机械设计及其自动化 课程设计万向节 传动叉滑动叉正文.docx

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机械设计及其自动化课程设计万向节传动叉滑动叉正文

摘要

万向节滑动叉位于传动轴的端部。

它的主要作用：

一是传递扭矩，使汽车获得前进的动力；二是当汽车后桥钢板弹簧处在不同的状态时，由本零件可以调整传动轴的长短及其位置。

零件的两个叉头部位上有两个孔，用以安装滚针轴承并与十字轴相连，起万向联轴节的作用。

零件上的花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用于传递动力之用。

此次设计是在学完机械制造工艺学及机床夹具设计课程，并进行了生产实习的基础上完成的。

本设计主要编制该零件的机械加工工艺规程，并设计其中一道工序的专用夹具，并撰写设计说明书。

此次设计培养了我熟悉并运用有关手册、规范、图表等技术资料的能力。

进一步锻炼了我识图、制图、运算、编写技术文件和操作CAD等基本能力。

关键字：

万向节滑动叉、工艺、专用夹具

Abstract

Universaljointglideforkislocatedthedriveshaftthenose.Itsmainfunction:

One,thetransmissiontorque,causestheautomobiletoobtaintheadvancethepower;Twoiswhentheautomobilerearaxleofcarspringoccupiesthedifferentcondition,mayadjustthedriveshaftbythiscomponentsthelengthandtheposition.Inthecomponentstwojawspothastwoholes,withinstallstheneedlebearingandisconnectedwiththecrossaxle,playstherotaryshaftcouplingrole.Onthecomponentscoloredkeyholeandthedriveshaftnosesplineshaftcoordinates,touseintransmittingusingofthepower.

Thisdesignisinstudythemachinemanufacturetechnologyandtheenginebedjigdesigncurriculum,andcarriedonintheproductionpracticefoundationtocomplete.Thisdesignmainlyestablishesthiscomponentsthemachine-finishingtechnologicalprocess,anddesignsworkingproceduretheunitclamp,andcomposesthedesigninstructionbooklet.

Thisdesigntrainedmetobefamiliarwithandtoutilizerelatedtechnicaldataandsoonthehandbook,standard,graphabilities.Furtherexercisedmetoknowthechart,thecharting,theoperation,thecompilationtechnologydocumentandoperatesCADandsoonthebasiccapability.

Keyword:

Universaljointglidefork,craft,unitclamp.

第一章零件的分析

1．零件的作用

放牌汽车底盘传动轴上的万向节滑动叉，它位于传动轴的端部。

主要作用一是传递扭矩，使汽车获得前进的动力；二是当汽车后桥钢板弹簧处在不同的状态时，由本零件可以调整传动轴的长短及其位置。

零件的两个叉头部位上有两个Φ39mm的孔，用以安装该针轴承并与十字轴相连，起万向联轴节的作用。

零件Φ65mm外圆内为Φ50mm花键孔与传动轴端部的花键轴相配合，用于传递动力之用。

2．零件的工艺分析

万向节滑动叉共有两组加工表面，它们之间有一定的位置要求。

现分述如下：

（1）以Φ39mm孔为中心的加工表面

这一组加工表面包括：

两个Φ39mm的孔及其倒角，尺寸为118mm的与两个孔Φ39mm相垂直的平面，还有在平面上的四个M8螺孔。

其中，主要加工表面为Φ39mm的两个孔。

（2）以Φ50mm花键孔为中心的加工表面

　这一组加工表面包括：

Φ50mm十六齿方齿花键孔，Φ55mm阶梯孔，以及Φ65mm的外圆表面和M60X16mm的外螺纹表面。

　这两组加工表面之间有着一定的位置要求，主要是：

　1）Φ50mm花键孔与Φ39二孔中心联线的垂直度公差为100：

0.2；

　2）Φ39mm二孔外端面对公Φ39孔垂直度公差为0.1mm；

　3）Φ50花键槽宽中心线与Φ39mm中心线偏转角度公差为2°。

　 由以上分析可知，对于这两组加工表面而言，可以先加工其中一组表面，然后借助于专用夹具加工另一组表面，并且保证它们之间的位置精度要求。

第二章确定毛坯，画毛坯-零件合图

1.确定毛坯的制造形式

零件材料为45钢。

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

由于零件年产量为4000件，已达大批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，故可采用模锻成型。

这从提高生产率、保证加工精度上考虑，也是应该的。

2.机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定

　　根据零件材料、硬度、毛坯重量及生产类型、锻造方法等原始资料和加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸。

（1）外圆表面（Φ62mm及M60X1mm）

　考虑其加工长度为90mm，与其联结的非加工外圆表面直径为Φ65mm，为简化模锻毛坯的外形，现直接取其外圆表面直径为Φ65mm。

Φ62mm表面为自由尺寸公差，表面粗糙度值要求为Rz200μm，只要求相加工，此时直径余量2z＝3mm已能满足加工要求。

（2）外圆表面沿轴线长度方向的加工余量及公差（M60X1mm端面）

　查《机械制造工艺设计简明手册》（以下简称《工艺手册》）表2.2—l4，其中锻件重量为6kg，锻件复杂形状系数为S1，锻件材质系数取M1，锻件轮廓尺寸（长度方向）＞180—315mm。

长度方向的余量查《工艺手册》表2.2—2.5，其余量值规定为2.0一2.5mm，现取2.0mm。

（3）两内孔毛坯为实心，不冲出孔。

两内孔精度要求界于IT7一IT8之间，参照《工艺手册》表2.3-9及表2.3—12确定工序尺寸及余量为：

　钻孔：

Φ25mm

　钻孔：

Φ37mm　　　　　2z＝12mm

　扩钻：

Φ38.7mm　　　　2z＝1.7mm

　精镗；Φ38.9mm　　　　2Z＝0.2mm

　细镗：

Φ39mm　　　　　2z＝0.1mm

（4）花键孔

　要求花键孔为外径定心，故采用拉削加工。

参照《工艺手册》表2.3—9确定孔的加工余量分配：

　钻孔Φ25mm

　钻孔Φ41mm

　扩钻Φ42mm

　拉花键孔（16—Φ50mm*Φ43mm*5mm）

　花键孔要求外径定心，拉削时的加工余量参照《工艺手册》表2.3—19取2z＝1mm。

（5）Φ39mm二孔外端面的加工余量（加工与量的计算长度为118mm）

　1）按照《工艺手册》表2.2—25，取加工精度F2，锻件复杂系数S3，锻件重6kg，则二孔外端面的单边加工余量为2.0一3.0mm，取Z＝2mm。

锻件的公差按《工艺手册》表2.2—14，材质系数取M1，复杂系数S3，则锻件的偏差。

　2）磨削余量：

单边0.2mm，（见《二艺手册》表2.3—21），磨削公差及零件公差一0.07mm。

　3）铣削余量：

铣削的公称余量（单边）为：

Z＝2.0一0.2＝1.8（mm）

　铣削公差：

现规定本工序（粗铣）的加工精度为ITll级，因此可知本工序的加工公差为-22M（入体方）。

由于毛坯及以后各道二序（或工步）的加工都有加工公差，因此所规定的加工余量其实只是名义上的加工余量。

　实际上，加工余量有最大加工余量及最小加工余量之分。

出于本设计规定的零件为大批生产，应该采用调整法加工，因此在计算最大、最小加工余量时，应按调整法加工方式予以确定。

　Φ39mm二孔外端面尺寸加工余量和工序间余量及公差分布图见图7：

　　　　　　　　　　　　由图可知：

毛坯名义尺寸：

118十2×2＝122（mm）

　毛坯最大尺寸：

122十1.3×2＝124.6（mm）

　毛坯最小尺寸：

122—0.7×2＝120.6（mm）

　粗铣后最大尺寸：

118十O.2×2＝118.4（mm）

　粗铣后最小尺寸：

118.4—0.22＝ll8.18（mm）

　最后，将上述计算的工序间尺寸及公差整理成表3：

第三章工艺规程设计

1.基面的选择

基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。

基面选择得正确与合理，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，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。

（1）粗基准的选择

　对于一般的轴类零件而言，以外圆作为粗基准是完全合理的。

但对于本零件来说，如果以Φ65mm外圆（或Φ62mm外圆）表面作基准（四点定位），则可能造成这一组内外圆柱表面与零件的叉部外形不对称。

按照有关粗基准的选择原则（即当零件有不加工表面时，应以这些不加工表面作粗基准；若零件有若干个不加工表面时，则应以与加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作为粗基准），现选取叉部两个Φ39mm孔的不加工外轮廓表面作为粗基准，利用一组共两个短Ⅴ形块支承这两个Φ39mm的外轮廓作主要定位面，以消除

、

、

、

四个自由度，再用一对自动定心的窄口卡爪，夹持在Φ65mm外圆柱面上，用以消除

、

两个自由度，达到完全定位。

（2）精基准的选择

　主要应该考虑基准重合的问题。

当设计基准与工序基准不重合时，应该进行尺寸换算，这在以后还要专门计算，此处不再重复。

2.制定工艺路线

制订工艺路线的出发点，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。

在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工夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。

除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。

（1）工艺路线方案一

工序一：

车外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60X1mm；

工序二：

两次钻孔并扩钻花键底孔Φ43mm，淴沉头孔Φ55mm；

工序三：

倒角5X30°；

工序四：

钻Rc1/8底孔；

工序五：

拉花键孔；

工序六：

粗铣Φ39mm二孔端面；

工序七：

精铣Φ39mm二孔端面；

工序八：

钻、扩、粗铰、精铰两个Φ39mm孔至图样尺寸并淴倒角2X45°；

工序九：

钻M8mm底孔Φ6.7mm，倒角120°；

工序十：

攻螺纹M8mm，Rc1/8；

工序十一：

冲箭头；

工序十二：

检查。

（2）工艺路线方案二

工序一：

粗铣Φ39mm二孔端面；

工序二：

精铣Φ39mm二孔端面；

工序三：

钻Φ39mm二孔；

工序四：

镗Φ39mm二孔；

工序五：

精镗Φ39mm二孔；

工序六：

车外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60X1mm；

工序七：

钻、镗孔Φ43mm，并淴沉头孔Φ55mm；

工序八：

倒角5X30°；

工序九：

钻Rc1/8底孔；

工序十：

拉花键孔。

工序十一：

钻M8mm螺纹的底孔Φ6.7mm孔，倒角120°；

工序十二：

攻螺纹M8mm，Rc1/8；

工序十三：

冲箭头；

工序十四：

检查。

　上述两个工艺方案的特点在于：

方案一是先加工以花键孔为中心的一组表面，然后以此为基面加工Φ39mm二孔，而方案二则与此相反，先是加工Φ39mm孔，然后再以此二孔为基准加工花键孔及其外表面。

两相比较可以看出，先加工花键孔后再以花键孔定位加工39二孔，这时的位置精度较易保证，并且定位及装夹等都比较方便。

但方案一中的工序八虽然代替了方案二中的工序三、四、五，减少了装夹次数，但在一道工序中要完成这么多工作，除了选用专门设计的组合机床（但在成批生产时，在能保证加工精度的情况下，应尽量不选用专用组合机床）外，只能选用转塔车床，利用转塔头进行加工。

而转塔车床目前大多适用于粗加工，用来在此处加工Φ39mm二孔是不合适的，因此决定将方案二中的工序三、四、五移入方案一，改为两道工序加工。

具体工艺过程如下：

工序一：

车外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60X1mm；

工序二：

两次钻孔并扩钻花键底孔Φ43mm，淴沉头孔Φ55mm，以Φ62mm外圆为定位基准；

工序三：

倒角5X30°；

工序四：

钻Rc1/8底孔；

工序五：

拉花键孔；

工序六：

粗铣Φ39mm二孔端面，以花键孔及其端面为基准；

工序七：

精铣Φ39mm二孔端面；

工序八：

钻孔两次并扩孔Φ39mm；

工序九：

精镗并细镗Φ39mm二孔，倒角2X45°；

工序十：

钻M8mm底孔Φ6.7mm，倒角120°；

工序十一：

攻螺纹M8mm，Rc1/8；

工序十二：

冲箭头；

工序十三：

检查；

以上加工方案大致看来还是合理的.但通过仔细考虑零件的技术要求以及可能采取的加工手段之后，就会发现仍有问题，主要表现在Φ39mm两个孔及其端面加工要求上。

图样规定Φ39mm二孔中心线应与Φ55mm花键孔垂直，垂直度公差为100：

0.2;Φ39mm二孔与其外端面应垂直，垂直度公差为0.1mm。

由此可以看出；因为Φ39mm二孔的中心线要求与花键孔中心线相垂直，因此，加工及测量Φ39mm孔时应以花键孔为基准。

这样做，能保证设计基准与工艺基准相重合。

在上述工艺路线制订中也是这样做了的。

同理，Φ39mm二孔与其外端面的垂直度（0.1mm）的技术要求在加工与测量时也应遵循上述原则。

但在已制订的工艺路线中却没有这样做：

Φ39mm孔加工时，以Φ55mm花键孔定位（这是正确的）；而孔的外端面加工时，也是以Φ55mm花键孔定位。

这样做，从装夹上看似乎比较方便，但却违反了基准重合的原则，造成了不必要的基准不重合误差。

具体来说，当Φ39mm二孔的外端面以花键孔为基准加工时，如果两个端面与花键孔中心线已保证绝对平行的话（这是很难的），那么由于Φ39mm二孔中心线与花键孔仍有100：

0.2的垂直度公差，则39mm孔与其外端面的垂直度误差就会很大，甚至会造成超差而报废。

这就是由于基被不重合而造成的恶果。

为了解决这个问题，原有的加工路线可仍大致保持不变，只是在Φ39mm二孔加工完了以后，再增加一道工序以Φ39mm孔为基准，磨Φ39mm二孔外端面。

这样做，可以修正由于基准不重合造成的加工误差，同时也照顾了原有的加工路线中装夹较方便的特点。

因此，最后的加工路线确定如下：

工序一：

车端面及外圆Φ62mm，Φ60mm，车螺纹M60X1mm。

以两个叉耳外轮廓及Φ65mm外圆为粗基准，选用C620—1卧式车床并加专用夹具；

工序二：

钻、扩花键底孔Φ43mm，淴沉头孔Φ55mm，以Φ62mm外圆为定位基准，选用c365L转塔车床；

工序三：

内花键孔5X30°倒角。

选用c620-1车床加专用夹具；

工序四：

钻锥螺纹Rc1/8底孔。

选用z525立式钻床及专用钻模。

这里安排钻Rcl／8底孔主要是为了下道工序拉花键孔时为消除回转自由度面设置的一个定位基准。

本工序以花键内底孔定位，并利用叉部外轮廓消除回转自由度；

工序五：

拉花键孔。

利用花键内底孔。

Φ55mm端面及Rcl／8锥螺纹底孔定位，选用L6120卧式拉床加工；

工序六：

粗铣Φ39mm二孔端面，以花键孔及其端面为基准。

选用x63卧式铣床加工；

工序七：

钻、扩Φ39mm二孔及倒角。

以花键孔及端面定位，选用z535立式钻床加工；

工序八：

精镗并细镗Φ39mm二孔。

选用T740型卧式金刚镗床及专用夹具加工，以花键内孔及其端面定位；

工序九：

磨Φ39mm二孔端面，保证尺寸，以Φ39mm孔及花键孔定位，选用M7l30平面磨床及专用夹具加工；

工序十：

钻叉部四个M8mm螺纹底孔并倒角。

选用z525立式钻床及专用夹具加工，以花键孔及Φ39mm孔定位；

工序十一：

攻螺纹4-M8mm，Rc1/8；

工序十二：

冲箭头；

工序十三：

检查。

＊以上工艺过程详见“机械加工工艺过程综合卡片”

4.确定切削用量及基本工时

工序1：

车削端面、外圆及螺纹。

本工序采用计算法确定切削用量；

工序2：

钻、扩花键底孔Φ43mm，及淴沉头孔Φ55mm，选用机床C365L；

工序3：

Φ43mm内孔50*30°倒角，选用卧式车床C620-1。

由于最后的切削宽度很大，故按成形车削制定进给量；

工序4：

钻锥螺纹Rc1/8底孔（Φ8.8mm）；

工序5：

拉花键孔；

工序6：

粗铣Φ39mm二孔端面，保证尺寸；

工序7：

钻、扩Φ39mm二孔及倒角；

工序8：

精、细镗Φ38.9mm二孔，选用机床：

T740金刚镗床；

工序9：

磨Φ39mm二孔端面，保证尺寸；

工序10：

钻螺纹底孔4-Φ6.7mm，并倒角120°；

工序11：

攻螺纹4—M8mm及Rc1/8。

＊需用到的典型夹具机构

　　最后，将以上各工序切削用量、工时定额的计算结果，连同其它加工数据，一并填入机械加工工艺过程综合卡。

6.机械加工工艺过程综合卡片（见附图）

第四章夹具设计

1.问题的提出

　　本夹具主要用来粗铣Φ39mm二孔的两个端面，这两个端面对Φ39mm孔及花键孔都有一定的技术要求。

但加工本道工序时，Φ39mm孔尚未加工，而且这两个端面在工序９还要进行磨加工。

因此，在本道工序加工时，主要应考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度，面精度则不是主要问题。

2.夹具设计

（1）定位基准的选择

　由零件图可知，Φ39mm二孔端面应对花键孔中心线有平行度及对称度要求，其设计基准为花键孔中心线。

为了使定位误差为零，应该选择以花键孔定位的自动定心夹具。

但这种自动定心夹具在结构上将过于复杂，因此这里只选用以花键孔为主要定位基面。

　为了提高加工效率，现决定用两把镶齿三面刃铣刀对两个孔端面同时进行加工。

同时，为了缩短辅助时间，准备采用气动夹紧。

（2）切削力及夹紧力计算

　刀具：

高速钢镶齿三面刃铣刀，z＝20

（见《切削手册》表3.28）

　其中：

Cr＝65050，a=3.1mm，x＝1.0，f=0.08mm，y＝0.72，a＝40mm（在加工面上侧量的近似值）＝O.86，d=225mm，q＝O.86，w=0，z＝20所以

　当用两把刀铣削时，F'＝2F＝2912（N）

　水平分力：

Fe＝1.1F'＝3203（N）

　垂直分力：

Fv=0.3F'＝873（N）

　在计算切削力时，必须把安全系数考虑在内。

安全系数K＝K1K2K3K4。

（参见常用设计资料）

　其中：

K1为基本安全系数1.5；

　　　　K2为加工性质系数1.1；

　　　　K3为刀具钝化系数1.1；

　　　　K4为断续切削系数1.1。

　所以　F'=KＦH＝1.5×1.1×1.1×1.1×3203=6395（N）

　选用气缸一斜楔夹紧机构，楔角=10，其结构形式选用w型，则扩力比i＝3.42。

　为克服水平切削力，实际夹紧力N应为：

　　　　　　　　N（f1十f2）＝KＦH

　所以　　　　

　其中f1及f2为夹具定位面及夹紧面上的摩擦系数，f1=f2＝0.25。

则

　气缸选用Φ100mm。

当压缩空气单位压力p＝0.5MPa时，气缸推力为3900N。

由于己知新楔机构的扩力比i＝3.42，故由气缸产生的实际夹紧力为

　　　　　　　　Nq＝3900i＝3900×3.42＝13338（N）

　此时Nq已大于所需的12790N的夹紧力，故本夹具可安全工作。

3.定位误差分析

（1）定位元件尺寸及公差的确定。

夹具的主要定位元件为一花键轴，该定位花键轴的尺寸与公差现规定为与本零件在工作时与其相配花键轴的尺寸与公差相同，即16x43H11×50H8×5H10mm。

（2）零件图样规定Φ50mm花键孔键槽宽中心线与Φ39mm两孔中心线转角公差为2°。

由于Φ39mm孔中心线应与其外端面垂直，故要求Φ39mm二孔端面之垂线应与Φ50mm。

花键孔键槽宽中心线转角公差为2°。

此项技术要求主要应由花键槽宽配合中的侧向间隙保证。

　已知花键孔键槽宽为5mm，夹具中定位花键轴键宽为5mm，因此当零件安装在夹具中时，键槽处的最大侧向间隙为：

　　　　　　　　0.048-（-0.065）=0.113（mm）

　由此而引起的零件最大转角α为：

　所以　　　　α=0.258°

　即最大侧隙能满足零件的精度要求。

（3）计算Φ39mm二孔外端面铣加工后与花键孔中心线的最大平行度误差。

　零件花键孔与定位心轴外径的最大间隙为：

　　　　　　　　0.048-（-0.083）=0.131（mm）

　当定位花键轴的长度取l00mm时，则由上述间隙引起的最大倾角为0.131／100。

此即为由于定位问题而引起的孔端面对花键孔中心线的最大平行度误差。

由于Φ39mm孔外端面以后还要进行磨削加工，故上述平行度误差值可以允许。

4.夹具设计及操作的简要说明

　　如前所述，在设计夹具时，应该注意提高劳动生产率。

为此，应首先着眼机动夹紧而不采用手动夹紧。

因为这是提高劳动生产率的重要途径。

本道工序的铣床夹具就选择了气动夹紧方式。

本工序由于是粗加工，切削力较大，为了夹紧工件，势必要增大气缸直径，而这样将使整个夹具过于庞大。

因此，应首先设法降低切削力。

目前采取的措施有三：

一是提高毛坯的制造精度，使最大切削深度降低，以降低切削力；二是选择一种比较理想的斜楔夹紧机构，尽量增加该夹紧机构的扩力比，三是在可能的情况下，适当提高压缩空气的工作压力（由0.4MPa增至0.5MPa），以增加气缸推力。

结果，本夹具总的感觉还比较紧凑。

夹具上装有对刀块，可使夹具在一批零件的加工之前很好地对刀（与塞尺配合使用）；同时，夹具体底面上的一对定位键可使整个夹具在机床工作台上有一正确的安装位置，以利于铣削加工。

5.铣床夹具的装配图及夹具体零件图见附录