机械制造技术课程设计-拨叉831008加工工艺及粗铣φ32小端面夹具设计

摘要本次设计内容涉及了机械制造工艺及机床夹具设计、金属切削机床、公差配合与测量等多方面的知识。拔叉加工工艺规程及粗铣的夹具设计是包括零件加工的工艺设计、工序设计以及专用夹具的设计三部分。在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺再设计出毛坯的结构，并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算，关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量；然后进行专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件，如定位元件、夹紧元件、引导元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；计算出夹具定位时产生的定位误差，分析夹具结构的合理性与不足之处，并在以后设计中注意改进。关键词：工艺、工序、切削用量、夹紧、定位、误差。ABSTRCTThisdesigncontenthasinvolvedthemachinemanufacturecraftandtheenginebedjigdesign,themetal-cuttingmachinetool,thecommondifferencecoordinationandthesurveyandsoonthevariousknowledge.Thereductiongearboxbodycomponentstechnologicalprocessanditstheprocessingholejigdesignisincludesthecomponentsprocessingthetechnologicaldesign,theworkingproceduredesignaswellastheunitclampdesignthreeparts.Mustfirstcarryontheanalysisinthetechnologicaldesigntothecomponents,understoodthecomponentsthecraftredesignsthesemifinishedmaterialsthestructure,andchoosesthegoodcomponentstheprocessingdatum,designsthecomponentsthecraftroute;Afterthatiscarryingonthesizecomputationtoacomponentseachlaborstepofworkingprocedure,thekeyisdecideseachworkingprocedurethecraftequipmentandthecuttingspecifications;Thencarriesontheunitclampthedesign,thechoicedesignsthejigeachcompositionpart,likelocatesthepart,clampsthepart,guidesthepart,toclampconcreteandtheenginebedconnectionpartaswellasotherparts;Positionerrorwhichcalculatesthejiglocateswhenproduces,analyzesthejigstructuretherationalityandthedeficiency,andwilldesigninlaterpaysattentiontotheimprovement.Keywords:Thecraft,theworkingprocedure,thecuttingspecifications,clamp,thelocalization,theerror.引言机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品，并把它们装备成机械装备的行业。机械制造业的产品既可以直接供人们使用，也可以为其它行业的生产提供装备，社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。我们的生活离不开制造业，因此制造业是国民经济发展的重要行业，是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱。从某中意义上讲，机械制造水平的高低是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标。拔叉加工工艺规程和粗铣及其夹具设计是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等进行课程设计之后的下一个教学环节。正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及工艺路线安排，工艺尺寸确定等问题，并设计出专用夹具，保证零件的加工质量。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完成本次设计。本次设计水平有限，其中难免有缺点错误，敬请老师们批评指正。1、零件分析1.1零件的作用CA6140车床的拨叉位于车床变速机构中，主要起换档，使主轴回转运动按照工作者的要求工作，获得所需的速度和扭矩的作用。零件上方的Ø20孔与操纵机构相连，下方的Ø50半孔则是用于与所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。两件零件铸为一体，加工时分开。1.2零件的工艺分析CA6140车床共有两处加工表面，其间有一定位置要求。现分述如下：1.以Ø20为中心的加工表面。这一组加工表面包括：Ø20的孔，以及其上下端面，上端面与孔有位置要求，孔壁上有一个装配时钻饺的锥孔，一个M6的螺纹孔。这三个都没有高的位置度要求。2.以Ø50为中心的加工表面。这一组加工表面包括：Ø50的孔，以及其上下两个端面。这两组表面有一定的位置度要求，即Ø50的孔上下两个端面与Ø20的孔有垂直度要求。由以上分析可知，加工时应先加工一组表面，再以这组加工后表面为基准加工另外一组。2、确定毛坯2.1确定毛坯的制造形式零件材料为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，故选择铸件毛坯。考虑到零件为中批生产的水平，故采用金属型铸造毛坯。2.2确定铸件加工余量及形状简图加工面代号零件基本尺寸加工余量等级加工余量/mm毛坯尺寸/mm说明D120G10×2-双侧加工D250G2.8×2Ø44.4±1双侧加工T130G2.835.6±0.9单侧加工T230G2.835.6±0.9单侧加工T312G2.817.6±0.85单侧加工T412G2.817.6±0.85单侧加工3、工艺规程设计3.1选择定位基准(1）粗基准的选择。对于零件而言，尽可能选择不加工表面为粗基准。而对有若干个不加工表面的工件，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粗基准。根据这个基准选择原则，首先选取工件底面作为粗基准，以支撑板大平面支撑底面作为主要定位面，限制3个自由度，铣削上下端面。之后选取Ø20孔的不加工外轮廓表面作为粗基准，利用一个固定V形块和一个活动V型块支承这两个Ø32的外轮廓作定位面，限制3个自由度，再以一个大平面支撑加工过的底面，限制3个自由度，达到完全定位，然后进行钻削。（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。3.2制定工艺路线由于生产类型为中批生产，故采用万能机床配以专用工夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应降低生产成本。1、工艺路线方案一工序1：钻扩Ø20mm两孔。工序2：粗铣、半精铣底面。工序3：粗镗、半精镗Ø50mm孔。工序4：粗铣、精铣Ø32mm、Ø50mm上端面。工序5：钻锥孔Ø8mm及M6mm底孔。工序6：攻螺纹M6mm。工序7：半精绞、精绞Ø20mm两孔。工序8：铣斜切面。工序9：铣断。工序10：去毛刺。工序11：终检。2、工艺路线方案二：工序1：粗铣、精铣底面。工序2：粗铣、精铣Ø32mm、Ø50mm上端面。工序3：钻扩铰Ø20mm两孔。工序4：粗镗、半精镗Ø50mm孔。工序5：铣断。工序6：钻、铰Ø8mm锥孔。工序7：钻M6底孔，攻螺纹。工序8：铣斜切面。工序9：去毛刺。工序10：终检。3、工艺方案比较分析。方案一是先加工Ø20mm内孔，再以Ø20mm孔为基准加工底面，然后加工Ø50mm内孔，而方案二先加工底面，以底面为基准加工各面及Ø20mm内孔。由方案一可见Ø20mm孔为基准加工底面精度易于保证，但不方便于定位与加工，而且完成加工Ø20mm孔需要两次装夹，而方案二中先加工平面，再加工孔，可基本保证垂直度要求，满足先面后孔原则，保证加工精度，并且铣断在钻锥孔和螺纹之前，会简化钻锥孔及螺纹的夹具，只需单侧加工。故方案二较为合理，具体加工工艺过程如下：工序1：粗铣、精铣底面，以Ø32mm上端面为粗基准，采用XA5032立式铣床加专用夹具。工序2：粗铣、精铣Ø32mm上端面，以底面为基准，采用XA5032立式铣床加专用夹具。工序3：粗铣、精铣Ø50mm上端面，以底面为基准，采用XA5032立式铣床加专用夹具。工序4：钻扩铰Ø20mm两孔，以Ø32mm外圆和底面为基准，采用Z525立式钻床加专用夹具。工序5：粗镗、半精镗Ø50mm孔，以Ø20mm内孔为基准，采用T616卧式镗床加专用夹具。工序6：铣断，以Ø20mm内孔和Ø32mm圆柱侧面为基准，采用XA6132卧室铣床加专用夹具。工序7：钻、铰Ø8mm锥孔，以Ø20mm内孔、Ø50mm半孔表面和底面为基准，采用Z525立式钻床加专用夹具。工序8：钻M6底孔，攻螺纹，以Ø20mm内孔、Ø50mm半孔表面和底面为基准，采用Z525立式钻床加专用夹具。工序9：铣斜切面，以Ø20mm内孔、半孔表面和Ø50mm端面为基准，采用XA5032立式铣床加专用夹具。工序10：去毛刺。工序11：终检。3.3机械加工余量、工序尺寸及公差的确定拨叉零件材料为HT200，硬度硬度163-255HBS，取190HBS，毛坯重量约2.5Kg，生产类型为中批生产，采用金属型铸造毛坯。根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸如下：（1）Ø32mm外圆表面为非加工表面，查《机械制造工艺设计简明手册》（以下简称《工艺手册》）表2.2-2和表2.2-6，取加工余量等级RMA为G，尺寸公差等级CT为9，偏差值±0.9mm。（2）Ø32mm上下端面加工余量及公差（计算长度为30mm）：①查《工艺手册》表2.2-5，取Ø20mm两端面加工余量值为2.8mm,查表2.2-1，取偏差值为±0.9mm。②精铣余量：查表2.3-21，余量为1mm，公差为自由尺寸公差。③粗铣余量：Z=2.8-1=1.8mm。现规定本工序加工精度为IT11，因此可知本工序的加工尺寸偏差为-0.22mm（入体方向）。毛坯名义尺寸：30+2.8×2=35.6mm毛坯最大尺寸：35.6+0.9×2=37.4mm毛坯最小尺寸：35.6-0.9×2=33.8mm粗铣后最大尺寸：30+1×2=32mm粗铣后最小尺寸：32-0.22=31.78mm精铣后尺寸与零件图尺寸相同，即30mm最后，将上述计算的工序间尺寸及公差整理成表2-1。表2-1加工余量计算表mm工序加工尺寸及公差铸件毛坯（Ø32两端面，零件尺寸30）粗铣两端面精铣两端面加工前尺寸最大37.432最小33.831.78加工后尺寸最大37.43230最小33.831.7830加工余量（单边）2.8最大2.71最小1.010.89加工公差（单边）±0.9-0.22/2（3）Ø50mm上下端面加工余量及公差（计算长度为12-①查《工艺手册》表2.2-5，取Ø50mm两端面加工余量值为2.8mm,查表2.2-1，取偏差值为±0.85mm。②精铣余量：查表2.3-21，余量为1mm，偏差为零件偏差-③粗铣余量：Z=2.8-1=1.8mm。现规定本工序加工精度为IT11，因此可知本工序的加工尺寸偏差为-0.22mm（入体方向）。毛坯名义尺寸：12+2.8×2=17.6mm毛坯最大尺寸：17.6+0.85×2=19.3mm毛坯最小尺寸：17.6-0.85×2=15.9mm粗铣后最大尺寸：12+1×2=14mm粗铣后最小尺寸：14-0.22=13.78mm精铣后尺寸与零件图尺寸相同，即12-最后，将上述计算的工序间尺寸及公差整理成表2-2。表2-2加工余量计算表mm工序加工尺寸及公差铸件毛坯（Ø32两端面，零件尺寸30）粗铣两端面精铣两端面加工前尺寸最大19.314最小15.913.78加工后尺寸最大19.31411.94最小15.913.7811.82加工余量（单边）2.8最大2.651.03最小1.060.98加工公差（单边）±0.85-0.22/2（3）Ø20mm两孔：①考虑其孔径较小铸造困难，为简化铸造毛坯外型，现直接将Ø32mm圆柱铸成实心。②两内孔精度要求IT7。查《工艺手册》表2.3-8确定工序尺寸及余量为：钻孔：Ø18mm扩孔：Ø19.8mm2Z=1.8mm铰孔：Ø200+0.021Ø50+0.25+0.50mm孔为铸造孔，查《工艺手册》表2.2-5，加工余量值为2×2铸造：Ø44.4第一次粗镗：Ø45mm2Z=0.6mm第二次粗镗：Ø48mm2Z=3mm半精镗：Ø50+0.253.4确定切削用量及基本工时本设计个人任务为工序2中粗铣Ø32mm上端面，计算过程如下：1.加工条件工件材料：HT200,铸造。加工要求：粗铣Ø32孔下端面，表面粗糙度Ra=3.2μm。机床：XA5032立式铣床；刀具：YG6硬质合金端铣刀。根据《切削用量简明手册》（后简称《切削手册》）表3.1，为方便不更换机床和刀具的情况下同时铣削Ø32mm及Ø50mm端面，取铣削宽度ae≤90mm,深度ap≤6mm,铣刀直径100～125mm，故取刀具直径d0=100mm，齿数z=10。2.铣削用量1）确定铣削深度ap因为余量不大，一次走刀即可完成，故选择ap=1.8mm。2）确定每齿进给量fz采用不对称端铣以提高进给量。根据《切削手册》表3.5，使用YG6硬质合金端铣刀加工，机床功率为7.5kW（表3.30，XA5032立式铣床）时：fz=0.14~0.24mm/z初选：fz=0.18mm/z。3）确定刀具寿命及磨钝标准根据《切削手册》表3.7，铣刀刀齿后刀面最大磨损量为1～1.5mm；由于铣刀直径d0=100mm，故刀具使用寿命T=180min（表3.8）。4）计算切削速度vc和每分钟进给量vf根据《切削手册》表3.16，当d0=100mm，Z=10，ap≤3.5，fz≤0.18mm/z时，vt=86m/min,nt=275r/min,vft=432mm/min，硬度163-255HBS，取180HBS。各修正系数为：kMV=1.12，kSV=1。故：vc=vt×kv=86×1.12×1=96.32m/min；n=nt×kn=275×1.12×1=308mm/min；vf=vft×kv=432×1.12×1=483.84mm/min根据XA5032铣床，查表3.30，选择nc=300mm/min，vfc=475mm/min因此，实际进给量和每分钟进给量为：vc=πd0nc/1000=3.14×100×300/1000=94.2m/minfzc=vfc/ncz=475/（300×10）=0.16mm/z5）校验机床功率根据《切削手册》表3.24，当HBS=180，fz≤0.16mm/z，ae≤100mm，ap≤1.8mm，vf≤550mm/min时，Pcc=3.8kw。根据表3.30，主轴允许功率Pcm=7.5×0.75kw=5.625kw>Pcc。故校验合格。最终确定:ap=1.8mm，nc=300r/min，vf=475mm/s，vc=94.2m/min，fz=0.16mm/z。6）计算基本工时tm＝L/vf式中，L=l+y+Δ，l=32mm。根据《切削手册》表3.26，入切量及超切量y+Δ=7mm，则：tm＝L/vf=(32+7)/475=0.082min。两端面共用时为2tm=2×0.082=0.164min=9.84s。4、夹具设计为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。经过与指导教师协商，决定设计第2道工序中粗铣Ø32mm两孔上端面的铣床夹具。本夹具将用于XA5032立式铣床。刀具为YG6硬质合金端铣刀。4.1问题指出本夹具主要用来粗铣Ø32mm两孔上端面，这两个端面对Ø20mm孔中心线有垂直度要求，但加工到本道工序时，Ø20mm孔尚未加工，而且这两个端面还要进行精铣加工。因此，在本道工序加工时，主要考虑如何提高劳动生产率，降低劳动强度。4.2确定夹具设计方案4.2.1确定工具的定位方式由零件图可知，粗铣Ø32mm上端面，因为是粗加工，用第一道工序加工完的底面（Ø32mm和Ø50mm下端面）作为定位基面，Ø32mm两外圆表面用一个固定V型块和一个活动V型块定位，限制6个自由度，完全定位。4.2.2确定工件的夹紧方式采用两V型块（固定V型块A32GB2209-80和活动V型块A32GB2211-80）夹紧。4.2.3确定工件的对刀方式由于本工序只铣削端面，只需确定竖直方向尺寸，故采用圆形对刀元件：对刀块25GB2240-80，配合对刀平塞尺（塞尺5GB2244-80）一并使用。4.2.4切削力及夹紧力的计算刀具：端铣刀，Ø100mm，z=10，则：F=490ap1.0（见《机床夹具设计手册》（以下简称《夹具手册》）表1-2-9）式中，ap=1.8mm，fz=0.16mm，ae=32mm，uF=1，d0=100mm，z=10，所以：F=490×1.8×0.16^0.74×32^0.9×10×100^-1=514.2N在计算切削力时，必须考虑安全系数K：K=K0K1K2K3K4K5式中K0——基本安全系数，1.5；K1——加工性质(粗加工），1.2；K2——刀具钝化程度，1.2；K3——切削特点（连续切削），1.0；K4——夹紧力的稳定性（手动夹紧），1.3；K5——手柄位置（操作方便），1.0。则：K=1.5×1.2×1.2×1×1.3×1=2.8，所以F’=2.8×514.2=1439.8N。夹紧形式属于V型块定位V型块夹紧，查《夹具手册》表1-2-11，实际夹紧力应为：Wk=KFsin(α/2)/2μ=2.8×1439.8×sin45o/2/0.2=7126.6N活动V型块上的螺杆配件最小直径为10mm，材料45钢，性能级数6.8级σB=6×100=600MPaσs=8×σB/10=480MPa[τ]=σs/[s][s]取4，得：[τ]=120MPa4×Wk/2πd2=4×7126.6/2/3.14/102=45.4MPa<[τ]满足强度要求，故本夹具安全可靠。4.2.5定位误差的分析本夹具的定位原件主要有，固定V形块、活动V形块和固定支撑板三部分组成，全部采用标准件设计，活动V形块的通道配合采用H7公差，可能会有一定的X、Y方向的误差，固定V形块和支撑板有平行度要求，定位公差应小于工件的定位公差。本工序采用底面用大平面定位，并用一固定V形块和一活动V形块定位，工件始终夹紧于两V形块之间而下端面的定位会使工件自重带来一定的平行于夹具体底板的水平力，因此，工件不会在X、Y、Z方向发生转动或移动。并且，由于加工是自由公差，主要精度要求在Z轴方向，故应当能满足定位要求。4.2.6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避免干涉，应使夹具结构简单，便于操作，降低成本，提高夹具性价比。故使用手动夹紧。为了提高生产力，使用螺旋夹紧机构。夹紧方式为固定V形块和活动V形块配合，操作为手动手柄夹紧。而本工序切削余量小，切削力小，夹紧力小，拆卸方便，所以为降低成本采用手动夹紧。本夹具的最大优点就是结构简单，成本低，耐用度高，操作方便。夹具体上有对刀块，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）。4.2.7夹具的经济概算本设计经济概算表序号名称数量参考价格/元1夹具体13002V形块2203六角螺钉424沉头螺钉31.55活动手柄压紧螺钉136垫圈20.47对刀块128圆柱销20.49螺纹衬套11合计330.3本设计所涉及到的法律、规范和标准5.1相关法律（1）《中华人民共和国产品质量法》；（2）质量管理体系要求GB/T19001-2008；（3）《中华人民共和国安全生产法》。5.2规范和标准（1）《中华人民共和国国家标准》V型块A32GB2209-80；（2）《中华人民共和国国家标准》V型块A32GB2211-80；（3）《中华人民共和国国家标准》对刀块25GB2240-80；（4）《中华人民共和国国家标准》塞尺5GB2244-80；（5）《中华人民共和国国家标准》螺钉CM16GB2163-80；（6）《中华人民共和国国家标准》六角螺钉GB/T5782-2000；（7）《中华人民共和国国家标准》沉头螺钉GB/T68-2000；（8）《中华人民共和国国家标准》垫圈GB/T97.1-2002；（9）《中华人民共和国国家标准》圆柱销GB/T119-2000.本设计对环境、健康和社会的影响6.1安全铣床安全操作规章制度（1）操作人员经考试合格取得操作证，方准进行操作，操作者应熟悉本机的性能、结构等，并要遵守安全和交接班制度。（2）应认真遵守“金切机床通用操作规程”和本规程。（3）使用设备前按规定加油，检查油质，保持油量适中、油路畅通、油标（窗）醒目，油杯、油线、油毡等清洁。（4）检查主轴、滑座、升降台、走刀机构、各手柄位置是否正常、灵活，再空运转10分钟左右，确认各部动作正常后才能开始工作。（5）正确安装刀具，刀杆锥面及锥肩平面清洁无毛刺，锥度必须相符。合理选用刀具和切削用量，经常检查刀具的紧固及磨损情况。（6）禁止用机动对刀或上刀，不准在工作台上敲打和校正工件，工作台上不准放置杂物。（7）铣削过程中,刀具未退离工件前,不得停车,遇有紧急情况需停车时，应先将刀具退离工件。（8）工作中经常注意运转情况，保持各互锁、限位、进给等机构准确可靠发现异常现象，及时检查处理。（9）工作台纵向工作时,应将横向和垂直方向锁紧，横向工作时,就应将纵向和垂直方向锁紧。（10）运转中禁止变速和测量工件。（11）继续加工未完成的工件时，应认真检查工件及刀具装夹情况。确认正常后再进行工作。（12）在装夹刀杆时，应保持锥体锥孔的清洁，并检查刀杆套管的端面，不允许有铁屑和脏物存在。（13）升降工作台移动前，必须松开夹紧螺钉，快速移动时要注意工具与工件相互碰撞，同时注意信号是否与移动方向一致，行程档块应根据工件长度事先调整夹紧。（14）在铣削工作中，应尽可能利用行程的全长，如加工件较短时，会使工作台丝杆局部磨损，尽量做到磨损均匀。（15）对变速箱内的钢球离合器，不能任意拆卸，加工重的工件时要用支架支承。（16）立铣主轴在垂直位置，当立铣头需回转时，为保持垂直位置精度须先顺时针拧动螺帽，使定位销退出约20mm，离开立铣头，再松动联接螺钉，方能转动立铣头。（17）加工平面的断续切削或余量不均匀时，切削量应适当减少。（18）工作后，拉开电源开关，检查、清扫设备，严禁用压缩空气吹扫机床的任何部位，并在机床的导轨及工作面上注油，做好日常保养工作，将各操作手柄（开关）置于空档（零位），达到整齐、清洁、润滑、安全。6.2环境本产品是主要采用金属材料进行制作的机械零件产品，因此在加工过程中会产生大量的铁屑等生产废料会对环境造成一定的污染；（2）本产品加工过程中需要用到切削液进行冷却，需及时回收，否则，可能对地下水造成污染；（3）本产品生产过程中，机器的噪音对周围环境造成一定的影响；（4）本产品的运输包装，使用的材料可能对坏境有一定影响；（5）本产品在机器报废时，应按照环境保护法的相关规定的进行处理。7、总结这次设计是大学学习中最重要的一门科目，它要求我们把大学里学到的所有知识系统的组织起来，进行理论联系实际的总体考虑，需把金属切削原理及刀具、机床概论、公差与配合、机械加工质量、机床夹具设计、机械制造工艺学等专业知识有机的结合起来。同时也培养了自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既了解了基本概念、基本理论，又注意了生产实践的需要，将各种理论与生产实践相结合，来完成本次设计。这次设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，更是在学完大学所学的所有专业课及生产实