天津大学机械制造技术基础课程设计报告报告书.doc
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机械制造技术基础课程设计报告书
学院机械工程
专业机械设计制造及其自动化
年级
班级组别
小组成员
指导教师
2014年10月10日机械制造技术基础课程设计任务书
题目
拨叉的加工工艺制定及其夹具的设计
组长
年级/班级/组别
组员
课程设计的任务：
如下图所示拨叉零件，材料为QT400，毛坯为精铸件，试制定零件的机械加工工艺规程及设计加工拨叉脚内表面的夹具。
1.设计内容与要求
（1）设计参数
零件号
d1
d2
D1
R1
R2
BCH-2
Φ32
Φ12
Φ20H7
R22
R32
H1
H2
L1
L2
L3
螺纹孔
20
72
10H11
8
35
M5
（2）任务要求
1）编写一张机械加工工艺过程卡和三张工序卡
2）设计一个加工拨叉脚内表面的夹具
3）编写机械制造技术基础课程设计报告书和组内成员个人总结报告。
2.提交内容
1）机械制造技术基础课程设计报告书；
2）组内成员个人总结报告。
3.时间范围
2014年9月29日～2014年10月17日。
4.具体实施
1）组长负责制，小组成员协同工作、合作学习，共同完成设计任务；
2）分阶段集中授课；
3）每周例会，讨论与答疑；
4）最后提交报告，进行答辩。
目录
第一章零件分析
1.1零件的作用……………………………………………….1
1.2零件的工艺分析………………………………………….1
1.3确定零件生产类型…………………………………….1
第二章确定毛坯类型绘制毛坯简图
2.1选择毛坯………………………………………………….2
2.2确定毛坯尺寸公差和机加工余量……………………….2
2.3绘制拨叉毛坯简图……………………………………….3
第三章工艺规程设计
3.1定位基准的选择………………………………………….4
3.2拟定工艺路线…………………………………………….4
3.3工序尺寸及公差确定…………………………………….6
3.3切削用量的确定………………………………………….7
第四章机床夹具设计
4.1定位及加紧机构设计…………………………………….8
4.2切削力及夹紧力计算…………………………………….11
4.3夹紧元件的强度校核…………………………………….13
4.4定位误差分析…………………………………………….14
参考文献............................................................……………18
附录...................................................................…………….19
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第一章零件分析
1.1零件的作用
题目所给的零件是拨叉。
它位于变速机构中，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φ20H7孔与操纵机构相连，并用螺钉经M5孔与变速叉轴连接。
拨叉脚则夹在双联变换齿轮的槽中。
当需要变速时，操纵变速杆，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移，通过连接装置改换档位，实现变速。
1.2零件的工艺分析
零件的材料为QT400，球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。
该拨叉零件叉轴孔Φ20H7mm的轴线是拨叉脚两端面和螺纹孔M5的设计基准，拨叉头左端面是拨叉轴向方向上尺寸设计基准。
选用叉轴孔Φ20H7mm的轴线和拨叉头左端面作为精基准。
选用叉轴孔Φ20H7mm的轴线和拨叉头左端面作为精基准定位加工拨叉脚两端面和螺纹孔M5,实现了设计基准和工艺基准重合，保证了被加工表面的垂直度要求。
另外，由于拨叉件刚性较差，受力易发生弯曲变形，选用拨叉头左端面作为精基准，夹紧力作用在插头的右端面上，可以避免在机械加工中产生夹紧变形，夹紧稳定可靠。
由于有5mm的尺寸要求，所以选择拨叉脚左端面作为粗基准。
采用Φ32mm的外圆面定位加工内孔尅保证孔的壁厚均匀；采用拨叉脚左端面作为粗基准加工左端面，可以为后续工序准备好精基准。
该拨叉的加工质量要求较高，可将加工阶段分为粗加工、半精加工和精加工几个阶段。
在粗加工阶段，首先用车床将精基准（拨叉头左端面和叉轴孔）准备好，因为车床可以一次性将两个精基准都加工出来，从而提高了精度，也为使后续工序都采用精基准定位加工，保证其他加工表面的精度要求；由于精度要求不高，故而粗铣，半精铣拨叉脚左右端面、拨叉脚内表面、螺纹孔端面，最后完成M5螺纹孔的加工，这也体现了工序集中的原则。
1.3确定零件生产类型
由零件图示的生产批量200件可知，该零件为单件小批量生产。
第二章确定毛坯类型绘制毛坯简图
2.1选择毛坯
该拨叉的尺寸不大，且生产类型为单间小批量，为提高生产效率和毛坯精度，宜采用手工砂型铸造。
毛坯的材料为QT400。
2.2确定毛坯尺寸公差和机加工余量
表2-2小批量生产毛坯铸件公差等级
造型材料
公差等级
灰铸铁
球墨铸铁
粘土砂
13-15
13-15
化学粘接剂砂
11-13
11-13
由表可知，选择11级公差
表2-3小批量生产毛坯铸件公差等级/mm
毛坯铸件基本尺寸
铸件尺寸公差等级CT
大于
至
11
10
2.8
10
16
3.0
16
25
3.2
25
40
3.6
表2-5毛坯铸件典型机械加工余量等级
方法
要求的机械加工余量等级
铸件材料
钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
手工砂型
G-K
F-H
F-H
F-H
机器造型砂型
F-H
E-G
E-G
E-G
金属型铸造
-
D-F
D-F
D-F
由表可知，选择H级机加工余量
表2-4铸件F-H级机械加工余量/mm
最大尺寸
要求的机械加工余量等级
大于
至
F
G
H
40
0.5
0.5
0.7
40
63
0.5
0.7
1
63
100
1
1.4
2
100
160
1.5
2.2
3
由于拨叉零件最大尺寸H+H=72+20=92mm，故而选择机加工余量2mm。
由零件图上的基本尺寸，以及毛坯的制造方式，查表2-2，2-3，2-4，2-5可以确定该铸件的尺寸公差和机械加工余量如下表2-6所示
表2-6/mm
加工表面
零件尺寸
机械加工余量
毛坯公差
毛坯尺寸
拨叉头左右端面
35
两端面各2
2±0.65
39±1.8
拨叉脚内表面
R22
2
2±0.7
R20±1.6
拨叉脚两端面
10
两端面各2
2±0.55
14±1.5
螺纹孔端面
20
2
2±0.6
22±1.6
2.3绘制拨叉毛坯简图
第三章工艺规程设计
3.1定位基准的选择
3.11精基准的选择
拨叉轴孔Φ20mm的轴线是拨叉脚两端面和螺纹孔M5的设计基准，拨叉头左端面是拨叉轴向方向上尺寸设计基准。
选用叉轴孔Φ20mm的轴线和拨叉头左端面作为精基准定位加工拨叉脚两端面和螺纹孔M5,实现了设计基准和工艺基准重合，保证了被加工表面的垂直度要求。
另外，由于拨叉件刚性较差，受力易发生弯曲变形，选用拨叉头左端面作为精基准，夹紧力作用在插头的右端面上，可以避免在机械加工中产生夹紧变形，夹紧稳定可靠。
3.12粗基准的选择
由于精基准拨叉头左端面与拨叉脚左端面有尺寸5mm要求，故而使拨叉脚左端面为粗基准加工加工精基准，为后续加工做好准备。
3.2拟定工艺路线
3.21表面加工方法确
由各个加工表面的尺寸精度以及表面粗糙度，查表得
加工表面
尺寸及偏差
尺寸精度等级
表面粗糙度/μm
加工方案
拨叉脚两端面
10H11
IT11
3.2
粗铣-半精铣
拨叉脚内表面
R22
IT12
3.2
粗铣-半精铣
螺纹孔端面
20
-
-
粗铣
螺纹孔
M5
-
-
钻-丝锥攻内螺纹
拨叉头两端面
35
-
3.2
粗车-半精车
拨叉头孔
Φ20H7
IT7
1.6
钻-扩-铰
3.22工序的分散与集中
由于是单件小批量生产，故而工序应该尽量集中，所以可以采用机床配以不同工具、夹具，以提高生产效率；而且运用工序集中原则使工件的装夹次数少，不断可缩短辅助时间，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。
故而在加工精基准时，采用车床一次性加工出，拨叉头左端面及拨叉孔。
再通过铣床和钻床加工其他表面。
3.23工序顺序的安排
遵循“先基准后其他”原则，首先加工精基准-拨叉头左端面和拨叉轴孔Φ20H7mm；遵循“先粗后精”原则，先安排粗加工工序，后安排半精加工工序；遵循“先主后次”原则，先加工主要表面——拨叉头左端和拨叉轴孔Φ20H7mm，再铣拨叉其他表面；遵循“先面后孔”原则，先铣螺纹孔端面，再钻削M5螺纹孔；先加工拨叉头端面，再加工拨叉轴孔Φ20H7mm。
由此初拟拨叉机械加工工序安排，见下表
工序号
工序内容
简要说明
10
粗车，半精车拨叉头左端面；钻、扩、铰拨叉孔
先基准后其他，先主后次
20
粗车，半精车拨叉头右端面
先主后次
30
粗铣，半精铣拨叉脚左端面
先主后次
40
粗铣，半精铣拨叉脚左端面
先主后次
50
粗铣，半精铣拨螺纹孔凸台
先面后孔
60
粗车，半精车拨叉脚内表面
先主后次
70
钻螺纹孔，攻丝M5
先面后孔
3.24确定工艺路线
综合考虑上述工序顺序安排原则的基础上，拟定拨叉机械加工工艺路线，如下表
工序号
工序内容
定位基准
手工砂型铸造
时效
消除内应力
涂底漆
防止生锈
10
粗车，半精车拨叉头左端面，并加工孔
拨叉脚左端面
20
粗车，半精车拨叉头右端面
左端面、Φ20mm孔轴线
30
校正拨叉脚
左端面、Φ20mm孔轴线
40
粗铣，半精铣拨叉脚左端面
左端面、Φ20mm孔轴线
50
粗铣，半精铣拨叉脚右端面
左端面、Φ20mm孔轴线
60
粗铣螺纹孔凸台
左端面、Φ20mm孔轴线
70
粗车，半精车拨叉脚内表面
左端面、Φ20mm孔轴线
80
钻螺纹孔
左端面、Φ20mm孔轴线
90
丝锥攻内螺纹
左端面、Φ20mm孔轴线
100
去毛刺
110
中检
120
校正拨叉脚
130
清洗
140
终检
3.3工序尺寸及公差确定
3.31工序10粗车，半精车左端面及钻、扩、铰Φ20孔
（1）查表2-14得半精车加工余量为Z2=0.6mm，所以粗加工余量为Z1=2-0.6=1.4mm
又由于拨叉脚端面余量为2mm，所以其工序尺寸为
L2=5-2=3mm
L1=3+0.6=3.6mm
（2）查表2-20得基孔制7级孔的加工余量，由于空的尺寸为Φ20，所以
Z1=18mm（钻）
Z2=1.8mm（扩）
Z3=0.2mm（铰）
工序尺寸为
D1=Φ18mm（IT12）
D2=Φ19.8mm（IT10）
D3=Φ20mm（IT7）
3.32工序70粗车，半精车拨叉脚内表面
（1）查表2-11得半精车外圆面加工余量为Z2=0.65mm，所以粗加工余量Z1=2-0.65=1.35mm
故其工序尺寸为
L1=21.35mm
L2=22mm
3.33工序80钻孔，攻丝M5螺纹孔
（1）查表2-29得公司前钻孔直径为Φ4.2mm
工序尺寸为
D1=Φ4.2mm
D2=M5
距离拨叉头左端面L1=14±0.1mm
3.4切削用量的确定
3.41工序10
本工序分为5个工步，分别为粗车拨叉头左端面，半精车拨叉头左端面，钻拨叉孔，扩拨叉孔，铰拨叉孔。
参见表4-2，5-1，5-22，5-25可得
工步1粗车端面
背吃刀量a取为Z1=1.4mm；进给量=0.4mm/r
取ν1=12m/min
n==r/min=119.36r/min（取标准n=125r/min）
所以实际==12.6m/min
工步2半精车端面
背吃刀量a取为Z2=0.6mm；进给量=0.2mm/r
取ν2=18m/min
n==r/min=179.05r/min（取标准n=180r/min）
所以实际==18.1m/min
工步3钻孔
背吃刀量a取为Z/2=9mm；进给量=0.17mm/r
取ν3=20m/min
n==r/min=353.7r/min（取标准n=350r/min）
所以实际==19.8m/min
工步4扩孔
背吃刀量a取为Z/2=0.9mm；进给量=1mm/r
取ν4=20.5m/min
n==r/min=329.5r/min（取标准n=350r/min）
所以实际==21.7m/min
工步5铰孔
背吃刀量a取为Z/2=0.1mm；进给量=0.15mm/r
取ν5=8m/min
n==r/min=127.3r/min（取标准n=125r/min）
所以实际==7.85m/min
3.42工序70
本工序分为2个工步，分别为粗车拨叉脚内表面，半精车拨叉脚内表面。
参见表4-2，5-1可得
工步1粗车拨叉脚内表面
背吃刀量a取为Z1=1.35mm；进给量=0.4mm/r
取ν1=12m/min
n==r/min=89.45r/min（取标准n=90r/min）
所以实际==12.1m/min
工步2半精车拨叉脚内表面
背吃刀量a取为Z2=0.65mm；进给量=0.2mm/r
取ν2=24m/min
n==r/min=173.6r/min（取标准n=180r/min）
所以实际==24.8m/min
3.42工序70
本工序分为2个工步，分别为钻螺纹孔，丝锥攻内螺纹
参见表4-9，5-22可得
工步1钻孔
背吃刀量a取为Z/2=2.1mm；进给量=0.12mm/r
取ν1=16m/min
n==r/min=1212.6r/min（取标准n=1360r/min）
所以实际==17.94m/min
工步2丝锥攻内螺纹
背吃刀量a取为Z2=0.4mm；进给量=0.8mm/r
取ν2=6.8m/min
n==r/min=432.9r/min（取标准n=392r/min）
所以实际==6.16m/min
第四章机床夹具设计
4.1定位机构设计
4.11夹具要求
本组任务为设计一个加工拨叉口圆弧内表面的机床夹具。
4.12自由度的限制要求
分析零件，可知必须限制的自由度为5个（除了沿拨叉孔轴线的移动自由度外其他所有自由度），故而最少应五点定位，考虑到实际情况，采用6点定位为宜。
4.13定位元件形式
根据零件外形，易知采用长销加一端面定位最为合适。
又考虑到这种形式的定位由于端面和长销会产生过定位。
故而，采取在端面处加上一个球面垫圈，消除过定位。
元件如下：
通过这个定位元件可以限制5个自由度，仍需一个定位支撑钉限制其绕拨叉孔轴线转动的自由度。
元件如下：
4.14夹紧机构的设计
通过定位元件上的螺栓结构，可以用螺母垫片产生的摩擦力来充当夹紧力。
4.2切削力及夹紧力
4.21机床切削力计算
由于选取车床作为加工机床，故根据文献得下列切削力计算公式：
切向力：
F=Caf；（C=794）
径向力：
F=Caf；（C=422）
轴向力：
F=Caf；（C=375）
根据本报告书3.42可知粗车a=1.35mmf=0.4mm/r；
故而：
切向力：
F=539.1N
径向力：
F=278.1N
轴向力：
F=350.9N
受力图如下所示：
（受力点简化为粗车后尺寸R=21.35mm）
4.22夹具夹紧力计算
由图可知
F对工件有夹紧作用故不予考虑。
那么该工件所受力既可以简化为
①F与F平面的合力：
F==606.6N；
②F与F对拨叉孔轴线的转矩：
T=[L+R（1-cos）]（Fcos+Fsin）+Rsin（Fcos-Fsin）；
其中∈[-60°,60°]L=50.65mm
通过MATLAB求极值得当=26.9°
T=T=3.217x10N·mm；
所以根据力系平衡原理得:
F=F；
T=T；
其中F，T分别为夹具对工件的夹紧力和夹紧力矩；
又因为夹紧机构为螺母垫片,并且算上车床轴向切削力的夹紧作用所以：
F=μ（2F+F）;
其中μ为摩擦因数查表得钢与铸铁之间取0.3，F为螺母对垫片产生的压力；
T=μF（+）；
其中R1=16mm，r1=10.5mm为工件与球面垫圈接触面大小半径
R2=12mm，r2=10mm为工件与螺母垫片接触面大小半径
通过代入数据计算可得：
F=835.6N；
F=4382.1N；
所以螺母压力取F=F=4382.1N
4.3夹紧元件的强度校核
4.31夹紧力元件受力分析
由于夹紧元件选用的是普通螺栓结构，那么所有夹紧力都由摩擦力提供，不存在手剪切力的情况。
又因为车床轴向切削力方向并不作用在螺母上，故而螺栓也不受轴向载荷。
所以夹紧元件螺栓的受力仅仅来自于为提供摩擦的预紧力F，又因为：
F=F；
4.32强度校核
根据公式
d
因为螺栓材料选用Q235，所以=235Mpa[]==78.33Mpa（S取3）
代入数据得：
d9.6mm
故而选取螺栓尺寸为M12，便符合强度要求。
4.4定位误差分析
4.41定位尺寸分析
分析零件图可知，定位元件主要保证H=720.15mm（IT12）。
而能够引起H产生误差便是两部分：
①：
拨叉孔与定位元件的配合公差（）；
②：
拨叉口外圆弧面R=321.8mm的铸造公差，导致H的变动。
4.42定位误差的计算
定位误差:
=+
又因为
=T+T=0.021+0.013=0.034mm
由于涉及到转动，故而借助AutoCAD的绘图功能，加上约束，便可以轻松得到：
=0.05mm
所以
=0.084mm=0.1mm
故而定位误差小于尺寸精度的1/3,因此此定位元件完全能够满足定位精度要求。
参考文献
[1]邹青，呼咏等．《机械制造技术基础课程设计指导教程》
[2]廖念钊，莫雨松等.《互换性与技术测量》
[3]张世昌，李旦，高航等.《机械制造技术基础》
[4]徐鸿本等.《机床夹具设计手册》
[5]张策等.《机械原理与机械设计》
附录一：
机械加工工艺过程卡和数控加工工序卡
机械加工工艺过程卡
机械加工工艺过程卡
产品名称
零件名称
零件图号
零件材料
编制
审核
拨叉
QT400
工序号
工序内容
设备
工艺装备名称及编号
夹具
刀具
量具
1
粗车、半精车拨叉头左端面，使拨叉头左端面到拨叉脚左端面
3mm，Ra为3.2μm，钻扩铰∅20孔
C6132
专用卡具
高速钢车刀
高速钢麻花钻
游标卡尺
卡尺、塞规
2
粗车、半精车拨叉头右端面，使拨叉头左右端面35mm，右端面Ra为3.2μm
C6132
专用卡具
高速钢车刀
游标卡尺
3
校正拨叉脚
钳工台
虎口钳
百分表
4
粗铣拨叉脚左端面，使拨叉头左端面到拨叉脚左端面4.7mm
X51
专用卡具
面铣刀
游标卡尺
5
粗铣拨叉脚右端面，使拨叉脚左右端面10.6mm
X51
专用卡具
面铣刀
游标卡尺
6
粗铣凸台，使h1=20mm
X51
专用卡具
铣刀
游标卡尺
7
粗车、半精车拨叉脚内表面，使R1=22mm
C6132
专用卡具
车刀
游标卡尺
8
钻、铰使孔至∅4.2mm，并使孔至拨叉头左端14±0.1mm
攻丝得M5
Z525
专用卡具
高速钢麻花钻
高速钢丝锥
内径千分尺
9
去毛刺
钳工台
虎口钳
锉刀
10
终检
塞规、百分表、卡尺
11
校正拨叉脚
钳工台
虎口钳
百分表
12
清洗
清洗机
13
终检
塞规、百分表、卡尺等
数控加工工序卡1
数控加工工序卡
产品名称
零件名称
零件图号
零件材料
编制
审核
拨叉
QT400
机床型号
C6132
控制系统
程序号
工序号
工序内容
刀具
夹具
切削用量
刀具号
规格
刃长
S
F
ap
1
粗车拨叉头左端面，使拨叉头左端面到拨叉脚左端面4.2mm
专用卡具
12.6m/min
0.4mm/r
0.8mm
2
粗车、半精车拨叉头左端面，使拨叉头左端面到拨叉脚左端面3mm
专用卡具
12.6m/min
0.2mm/r
1.2mm
3
钻孔，使孔至∅18mm
专用卡具
19.8m/min
0.17mm/r
9mm
4
扩孔，使孔
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