转向节加工工艺及夹具设计毕业设计

桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 1 页 共 35 页引言（1）论文研究的背景及意义转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，一般载货汽车多以前桥为转向桥。转向节按装配位置分左、右两种。左置方向盘的汽车（如我国、美国等按右侧行驶的汽车）其左转向节的上、下耳部各有一分别用于安装转向节上臂与下臂的锥孔。而右转向节只在下耳有一个安装下臂的锥孔。左右转向臂与转向横拉杆连接，与前轴构成转向梯形。当汽车沿弯路转向行驶时，使两转型节绕主销偏转不同的角度，让所有车轮绕同一瞬时滚动中心滚动，以减少车轮在转向行驶时的滑擦。转向节的轴颈通过轮毂轴承与轮毂连接，车轮用螺栓与轮毂连接，并绕转向节轴颈回转，实现汽车行走。转向节的结构形式按节体和轮轴的组合方式，分为整体式和分开式两种。整体式转向节是节体和轮轴合为一个整体，其毛坯一般采用锻造成型分开式转向节是节体和轮轴分成两件轮轴采用棒形坯料节体毛坯为锻造或铸造成型，分别加工后再压配成一体。转向节按节体和轮轴的组合方式，分为整体式和分开式两种，整体式主要用于商用车（货车） ，分开式则主要用于乘用车（轿车） 。目前，国外汽车多数采用整体式结构。转向节的关键加工部位包括：主销大孔、制动器安装孔、轮轴上安装轮彀轴承的配台面和减震器安装孔等。（2）国内外研究现状国外工业基础好，发展成熟，再加上汽车工业发达，经验也比较丰富，在转向节生产上都有各自的特点。对于主销大孔，国外大多采用卧式双面镗床进行钻、镗加工，且将精镗主销孔和内端面组合为一道工序；有些厂家也采用立式喷射钻一次加工完成单耳主销孔，能加达到较高的精度和表面粗糙度要求。转向节轮轴国外主要采用可变速的仿型车床车削，并由单刀仿形车削逐渐向多刀仿形车削发展。精加工轮轴国外均采用端面外圆磨床磨削，在磨削过程中采用自动测量装置，进行砂轮的修正和进给量的及时补偿。国外有些后轮驱动车的转向节是通过压配与焊接相结合的工艺方法连接到减震器上，这种结构的转向节有一个大的减震器安装孔。减震器孔的加工方法，国外以喷射钻加工为主。在转向节外螺纹的加工上，国外除常规的切削工序外，尚有采用滚压和磨削两种高效的工艺方法。这两种加工方法都能大大提高螺纹的精度和表面粗糙度，从而提高螺纹的疲劳强度和耐磨性。与国外技术相比，国内工业基础薄弱，转向节加工技术起步晚，也缺少相关经验。因此尽管在上世纪末，国内已开始生产转向节加工专机，但在实际加工中，往往难以达到产品图纸的技术要求、也难以保证生产节拍。例如，天津某厂生产夏利轿车转向节，其结构复杂、刚性差、空间角度多、各部位都不在同一平面上，给制造带来很大的难度。因此最终选择了引进国外技术加工转桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 2 页 共 35 页向节。在 2008 年，第一条独具中国重汽技术创新特色的全自动、柔性化转向节加工生产线在中国重汽桥箱公司正式投入生产运行。这大大提高了我国的转向节加工能力。尽管如此，我国转向节生产技术与国外先进技术的差距还是很大的。以美国为例：通用汽车公司凯迪拉克部的新型转向节加工线，其 32 工位节体加工自动线总长 36.6m，由前后两段组成，分别对节体进行粗、精加工。克罗斯公司的“双程”加工自动线，则由 8 个工位组成，主要特点在于每个被加工的转向节必须在自动线上通过两次才能完成全部加工。这种双程布置形式可减少自动线占地面积。在德国，转向节生产也有自己的特色。德国 Mauser 公司的加工自动线上主要采用滚压螺纹、喷射钻削主销孔、拉削节体凸榫面等高效率工艺方法，能极大地提高自动线的生产率。为了满足柔性生产要求，德国 AiringKessler 专用机床公司的加工自动线，在自动线上采用了 4 个 HFE 一 40C 型三座标数控动力头，取代了传统的可调式钻削、铣削动力，用来加工转向臂凸台面和制动支承面上的安装孔等。（3）研究目的汽车左右转向节主销孔镗削加工工艺及组合机床选择，在此次毕业设计中要完成大批量转向节加工总体工艺方案设计、主销孔加工工艺装备选择和主销大孔镗削和制动器安装孔钻削加工夹具设计。培养综合运用所学基本理论，基本知识，基本方法和基本技能，分析问题和解决问题的能力。并且可以通过实地考察，了解在现今工厂中所用到的镗销的组合机床和钻床及其夹具，并确定其发展方向和所要求的精度范围。毕业设计是高等工业院校学生毕业前进行的全面综合训练，是培养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的检验。（4）课题研究的主要内容本文的主要任务是设计左转向节主销孔镗削和减震器孔钻削加工的工艺及加工机床选择，主要设计转向节的加工工艺、镗削加工机床选择及镗削加工主销大孔和减震器孔钻削的夹具设计。本次设计的主要内容如下：首先完成开题报告：介绍本次设计的背景和意义，关于转向节加工工艺的国内外研究现状，最后分析设计的总体方案及进程安排。接着是左转向节加工工艺方案的设计。首先进行零件工艺分析，再进行零件的加工工艺分析，最后制定左右转向节批量生产的工艺过程。左右转向节主销孔镗削加工的机床选择。主要是确定机床的种类和型号（包括规格尺寸） 。左右转向节主销大孔镗削和减震器孔钻削加工工艺的夹具设计。包括定位加紧原理设计分析，镗套设计及其他机构的设计，最后将所有元件进行装配，绘制出装配图桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 3 页 共 35 页及零件图。最后对毕业设计论文的主要工作做一个总结。1 零件工艺方案设计1.1 零件分析零件进行工艺分析的一个主要内容就是研究、审查零件的结构工艺性。所谓零件的结构工艺性，是指所设计的零件在满足使用要求的前提下，在现有技术水平和资源约束下，制造的可行性和经济性。转向节的形状比较复杂，主要由大孔、制动器孔、减震器孔、摆臂四大部分组成如图 1-1。转向节的加工分为毛坯制造和成品机加。转向节形状复杂，强度要求高，毛坯一般采用 40Cr 或 40MnB 等合金结构钢通过模锻的方法制造。模锻的毛坯制造精度高，加工余量小，生产效率高，而且金属材料经模锻后，纤维组织的分布有利于提高零件的强度。制动器孔孔制动器孔大孔大平面减震器摆臂桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 4 页 共 35 页图 1-1 转向节结构简图1.1.1 应力分析对转向节静力学强度分析得到的等效应力云图如图1-2，图1-3，图1-4所示： 图1-2 垂直跳动时转向节的应力云图图1-3 转向时转向节的应力云图图1-4 制动时转向节的应力云图桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 5 页 共 35 页由图1-2中可以看出，在垂直跳动工况下，转向节大应力的区域主要居于上端伸出部分的颈根处，最大应力值为485MPa，QT500-7的屈服极限320MPa，抗拉极限500MPa，其值超过材料屈服应力， 245MPa到485MPa过渡范围很小，集中于少数几个节点，因此可以认为是几何的复杂形状所引起的计算奇异点所造成的。其余大范围过渡的高应力区都基本在90245MPa之间，在去掉奇异点之后，整体的转向节的分析得到的应力结果是小于屈服极限的。转向时大应力区位于转向节大孔的根部与上部突出部分相交位置，并且在小孔处形状突变的地方产生应力集中，如图1-3中局部图所示，最大应力值460MPa，同样的，其中259460MPa的应力范围过渡也很小，因此也属于奇异点。而整体高应力范围在120MPa左右；制动时高应力区位于上部伸出部位的颈部下侧，最大应力值107MPa。可见，在三种极限工况下，去掉奇异点的应力值，转向节的整体应力都在许用应力范围之内。其中垂直跳动工况时转向节的受力条件最为恶劣，可作为设计改进的重点。表1-1给出了在各高应力节点在不同工况下的应力值 1。表1-1 高应力节点的等效应力值应力 /MPai节点 节点号垂直跳动工况 转向工况制动工况ABCDE11129911796411151011588811344348525566.22203.5643420125202103.479.550.510.310749.71.1.2 变形分析图1-5分别为转向节在三个工况下的变形状况，在三种图1-5 转向节在垂直跳动、制动、转向工况下的变形图工况下最大变形量分别为 0.9mm，0.2mm ，0.7mm。1.2 零件加工工艺分析桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 6 页 共 35 页零件的制造包括毛坯生产、切削加工、热处理和装配等许多的生产阶段。转向节的加工分为毛坯制造和成品机加工。1.2.1 毛坯的确定汽车转向节要求有足够的韧性和强度以保证其工作的稳定，该零件为 40Cr 调质，生产批量大，但壁厚不均匀，所以毛坯不宜采用铸造，毛坯采用锻造，锻造工艺主要由劈叉、拔杆、预锻、终锻等工序组成。采用模锻有以下优点：（1）锻件的内部组织结构结实，可获得较高的强度；（2）锻件的废品少，因为锻件没有疏松、表面杂质、内部裂纹的缺陷；（3）制得的小公差锻件可以减少机加工工时；（4）锻件的表面光洁度高；（5）生产率较高。1.2.2 粗精基准的选择基面的选择是工艺规程设计的重要工作之一。基面选择的正确合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高，可以使加工质量得到保证。否则，会是加工困难，甚至造成报废。 粗基准的选择选择粗基准主要是选择的一道机械加工工序的定位基准，以便为后续工序提供精基准。选择粗基准的出发点是：一要考虑如何合理分配各加工表面的余量，二要考虑怎样保证不加工表面与加工表面间的尺寸及相互位置要求，一般应按下列原则选择： 若工件必须首先保证某重要表面的加工余量均匀，则应优先该表面为粗基准； 若工件每个表面都有加工要求，为了保证各表面都有足够的余量，应选加工量最小的表面为粗基准； 若工件必须保证某个加工表面的尺寸或位置要求，则应选该加工表面为粗基准； 选作粗基准的表面应尽可能平整，没有飞边、浇口、冒口或其他缺陷。粗基准一般只允许使用一次。 精基准的选择选择精基准时，应从整个工艺过程来考虑如何保证工件的尺寸精度和位置精度，并使用起来方便可靠，一般应按下列原则选择： 基准重合原则应选用设计基准作为定位基准。 基准统一原则应尽可能在多数工序中选用一组统一的定位基准来加工其他各表面。采用基准统一原则可以避免基准转换所产生的误差，并可使各工序所用夹具的某些结构相同或相似，简化夹具的设计和制造。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 7 页 共 35 页 自为基准原则有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，应该选择加工表面本身作为定位基准。 互为基准原则对于相互位置精度要求高的表面，作为精基准，可以采用互为基准，反复加工的方法。 可靠、方便原则应选定位可靠，装夹方便的表面作基准。此处主要考虑基准重合原则 2。因此，该转向节为大批量生产，再考虑到以上各因素，为了方便地加工出精基准，使精基准面获得所需加工精度，本工序选用工件的制动孔加工表面、主大孔端面以及60H7 孔作为精基准。1.2.3 零件加工表面加工方法的确定转向节分为大孔、制动器孔、减震器孔、摆臂孔四大部分加工。大孔作为设计基准，也是所有加工面的测量基准。因此，在加工过程中，大孔端面作为定位基准。（1）大孔部加工以大孔端面定位，镗和磨为主，镗用于粗加工和半精加工，磨用于精加工。（2）制动器孔加工是钻削达到粗糙度要求。制动器安装孔的加工，采用两面一销定位，要保证其位置精度。（3）减震器孔加工是端面加工，接着采用两面一销定位加工减震器孔，要保证位置精度。（4）摆臂孔加工是钻削达到粗糙度要求。摆臂孔的加工，采用两面一销定位，要保证其位置精度。通常平面的加工精度较易保证，而精度要求较高的孔轴线和端面的垂直度，孔的轴线与轴的轴线的角度则较难保证，往往成为生产中的关键。所以制定本工序工艺过程时，应将如何保证这两个位置精度作为重点来保证。加工路线制定与批量是有密切关系的，但是不同批量转向节生产工艺路线是有共同性的。加工阶段粗、精分开（1）避免粗加工产生的变形破坏已加工过的表面的精度；（2）便于及时发现缺陷，否则在表面已精加工完之后再发现毛胚得缺陷时，就大大浪费了精加工工时和成本；（3）有利于保证加工精度，也有利于保护机床精度和合理利用机床。工序中安排实效热处理，分离叉毛胚复杂，铸造内应力较大。为了消除内应力，减小变形，保证精度的稳定性，铸造之后要安排实效处理，加热到 500550 度，加热速度30 度，出路温度200 度。除了对铸造进行实效处理，往往在粗加工之后，再进行一次实效处理，以清除内应力。桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 8 页 共 35 页制定工艺路线的出发点，应当考虑精度及位置精度等技术要求，能得到合理保证。在生产纲领已经确定位大批量生产的前提下，使工序尽量简单合理。在安排加工顺序时，应遵循以下原则：（1）先基准后其他作为精基准的表面应在工艺过程一开始就进行加工，因为后续工序中加工其他表面要用它来定位；（2）在加工精基准面时，需要用粗基准定位；（3）先主要后次要，先粗后精。精基准加工好后，接着应对精度要求较高的各主要表面进行粗加工、半精加工和精加工，精度要求特别高的表面还需要进行光整加工。主要表面的精加工和光整加工一般放在最后阶段进行，以免受其他工序的影响。次要表面的加工可穿插在主要表面加工工序之间。（4）在重要表面加工前，对精基准应进行一次修整，以利于保证重要表面的加工精度。当位置精度要求较高，而加工是由一个统一基准面定位，分别在不同工序中加工几个有关表面时，这个统一的基准面本身的精度须采取措施予以保证。（5）对于和主要表面有位置要求的次要表面，加工这些次要表面时，切削力、夹紧力大小，一般不影响主要表面的精度。（6）对于容易出现废品的工序，精加工和光整加工可适当放在前面，某些次要小表面的加工可放在其后。 1.3 零件加工工艺规程根据转向节的零件图知，大孔的表面粗糙度为 0.8，精度要求比较高，所以除了镗削加工外，我们还需要磨削。需要先在车床上镗 ，然后在卧式磨床上加工，如磨削杆部在同一个磨床上操作。最后达到 尺寸公差要求。对于法兰盘上的制动器安装-0.3268孔、减震器孔和摆臂孔，其表面粗糙度都为 6.3，我们在钻削制动器安装孔时主要是要保证其位置度。所以需要安装面作为定位基准面，同时采用两面一销的定位原理。 工艺过程和生产线的形式取决于生产纲领的大小。本任务中转向节大批量生产。选择机床时要考虑生产的经济性。转向节加工工艺过程见表 1-2。表 1-2 转向节的工艺过程工序号 工序名称 设备1 镗大孔 改装车床2 车轴颈、台肩及端面 车床3 铣上下制动器端面 铣床4 钻削制动器孔 立式钻床5 铣左右减震器两侧端面 卧式铣床桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 9 页 共 35 页6 钻减震器孔 卧式钻床7 铣左右摆臂两侧端面 铣床8 钻铰摇臂孔 立式钻铰机床9 中频淬火10 清洗 专用清洗机11 精磨大孔内表面 磨床12 铣平台 立式铣床13 探伤退磁 专用探伤机14 清洗 专用清洗机15 最终检验 钳工台16 入库2 转向节加工机床的选择组合机床是根据工件加工需要以大量系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件，对一种或数种工件按预先确定的工序进行加工的高效专用机床。组合机床的主要组成部分为：滑台、夹具、多轴箱、动力箱、中间底座、侧底座以及辅助部件等组成。加工时，刀具由电动机通过动力箱、多轴箱驱动做旋转主体运动，并通过滑台带动做直线运动。组合机床总体内容和步骤与普通机床相同，但由于组合机床纸加工一种或数种工件的特定工序，工艺范围窄，主要技术参数已知；且工艺方案一旦确定，就确定了结构布局；因而总体选择的侧重点不同，主要是通过共建分析等掌握机床设计的依据，画出详细的加工零件工序；通过工艺分析，画出加工示意；然后进行总体布局，给出机床联系尺寸。2.1 绘制加工零件工序被加工零件工序是根据选定的工艺方案，表示在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容、被加工部位的尺寸及精度、技术要求、加工用定位基准、夹紧部位、以及被加工零件的材料、硬度和在本机床