摘 要 本次設計是對換擋撥叉零件的加工工藝規程及部分工序的專用夾具的設計。換擋撥叉零件的主要加工表面是平面及孔。由加工工藝原則可知，保證平面的加工精度要比保證孔的加工精度容易。所以本設計遵循先面后孔的原則。并將孔與平面的加工明確劃分成粗加工和精加工階段以保證加工精度。基準選擇以換擋撥叉大外圓端面作為粗基準，以換擋撥叉大外圓端面與兩個工藝孔作為精基準。主要加工工序安排是先以換擋撥叉大外圓端面互為基準加工出端面，再以端面定位加工出工藝孔。在后續工序中除個別工序外均用端面和工藝孔定位加工其他孔與平面。并對部分 工序實現了氣動夾緊。 關鍵詞 撥叉；加工工藝；專用夾具；氣動夾具 Abstract The design is to decide process planning of shift fork parts and special clamp of part of a dedicated fixture. The main processing surface of the shift fork part is flat and the hole. Known by the principle of processing technology, we can easier ensure precision of the plane precision than the holes. Therefore, this design followed the principles, which machining the plane first. And a clear hole and surface processing is divided into roughing and finishing stages to ensure accuracy. The select of the rough base is a large cylindrical end, to shift fork end with two large cylindrical holes as a fine reference process. The first main processing operation to shift fork arrangement is a large cylindrical base machined end face each other, and then processed to face positioning technology holes. In addition to the follow-up processes are used outside of individual processes and process end processing of other holes location and plane. And designed a pneumatic fixture for one procession of the work-piece. Key words: Fork； processing； special fixtures； pneumatic clamp 目 錄 摘 要 ABSTRACT 目錄 1 緒論 III 1.1 本課題的研究內容和意義 7 1.2 國內外的發展概況 7 1.3 本課題應達到的要求 2 2 零件的三維造型 3 3 換擋撥叉加工工藝規程設計 7 3.1 零件的分析 7 3.1.1 零件的作用 7 3.1.2 零件的工藝分析 7 3.1.3 確定毛坯的制造形式 8 3.2 工藝過程設計所應采取的相應措施 8 3.3 換擋撥叉加工定位基準的選擇 8 3.3.1 粗基準的選擇 8 3.3.2 精基準的選擇 9 3.4 工藝路線的制定 9 3.4.1 工藝方案一 9 3.4.2 工藝方案二 9 3.4.3 工藝方案的比較與分析 9 3.5 機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 10 3.6 確定切削用量及基本工時 11 3.7 零件加工工藝小結 . .22 4 基于氣動夾緊的專用夾具設計 .23 4.1 設計主旨 23 4.2 夾具設計 23 4.2.1 定位基準的選擇 23 4.2.2 定位誤差分析 23 4.2.3 銑 夾具設計的基本要求 .23 4.3 氣缸的設計計算 .24 4.3.1 切削力及切削力矩的計算與分析 24 4.3.2 氣缸的設計計算 26 5 加工 2- 8H8 工藝孔夾具設計 29 5.1 加工 30 工藝孔夾具設計 29 5.2 定位方案的分析和定位基準的選擇 29 5.3 配合種類的選擇 30 5.4 定位誤差分析 30 5.5 切削力的計算與夾緊力分析 31 5.6 鉆套 襯套 鉆模板設計 31 5.7 活動 V 形塊的設計 32 5.8 支撐板的設計 32 5.9 夾具體設計 .33 5.9.1 夾具精度分析 33 5.9.2 夾具操作的簡要說明 34 5.10 本章小結 34 6 結論與展望 35 6.1 結論 35 6.2 不足之處及未來展望 35 致 謝 36 參 考 文 獻 37 1 緒論 1.1 本課題的研究內容 和 意義 機械的加工工藝及夾具設計是在完成了大學的全部課程之后，進行的一次理論聯系實際的綜合運用，使我對專業知識、技能有了進一步的提高，為以后從事專業技術的工作打下基礎。機械加工工藝是實現產品 設計，保證產品質量、節約能源、降低成本的重要手段，合理的機械加工企業上品種、上質量、上水平，加工藝過程是企業進行生產準備、計劃調度、加工操作、生產安全、技術檢測和健全勞動組織的重要依據，也是速產品更新，提高經濟效益的技術保證。 合理的機械加工工藝文件不僅能提高一個企業的技術革新能力，而且可以較大程度地提高企業的利潤，因而合理地編制零件的加工工藝文件就顯得時常重要。機械加工工藝文件的合理性也會受到企業各方面因素的制約，比如企業的生產設備、工人的技術水平及夾具的設計水平等，其中較為重要的是夾具的生產和設計。夾具 是機械加工 系統的重要組成部分 ， 不論是傳統制造 ， 還是現代制造系統 ， 夾具 的設計 都是十分重要的。 好的夾具設計可以提高產品勞動生產率，保證和提高加工精度，降低生產成本等，還可以擴大機床的使用范圍，從而使產品在保證精度的前提下提高效率、降低成本。 當今激烈 的 市場競爭和企業信息化的要求 ,企業對夾具的設計及制造提出了更高的要求。 所以對機械的加工工藝及夾具設計具有十分重要的意義。因而不僅要合理結合企業的生產實際來進行零件加工工藝文件的編制，而且還要根據零件的加工要求和先進的加工機床來設計先進高效的夾具。 該課題主要是為了培養 學生開發、設計和創新機械產品的能力，要求學生能夠結合常規機床與零件加工工藝，針對實際使用過程中存在的金屬加工中所需要的三維造型、機床的驅動及工件夾緊問題，綜合所學的機械三維造型、機械理論設計與方法、機械加工工藝及裝備、液壓與氣動傳動等知識，對高效、快速夾緊裝置進行改進設計，從而實現金屬加工機床驅動與夾緊的半自動控制。 在設計氣動系統裝置時，在滿足產品工作要求的情況下，應盡可能多的采用標準件，提高其互換性要求，以減少產品的設計生產成本。 1.2 國內外的發展概況 夾具從產生到現在，大約可以分為三個階段：第一個階 段主要表現在夾具與人的結合上，這是夾具主要是作為人的單純的輔助工具，是加工過程加速和趨于完善；第二階段，夾具成為人與機床之間的橋梁，夾具的機能發生變化，它主要用于工件的定位和夾緊。人們越來越認識到，夾具與操作人員改進工作及機床性能的提高有著密切的關系，所以對夾具引起了重視；第三階段表現為夾具與機床的結合，夾具作為機床的一部分，成為機械加工中不可缺少的工藝裝備。 在夾具設計過程中 ， 對于被加工零件的定位、夾緊等主要問題 ,設計人員一般都會考慮的比較周全 ， 但是 ， 夾具設計還經常會遇到一些小問題 ， 這些小問題如果處理不好 ， 也會給夾具的使用造成許多不便 ， 甚至會影響到工件的加工精度。我們把多年來在夾具設計中 遇到的一些小問題歸納如下 ： 清根問題在設計端面和內孔定位的夾具時 ， 會遇到夾具體定位端面和定位外圓交界處清根問題。端面和定位外圓分為兩體時無此問題 ,。夾具要不要清根 ， 應根據工件的結構而定。如果零件定位內孔孔口倒角較小或無倒角 ， 則必須清根 ,如果零件定位孔孔口倒角較大或孔口是空位 ， 則不需要清根 ， 而且交界處可以倒為圓角 R。端面與外圓定位時 ， 與上述相同。讓刀問題在設計圓盤類刀具 (如銑刀、砂輪等 )加工的夾具時 ， 會存在讓刀問題。設計這類夾具 時 ， 應考慮銑刀或砂輪完成切削或磨削后 ， 銑刀或砂輪的退刀位置 ， 其位置大小應根據所使用的銑刀或砂輪的直徑大小 ， 留出超過刀具半徑的尺寸位置即可。更換問題在設計加工結構相同或相似 ， 尺寸不同的系列產品零件夾具時 ，為了降低生產成本 ,提高夾具的利用率 ， 往往會把夾具設計為只更換某一個或幾個零件的通用型夾具 。 隨著現代機械加工越來越多地使用數控機床及組合機床，如何提高產品的加工精度、提高勞動生產率、降低工人的勞動強度，這是所有機械加工行業管理人員必須考慮的問題，這就使得快速夾具的設計和生產應運而生。但 隨著機械工業的迅速發展， 對產品的品種和生產率提出了 越 來 越 高的要求，使多品種，中小批生產作為機械生產的主流，為了適應機械生產的這種發展趨勢，必然對機床夾具提出更高的要求。 特別像換擋撥叉類不規則零件的加工還處于落后階段。在今后的發展過程中，應大力推廣使用組合夾具 、 半組合夾具 、可調夾具，尤其是成組夾具。在機床技術向高速 、 高效 、 精密 、 復合 、 智能 、 環保方向發展的帶動下，夾具技術正朝著高精高效模塊組合通用經濟方向發展。 1.3 本課題應 達到的要求 通過實際調研和采集相應的設計數據、閱讀相關資料相結合，在對金屬切削加工、金屬切削機床、機械設計與理 論及液壓與氣動傳動等相關知識充分掌握后，分析金屬切削加工過程中的機床工作臺驅動、工件夾緊等方面的相關數據，結合液壓與氣動傳動的相關理論知識，完成氣壓傳動方案分析及氣壓原理圖的擬定，設計氣動專用夾具的驅動、夾緊裝置，并進行主要氣動元件的設計與選擇及傳動系統的驗算校核等，來達到產品的最優化設計。 針對實際使用過程中存在的金屬加工工藝文件編制、工件夾緊及工藝參數確定及計算問題，綜合所學的機械理論設計與方法、機械加工工藝文件編制及實施等方面的知識，設計出一套適合于實際的零件加工工藝路線，從而實現適合于現代加工制造業 、夾緊裝置的優化設計。 2 零件三維造型 撥叉零件主要是由圓柱和一些孔還有一段圓弧組成，這些外表面都是回轉類的表面，用三維造型軟件通過拉伸，旋轉掃描等變換都可以得到，目前市場上的三維造型軟件主要有 Master-CAM、 UG、 Pro-e、 CAXA、 Solidworks、 CAD1等等。我個人比較喜歡 Solidworks，所以撥叉的造型采用 Solidworks2這款軟件，另外 Solidworks 還有很多優點如全動感的而用戶界面讓設計變的非常簡單大大提高了設 計效率，草圖繪制狀態和定義特征狀態有明顯區別，使用起來很方便， Solidworks 用強大的基于特征的實體建模功能可以對特征草圖進行動態修改，所以我用 Solidworks 這款軟件，下面是我用 Solidworks 這款軟件進行撥叉零件造型的過程。 首先我對圖紙進行了分析，第一步將零件的主截面的視圖草繪出來，草繪結果如圖 2.1所示。 接下來通過草繪可以把 40 的外圓和花鍵孔拉伸出來，拉伸過程及結果如圖 2.2 所示。 為了能把 40 的外圓拉出來后再畫它上面的圓弧，就要在畫圓弧前先要拉 伸一塊板，按主截面的草繪圖增加小頭實體，增加的實體及拉伸的結果如圖 2.3 所示。增加此塊實體的目的是通過這塊板再經過拉伸切除把除圓弧以外的多余部分切除，最后圓弧就做出來，因此先要做拉伸切除的草繪，只有這樣才能做拉伸做出來的草繪效果，其效果圖如圖 2.4所示。圖中藍線圍成的截面輪廓是拉伸切除中要保留的部分，也是后面進行的拉伸面。 構建了拉伸截面后，對不需要的部分進行了布爾計算、切除，再進行拉伸，最后的結果如圖 2.5 所示。 因為撥叉零件圖中圓弧中間有一部分是凸出來的，所以接下來開始進行中間那一部分的造型，開始先畫輪 廓的草繪，先創建一個基準面然后再畫需要掃描切除的輪廓草繪，如圖 2.6 所示。 圖 2.1 零件的主視截面 圖 2.2 截面拉伸的結果 草繪輪廓好了以后再以一個圓弧輪廓進行掃描最后就能得到零件的主體結構形狀。另一半同樣結構形狀的造型原理和過程與前面的完全一樣這里不在重復。其最終效果圖如圖2.7 所示。 圖 2.3 封閉輪廓拉伸的結果 圖 2.4 構建截面拉伸輪廓 圖 2.5 拉伸切除后效果圖 圖 2.6 創建掃描切除的截面 接下來就是要對 22 外圓進行造型分析，可以采用旋轉求交集變換得到，開始先進行 22 外圓的草繪，草繪時直接把孔的草繪也作出來了，草繪結果如圖 2.8 所示。 接 著就進行旋轉變換，變換結果得到的圖形如圖 2.9 所示。另一個 22 外圓的造型可以通過鏡像得到，鏡像時要有一個基準，在前面構建草圖時已經確定了繪圖基準，其造型結果如圖 2.10 所示。 最后就是要進行 29 孔的造型，為了能夠順利地對 29 孔進行造型，首先應在撥叉的主截面圖中對 29 孔進行草繪，其草繪的結果如圖 2.11 所示。草繪后再經過旋轉求布爾差集，進行切除就可以得到想要的，最后的結果如圖 2.12 所示。 圖 2.7 掃描切出結果 圖 2.8 22 外圓的草繪 圖 2.10 鏡像后的形狀 圖 2.9 旋轉拉伸結果 花鍵孔中階梯孔造型結束后，再對整個零件進行倒角，倒角很 簡單， Solidworks3直接有倒角的按鈕只要直接點擊就行了，只需要給出倒角的大小，倒角的結果如圖 2.13 所示。 3 換擋撥叉加工工藝規程設計 3.1 零件的分析 3.1.1 零件的作用 圖 2.13 倒角后圖形效果 題目所給的零件是車床的撥叉。它位于車床變速機構中，主要起換檔，使主軸回轉運動按照操作者的要求工作，獲得所需的速度和扭矩的作用。零件上方的兩個 8 孔與操縱機構相連，而下方的 23 孔則是用于與所控制齒輪所在的軸接觸。通過上方的力撥動下方的齒輪變速。兩件零件鑄為一體，加工時分開。 圖 3.1 撥叉零件圖 3.1.2 零件的工藝分析 零件的材料為 HT150，灰鑄鐵生產工藝簡單，鑄造性能優良，但塑性較差、脆性高，不適合磨削，由零件圖得出以下是撥叉需要加工的表面以及加工表面之間的位置要求： 1） 以 40 的兩外圓端面為主要加工表面的加工面。這一組加工表面包括： 40 兩外圓端面的銑削，加工 23 的孔以及中間段 29 的孔和插花鍵槽。其中 60 兩外圓端面表面粗糙度要求為 Ra6.3um， 23 的孔表面粗糙度要求為 Ra6.3um， 29 孔表面粗糙度Ra12.5um，鍵 槽側面粗糙度為 Ra3.2um。 2）以 22 的圓端面為主要加工表面的加工面。這一組加工表面包括： 40 的兩圓端面銑削，端面粗糙度 Ra6.3um，鉆 2 8 孔，兩孔有 0.12mm 精度要求。 3）由上面分析可知，可以粗加工撥叉底面，然后以此作為粗基準采用專用夾具進行加工，并且保證位置精度要求。再根據各加工方法的經濟精度及機床所能達到的位置精度，并且此撥叉零件沒有復雜的加工曲面，所以根據上述技術要求采用常規的加工工藝均可保證。 3.1.3 確定毛坯的制造形式 零件材料為 HT150, 考慮零件在機床運行過程中所 受沖擊不大，零件結構又比較簡單，毛坯 大批量生產，故選擇鑄件。查 零件制造工藝與裝備 4同時考慮毛坯的鑄造精度及降低毛坯的生產成本，可選擇砂型鑄造，并采用機器造型較手工造型不但生產效率高，而其所得到的鑄件有較準確的尺寸， 毛坯熱處理方式為自然時效處理以消除鑄造應力。 3.2 工藝過程設計所應采取的相應措施 由以上分析可知。該零件的主要加工表面是平面及孔系。一般來說，保證平面的加工精度要比保證孔系的加工精度容易。因此，對于該零件來說，加工過程中的主要問題是保證平面的尺寸精度以及孔的尺寸精度及位置精度，處理好孔 和平面之間的相互關系。 該類零件的加工應遵循先面后孔的原則：即先加工零件的基準平面，以基準平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。換擋撥叉的加工自然應遵循這個原則。這是因為平面的面積大，用平面定位可以確保定位可靠夾緊牢固，因而容易保證孔的加工精度。其次，先加工平面可以先切去鑄件表面的凹凸不平。為提高孔的加工精度創造條件，便于對刀及調整，也有利于保護刀具。 換擋撥叉零件的加工工藝應遵循粗精加工分開的原則，將孔與平面的加工明確劃分成粗加工和精加工階段以保證孔系加工精度。 3.3 換擋撥叉加工定位基準的選擇 3.3.1 粗基準的選擇： 粗基準選擇應當滿足以下要求： （ 1）粗基準的選擇應以加工表面為粗基準。目的是為了保證加工面與不加工面的相互位置關系精度。如果工件上表面上有好幾個不需加工的表面，則應選擇其中與加工表面的相互位置精度要求較高的表面作為粗基準。 （ 2）選擇加工余量要求均勻的重要表面作為粗基準。例如：機床床身導軌面是其余量要求均勻的重要表面。因而在加工時選擇導軌面作為粗基準，加工床身的底面，再以底面作為精基準加工導軌面。這樣就能保證均勻地去掉較少的余量，使表層保留而細致的組織，以增加其耐磨性。 （ 3） 應選擇加工余量最小的表面作為粗基準。這樣可以保證該面有足夠的加工余量。 （ 4）盡可能選擇平整、光潔、面積足夠大的表面作為粗基準，以保證定位準確夾緊可靠。 （ 5）粗基準應避免重復使用，因為粗基準的表面大多數是粗糙不規 則的。多次使用難以保證表面間的位置精度。 綜上要求，粗基準選擇以撥叉大外圓端面作為粗基準，先以撥叉大外圓端面互為基準，兩個 22mm 孔外圓表面為輔助粗基準加工出端面，再以端面定位加工出工藝孔。在后續工序中除個別工序外均用端面和工藝孔定位加工其他孔與平面。 3.3.2 精基準的選擇： 精基準 的選擇：考慮要保證零件的加工精度和裝夾準確方便，依據“基準重合”原則和“基準統一”原則，以粗加工后的底面為主要的定位精基準，滿足“基準重合” 4原則，以 22mm 圓柱表面為輔助的定位精基準。 3.4 工藝路線的制定 制定工藝路線： 根據零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術要求，以及加工方法所能達到的經濟精度，在生產綱領已確定的情況下 ,可以考慮采用萬能性機床配以專用工夾具 ,并盡量使工序集中來提高生產效率。除此之外，還應當考慮經濟效果，以便使生產成本盡量下降。 由于生產類型為大批生產，故采用組合機床及專 用工夾具，并盡量使工序集中來提高生產率，除此之外，還適當降低生產成本。 3.4.1 工藝路線方案一： 工序 1 鑄造毛坯 工序 2 時效處理 工序 3 粗銑 半精銑 40兩端面 工序 4 粗銑 半精銑 2 22 兩端面 工序 5 鉆 擴 鉸孔 23 工序 6 鏜孔 29 工序 7 拉花鍵孔 26 工序 8 鉆 鉸 2 8孔 工序 9 倒角 工序 10 去毛刺 清洗 工序 11 終檢 入庫 3.4.2 工藝路線方案二： 工序 1 鑄造毛坯 工序 2 時效處理 工序 3 粗銑 半精 銑 22 圓的兩端面 工序 4 鉆 鉸 2 8孔 工序 5 粗銑 半精銑 40兩端面 工序 6 鉆 擴 鉸 23孔 工序 7 鏜孔 29 工序 8 拉花鍵孔 26 工序 9 倒角 工序 10 去毛刺 清洗 工序 11 終檢 入庫 3.4.3 工藝方案的比較與分析： 上述兩方案 :方案一 是先加工大孔 23, 拉花鍵孔后 再以 23孔為基準加工小孔 8,而方案二先加工小孔 8,以小孔為基準加工各面及 23內孔 .由方案一可見 23 孔為基準加工8精度不易于保證 ,且工序不集中，不符合大批量生產方式。 方案二先加工 8不能保證精度 ,且工序也比較分散。 綜合以上分析比較，設計出工藝路線方案三較前兩種工藝方案工序集中，提高生產效率，拉花鍵孔放在后面工序，也能保證了加工孔的精度要求。最終確定的工藝方案如下： 最終工 藝路線方案 ： 工序 1 鑄造毛坯 工序 2 時效處理 工序 3 粗銑 半精銑 40端面 工序 4 粗銑 半精銑 2 8兩端面 工序 5 鉆 擴 絞 23孔 工序 6 鉆 鉸 2 8孔 工序 7 鏜孔 29 內孔倒角 C1 工序 8 拉花健孔 26 工序 9 倒角 工序 10 去毛刺 清洗 工序 11 終檢 入庫 3.5 機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 換擋撥叉零件材料為 HT150，采用砂型鑄造毛坯大批量生產。 選擇工序間加工余量的主要原則 15： 應采用最小的加工余量，以求縮短加工時間，并降低零件的制作費用； 加工余量應能保證圖紙上所規定的表面粗糙度及精度； 決定加工余量時應考慮零件熱處理時引起的變形，否則可能產生報廢； 決定加工余量時應考慮所采用的加工方法和設備，以及加工過程中零件可能發生的變形； 考慮零件的大小，零件越大，則加工余量也越大； 綜上所述，選擇各工序加 工余量： 銑 40mm 外圓端面： 考慮其表面粗糙度要求為 Ra6.3mm,可先粗銑，再半精銑。查金屬機械加工工藝人員手冊 5P-1050 表 13-27 取 2Z=3mm； 銑 2 22mm 兩圓端面： 其表面粗糙度要求為 Ra6.3mm，可先粗銑，再半精銑。 根據 5P-1050 表 13-27 取 2Z=3mm即可滿足要求； 加工 23H8 孔； 其表面粗糙度要求較高為 Ra6.3mm，其加工方式可以分為鉆，擴，鉸三步，根據 5可得 P-1044 表 13-12，孔徑 30mm,直徑余量 4mm，確定工序尺寸 及余量為： 鉆孔： 20mm Z=20mm 擴孔： 22.2mm Z=2.2mm 鉸孔： 23H8 Z=0.8 mm 加工 2 8H8 孔； 精度等級為 IT8,其加工方式可以分為鉆，鉸二步，根據 根據 5可得 孔徑 30mm,直徑余量 4mm，確定工序尺寸及余量為： 鉆孔： 7.8mm 鉸孔： 8H8 Z=0.2 mm 鏜 29mm 孔； 表面粗糙度要求為 Ra12.5mm，分 兩