汽车后桥壳体加工工艺及夹具设计两套夹具论文.docx
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汽车后桥壳体加工工艺及夹具设计两套夹具论文
摘要
毕业设计的课题基本分为三大类，即工艺工装设计类、组合机床设计类和计算机课题类。
本课题所涉及的是第一类，设计任务为汽车后桥壳体的工艺工装设计，在壳体内部装有主传动器、差速器、半轴等传动机构。
壳体起保证和支撑的作用，其主要加工表面为端面外圆、法兰平面、弹簧座平面、以及内孔等。
本次设计主要包括工艺规程、夹具、刀具和量具的设计。
此次设计共分三个阶段，即：
（1）毕业实习阶段
（2）课题设计阶段（3）考核答辩阶段。
结合本次设计零件的特点，在设计中完成工艺规程一套，夹具两套：
（1）铣床夹具
（2）钻床夹具，其中，前者为手动夹紧。
另外还据任务书分别设计刀具——铣刀一把和量具——单头双极限卡规一套，共完成图纸近5张，基本完成老师所交给的任务。
关键词：
汽车后桥；工艺分析；设计任务
ABSTRACT
Thesubjectofthegraduationprojectisdividedintothreebigclasses,namelythefrockdesigningtypeofcraft,makingupthedesigningtypeoflatheandcompersubjectsbasically.Whatthissubjectinvolvedisthefirstkind,designingthetaskfortherearaxleofautomobile,thecraftfrockoftheshellisdesigned.Equippedwiththeorganizationsofthetransmission,suchasmainhammermechanismactuator,differentialmechanism,semi-axis,ect,withintheshell.Theshellplaysaroleinguatanteeingandsupport,itprocessesflange,springseatplane,andinteriorholeroundforoutsideoftheterminalsurfaceofsurface,ect,mainly.
Thisdesignincludesthedesignofrulesofcraft,jig,cutterandmeasuringtoolmainly.Thisdesigndividesthreestagesaltogether,namely:
（1）Graduationfieldworkstage
（2）Ddeignphaseofsubject（3）Examinethestageofreplying.Combinethischarateristicofdesigningthepart,finisshesonesetofrulesofcraftinthedesign,twosetsofjigs:
（1）Jigofthemillingmachine
（2）Thejigofthedrillingmachine,amongthem,theformer,inordertoclampmanually.Stilldesignthecuttersepatatelyaccordingtothetaskbookinaddition—Onemillingcutteriswithmeasuring,finishdrawingamountnearlu5altogether,finishthetaskthatateacherassignsbasically.
Keyword:
Therearaxleofautomobile；thecrafuanaluses；designsthetask
1绪论
1.1我国汽车后桥制造业的现状及其发展趋势
我国丰富的原材料资源为后桥壳体国产化提供了坚实的基础。
针对国产原材料的特点，研制一套相适应的生产技术及工艺，保证国产化产品满足高质量的要求。
后桥在驱动系中的重要地位决定了国内各汽车生产厂家都建有自己的后桥生产线，这样，可以在保证整机质量的前提下，尽可能的降低成本，提高竞争力。
多年来，以国产原材料为基础，研制成功了适合于我国国情的、成熟实用的、并具有国际先进水平的成套工艺工装技术，生产出高质量后桥，不仅成为一些引进汽车零件的替代品，而且还出口到日本、美国、英国等发达国家。
1.2汽车后桥壳体的构造
后桥壳体的主体是一根圆柱形棒体，它与主减速器、差速器和车轮传动装置组成驱动桥。
驱动桥处与动力传动系的末端，其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩，并将动力合理的分配给左、右驱动轮，另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力。
结构及特点：
连接主减速器传递动力，支撑差速器及半轴实现俩车轮差速转动；尺寸比较大，主要承受载荷。
1.3汽车后桥壳体的性能要求
重点要保证桥壳的强度和刚度性能，便于安装、调整和维修。
另外外形尺寸要小，保证有必要的离地间隙。
在各种转速和载荷下具有高的传动效率。
在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，尤其是簧下质量应尽量小，以改善汽车平顺性与悬架导向机构运动协调，对于转向驱动桥，还应与转向机构运动相协调。
结构简单，加工工艺性好，制造容易。
毕业设计是完成工程师基本训练的重要环节，其目的是培养学生综合运用所学专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。
为了切实做好本次设计，我们首先进行了实习，结合生产现场实际情况，并通过大量查找资料，编写了本设计说明书。
它通过工艺规程的设计，进一步明确了CA141汽车后桥壳体的作用。
通过编写夹具、量具、刀具说明书，进一步阐明了设计思想，巩固了所学知识。
本次设计编制了一套中批生产的工艺规程，简单实用的夹具设计更体现了经济技术指标在设计中的重要地位。
设计工作是一项细致、艰苦、复杂、涉及面十分广泛的工作，不但要巩固所学知识，而且要提高和锻炼我们的计算能力、绘图能力等综合能力。
由于本人水平有限，设计中难免存在缺点和不足，敬请各位老师批评指正。
2零件的分析
2.1零件的作用
解放牌CA141载重汽车的后桥壳总成是一种整体式的驱动桥壳，中间部分是一段环行空心整梁，钢制的半轴套管压入空心梁的两端并用止动螺钉锁紧，防止套管在梁内运动。
解放牌载重汽车后桥是驱动桥，在桥壳的中央要安装有主传动器、差速器及半轴等传动结构，后桥起支撑、保护作用。
刹车器及车轮安装在后桥壳的两端。
因此，后桥壳也承受一部分汽车的重量，把刹车力、路面反力传到车架上。
后桥壳体的结构如图2.1所示：
1、4—半轴壳2—左桥壳3—右桥壳5—钢板弹簧座
6—法兰7—半轴套管8—后桥壳9—壳盖
图2.1
2.2零件的工艺分析
从零件图上可以看出这个零件的就加工表面可以分为三组，一是零件正面及反面的平面，孔以及两端面、端面外圆的加工，一是零件两侧面的表面，还有零件的内孔加工。
1、零件正面、反面的平面及两端面、端面外圆的加工
这一组加工表面包括：
φ102
外圆面，1556
的两端面尺寸为：
73.5
的两平面，φ340
的内孔，φ200
的法兰外径，以及钻12-M12孔和6-M14孔，其中主要加工表面是尺寸为73.5
的两平面。
φ340
的内孔，因为他们加工难度相对较大且对零件的质量影响也较大。
2、零件两侧面的平面，孔的加工
这一组加工表面包括：
110×99四个平面以及四个孔，孔径分别为φ20.5和φ16.5。
3、零件的内孔加工
这一组孔分别为φ75T8、φ73H9、φ71H9、粗糙度为Ra6.3,同轴度公差为0.1mm。
孔φ340H11，其端面及B台面至轴线距离为73.5
。
2.3生产类型的确定
根据设计任务书所给顶的原始材料来确定生产类型。
设计任务书给出的资料显示并结合车间的工作制度及工件的重量可知：
本工件生产类型为重型、大批量生产。
根据生产特征，初步确定加工中一般采用一些高效和专用机床，对于刀具一般用通用刀具，也可以根据加工情况采用部分专用刀具，量具用专用量具，夹具用专用夹具。
2.4确定毛坯的制造形式
解放牌载重汽车的后桥壳体材料是KT350-10可锻铸铁，故可采用金属模砂型铸造的方法来完成毛坯的加工，这样有较高的毛坯精度和较高的生产率。
要求时效处理，毛坯的硬度为HB121-149，毛坯的质量为91Kg，净重为75Kg[1]。
2.5基面的选择
基面选择是工艺规程中的重要工作之一，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，否则，不但加工工艺过程中问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废。
因此，选择基面时要慎重考虑[4]。
后桥壳体的主要加工部分有：
套管孔；两端轴头各外圆表面；中间φ340
mm孔及其端面。
它们除本身的尺寸精度和粗糙度要求之外，平面对套管孔轴线的平行度要求为0.05mm（在100mm长度上测量），两侧套管孔的同轴度要求为0.1mm。
为此，工艺安排要优先考虑。
首先加工两轴头外圆，然后加工孔，再加工中间φ340
孔及两端面，对于轴头加工采用粗车——精车的方法。
套管孔的加工采用粗镗——半精镗，对于φ340
的及其端面，工艺采用粗镗车——精镗车的加工方法。
其余工序安插在主要工序之间进行。
由于铣钢板弹簧座平面，余量大，加工时能使平面内的轴孔φ72H9变成椭圆，因此，将铣削工序安排在精镗之前，根据基准选择原则，后桥壳体的粗基准可以选择φ75T8毛坯孔表面，也可以选择φ200
法兰外圆的毛坯面。
考虑到孔比外圆难加工，为保证加工孔时余量均匀，在刀杆刚性一定的情况下，容易保证孔的精度和孔与外圆的同轴度要求。
在加工φ340
孔、凸台平面、φ200
法兰上孔组时，由于这些要素的设计基准是套管孔的轴线，所以就选用了已加工好的套管孔做为这些要素的精基准。
3械加工工艺路线
制定工艺路线的出发点，是根据零件的几何形状使尺寸精度和位量精度等技术要求得到保证。
在生产纲领已确定为以大批生产的条件下，尽量使用专用机床和专用夹具来提高生产率。
工艺过程设计要满足产品质量要求，也要满足生产纲领要求，并要有较高的经济性，在设计时尽量使工序集中，当然，也要注意经济效果，以便使生产成本下降，令产品在市场更具竞争力。
因此由以上分析考虑，制定以下两套工艺路线方案。
3.1工艺方案
工艺路线方案一：
1、加工两端面、外圆、倒角
2、粗镗孔（套管孔）、倒角
3、半精镗、套管孔
4、中间检查
5、铣弹簧座平面
6、粗铣φ340法兰平面
7、粗铣φ340法兰另一平面
8、粗镗φ340孔
9、精镗孔（φ340）
10、钻8-φ14孔
11、钻孔、攻管螺纹
12、钻法兰孔（12-φ12）6-φ14孔、攻丝
13、清洗
14、检验
工艺路线方案二：
1、粗车两端面外圆、倒角
2、粗镗孔、倒角
3、精车两端外圆
4、铣弹簧座平面
5、精镗
6、中间检查
7、粗镗孔、粗车平面、倒角
8、精镗孔、精车平面
9、铣平面、钻法兰孔
10、铣平面
11、钻孔、攻管螺纹
12、钻孔、攻丝
13、清洗
14、检验
3.2工艺方案比较分析
上述两个工艺方案不同点是：
1、方案一，后桥壳体外圆两端面粗精车放在一起再加工孔。
而方案二。
采用粗车外圆φ200法兰再粗镗套管孔，精车法兰外圆，再半精镗孔，显然方案二使粗、精加工分开，容易保证外圆与套管孔的同轴度要求。
2、方案一，φ340平面、孔分开加工。
而方案二则两工序合在一起，缩短了时间，避免工件安装误差。
3、方案一，在半精镗、套管孔后铣弹簧座平面，铣削力大，对已加工的孔产生圆度误差变成椭圆。
综上分析比较，最后确定采用工艺方案二。
3.3加工阶段的划分和检验工序的安排
对于精度和粗糙度要求比较高的部分，工艺上都安排了粗、精加工，如轴头和外圆，在第一道工序粗车，在第三道工序上精车。
轴孔在第二道工序粗镗，第五道工序精镗，φ340
孔和端面是在第七道工序粗加工，在第八道精加工。
这样粗、精加工分开有利于消除残余应力影响和余量的合理分配，容易保证加工精度和获得较高的生产率。
后桥壳体的加工可分为两个阶段，第一个阶段为基准加工，即在第六道工序之前，完成轴头的外圆表面及套管孔的加工，为以后的各工序提供了精基准。
第二阶段是第七道工序之后，利用已加工好的基准完成其他边面的加工。
在第一阶段之后，安排了中间检查工序，检查基准加工的正确性，防止不良产品出现。
在后桥壳最后一道工序又安排一次检查，检查第二阶段加工各表面，根据重要程度和工艺装备可靠性确定各参数检查的次数。
这样安排，可以保证后桥壳体在压如套管之前发现不合格品，避免压如套管后反修。
4加工余量、工序、毛坯尺寸的确定
汽车后桥壳体材料为可锻铸铁，采用砂型铸造Ⅰ级精度。
根据上述原始资料及加工工艺，分别确定各加工表面的机械加工余量。
毛坯余量的确定：
1、查金属机械加工工艺人员手册可确定毛坯铸件的尺寸公差等级、余量等级分别为：
CT10底面侧面余量等级MA-G，顶面、铸孔加工余量等级为MA-H
2、确定各面加工余量及尺寸公差等级如表4.1所示[1][6]：
表4.1加工余量及尺寸公差
加工余量
公差等级
φ340法兰
上5.0下4.0
±1.8
两端面（1556）
2×7.5
±3.5
弹簧座平面φ130
2×3
±1.8
φ200法兰两面/外圆
2×4
±1.1/2
φ71-75孔
2×3.0
±1.6
φ102φ133φ140
2×3.0
±1.8
φ340孔
2×6.5
±2.2
各工序尺寸如表4.2所示[5]：
表4.2各工序尺寸
工序名称
工序基本余量
工序精度
工序尺寸
工序尺寸
精车
2
IT7
φ102
φ102
粗车
6
IT13
φ102
φ104
毛坯（车）
8
±1.8
φ104
φ110±1.8
铣平面
3
IT13
65
65
毛坯（铣）
3
±1.8
65
68±1.8
半精镗
2
IT10
φ13
φ73.5
粗镗
3.5
IT13
φ13.5
φ75.5
毛坯（镗）
6
±1.6
φ75.5
φ79
5工时定额
完成零件加工一个工序的时间定额，称为单件时间定额，单件时间定额可由下式来计算出来[1]：
Td=Tj+Tf+（Tj+Tf）α/100+（Tj+Tf）β/100+（Tj+Tf）γ/100（5.1）
=（Tj+Tf）﹝1+（α+β+γ/100）﹞=Tj+Tf+Tfu+Tfv+Tx
公式中：
Td——单间时间
Tj——基本时间
Tf——辅助时间
Tfu——工作地点技术服务时间
Tfv——工作地点组织服务时间
Tx——休息及生理需要时间
α——工作地点技术服务时间对工序时间比值的百分数
β——工作地点组织服务时间对工序时间比值的百分数
γ——休息及生理需要时间对工序时间比值的百分数
5.1工序六的工时定额
T0=L/fMi（5.2）
L=l+l1+l2+l3（5.3）
fM=fzzn（5.4）
式中：
T0——机动时间
L——工作台的行程长度mm
l——加工长度mm
l1——切入长度mm
l2——超出长度mm
l3——附加长度mm
fM——工作台的每分钟进给量mm/min
f——铣刀的每转进给量mm/r
fz——铣刀的每齿进给量mm
z——铣刀齿数
n——铣刀每分钟的转数r/min
i——行程次数
B——铣削宽度
主偏角Kr
l1=0.5（D-
）+αp/
tgKr+（0.5~3）=（5.5）
0.5（150-
）+1.1/tg90+2=0.5（150-102）+2=26mm
l2=2
T0=（90+26+2）×1/250=0.51min
Tf=1.58min
α+β+γ=4.7
Td=（Tj+Tf）﹝1+（α+β+γ）/100﹞（0.51+1.58）（1+4.7%）=2.188min（5.6）
5.2工序十三的工序定额
T0=L/fn（5.7）
L=l+l1+l2（5.8）
式中：
f——主轴每转刀具的进给量mm/r
N——机床主轴每分钟的转数r/min
l=16
l1=（D-d1）/2ctgKr+（1~3）=（120-0）/2ctg60+2=3.5mm（5.9）
l2=2
T0=（16+3.5+2）/0.15×480=0.3min
Tf=1.2
α+β+γ=3.0（5.10）
Td=（Tj+Tf）﹝1+（α+β+γ）/100﹞=（0.3+1.2）（1+3%）=1.55min（5.11）
6夹具设计
6.1铣床夹具设计
本夹具是用来铣后桥壳体两侧面的110×90平面，对本工件性能要求影响不大，因而主要考虑提高劳动生产率，降低劳动强度，而精度要求不是很严格，基于以上分析开始设计本套专用夹具。
6.1.1工件的加工工艺分析
工件属于壳体类零件，工件比较长而且比较重。
而本工序在两端同时铣削，工件振动较大。
零件在此工序前已加工完成φ200
的外圆，φ72.12
内孔等表面的加工。
本工序同时铣四个弹簧座平面，保证尺寸110×90，130
和65
，表面粗糙度为R50，一次铣削可达到要求，依靠夹具来保证的加工要求有：
（1）被加工平面的长宽尺寸110×90
（2）平面到壳体回转轴线的距离65
（3）两平面的间距130
（4）两平面的平行度
（5）平面的平面度
6.1.2定方案，设计定位元件
被铣削面为平面，因而沿平面延伸方向的移动可以不限制。
由于弹簧座平面有平面度和平行度要求，必须限制平面沿X轴和Z轴方向的旋转，又因为有尺寸130
和65
的要求，所以需要限制工件沿平面法线方向的移动，并以设计基准——壳体回转轴线为基准，使得基准重合，以避免基准不重合产生误差。
综上所述，需要限制一个移动自由度和两个转动自由度，故可按不完全定位设计夹具[4]。
设计定位元件时，可以用外圆或内孔和平面组合定位，若以72T8内孔和φ340端面组合定位，基准重合。
同样，若以外圆φ200和φ340端面或以壳体两端的锥体部分（毛坯面）和φ340端面组合定位，均符合基准重合且满足工序要求。
考虑到本工序需要四面同时铣削，工件受力比较大，以及装夹方便等因素，采用以壳体两锥面（毛坯面），φ340端面和内孔定位。
由于加工时工件处于悬臂状态，铣削振动又大，故采用辅助支撑，以增加其刚性。
6.1.3确定夹紧方式和设计夹紧结构
本夹具选用手动压板夹紧结构，采用回转压板和螺栓夹紧，在φ200外圆上夹紧，使压板与外圆顶部上一短圆弧连接，这种压板虽不能起增大或扩大夹紧行程的作用。
但由于压板和螺栓都可绕其自身一端旋转，便于实现快速装卸工件，从而减轻工人劳动强度，提高效率。
夹紧力的计算：
Fz=9.81Gzαz0.86-αf0.72d0-0.86αp∑KFz=3994N（6.1）
水平分力：
F=（1~1.2）Fz=1.1Fz=4393N（6.2）
垂直分力：
Fv=0.3Fz=1198N（6.3）
因而能够引起工件沿安装轴线方向的最大铣削力为：
F=Fr+Fv=5591N（6.4）
由夹紧机构产生的实际夹紧力应满足下式：
P=KF（6.5）
K=K1K2K3K4（6.6）
式中：
K——安全系数
K1——基本安全系数
K2——加工性质系数
K3——刀具钝化系数
K4——继续切削系数
P=5591×1.5×1.1×1.2×1.2=13284N
四把刀同时加工：
P4=4P=53136N（6.6）
由计算结果可知，夹具所需要的夹紧力是比较大的，为了使整个夹具结构简单，操作方便，决定选用铰链压板来实现夹具的夹紧功能。
它的夹紧计算单个螺旋夹紧应视为螺旋夹紧机构。
计算单个螺旋夹紧产生的夹紧力按下式计算：
W0=QL/﹝r1tgα+r2tg（β+γ）﹞（6.7）
公式中：
W0——单个螺旋夹紧产生的夹紧力
Q——原始作用力
L——作用力的力臂
r1——螺杆端部与工件间的当量摩擦半径，其值视螺杆端部的结构形式而定
α——螺杆端部与工件间的摩擦角
r2——螺纹中径
β——螺纹渐开角
γ——螺旋副的当量摩擦角
其中Q=53136N，L=2，r1=15.56，α=10，r2=8.513，β=136，γ=9.5
W0=53136×2/﹝15.56×tg10+8.513×tg（136+9.5）﹞=62512N
两个螺母为123024N，所以实际的夹紧力大与所需要的夹紧力，因此，工作是可靠的。
此种方式机构结构简单，夹紧可靠，通用性强，缺点是夹紧和松开的时间长而且费力。
6.1.4定位误差的分析
（1）定位元件尺寸的确定。
夹具的主要定位是V型块，该V型块与工件两端的未加工表面相配合，故公差等级不是很高。
（2）工件的底平面与夹具的心盘限定了工件的X轴的旋转以及在X轴向的定位，其公差为φ340H11/h11，由金属机械加工设计人员手册得φ340
。
所以，最大轴向间隙为：
bmax=0.119-0.062=0.057（mm）
满足加工要求。
6.1.5夹紧元件的强度校核
在夹具的夹紧元件中，受力最大的部分是压板中间的连接压板与压板的轴销，所以应该校核此处的强度。
若此满足加工要求，可知所设计的夹具可以使用。
如图6.1所示，B点为轴销受力处，它将受到2倍于C处的夹紧力，故能引起剪切应力以及挤压应力。
图6.1受力图
σjy=Pb/Fjy=0.5×53136/（11.5×12）=192.5（Mp）（6.8）
为了保险，轴销的材料选择40Gr调质处理，屈服强度σb=510Mp,取安全系数K=1.9，
则许用挤压应力：
﹝σ﹞=σb/1.9=268（Mp）（6.9）
所以σjy＜﹝σ﹞轴销可以安全工作。
许用剪切应力：
﹝τ﹞=0.6﹝σ﹞=160Mp
时间剪切应力：
τ=P/（2×πd2/4）=34600/（2×π242/4）=63.5（Mp）（6.10）
τ＜﹝τ﹞
所以轴销可以安全使用。
6.1.6夹具体的设计
夹具体形状比较复杂且四面同时加工，切削用量大，从而振动大，切削负荷大，因而选择铸造夹具体比较合适。
底座设有四个耳座槽，用T型螺栓固定于铣床工作台上。
由于夹具比较重，因而不适合采用定向键，而是通过夹具体上的找正基准面确定夹具在机床上的位置，此方案刚性好，使用性能稳定，但制造周期比较长。
6.1.7夹具体设计及其操作的简要说明
在设计本套夹具时，因为简单夹具的结构，可以使制造、操作简单，采用了手动夹紧的方式。
虽然夹紧所需要时间较长，但是整个机构牢固可靠，能够保证生产加工的要求。
本太夹具的辅助支撑也是手动完成的，但是它的操作时间却缩短许多，是采用标准化设计的自位式辅助支撑，而这两个支撑与心盘，连接部分以螺钉紧固，形成了一个大的支撑底盘，对工件的定位起到了至关重要的作用。
此外，由于工件的两端是有锥度的圆柱体，V型块也设计成有坡度形式。
这样可以使工件与夹具的接触面积增大，承受住工件，以
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