拨叉铣床夹具设计课程设计-学位论文.doc

目录
一、设计题目...................................................................................1
二、拨叉的工艺分析.......................................................................2
三、工艺设计与计算.......................................................................4
四、工艺路线的拟定.......................................................................6
五、工序顺序的安排.......................................................................8
六、确定工艺路线...........................................................................9
七、工艺装配选用...........................................................................10
八、工序计算...................................................................................10
九、切削用量、时间定额的计算...................................................11
十、时间定额的计算.......................................................................12
十一、夹具设计……………………………………………………14
十二、设计感想...............................................................................18
十三、参考资料…….......................................................................18
十四、附录…………………………………………………………19

一、设计题目
图1-1为CA6140车床拨叉的零件图和三维图样。已知：Q=8500台/年，m=1件/台， ，工件工作过程中不会受到冲击载荷，毛坯选用铸件。试为该拨叉零件编制工艺规程。

图1-1 拨叉零件图和三维图样

二、拨叉的工艺分析
1. 零件的作用
题目给定的零件是CA6140车床拨叉，该拨叉主要位于机床的变速机构中，主要起换挡作用，使主轴回转运动按照要求工作。拨叉头以孔套在变速叉轴上，并用销钉经孔与变速叉轴联结，拨叉脚则夹在双联变换齿轮的槽中。当需要改变主轴回转速度的时候，扳动变速杆，变速操纵机构就通过拨叉头部的操纵槽带动拨叉与变速叉轴一起在变速箱中滑动，拨叉脚拨动双联变换齿轮在花键轴上滑动与其他齿轮啮合，从而改变主轴的回转速度。

2. 零件的技术要求
该拨叉全部技术要求全部列于表3-1中。
表2-1 CA6140车床拨叉技术要求表
加工表面
尺寸及偏差
mm
公差及精度等级
表面粗糙度Ra

形位公差/mm
孔
（H7）
IT7
1.6

拨叉头顶面
50
IT12
3.2

拨叉脚两端面
（d11）
IT11
3.2

拨叉脚内表面
（H12）
IT12
3.2

拨叉脚两端侧面
（H12）
IT12
6.3

M8螺纹孔
M8

锥销孔

IT7
1.6

拨叉脚切断端面
2
IT14
6.3

3.零件的分析
1.由表2-1可知,该拨叉共有两组加工表面,一组是的孔及其上端面、孔壁上的锥销通孔和M8的螺纹孔；一组是的两圆弧面和内弧面。
其中，拨叉脚两侧圆弧面和拨叉头上端面有一定的位置精度：
（1） 拨叉头上端面与的拨叉头孔的垂直度误差为0.05；
（2） 拨叉脚两侧圆弧面与的拨叉头孔的垂直度误差为0.07
2. 为实现换档、变速的功能，其叉轴孔与变速叉轴有配合要求，因此加工精度要求较高。叉脚两端面在工作中需承受冲击载荷，为增强其耐磨性，该表面要求高频淬火处理，硬度为48~58HRC。

4.生产类型确定
零件的年产纲领可按下式计算：

式中 N——零件的生产纲领（件/年）
Q——产品的年产量（台、辆/年）
M——每台（辆）产品中该零件的数量（件/台、辆）
a%——备品率，一般取2%~4%
b%——废品率，一般取0.3%~0.7%

表2-2 不同机械产品的零件质量型别表

表2-3机械加工零件生产类型的划分
表2-3机械加工零件生产类型的划分

由设计题目可知，Q=8500台，m=1件/台， ，则其生产纲领
N=85001（1+（2%~4%））（1+（0.3%~0.7%））=8931~9459件/年
质量为1.0kg，查表2-2可知属于轻型零件，再查表2-3得该类拨叉的生产类型为大量生产。
三、工艺设计与计算
1. 选择毛坯
零件材料为HT200，因为零件在工作运行过程中不受任何冲击，且零件结构又比较简单，故选择铸件毛坯。
2. 毛坯尺寸公差与加工余量确定
① 求最大的轮廓尺寸
由设计题目要求可知其轮廓尺寸，长160mm，宽73mm，高50mm，故最大轮廓尺寸为140mm。

② 选取公差等级CT
由铸造方法按机器造型、铸件材料按灰铸铁，查表得公差等级CT范围8~12级，取10级。

③ 求铸件尺寸公差
拨叉头端面公差为2.8mm；拨叉头孔的公差为2.4mm；拨叉脚孔公差为2.8mm。
④ 求加工余量等级
由铸造方法按机器造型、铸件材料按灰铸铁，查表得机械加工余量等级范围为E~G级，取为F级。

⑤ 求RMA（要求的机械加工余量）
由最大轮廓尺寸160mm、机械加工余量等级为F级，查表得RMA数值为1.5mm。

⑥ 求毛坯基本尺寸
拨叉头孔壁上的锥销通孔和螺纹孔较小，铸成实心；
（1）拨叉头顶面 单侧加工由式求出，即

（2）拨叉脚两端面 双侧加工由式求出，即

（3）拨叉脚内表面 内腔加工由式求出，即

（4）拨叉脚两端面侧面 单侧加工由式求出，即

拨叉头铸件毛坯尺寸公差与加工余量见表2-4.
加工表面
铸件公差等级CT
加工面基本尺寸mm
铸件尺寸公差/mm
机械加工余量等级
/mm
毛坯基本尺寸mm
拨叉头顶面
10
50
2.6

1.5
52.9
拨叉脚两端面
10
20
2.2

1.5
24.2
拨叉脚内表面
10
55
2.8

1.5
50.6
拨叉脚两端面侧面
10
73
2.8

1.5
68.4

3. 毛坯图的绘制
根据以上所得参数，用UG软件制图。

四、工艺路线的拟定
1. 定位基准的选择
①精基准选择
根据该拨叉零件的技术要求，选择拨叉头叉轴孔作为精基准，零件上的加工表面都可以采用它作基准进行加工，即遵循了“基准统一”原则。拨叉轴孔的中心线是设计基准，选用其作精基准定位加工拨叉脚两侧圆弧面和锁销孔，实现了设计基准和工艺基准的重合，保证了被加工表面的垂直度要求。而选用拨叉头上端面作
为精基准是遵循了“基准重合”的原则，从设计图纸上可知拨叉头上端面与拨叉头叉轴孔的中心线之间的位置精度较高，且该端面是拨叉脚两侧圆弧面的设计基准。

②粗基准选择
该拨叉不加工表面只有底面和叉轴孔的外轮廓表面，为保证零件加工相对于不加工表面具有一定位置精度的原则，选叉轴孔外轮廓表面作为粗基准。采用叉轴孔外轮廓表面作粗基准加工叉轴孔面，可以为后续工序准备好精基准；再采用加工过的叉轴孔作为精基准加工上端面，这样遵循了粗基准不重复使用的原则，同时能保证拨叉头上端面与叉轴孔的垂直度。

2.零件表面加工方法选择
根据拨叉零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，确定加工件各表面的加工方法，如表3-1所示。

表3-1 拨叉零件各表面加工方案
加工表面
加工经济精度IT
加工情况
表面粗糙度
备注
拨叉头上端面
IT10
粗铣→精铣
3.2

轴孔
IT8
钻→粗铰→精铰
1.6

铣拨叉脚圆弧
IT12
粗铣→半精铣→精铣
3.2

铣拨叉脚另一侧圆弧
IT12
粗铣→半精铣→精铣
3.2

孔
IT10
粗镗→精镗
3.2

M8螺纹孔
IT10
钻→铰→攻螺纹
3.2

锥销孔
IT10
钻→铰
3.2

拨叉切断面
IT14
粗铣端面
6.3

3.加工阶段划分
该拨叉加工质量要求较高，可将加工阶段划分成粗加工、半精加工和精加工几个阶段。
在粗加工阶段，首先将精基准（拨叉头上端面和叉轴孔）准备好，使后续工序都可采用精基准定位加工，保证其他加工表面的精度要求；然后完成拨叉头上端面、拨叉脚两侧圆弧面和孔的粗铣，孔的粗镗以及叉轴孔、M8螺纹孔和锥销孔的钻孔；半精加工阶段，完成拨叉脚上端面和拨叉脚两侧圆弧面的半精铣，叉轴孔、M8螺纹孔和锥销孔的铰孔工艺以及孔的半精镗；在精加工阶段，进行拨叉脚两侧圆弧面的精铣、叉轴孔的精铰、M8螺纹孔的攻螺纹，以及最后铸件的切断。
4.工序的集中与分散
本例选用工序集中原则安排拨叉的加工工序。该拨叉的生产类型为大量生产，可以采用万能型机床配以专用工、夹具，以提高生产率；而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少，不但可缩短辅助时间，而且由于在一次装夹中加工了许多表面，有利于保证各加工表面之间的相对位置精度要求

五、工序顺序的安排
1.机械加工工序
（1）遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准—拨叉头上端面和叉轴孔。
（2）遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排精加工工序。
（3）遵循“先主后次”原则，先加工主要表面：拨叉头上端面和叉轴孔，后加工次要表面：孔。
（4）遵循“先面后孔”原则，先加工拨叉头上端面，再加工叉轴孔孔；先铣拨叉脚两侧圆弧面，再钻或铰叉轴孔、M8螺纹孔和锥销孔。
2热处理工序
铸件成型后，进行酸洗、喷丸处理。喷丸可以提高表面硬度，增加耐磨性，消除毛坯表面因脱碳而对机械加工带来的不利影响。拨叉脚内孔两凹端面在精加工之前进行局部高频淬火，提高其耐磨性。

3辅助工序
在半精加工后，安排去毛刺和中间检验工序；精加工后，安排去毛刺、清洗和终检工序。
综上所述，该拨叉工序的安排顺序为：基准加工——主要表面粗加工及一些余量大的表面粗加工——主要表面半精加工和次要表面加工——热处理——主要表面精加工。

六、确定工艺路线
在综合考虑上述工序顺序安排原则的基础上，表2－11列出了拨叉的工艺路线。
表3-2 拨叉工艺路线及设备、工装的选用
工序号
工序名称
机床设备
刀具
量具
1
初检

2
退火

3
粗精铣拨叉头上端面
立式铣床
端铣刀
游标卡尺
4
钻孔，粗扩、精扩、倒角、铰直径22叉轴孔
钻床
麻花钻，扩孔钻，铰刀
游标卡尺，赛规
5
粗铣，半精铣拨叉脚下端面及拨叉脚直径55内圆表面，与拨叉脚下端面侧面
卧式铣床
端铣刀，周铣刀
游标卡尺
6
粗铣，半精铣拨叉脚上端面与拨叉脚上端面侧面
卧式铣床
端铣刀，周铣刀
游标卡尺
7
加工M8螺纹孔及攻螺纹
钻床
麻花钻、丝锥
游标卡尺，赛规
8
加工插销孔
钻床
麻花钻，扩孔钻，铰刀
游标卡尺、赛规
9
精铣拨叉脚上下端面
卧式铣床
端铣刀
游标卡尺
10
铣断
铣床
三面刃铣刀

11
中检

赛规、百分表、卡尺等
12
校正拨叉脚
钳工台
手挫

13
清洗
清洗机

14
终检

赛规、百分表、卡尺等
七.机床设备及工艺装备的选用
1、机床设备的选用
根据加工条件： 工件材料：HT200，硬度190～260HBS，σb=0.16Gpa，铸造。
加工要求： 粗铣，半精铣,精铣拨叉脚上端面与拨叉脚上端面侧面加工需求，保证端面粗糙度Ra=3.2μm，保证侧壁粗糙度Ra=6.3μm。选用X63卧式铣床。
2、工艺装备的选用
本例拨叉的生产类型为大批生产，所选用的夹具均为专用夹具。
3、刀具的选用
刀具：涂层硬质合金盘铣刀Ф45mm，选择刀具前角γo＝＋5°后角αo＝8°，副后角αo’=8°，刀齿斜角λs=－10°,主刃Kr=60°,过渡刃Krε=30°,副刃Kr’=5°过渡刃宽bε=1mm。

八、工序计算
1.工序5—粗铣、精铣拨叉脚下端圆弧面
第5道工序的加工过程为：
1）用小环面、短定位销和削边销将拨叉可靠定位；（图3-3）
2）粗铣圆弧面，保证工序尺寸P1；（图3-4）
3）精铣圆弧面，保证工序尺寸P2，达到零件图设计尺寸两端圆弧面间距为的要求。（图3-5）

图3-4 粗铣加工余量示意图

图3-5 精铣加工余量示意图
（1）由图3-5可知，P1=P2+Z2，其中Z2为精铣余量，查表得Z2=1mm，且由设计零件图知P2=,所以P1=21mm；由于工序尺寸是在粗铣加工中保证的，查表5-30-知，精铣铣工序的经济加工精度等级可达到圆弧面的最终加工要求——IT12，因此确定该工序尺寸公差为IT12，其公差值为0.21mm，故。
（2）由图3-4可知，P0=P1+Z1，其中Z1为粗铣余量，Z1=5-Z2=4mm，且，所以P0。
九、切削用量、时间定额的计算
1.粗铣拨叉脚下端圆弧面
该工序分两个工步，工步1是粗铣圆弧面；工步2精铣圆弧
面。由于这两个工步是在一台机床上经两次走刀加工完成的，定位不必更改，但两工步所选用的切削速度v、进给量f和背吃刀量都不同。
（1）背吃刀量的确定 工步1的背吃刀量取为z1，所以=5-1=4mm。
（2）进给量的确定 按机床功率为7.5kW、工件——夹具系统刚度为中等条件查表5-144得该工序的每齿进给量取为0.2mm／。
(3)铣削速度的确定 按端铣刀，取d=50mm、z=8计算，查表有,=18.9，=0.2，
T=180,=0.1，=0.4，=0.1，=0.1，m=0.15，=1，=4mm

2精铣拨叉脚另一端圆弧面
（1）背吃刀量的确定 =Z2=1mm.
（2）进给量的确定 按镶齿铣刀，表面粗糙度Ra=3.2,所以该工序的每转进给量取为0.1mm／r。
3）铣削速度的确定 d=50mm、z=8计算：=25，=0.2，=0.1=0.4，=0.5，=0.1，m=0.15，=1， =1mm,

十、时间定额的计算
1.基本时间的计算
（1） 粗铣
根据铣刀铣平面的基本时间计算公式可求出该工序的基本时间；其中l=73mm，=1，

＝f×n＝×z×n＝0.2mm／z×8z／r×503r／min＝804.8rnrn／min
=（73+15.2+1）/804.8=6.7s
（2） 精铣
根据铣刀铣平面的基本时间计算公式可求出该工序的基本时间；其中l=73mm，=1，=15.2mm，=f×n＝0.8mm／r×322r／min＝257.6rnrn／min
=（73+15.2+1）/257.6=20.8s
2．辅助时间的计算
辅助时间与基本时间之间的关系为=(0.15~0.2) ，这里取=0.15，则各工序的辅助时间分别为：
粗铣：=0.15=1s
精铣：=0.15=3.12s
工序5: 1+3.12=4.12s
3，其他时间的计算
除了作业时间（基本时间与辅助时间之和）以外，每道工序的单件时间还包括布置工作地时间、休息与生理需要时间和准备与终结时间。由于拨叉的生产类型为大批生产，分摊到每个工件上的准备与终结时间甚微，可忽略不计；布置工作地时间是作业时间的2％～7％，休息与生理需要时间，是作业时间的2％～4％，本例均取为3％，则各工序的其他时间（＋）可按关系式（5％＋3％）×（＋）计算，它们分别为：
粗铣其他时间：＋=8％×（6.7s＋1s）=0.616s；
精铣其他时间：＋=8％×（20.8s＋3.12s）=1.91s；
4，单件时间的计算
各工序的单件时间分别为：
粗铣的单件时间：＝6.7s＋1s＋0.616s＝8.316s；
精铣的单件时间：=20.8s＋3.12s＋1.91s=25.83s；
工序5的总时间 8.316+25.83=34.146s

十一、夹具设计
1．机床夹具设计要求
1）保证工件加工的各项技术要求
要求正确确定设计方案、夹紧方案，正确确定刀具的导向方式，合理制定夹具的技术要求，必要时要进行误差分析与计算。
2）具有较高的生产效率和较低的制造成本
为提高生产效率，应尽量采用多件夹紧，联动夹紧等高效夹具，但结构应尽量简单，造价要低廉。
3）尽量选用标准化零部件
尽量选用标准夹具元件和标准件，这样可以缩短夹具的设计制造周期，底稿夹具设计质量和降低夹具制造成本。
4）夹具操作方便安全,省力
为便于操作，操作手柄一般应放在右边或前面:为便于夹紧工件，操纵夹紧件的手柄或扳手在操作范围内应有足够的活动空间:为减轻工人劳动强度，在条件允许的情况下，应尽量采用气动，液压等机械化夹紧装置。
5）夹具应具有良好的结构工艺性
所设计的夹具应便于制造，检验，装配，调整和维修。
2．机床夹具设计内容及步骤
1）明确设计要求，收集和研究有关资料
在接到夹具设计任务书后，首先要仔细阅读加工件的零件图和与之有关的不见装配图，了解零件的作用，结构特点和技术要求：其次要认真研究和加工件的工艺规程，充分了解本工序的加工内容和加工要求，了解本工序使用的机床和刀具，研究分析夹具设计任务书上所选用的定位基准和工序尺寸。
2）确定夹具的结构方案
A.确定定位方案,选择定位元件,计算定位误差。。
B.确定夹紧方案,选择夹紧机构。
C.确定夹具具体的形式和夹具的总体结构。
在确定夹具结构方案的过程中,应提出几种不同的方案进行比较分析,选取其中最为合理的结构方案。
3）对夹具进行建模并绘制夹具的装配图
夹具总图绘制比例除特殊情况外,一般均应按1:1绘制,以使所设计夹具有良好的直观性。总图上的主观图，应尽量选取与操作者正对的位置。
绘制夹具装配图可按如下顺序进行:画出工件;按夹紧状态画出夹紧装置:画出其他元件或机构:最后画出家夹具体把上述组成部分联结成一体,形成完整的夹具.在夹具装配图中,被加工件视为透明体。
4）确定并标注有关尺寸,配合及技术要求
A.夹具总装配图上应标注的尺寸
a.工件与定位元件间的联系尺寸,例如,工件基准孔与夹具定位套的配合尺寸。
b.夹具与刀具的联系尺寸,例如钻套与定位元件之间的位置尺寸及公差。。
c.夹具内部的联系尺寸及关键件配合尺寸,例如,定位元件间的位置尺寸,定位元件与夹具体的配合尺寸等。
d.夹具外形轮廓尺寸。

B.确定夹具技术条件 在装配图上需要标出与工序尺寸精度直接有关的下列各有关夹具元件之间的相互位置精度要求。
a.定位元件之间的相互位置要求。
b.定位元件与联接元件（夹具以联接元件与机床相联）或找正基面间的相互位置精度要求。
c.定位元件与导向元件的位置精度要求。

5）绘制夹具零件图
绘制装配图中非标准零件的零件图,其视图应尽可能与装配图上的位置一致
3．专用铣床夹具设计
切削力的计算：
查表得其中：修正系数 0 . 1
Z=24

代入求得F=889.4
因在计算切削力时，须把安全系数考虑在内。安全系数K=
其中： 为基本安全系数1.51
为加工性质系数1.12
为刀具钝化系数1.1
为断续切削系数1.1 所以最终求得F=1775.7
夹紧力的计算：查表以及根据公式求得
由于工件所受夹紧力大于工件所受的切削力，而且实际夹紧力大于所需夹紧力。故本夹具安全可靠。

1）夹具设计任务
已知：工件材料为HT200，毛坯为沙型铸造机器造型，所用机床为卧式铣床X63，成批大量生产规模。试为该工序设计一铣床夹具。
2）确定夹具的结构方案
A.确定定位元件
根据工序简图规定的定位基准，选用两个小环面和一个短心轴及一个菱形销的定位配合，实现定位。其中两个小环面型块限3个自由度，一个短心轴限制2个自由度，一个菱形销限制1个自由度（即为一面两孔定位）。由上述分析可知，该定位方案合理、可行。
b.确定夹紧机构
针对成批大量生产的工艺特征，此夹具选用螺旋夹紧夹紧机构。螺旋夹紧机构由压紧螺母、缺口村套、螺杆组成。采用手动夹紧装置。

3）画夹具装配图

4）在夹具装配图上标注尺寸、配合及技术要求
夹具体上顶面与夹具体下平面平行度要求取0.05，夹具体上装配菱形销，支撑钉，短心轴处孔中心线与夹具体下平面垂直度要求均取0.05。对刀块上顶面与定位键侧面垂直度要求取0.02。
对刀块上顶面对工件定位面（拨叉脚下端面）装配要求取：
短心轴与夹具体装配要求：
短心轴与工件装配要求：
菱形销与夹具体装配要求：
菱形销与工件装配要求：
5）夹具体零件图

见附录

十二、本次课程设计感想
经过这两个多月的时间，终于把我们的车床拨叉课程设计完成了，为了完成这次课程设计，我们在设计之前做了好多预习，通过网络，书本来查阅资料，然后各组员自行设计方案，通过讨论来选取最佳方案。这次课程设计综合了很多方面的知识，有许多细节的方面需要考虑。
在这次课程设计中，我们在查找资料环节中不经意间就拓展了视野，了解到这设计更丰富的知识，在讨论环节中又和组员们互相学习，取长补短，了解自己的不足和优点，这样，我们就能更好的把握自己以后的学习进度，更能知道自己哪方面不足。我负责的工序是铣拨叉下端面和中间的孔，一开始我的夹具体定位元件选择有些问题，用的是一个长心轴和短心轴和大平面，这样就造成了过定位，不符合要求。经过老师的指导，最后选择用一根短心轴和削边销和两个小环面作为定位。在制图过程中，有一点我深有体会，要学会细心、耐心，这样才能发现一些和细小的错误。这对于以后从事制图工作很有帮助。
通过这次课程设计，我们把自己学到的知识都用上了，将不懂的通过查资料或询问老师，同学来补足。同时也发现了自己的许多不足之处，希望在这之后能够把应该懂的知识弄懂，把握好自己的学习进度，为毕业以后找工作打好坚实的基础。

十三、参考资料
[1] 崇凯．机械制造技术基础课程设计指南[M] ．北京：化学工业出版社，2006
[2] 于骏一，邹青．机械制造技术基础[M] ．北京：机械工业出版社，2009
[3] 何鸣新，钱可强．机械制图[M]．北京：高等教育出版社，2004
[4] 刘向阳，占向辉，张恩光．UG NX4.0 CAD详解教程[M]．北京：清华大学出版社，2007
[5] 王光斗，王春福．机床夹具设计手册（第三版）[M] ．上海：上海科学技术出版社，2000
[6] 杨叔子．机械加工工艺书手册[M] ．北京：机械工业出版社，2001

十四、附录
夹具装配图

夹具体

毛坯工序图

总毛坯图

22