槽的加工，有效地保证工件两个卡簧槽的加工精度，提高生产效率,降低工人的工作量[1]。

2010年4月，胡全明；潘峰等人研制出一种重型汽车传动轴端面齿凸缘叉全自动端齿拉削夹具，该夹具使用时,通过控制器控制电磁阀，从而控制各液压缸驱动进行压紧、定位和旋转变位配合机床动作，实现自动化加工，有效降低工人的劳动强度、提高生产效率和批量加工产品的质量稳定性。

2011年1月，周纯涛；赵明伟等人公开了一种传动轴端面齿凸缘叉锻造模具，包括上模和下模，上模上设有凸模和竖向定位筋，下模上设有与凸模对应的型腔和凹槽，所述竖向定位筋外端设有相连的横向加强筋。

竖向定位筋与其外端相连的横向加强筋形成“工”字形定位凸筋，大大提高了模具强度,能有效保证上模与下模配合时定位准确，提高工件质。

与此同时，国外对于凸缘叉设计，也有着自己的特点和理念。

1985年6月，RobertG.Joyner研制了一款讲凸缘叉分为两部分，并分别连接有万向节，这一设计避免了传动过程中的相对运动，对精确定位起了很大的辅助作用[2]。

2005年11月29日，Erlmann研制了一种万向节凸缘叉，这一发明使得凸缘叉两“墙体”能够更好的接收和传递力，从而使传动轴有效的运行[3]。

同年12月，JonathanBurnard设计了凸缘叉与花键轴的连接体，凸缘叉内部装有频率接收器，其效果是在知道中，无论各个组件尺寸怎样变化，连接在花键轴上的凸缘叉都能够精确定位[4]。

研究内容

本课题研究的主要内容包括传动轴凸缘叉的工艺规程编制、典型工序夹具设计及夹具的绘制。

具体内容和主要问题归纳如下：

研究的主要内容：

1.分析凸缘叉零件，了解传动轴及凸缘叉的结构特点并确定技术要求。

2.分析传动轴凸缘叉加工工艺设计及结构工艺性。

选取定位基准，安排加工工序并对工艺性方法进行讨论。

3.凸缘叉工艺规程进行设计。

首先确定毛坯的制造形式，选取基面，制定合理的工艺路线。

并确定机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸定切削用量及基本工时等信息。

4.对于专用夹具的工艺设计。

先研究加工工件图样，明确其毛坯的种类、形状、加工余量及其精度，掌握本工序已加工表面的精度、表面粗糙度、基准面情况，明确使用机床、刀具及其他辅助工具的规格以及采用的切削用量。

确定夹具结构方案，零件及夹具工艺流程设计。

解决的主要问题：

传动轴凸缘叉数据参数分析、工艺材料选取、确定工艺路线及方案、工序设计、夹具方案设计。

凸缘叉结构分析

凸缘叉的结构特点及功用分析

凸缘叉是一种常见的拔叉类零件，如图2-1是它的基本形态。

它的应用范围很广，凸缘叉是汽车底盘传动轴总成的重要零件，一般与变速箱、传动轴或驱动桥连接，是承受高速传动的零件。

凸缘叉是一个带法兰的叉形零件，一般结构的传动轴伸缩套是将花键套与凸缘叉焊接在一起，将花键轴焊在传动轴管上或将花键套与传动轴管焊接成一体，将花键轴与凸缘叉制成一体。

凸缘叉被精确定位在配对凸缘上，所述配对凸缘被支承在具有同轴突出的导向器的凸花键轴上。

配对凸缘包括与凸花键轴相互配合的阴花键套筒部分以及其上具有多个通孔的法兰部分。

凸缘叉包括其上具有多个通孔的法兰部分和叉部分，所述多个通孔在尺寸和位置上与形成在配对凸缘的法兰部分上的多个通孔对应。

当凸缘叉的法兰部分被设置的邻近配对凸缘的法兰部分时，形成在配对凸缘的法兰部分上的通孔与形成在凸缘叉的法兰部分上的通孔轴向对齐。

凸缘叉具有导向器接收器,其接收从凸花键轴突出的导向器。

从而，不管在制造每个元件时的尺寸波动情况，凸缘叉相对于键轴的转动轴线被准确地定位。

其位置特点与连接如图2-2传动轴结构图所示。

凸缘叉一端通过十字轴与驱动桥相连接，另一端与花键旱死连接在传动轴上。

图2-1凸缘叉

图2-2传动轴结构图

该件国内外一般都采用中碳钢或中碳合金钢质模锻件，也有采用40Cr合金结构钢材料或中碳优质合金钢的精密铸造件。

夹具设计一般是在零件的机械加工工艺过程制订之后按照某一工序的具体要求进行的。

制订工艺过程，应充分考虑夹具实现的可能性，而设计夹具时，如确有必要也可以对工艺过程提出修改意见。

夹具的设计质量的高低，应以能否稳定地保证工件的加工质量，生产效率高，成本低，排屑方便，操作安全、省力和制造、维护容易等为其衡量指标。

由于它们功用的不同，该类零件的结构和尺寸有着很大的差异，但结构上仍有共同特点：

零件的主要表面为精度要求较高的孔及其平面，零件由内孔、外圆、端面等表面构成。

凸缘叉结构分析

如图2-3所示，该零件形状较为复杂、外形尺寸不大，可以采用铸造也可采用锻造形式制造毛坯。

但是现阶段一般采用的是锻造的形式，因为相对于铸造来说，锻造的热处理等环节可以提升零件的刚度等条件。

特别适合凸缘叉这类在传动系中受重在的零件。

所以本文中的毛坯的制造形式也采用锻造的方法。

由于该零件的两个Φ39孔要求较高，它的表面质量直接影响工作状态，通常对其尺寸要求较高。

一般为IT7-IT9，处于中等加工精度的位置。

加工时两Φ39孔的与其平面的垂直度要求较高，应该控制在0.05mm以内。

也因为其精度较高，所以在加工过程中一般选取其为精基准，粗基准则为在其之前加工的两端面。

这样配合进行，提高零件的整体加工精度。

其顶端的四个通孔的平行度也有一定的要求，因为这四个通孔是与凸缘叉相对应的凸缘的法兰部分一一对应，所以加工过程中，这一部分的加工也很重要。

其两端面的加工一般可以在数控机床上完成，通常可以采取铣削的方式进行加工。

但加工过程也要分为粗铣、半精铣、精铣平面的过程。

（a）（b）

图2-3凸缘叉结构图

凸缘叉的主要技术要求

1.加工两端面及孔时尺寸误差及形状误差要求明确。

因为分为粗加工与精加工，所以切削余量要明确，并完整的设计粗精加工的各个工艺步骤，保证零件质量。

2.孔径精度：

两Φ39孔的孔径的尺寸误差和形状误差会影响到工作状态，因此对孔的要求较高，其孔的尺寸公差为IT7。

3.主要平面的精度：

由于Φ39端面加工过程中常作为定位基面，而且它通常为第一加工表面，则会影响孔的加工精度，因此须规定其加工要求。

只有作为粗基准的加工表面的精度提高，其他作为精基准的面或孔才能有较高的精度，才能提升零件的总体的精度。

减少报废率。

4.

四孔对B，C面均有位置度要求。

因为它有相对的行平度，两端面之间要有一定的对称度。

所以要精确的找到四个孔的位置进行加工。

凸缘叉的工艺分析

工件毛坯为锻件，加工余量为顶面5.0-6.0，底和侧面为4.0-5.0，锻孔2-Φ39。

凸缘叉毛坯锻造形成具有以下优点：

1.铸件的内部组织和机械性能是不能与模锻件相提并论的，特别是经过热处理后的模锻件，无论是冲击韧性还是断面收缩率、疲劳强度等机械性能均占优势。

另外金属经过加热、模锻后，夹杂物得到细化，组织致密，沿着外力方向被拉长，形成流线，使锻件的质量提高，使用稳定可靠，寿命长。

凸缘叉零件选用模锻方法生产，其根本优点也就在于此。

2.铸件在铸造生产过程中的工序比较多，有些工艺过程难以控制，使铸件的质量不稳定，因而铸件内部常出现缩松、气孔等缺陷。

经机械加工后其缺陷反映不稳定，影响了零件的质量，造成废品，增加了零件的成本。

钢质模锻件就无上述缺陷，内部质量好，成品率高，降低了零件的成本。

3.铸件表面粘砂粗糙，难以清理，不易加工，刀具损坏较多。

而钢质模锻件容易切削。

在锻造后，机械加工前，一般要经过清理和退货，以消除铸造过程中产生的应力。

粗加工后，会引起工件内应力的重新分布，为使内应力分布均匀，也应经适当的时效处理。

1.在单件生产中直径小于30-50㎜的孔一般不锻出，可采用钻—扩—铰的工艺。

本设计结构中所有的孔直径都在30-50mm以内，所以都可以采取钻孔—扩孔—铰孔的方式来进行加工，不需事先进行锻造。

有特殊螺纹的螺纹孔可以先扩孔，在进行螺纹的攻制过程。

2.要求不高的螺纹孔，可放在最后加工。

这样可以防止由于主要面或孔在加工过程中出现的问题时，浪费这一部分的工时。

本设计中，在两耳孔两侧有两个较小的螺纹孔，其设计目的是因为凸缘叉是连接传动轴与驱动桥的重要工件，受重载荷作用，在两耳孔两侧分别加两个螺纹孔，在与其他零件装配的过程中，能够起到更好的定位的作用，不会因为长期的交载荷与变载荷的作用使零件间的连接产生变化。

也避免了焊接等工序，拆装和维修达到了更加方便的效果。

3.为了保证零件主要表现粗糙度的要求，避免加工时由于切血量较大引起工件变形或可能划伤已加工表面，故整个工艺过程分为精加工和粗加工。

所以在接下来的设计中也考虑粗加工与精加工两个步骤，并充分考虑粗基准和精基准的选用准则，尽量的减少夹具的拆装和更换，简化加工环节的步骤，使加工更快捷，更方便。

并且使工件在各环节中能够达到最高的合格率，降低整体的成本。

4.整个加工过程中，无论是粗加工阶段还是精加工阶段，都应该遵循先面后孔的加工原则。

因为本设计中的凸缘叉的结构为一个顶面，两个端面，两个耳孔以及顶面的四个通孔。

所以在加工过程中也在遵循先加工端面在进行孔的加工。

所以可以选定端面为先加工的粗基准，然后对孔进行加工，在以孔为精基准，进行精加工，这样也能够提高零件总体的质量。

本章小结

本章主要研究了传动轴凸缘叉结构特点、结构进行了详细的分析。

并明确其毛坯的锻造形式。

明确其在整个系统中所处的位置以及功用。

对传动轴凸缘叉加工的主要技术条件以及加工工艺进行的简单的分析想象与设计、安排。

并对凸缘叉加工的重点面以及孔做的简单的介绍，原则的总结，通过对其结构体质的进一步分析，明确了第三章的设计思路。

传动轴凸缘叉的加工工艺

概述

本论文中，我们针对CA1091传动轴凸缘叉进行工艺及夹具设计，在传统凸缘叉结构和生产工艺基础上进一步完善以达到其实用简洁、加工精度提高、消耗材料降低、生产效率上升、降低工业成本。

汽车用传动轴凸缘叉是一种形状较复杂的零件，有法兰和通孔等复杂结构组成，本设计根据当前普遍工艺手段设计出一个切实可行的凸缘叉工艺及夹具方案，而传统结构的凸缘叉热挤压成型工艺及模具设计主要依赖经验方法，往往需要反复试模才能获得所需的锻件。

根据已有CA1091凸缘结构设计出合理的凸缘叉夹具，不断改进夹具的结构、优化夹具，从而消除种种成形缺陷，确定合理的成形工艺。

开发出结构合理凸缘叉的夹具，极大的降低了生产成本，缩短了开发周期对现行工艺水平的提升产生一定影响。

确定毛坯的制造形式

1.选用材料：

零件材料为45钢，故采用锻造形成。

2.生产类型：

考虑到汽车在运行中要经常加速及挣向、反向行驶，零件在工作中则经常承受交变载荷及冲击性载荷，因此选用锻件，以使金属纤维尽量不被切断，保证零件工作可靠。

基面的选择

基面的选择是工艺规程设计中的很重要的工作之一。

基面选择的合理，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，会造成零件成批报废，使生产无法正常进行。

1.基准的概念

在构成零件形状的点、线、面中，总有这样的一些点、线、面是用以确定其他点、线、面相对位置或方向的，这样的一些点、线、面称作基准。

选择基准是加工的第一步。

2.粗基准的选择

在零件加工过程中的第一道工序，定位基准必然是毛坯尺寸，即为粗基准，选择时应注意以下几点：

1）如果必须首先保证工件上各表面加工余量均匀，则应选择此种表面为粗基准。

2）若在设计上要求保证加工面与不加工面间的相互位置精度，则应选不加工面为粗基准。

3）作为粗基准的表面，应尽量平整光洁，有一定面积，不能有飞边、浇口、冒口或其他缺陷，以使工件定位可靠、夹紧方便。

4）粗基准一般只在第一工序中使用一次，以尽量避免重复使用。

因为毛坯面粗糙且精度低，重复使用将产生较大的误差。

3.精基准的选择

精基准就是以加工过的表面进行定位的基准。

选择精基准的时候，主要考虑保证加工精度并且使工件装夹的