机床羊角拨叉加工工艺及孔加工夹具设计

机床“羊角”拨叉加工工艺及孔加工夹具设计 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：机床“羊角”拨叉加工工艺及孔加工夹具设计 学习中心：广东江门奥鹏学习中心 层 次： 专科起点本科 专 业： 机械设计制造及其自动化年 级： 2009年 秋季 学 号： 091182411014 学 生： 罗 礼 胜 指导教师： 王 爽 完成日期： 2011年 9月 17日 II内容摘要本论文完成了对机床“羊角”拨叉加工工艺及孔加工夹具 的设计。本论文完成了对机床“羊角”拨叉加工工艺及钻孔夹具的设计。在设计的前一部分，主要进行工艺卡的填写，流程如下：首先是分析零件基本特征；其次根据前面的分析来选择毛坯；再次设计工艺规程：包括制定工艺路线，选择基准面等；然后进行工序设计，即选择机床，确定加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸，切削用量待参数；最后编制工艺文件。第二阶段，进行夹具设计。纵观整条工艺路线，结合难易程度和夹具本身的特色，选定孔加工工序进行夹具的总体装配和夹具体的设计。首先，结合零件在该工序中需要达到的各项技术要求，初步拟定工件的定位、夹紧方案；然后，根据夹具设计原则以及夹紧力和夹紧点的确定原则进行局部零部件和夹具体的设计；最后，校核该夹具的精度。关键词：羊角拨叉；机械加工；工艺；工艺卡；切削；夹具设计目 录内容摘要1引 言31.1 羊角拨叉的功用41.2 设计任务42 零件工艺规程设计52.1 产量的确定52.1.1 生产类型的确定52.1.2 日生产量的确定52.2 毛坯的选择及毛坯图的绘制62.2.1 毛坯的选择62.2.2 毛坯-零件综合图的绘制方法62.3 定位基准的分析与选择62.3.1 基准的概念72.3.2 基准选择原则82.3.3 定位基准的选择92.4 工艺路线的制定102.5 工艺卡的填写143 夹具设计203.1 夹具的整体设计203.1.1夹具设计分析203.1.2 夹具结构方案的确定223.1.3 夹具的具体设计243.2 夹具的装配253.3 夹具的经济性分析26结 论28参考文献29引 言机械设计制造及其夹具设计是我们融会贯通三年所学的知识，将理论与实践相结合，对专业知识的综合运用训练，为我们即将走向自己的工作岗位打下良好的基础。机械加工工艺是规定产品或零件机械加工工艺过程和操作方法，是指导生产重要的技术性文件。它直接关系到产品的质量、生产率及其加工产品的经济效益，生产规模的大小、工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺来体现，因此工艺规程的编制的好坏是生产该产品的质量的重要保证的重要依据。在编制工艺时须保证其合理性、科学性、完善性。而机床夹具是为了保证产品的质量的同时提高生产的效率、改善工人的劳动强度、降低生产成本而在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。它们的研究对机械工业有着很重要的意义，因此在大批量生产中，常采用专用夹具。而本次对于拨叉加工工艺及夹具设计的主要任务是： 1完成拨叉零件加工工艺规程的制定； 2完成铣削切断的专用夹具设计。 通过对拨叉零件的初步分析，了解其零件的主要特点，加工难易程度，主要加工面和加工粗、精基准，从而制定出拨叉加工工艺规程；对于专用夹具的设计，首先分析零件的加工工艺，选取定位基准，然后再根据切削力的大小、批量生产情况来选取夹紧方式，从而设计专用夹具。 1 设计任务说明1.1 羊角拨叉的功用设计机床羊角拨叉零件的机械加工工艺规程及其机床夹具。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。该零件图纸如下：图1.1 机床羊角拨叉零件图1.2 设计任务本次设计任务需完成毛坯选择、编排加工工艺、工装夹具设计、撰写产品说明书，以及图纸绘制等工作，图纸说明如下：1毛坯零件综合图1张2工艺过程卡片1套3夹具装配图 1张4夹具体零件图1张5说明书1份2 零件工艺规程设计2.1 产量的确定2.1.1 生产类型的确定表2.1 生产类型的划分生产类型同类零件的年产量/件重型零件（质量2000kg）中型零件（质量1002000kg）小型零件（质量7，故取修正系数K=0.8。所以f=(0.520.64)0.8=(0.420.51)mm/r。b） 按钻头强度决定进给量根据表2.8，当b=190MPa，do=12mm,钻头强度允许的进给量f=1.22mm/r。c） 按机床进给机构强度决定进给量 根据表切削手册2.9，当b210Mpa，do12.1mm，机床进给机构允许的轴向力为9880N，进给量为1.1mm/r。从以上三个进给量比较可以看出，受限制的进给量是工艺要求，其值为f=0.420.51mm/r，根据Z518钻床说明书，选f=0.50mm/r（见工艺设计手册表4.2-16），又由切削手册表2.19可以查出钻孔时的轴向力，当f=0.50mm/r，do=12mm时，轴向力Ff=5120N，轴向力的修正系数为1.0，故Ff=5120N。根据Z518钻床说明书，机床进给机构强度允许的最大轴向力为Fmax=8830N，由于FfFmax，故f=0.50mm/r可以用。2） 决定钻头的磨钝标准及寿命 由切削手册表2.12，当do=18 mm时，钻头后刀面最大磨钝量取为（0.50.8）mm，寿命T=30min。3） 决定切削速度由切削手册表2.15可知f=0.50mm/r时，双修磨横刃的钻头，do=12 mm时，Vt=18m/min。切削速度的修正系数由切削手册表2.31可知：Ktv=1.0，Kmv=1.0，KTv=1.0，Klv=0.85所以 Vc=VtKv=171.01.01.00.85=15.3m/min所以 =406r/min根据Z518钻床说明书,可考虑选择nc=440r/min（见工艺设计手册表4.2-15）4） 检验机床扭转及功率根据切削手册表2.21，当f=0.5mm/r，do Mc。又根据切削手册表2.23，当b=(170213)Mpa，do=13.2mm，f=0.53mm/r Vc=26.4m/min时， Pc=1KW。根据Z518钻床说明书, PcPE，所以有Mc Mm，PcPE ，故选择的切削用量可用。即 f=0.5mm/r，n=nc=440r/min，Vc=15.3m/min（3） 计算基本工时公式中： L=x+y+；根据实际情况和切削手册表3.26可知，当L=110mm时，有=0.5min2 扩孔至14（1） 加工条件工件材料：HT200，b=0.16GPa ，HBS=190210，铸件。机床：Z518立式铣床。钻头：莫氏锥柄麻花钻头（GB/T4256-2004），d=14，I=125，L=220。（2） 切削用量同理，通过重复上一工步查表核算，可得到如下结论：进给量：f=0.3钻头的磨钝标准及寿命：T=30min切削速度：nc=440 r/min检验机床扭转及功率：Mc Mm，PcPE ，故选择的切削用量可用。（3） 计算基本工时 公式中： L=x+y+；根据切削手册表3.26，L=125mm故min3 夹具设计3.1 夹具的整体设计3.1.1夹具设计分析夹具是一种装夹工件的工艺装备，它广泛地应用于机械制造过程的切削加工、热处理、装配、焊接和检测等工艺过程中。在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，对工件进行机械加工时，为了保证加工要求，首先要使工件相对于刀具及机床有正确的位置，并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动。为此，在进行机械加工前，先要将工件装夹好。工件的装夹方法有两种：一种是工件直接装夹在机床的工作台或卡盘上；另一种是工件装夹在夹具上。采用第一种方法装夹工件时，一般要先按图样要求在工件表面划线，划出加工表面的尺寸和位置，装夹时用划针或百分表找正后再夹紧。这种方法无需专用装备，但效率低，一般用于单件和小批量生产。批量较大时，大都用夹具装夹工件，因为它直接影响着工件加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等。机床夹具的使用有利于保证工件的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一机多用”等。在成批生产，大量生产中，工件的装夹是通过机床夹具来实现的。机床夹具是工艺系统的重要组成部分，它在生产中应用十分广泛。1机床夹具的作用 （1） 保证加工精度，用机床夹具装夹工件，能准确确定工件与刀具，机床之间的相对位置关系，可以保证加工精度。（2） 提高生产效率，机床夹具能快速地将工件定位和夹紧，可以减少辅助时间，提高生产效率。（3） 减轻劳动强度，机床夹具采用机械、气动、液动夹紧装置，可以减轻工人的劳动强度。（4） 扩大机床的工艺范围，利用机床夹具，能扩大机床的加工范围，例如，在车床或钻床上使用镗模可以代替镗床镗孔，使车床、钻床具有镗床的功能。2机床夹具的分类 机床夹具的种类很多，现按应用范围分类如下：（1） 通用夹具：通用夹具是指结构已经标准化，且有较大适用范围的夹具，例如，车床用的三爪卡盘和四爪卡盘，铣床用的平口钳及分度头等。（2） 专用机床夹具：专用机床夹具是针对某一工件的某道工序专门设计制造的夹具。专用机床夹具适于在产品相对稳定，产量较大的场合应用。（3） 组合夹具：组合夹具是用一套预先制造好的标准元件和合件组装而成的夹具。组合夹具结构灵活多变，设计和组装周期短，夹具零部件能长期重复使用，适于在多品种单件小批生产或新产品试制等场合应用。（4） 成组夹具：成组夹具是在采用成组加工时，为每个零件组设计制造的夹具，当改换加工同组内另一种零件时，只需调整或更换夹具上的个别元件，即可进行加工。成组夹具适于在多品种，中小批生产中应用。（5） 随行夹具：它是一种在自动线上使用的移动式夹具，在工件进入自动线加工之前，先将工件装在夹具中，然后夹具连同被加工工件一起沿着自动线依次从一个工位移到下一个工位，直到工件在退出自动线加工时，才将工件从夹具中卸下。随行夹具是一种始终随工件一起沿着自动线移动的夹具。3专用机床夹具的组成 夹具一般由下列元件或装置组成：（1） 定位元件：定位元件是用来确定工件正确位置的元件，被加工工件的定位基面与夹具定位元件直接接触或相配合。（2） 夹紧装置：夹紧装置是使工件在外力作用下仍能保持其正确定位位置的装置。（3） 对刀元件及导向元件：对刀元件及导向元件是指夹具中用于确定(或引导)刀具相对于夹具定位元件具有正确位置关系的元件，例如钻套、镗套、对刀块等。（4） 连接元件：夹具连接元件是指用于确定夹具在机床上具有正确位置并与之连接的元件，例如安装在铣床夹具底面上的定位键等。（5） 其它元件及装置：根据加工要求，有些夹具尚需设置分度转位装置，靠模装置，工件抬起装置和辅助支承等装置。（6） 夹具体：夹具体是用于连接夹具元件和有关装置使之成为一个整体的基础件，夹具通过夹具体与机床连接。定位元件，夹紧装置和夹具体是夹具的基本组成部分，其它部分可根据需要设置。（7） 其他元件或装置：根据不同工件的不同加工表面要素的需要，有些夹具分别需要采用分度装置、靠模装置、上下料装置、顶出器和平衡块等，以分别满足生产率、加工精度、仿形、装卸工件等其他要求。这些装置或元件一般需要专门设计。本文选择其中的M孔加工工序的夹具进行设计，加工完成应达到图纸的技术要求。3.1.2 夹具结构方案的确定1 夹紧原理与装置在机械加工前，工件 在夹具的定位元件上获得正确位置之后，还必须在夹具上设置夹紧机构将工件夹紧，以保证工件在加工过程跳致因受到切削力、惯性力、离心力或重力等外力作用而产生位置偏移和振动，并保持已由定位元件所确定的加工位置。由此可见夹紧机构在夹具中占有重要地位。夹紧装置分为手动夹紧和机动夹紧两类。根据结构特点和功用，典型夹紧装置由三部分组成：（1） 力源装置，即产生夹紧力的装置，通常是指动力夹紧时所用的气压装置、液压装置、电动装置等等。（2） 中间传力机构，即界于力源和夹紧元件之间的机构，通过其将力源产生的夹紧力传给夹紧元件，然后由夹紧元件最终完成对工件的夹紧。一般中间传力机构可以在传递夹紧力的过程中，改变夹紧力的方向和大小，并根据需要亦可具有一定的自锁功能。（3） 夹紧元件，即实现夹紧的最终执行元件，通过其和工件直接接触而完成夹紧工件。夹紧装置设计的好坏，不仅关系到工件的加工质量，而且对提高生产效率，降低生产成本以及创造良好的工作环境等诸方面都有很大的影响。所以设计夹紧装置应该满足下列基本要求：（1） 夹紧过程中，不改变工件定位后占据的正确位置。（2） 夹紧力的大小要可靠适当，既要工件保证工件在整个加工过程中位置稳定不变，振动小，以要使工件不会产生过大的变形。（3） 夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产率的前提下，其结构要力求简单，以便于制造和维修。（4） 夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。2夹紧三要素的确定夹紧力的确定是夹紧装置设计与选用的核心问题。在具体确定时必须结合工件的加工要求和特点、定位元件的结构形式和布置方式、工件的自身重力和所受外力作用情况等诸多方面综合考虑。（1） 夹紧力方向的确定：夹紧力的方向主要和工件定位基准的配置以及工件所受外力的作用方向有关。夹紧力应垂直于主要定位基准面 。这里的主要定位基准面是指消除自由度较多、面积较大的表面。这样可以保证定位准确可靠，不破坏原定位精度。夹紧力应尽可能与切削力、工件重力同方向，以利于减小夹紧力。（2） 夹紧力着力点的选择：在选择夹紧力着力点的位置时，主要考虑如何保证夹紧时不破坏工件在定位时所取得的位置和引起的工件变形最小。夹紧力落在支承元件上或落在几个支承所形成的支承面内。夹紧力应作用在工件刚性较好的部位上。这一点对于刚性差的工件特别重要。其目的在于尽可能避免或减少夹紧力所产生的弯曲力矩，防止工件产生不允许的变形。夹紧力靠近加工表面。其目的是使切削力对此夹紧点的力矩较小，防止工件产生振动。（3） 夹紧力大小的估算：在加工过程中工件受到切削力、离心力、惯性力和工件自身重力等外力的作用，为保证夹紧可靠，夹紧力必须与上述各种外力相平衡。但在不同的条件下，上述各种外力在平衡力系中对工件所起的作用并不相同，例如在一般的中小件的加工中，起决定作用的因素是切削力，而对于重型工件则还要考虑重力。因此在确定夹紧力大小时，为简化计算起见，可只考虑主要因素在力系中的影响，从夹紧可靠的前提出发，找出加工过程中最不利的瞬时状态，根据静力平衡的条件，求出夹紧力的大小，然后再将此结果予以适当增大，作为所需的夹紧力。夹紧力大小的一般估算公式如下：QK = K Q式中QK实际所需的夹紧力（单位：N）；Q按静力平衡条件计算出来的夹紧力大小（单位：N）；K安全系数，根据生产经验，一般为1.53。粗加工时取K = 23，精加工时取K=1.52。3羊角拨叉钻孔夹具方案综合考虑如上各个因素的影响，羊角拨叉钻孔夹具方案定制为：（1） 以B1、B2面作为加工基准面；（2） 以N孔轴线及M孔的外侧面定位；（3） 夹紧装置以手动螺纹连接为主。3.1.3 夹具的具体设计1 定位基准的选择选择精基准时，考虑的重点是有利于保证工件的加工精度并使其装夹准确。在本道工序前，已经加工了四个表面以及N孔，因此可以利用前面得到加工成果作为精基准。在加工N孔的工序中，采用的是B1、B2表面作为基准面，根据基准统一原则，应尽可能选用统一的定位基准。故本道工序仍然采用B1、B2表面作为基准面。在选择B1、B2表面作为基准后，只限制了拨叉在Z方向上的自由度，而在X及Y方向的自由度没有限制，因此需要进一步定位。可在N孔作为基准以及在M孔的两个外侧边作为基准来消除拨叉在X及Y方向上的自由度。自此拨叉可在空间范围内完全定位。2 定位元件类型根据拨叉毛坯图可知，立式钻床加工M孔时，因B2面最向外，故可将B2面贴与机床表面；而B1面可利用一定位垫以固定；N孔因其深度为88mm，故将利用一个圆柱定位心轴固定；M孔的两个外侧边宜选用定位块与螺纹配合将其固定。3 夹紧装置该夹具的主要夹紧装置为M孔的两个外侧边的夹紧装置。其定位块与螺纹配合的之间产生的相对运动产生夹紧力。该夹紧装置的动力源为手动，中间传力结构为螺纹配合装置，夹紧元件为定位块与螺钉。由夹具装配图便可知道，夹紧力的作用点在于拨叉分别与定位块及螺钉的接触线或接触点。夹紧力方向应为由螺钉接触点通过M孔圆心指向定位块接触点或由定位块接触点通过M孔圆心指向螺钉接触点。4夹紧力的校核由资料切削手册查表2.32可得：切削力公式： 式中 ，查表得： 即： 实际所需夹紧力：由机床夹具设计手册表1-2-11得： 安全系数K可按下式计算：式中：为各种因素的安全系数，见机床夹具设计手册表1-2-1可得： 所以 =27492.25=6185N由计算可知所需实际夹紧力不是很大，为了使其夹具结构简单、操作方便，决定选用手动螺旋夹紧机构。取，螺旋夹紧时产生的夹紧力 式中参数由机床夹具设计手册可查得：, 其中： 由机床夹具设计表1-2-11查得当螺纹的公称直径为12mm时，螺栓许用的夹紧力为10600N。由上述计算易得： 因此采用该夹紧机构工作是可靠的。该夹具如图3.1所示。3.2 夹具的装配如前所述，在设计夹具时，首先要考虑到能保证零件的加工精度，其次是要提高劳动生产率。为此，应先考虑所设计的夹具体与零件在夹具上的定位，在本道工序中，由于零件的侧边的定位是用的夹具体，所以其表面粗糙度要求应比较高，视为关键面。又本道工序是钻孔，其切削力大，故在设计夹具时应考虑夹具的实效及尽量利用常用的一些零件。具体装配技术如下：1 钻模板安装准确后，用锥销定位；2 钻套工作面与定位支承板工作面垂直度误差不大于0.05mm；3 钻套工作面与夹具体安装基面垂直度误差不大于0.05mm；4 定位支承板工作面对夹具休安装基面平行度误差不大于0.02；5 装配过程中不允许磕、碰、划伤各锈蚀。图3.1 夹具体夹紧机构3.3 夹具的经济性分析为了提高整个工艺加工的生产效率，在保证定位夹紧要求和零件的各项技术要求的前提下，对于夹具的选择也要满足一定的经济性。1在夹具设计中，应尽量采用标准件或推荐的元件，这样在夹具需更换元件时，可避免重复设计、重复制造带来的麻烦和浪费，减少更换时间，且降低了夹具成本。2尽量减小需精加工的平面的面积，降低夹具的制造成本。3为提高生产率，应尽量采用方便、简单的夹紧装置，这样不仅可以减少劳动强度，还可降低成本。4该夹具的设计本着效率第一、兼顾经济的原则，零件的选用几乎都采用了标准件。另外，夹具体的设计也简单而实用，在加工过程中使用起较为方便，整体来说经济比较好。结论通过这次毕业设计，使我对零件制造过程、加工工艺和夹具设计都有了更进一步的认识，也加深了对大学四年中所学基础知识的学习和理解。毕业设计是理论联系实际的最有效方法。在具体设计过程中，必须考虑到方方面面的问题，在理论上正确无误的设计，在实际中往往存在各种问题。这样，在设计时就必须考虑所设计的机构是否合理，在实际运用中能否正常工作，而不仅仅考虑理论上的可行性，毕业设计使我学会了从实际出发加工零件和设计夹具。在本次设计中，考虑到零件的加工难易、材料、成本等问题，所选用的零、部件都是操作简单，通用性较强的标准件，从现时以最低的成本实现最先进的加工。本次设计从零件的毛坯生产到最终成品，中间经过了铣、钻等工序。在夹具设计中，先确定工件的基准，然后通过一面两销定位，将工件固定夹紧在夹具上。在设计过程中计算了刀具的切削力、夹具的夹紧力等，最后再通过autoCAD进行零件图和装配图的绘制。整个设计过程将我以前学过的机械制造工艺与装备、公差与配合、机械制图、工程材料与热处理工艺等知识很好的串联了起来，巩固了所学知识，提高了我的学习能力。在本次设计中已无大的问题，基本达到了要求。但是也有存在一些不足之处：（1）对工艺规程相关知识了解欠缺，许多知识学习不到位；（2）进行工艺设计时思路不够开阔，提出的方案较少，对零件的定位了解不够；（3）在夹具的设计中没有能提出多中方案进行分析比较，有所不足。最后衷心感谢指导教师王老师的细致耐心的讲解和指导！参考文献1 徐嘉元，曾家驹.机械制造工艺学.机械工业出版社，2002.2 机械零件设计手册，2003.3 机床夹具设计手册，2003.4 甘永立.几何量公差与检测.上海科学技术出版社，2005.5 杨铁牛.互换性与技术测量.电子工业出版社，2010.6 李益民.机械制造工艺设计简明手册.机械工业出版社，1992.7 乐兑谦，金属切削刀具，机械工业出版社，2005.8 余光国，马俊，张兴发，机床夹具设计M，重庆：重庆大学出版社，1995.9 朱派龙，孙永红.机械制造工艺装备.西安电子科技大学出版社，2006.10 金大鹰.机械制图.机械工业出版社.2000.11 Handbook of Machine Tools Manfred weck 1984.12 Machine Tools N.chernor 1984.13 Machine Tool Metalworking John L.Feirer 1973.29