CA车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计.docx

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CA车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

继续教育学院

毕业设计（论文）

题目CA6140车床拨叉数控加工工艺及程序设计

专业班级数控技术层级专科形式函授

学生姓名张文瑞

指导教师王波

设计（论文）完成日期2011年3月10日

继续教育学院

毕

业

设

计

︵

论

文

︶

学生姓名:

张文瑞

日期:

2011年3月27日

摘要

　CA6140车床拨叉它位于车床变速机构中主要起换档，和其他零件配合，在改变转速的时候承受轻微的载荷，所以加工时应该保证本零件的重要工作表面符合技术要求。

对于零件而言，尽可能选择不加工表面作为粗基准。

而对有若干个不加工表面的工件，则应以加工表面要求相对位置精度较高的不加工表面作粗基准。

因此φ60孔端面与φ25H7孔垂直度公差为0.1mm，所以先把加工φ25孔的表面和孔精加工出来，再以它为精基准加工别的面，例如铣φ60孔和端面、铣槽等。

同时，在设计夹具时候要考虑定位基准和加紧机构。

在设计中长销限制4个自由度、支撑钉限制1个和侧板限制1个；螺母和心轴配合用来加紧零件，开口垫片可以实现大批量和中批量的生产。

　　关键词：

定位元件加紧机构定为基准自由度

CA6140车床拨叉数控加工工艺及程序设计

1前言……………………………………………………………………………

2.设计的目的……………………………………………………………

3.零件的分析……………………………………………………………

3.1零件的作用…………………………………………………………

3.2零件的工艺分析……………………………………………………

4.工艺规程设计…………………………………………………………

4.1确定毛坯的制造形式…………………………………………

4.1.1铸铁……………………………………………………………

4.2基准的选择………………………………………………………

4.3制造工艺路线……………………………………………………

4.3.1切削力…………………………………………………………

4.3.2刀具磨损与刀具的耐用度………………………………

4.3.3切削用量……………………………………………………

5.箱体的技术要求……………………………………………………

6.夹具设计………………………………………………………………

6.1夹具的作用…………………………………………………………

6.2问题的提出………………………………………………………

6.3夹具的设计………………………………………………………

7小结…………………………………………………………………………

致谢………………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………

1前言

通过机床工艺及程序设计，汇总所学专业知识如一体（如《公差于配合》、《机械零件设计》、《金属切削机床》、《机械制造工艺》、《机械制造基础》、《数控加工工艺》、《机械制图》等）。

让我们对所学的专业课得以巩固、复习及实用，在理论与实践上有机结合；使我们对各科的作用更加深刻的熟悉与理解，并为以后的实际工作奠定坚实的基础！

我希望能够通过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力。

在此次课程设计过程中,查阅了大量的书籍，并且得到了有关老师的指点。

2设计的目的

机械制造工艺学课程设计,是在学完机械制造工艺学及夹具设计原理课程，经过生产实习取得感性知识后进行的一项教案环节；在老师的指导下，要求在设计中能初步学会综合运用以前所学过的全部课程，并且独立完成的一项工程基本训练。

同时，也为以后搞好毕业设计打下良好基础。

通过课程设计达到以下目的：

（1）、能熟练的运用机械制造工艺学的基本理论和夹具设计原理的知识，正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及合理制订工艺规程等问题的方法，培养学生分析问题和解决问题的能力。

（2）、通过对零件某道工序的夹具设计，学会工艺装备设计的一般方法。

通过学生亲手设计夹具（或量具）的训练，提高结构设计的能力。

（3）、课程设计过程也是理论联系实际的过程，并学会使用手册、查询相关资料等，增强学生解决工程实际问题的独立工作能力。

3零件的分析

3.1零件的作用

零件是CA6140拨叉（见附图1）它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进行工作。

宽度为30+0.0120mm的面

寸精度要求很高，因为在拨叉拔动使滑

移齿轮时如果槽的尺寸精度不高或间隙

很大时，滑移齿轮得不到很高的位置精

度。

所以，宽度为30+0.0120mm的面的槽和滑

移齿轮的配合精度要求很高。

3.2零件的工艺分析：

CA6140拨叉共有两组加工表面。

（1）以花键孔的中心线为基准的加工面

这一组面包括Ø26+0.230mm的六齿方花键孔、Ø22+0.280花键底孔两端的2X150到角和距中心线为22mm的平面。

（2）以工件右端面为基准的6+0.030mm的花键经上述分析可知，对于两组加工表面，可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。

4.工艺规程设计

4.1确定毛坯的制造形成。

零件材料HT200、考虑到此零件的工作过程中并有变载荷和冲击性载荷，因此选用锻件，以使金属纤维尽量不被切断，保证零件的工作可靠。

由于生产纲领为中批生产而且零件的尺寸并不很大，故可采取模锻成型。

经查《金属机械加工工艺人员手册》表5-5取等级为2级精度底面及侧面浇注确定待加工表面的加工余量为3±0.8mm。

毛坯零件图如下图：

4.1.1铸铁

灰铸铁

灰铸铁中的碳大部分以片状石墨的形式存在,断口呈暗灰色,常用来制造机器的底座、支架、工作台、减速箱箱体、阀体等。

灰铸铁的牌号由“HT＋数字”组成。

其中“HT”表示“灰铁”,数字表示其最低抗拉强度的值。

如HT200表示最低抗拉强度为200MP的灰铸铁。

灰铸铁的牌号、铸件壁厚、力学性能及用途如表：

牌号

铸件厚壁/mm

力学性能

用途举例

σb／MP≥

HBS

HT100

2.5∽10

130

110∽166

适用于载荷小、对摩擦和磨损无特殊要求的不重要的零件。

10∽20

100

93∽140

20∽30

90

87∽131

30∽50

80

82∽122

HT150

2.5∽10

175

137∽205

承受中等载荷的零件,如机座、支架、箱体、床身、轴承座、工作台等。

10∽20

145

119∽179

20∽30

130

110∽166

30∽50

120

105∽157

HT200

2.5∽10

220

157∽236

承受较大载荷并要求一定气密性或耐腐蚀性等较重要的零件,如汽缸、机座、飞轮、床身、汽缸体、活塞、齿轮箱、刹车轮、联轴气座、泵体、液压、阀体等。

10∽20

195

148∽222

20∽30

170

134∽200

30∽50

160

129∽192

HT250

4.0∽10

270

175∽262

10∽20

240

164∽247

20∽30

220

157∽236

30∽50

200

150∽225

HT300

10∽20

290

182∽272

承受高载荷、耐磨和高气密性的重要零件,如重型机床、压力机、自动机床的床身、机座、机架、高液压压件、活塞环、车床卡盘、大型发动机的汽缸体、汽缸盖等。

20∽30

250

168∽251

30∽50

230

161∽241

HT350

10∽20

340

199∽298

20∽30

290

182∽272

30∽50

260

171∽257

球墨铸铁

如表显示为我国球墨铸铁的牌号、组织、力学性能和用途举例。

牌号中的“QT”

是“球铁”两字汉语拼英的第一个字母,后面数字分别是单铸试块时的抗拉强度和伸长率。

球墨铸铁的牌号、组织、力学性能和用途举例

牌号

组织

力学性能

用途举例

σb／MPa

σ／MPa

硬度／HBS

QT400-18

铁素体

400

250

130～186

承受冲击、振动的零件,如汽车、拖拉机的齿轮、驱动桥壳等。

QT400-15

铁素体

400

250

130～180

QT450-10

铁素体

450

310

160～210

QT500-7

铁素体＋珠光体

500

320

170～222

QT600-3

铁素体＋珠光体

600

370

190～270

机器座架、转动轴等

QT700-2

珠光体

700

420

225～305

载荷大、受力复杂的零件,如汽车、连杆等。

QT800-2

珠光体或回火组织

800

480

245～335

QT900-2

贝氏体或马氏体

600

600

280～360

高强度齿轮,如汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器等。

球墨铸铁因其力学性能接近于钢,铸造和其他一些性能优于钢,因此在机械行业中已得到广泛的应用,在部分场合已成功地取代了铸钢件或锻钢件,用来制造一些受力较大、受冲击和耐磨损的铸件。

可锻铸件

可锻铸铁是一种历史悠久的铸铁材料。

它是有一定化学成分的铁水浇注成白口坏件,经高温退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。

与灰铸铁相比,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性和性较好。

但必须指出,可锻铸铁实际上是不能锻造的。

可锻铸铁主要用于薄壁、复杂小型零件的生产,铸造时容易获得全白口的坏件。

由于它生产周期长,需要连续退火设备,因此在使用上受到一定限制,有些可锻铸铁零件被球墨铸铁代替。

4.2基准的选择。

（1）粗基准的选择：

因为要保证花键的中心线垂直于右端面，所以以Φ40的外圆表面的粗基准。

（2）精度基准的选择：

为保证定位基准和工序基准重合，以零件的A面为精基准。

4.3制定工艺路线。

工序：

粗、精车端面，钻、扩花键底孔、倒两端15°倒角。

以Ф40mm圆柱面为粗基准。

选用C3163-1转塔式六角车床及三爪卡盘夹具。

（1）拉花键。

以A面为基准，

1）以花键的中心线及A面为基准。

选用X62W卧式铣床加专用夹具

2）开档，以花键的中心线为基准。

3）钻配作孔、螺纹孔

4）机械加工余量。

CA6140的拨叉材料为HT200。

毛坯重量为1.0kgσb=160MPaHBS生产类型为由大、中批量生产，采用模锻锻模。

根据上述的原始资料加工工艺，分别确定各个加工表面的机械加工余量，工序尺寸以毛坯尺寸如下：

1.A面的加工余量

A面有3±0.8mm的加工余量，足够把铸铁的硬质表面层切除

2.矩形花键底孔。

要求以矩形花键的外径定心，故采用拉削加工内孔尺寸为Φ230+0.28，见零件图，参照《金属机械加工工艺人员手册》表3-59确定孔加工余量的分配。

钻孔Φ20mm

扩孔Φ22mm

拉花键

花键孔要求以外径定心：

拉削时加工余量参照《金属机械加工工艺人员手册》取2Ζ=1mm

（2）、计算切削用量。

1）已知长度方向的加工余量为3±0.8mm。

实际端面的最大加工余量为3.8mm。

故分二次加工（粗车和半精车）。

长度加工公差IT１２级取-0.46mm（入体方向）

2）进给量、根据《切削简明手册》（第3版）表1.4当刀杆尺寸为16mm×25mm,ａｅ≤３mm时，以及工件直径为Φ60mm时（由于凸台B面的存在所以直径取Φ60mm）

ƒ=0.6-0.8mm/ｒ.

按C３１６３－１　车床说明书　取ƒ=0.6mm/n。

由于存在间歇加工所以进给量乘以k=0.75—0.85所以：

实际进给量f=0.6×0.8=0.48mm/ｒ

按C３１６３－１　车床说明书　ƒ＝0.53ｍｍ／ｒ

3）计算切削速度。

按《切削简明手册》表1.27，切削速度的计算公式为（寿命选T=60min）

刀具材料YG6

V=Cv/（Tm·apxv·fyv）·kv

其中：

Cv=158xv=0.15yv=0.4M=0.2修正系数Ko见《切削手册》表1.28

kmv=1.15kkv=0.8kkrv=0.8ksv=1.04kBV=0.81

∴Vc=158/（600.2·20.15·0.530.4）·1.15·0.8·0.8·0.81·0.97

=46.9（m/min）

4）确定机床主轴转速ns=1000vc/dw=229.8（r/min）

按C３１６３－１　车床说明书　ｎ＝200r／min

所以实际切削速度V=40.8m/min

（3）钻孔、扩孔、倒角。

1）、钻孔

钻头选择：

见《切削用量简明手册》表2.2

钻头几何形状为（表2.1及表2.2）：

双锥修磨具刃，钻头参数：

ｄ＝Ф20ｍｍβ=30°，2Φ=118°，2Φ=70°，bε=3.5mm,ao=12°,

Ψ=55°,b=2mm，=4mm。

根据《切削用量简明手册》表2-9确定f=0.48

ａ、按机床进给强度决定进给量：

根据表2.9,当σb＝210MPa

ｄ0＝20.5mm可确定f=0.75。

按C3163-1　车床说明书　　　取f=0.62mm/n.

ｂ、决定钻头磨钝标准及寿命表2.21，当do=20mm、钻头最大磨损量取0.6寿命T=45min.

ｃ、切削速度　由《切削用量简明手册》，表2.15得Ｖ=21m/min

n=1000V/D=334.4由机床技术资料得和334.4接近的有280n/m和400n/min取280n/min

取n=280m/min.实际Ｖ=17m/min

ｄ、基本工时，Tm=L/nf=（80+10）/280x0.62=0.32（min）

入切量及超切量由表2.29.查出Ψ+△=10mm

所以Tm=L/nf=（80+10）/280x0.62=0.32（min）

2）、扩孔

刀具直径do=21mm；刀具几何参数同上。

由于两孔直径相差不大，为了节省停车和调换走刀量等辅助时间，n和f都不变，所以Tm同上Tm=0.32

倒角刀具15°锪钻由于两孔直径相差不大，以表面粗度要求不高手动进给。

3）、倒角

刀具：

专用刀具。

此工步使用到专用刀具与手动进给。

检验机床功率按《切削用量简明手册》表1.2４

可以查出　当σｂ＝160～245HBS

ａｐ≤2.8ｍｍ　ｆ≤0.6ｍｍ／ｒ　

Ｖｃ≤41ｍ／min　　Ｐｃ＝3.4kw

按C３１６３－１　车床说明书　主电机功率Ｐ＝11ｋｗ

可见Ｐｃ比Ｐ小得多所以机床功率足够所用切削用量符合要求

钻削功率检验按《切削用量简明手册》表2.21

当ｄｏ＝21ｍｍ　ｆ＝0.64ｍｍ

查得转矩Ｍ＝61.8　N.M

《切削用量简明手册》表由表2.32　得功率公式

ＰC＝McVc/30do=61.8x17/30x21=1.67km

按C３１６３－１　车床说明书　主电机功率Ｐ＝11ｋｗ

可见ＰC比Ｐ小得多，所以机床功率足够，所用切削用量符合要

4）、拉花键孔

单面齿升：

根据有关手册，确定拉花键孔时花键拉刀的单面齿

为0.06mm,

拉削速度v=0.06m/s（3.6m/min）

切削工时t=Zblηk/1000vfzZ

式中：

Zb单面余量1.5mm（由Φ21mm拉削到Φ25mm）；

L拉削表面长度，80mm；

η考虑校准部分的长度系数，取1.2；

k考虑机床返回行程系数，取1.4；

v拉削速度（m/min）；

fz拉刀单面齿升；

Z拉刀同时工作齿数，Z=l/p；

P拉刀齿距。

P=（1.25-1.5）sqrt80=1.35sqrt80=12mm

∴拉刀同时工作齿数z=l/p=80/12≈7

∴其本工时Tm=1.5×80×1.2×1.4/1000×3.6×0.06×7=0.13（min）

4.3.1切削力

切削金属时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切削所需要的力称为切削力。

切削力来源于被加工材料的弹，塑性变形抗力和工件，切屑与前，后刀面之间的摩擦力。

（1）切削力的分析

为了便于分析切削力的作用和测量切削力的大小，常将切削力F分解为三个互相垂直的切削分力Fc、Ff和FP。

1）主切削力Fc

总切削力在主运动方向上分力,是切削力中最大的一个切削力,单位为牛顿（N）.主切削力是计算机床动力,校核刀具,夹具的强度与刚度的主要依据之一。

2）轴向力Ff

总切削力在进行运动方向上的分力,单位为牛顿（N）。

轴向力是计算和效验机床进给系统的动力,强度和刚度的主要依据之一。

3）径向力Fp

总切削力在基面内垂直于工件轴线方向上的分力,单位为牛顿（N）。

径向力用来计算与加工精度有关的工件挠度,刀具和机床零件的强度等。

F=

（2）切削力的计算

在生产实际中常采用指数形式的切削经验公式进行计算。

其形式如下：

Ff=CFcapfvK

F=CapfvK

Fp=CafvK

其中C、C、C-取决于材料和切削条件的系数；

X、Y、Z、X、Y、Z、X、Y、Z-三个切削力公式中背吃刀量、进给量和切削速度的指数；

K、K、K-当实际加工条件与求得经验公式的实验条件不符时

（3）影响切削力的主要因素

1）工件材料

工件材料的硬度越大,强度越高,切削力越大.加工硬化程度大,切削力也会增大.工件材料的塑性、韧性越大,切屑越不易折断,使切屑与刀具前面的摩擦增大,切削力增大。

2）切削用量

切削用量中背吃刀量和进给量对切削力的影响较大.背吃刀量和进给量增加时,切削层面积增大,变形抗力和摩擦增大,因而切削力随之增大。

3）其它因素

刀具、工件材料之间的摩擦因素影响摩擦力而影响力的大小.在同样的切削条件下,高速钢刀具切削力最大,硬质合金刀具次之,陶瓷刀具最小。

（4）切削热与切削温度

1）切削用量

增大切削用量时,切削功率增大,产生的切削热也多,切削温度就会升高。

由于切削速度、进给量和背吃刀量的变化对切削热的产生与传导的影响不同,所以对切削温度的影响也不相同。

2）工件材料

工件材料的强度和硬度越高,单位切削力越大,切削时所消耗的功就越多,产生的切削热也越多,切削温度就越高。

工件材料的热导率越小,传热速度就越慢,切削温度也越高。

3）刀具几何参数

刀具的前角和主偏角对温度影响比较大.增大前角,可使切削变形及切屑与前刀面的摩擦减小,切削温度下降。

4）其它因素

刀具后面磨损增大,会加剧刀具与工件间的摩擦,使切削温度升高。

切削速度越高,刀具磨损对切削温度升高的影响越明显。

4.3.2刀具磨损与刀具的耐用度

（1）刀具磨损的原因

刀具磨损的原因很复杂,常见的主要有以下几种：

1）硬质点磨损

硬质点磨损是由于工件基体组织中的炭化物、氮化物、氧化物等硬质点及积屑瘤碎片在刀具表面的一刻划作用而引起的机械磨损。

2）粘结磨损

在高温高压作用下,切屑与前刀面、已加工表面与后刀面之间的摩擦面上,产生塑性变形,当接触面达到原子之间距离时,会产生粘结现象。

由于切削运动的作用,粘结点不断被剪切硬坏,一般硬坏总是发生在材料较软的工件和切屑一方。

3）扩散磨损

切削过程中,由于高温、高压的作用,刀具材料与工件材料中某些化学元素可能互相扩散,使两者化学成分发生变化消弱刀具材料的性能,形成扩散磨损硬质C、C、W等元素扩散到切屑中被带走,切屑中的铁也会扩散到硬质合中,使刀面的硬度和强度降低,磨损加剧。

4）化学磨损

在一定温度下，刀具材料与某写周围介质（如空气中的氧，切削液中的添加剂硫、氯等）发生化学反应，生成硬度较低的化合物而切屑带走，或因刀具材料被某，各种因素对各切削力分力的修正系数。

种介质腐蚀，造成刀具的磨损。

4.3.3切削用量

切削用量合理选择

切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量、生产率和加工成本等均有影响。

（1）切削用量的选择原则

1）粗加工时切屑用量的选择原则

2）精加工时切屑用量的选择原则

（2）切削用量的选择方向

1）背吃刀ap

应根据加工余量确定粗加工时应尽量用一次走刀切除全部加工余量

半精加工和精加工的加工余量一般较小，可一次切除。

当为保证工件的加工余量时，也可二次走刀。

多次走刀时，应将第一次的被吃到量增大些，一般为总加工余量的2／3∽3／4。

2）进给量f

粗加工时，由于对工件表面质量没有太高的要求，这是主要考虑机床进给系统以及刀杆的强度和刚度等限制因素。

半精加工和精加工时，由于进给量对工件的以加工表面粗糙度值影响较大，进给量取的比较小。

3）切削速度VC

根据已选定的背吃刀量、进给量，按照一定刀具耐用度下允许的切削速度公式来确定切削速度。

5.箱体的技术要求

（1）孔径精度

孔径的尺寸误差和形状误差会造成轴承与孔的配合不良，因此，对的的孔精度要求较高。

主轴孔的尺寸精度为IT6，其与空为IT7～IT6。

孔的形状精度未作规定，一般控制在尺寸精度范围内即可

（2）孔的位置精度

同一轴线上各孔的同轴度误差和孔端面对轴线的垂直度误差，会使轴与轴承装配到箱体内后出现歪斜，从而造成主轴径向圆跳动和轴向圆跳动，也加剧了轴承磨损。

为此，一般同轴上各孔的同轴度约为最小孔尺寸公差的一半。

孔系之间的平行度误差，会影响齿轮的啮合质量,也须规定相应的位置精度。

（3）孔和平面的位置公差

孔和主轴箱安装基面年的平行度要求,决定了主轴与床身导轨的位置关系。

这项精度是在总装中通过刮研达到的,为了减少刮研量,一般都要规定主轴轴线对安装基面的平行度公差,在垂直和水平两个平面上,只允许主轴前端面上和向前偏。

（4）主要平面的精度

装配基面的平面度影响主轴箱与床身连接时的接触刚度,并且加工过程中常作为定位基面,会影响孔的加工精度,因此许规定底面和导向面必须平直。

顶面的平面度要求是为了保证箱盖的密封,防止工作时润滑油的泻出。

当大量生产将其顶面作为定位基面加工孔时,对它的平面度要求还要提高。

（5）表面粗糙度

重要孔和主要平面的表面粗糙度会影响连接面的配合性质或接触刚度,一般要求主轴孔表面粗糙度Ra值为0.4X10-3㎜,其于个纵向孔的表面粗糙度表面粗糙度Ra值为1.6X10-3㎜,孔的内端面表面粗糙度Ra值为3.2X10-3㎜,装配基准面和定位基准面表面粗糙度Ra值为2.5～0.63X10-3㎜，其他平面的表面粗糙度Ra值为10～2.5X10-3㎜。

6.夹具设计

6.1夹具的作用

（1）保证加工质量

（2）提高生产率

（3）减轻劳动强度

（4）扩大机床的工艺范围

6.2问题的提出

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

经过与指导老师协商，决定设计第4道工序——开档夹具。

6.3夹具设计

（1）定位基准的选择

基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。

基面选择的正确与合理可以使加工质量得到保证,生产率得以提高。