机械设计制造及其自动化-机床“羊角”拨叉加工工艺及（一道工序）夹具设计

1.1 羊角拨叉的功用

设计机床羊角拨叉零件的机械加工工艺规程及其机床夹具。拨叉是一种辅助零件，通过拨叉控制滑套与旋转齿轮的接合^[1]。滑套上面有凸块，滑套的凸块插入齿轮的凹位，把滑套与齿轮固连在一起，使齿轮带动滑套，滑套带动输出轴，将动力从输入轴传送至输出轴。摆动拨叉可以控制滑套与不同齿轮的结合与分离，达到换档的目的。如果拨叉槽口的配合尺寸精度不高时，滑移齿轮就达不到要求的定位精度，这样滑移齿轮就不能很好地与其他齿轮进行正确有效的啮合，从而影响整个传动系统的工作^[2]。拨叉上设有一个永磁铁，距离传感器可以根据永磁铁来检测换挡拨叉所处的位置，换挡拨叉位置又可用于确定接合的挡位。

拨叉结构设计特点，利用衬套降低摩擦力使换档轻便，利用自锁凹槽提升换档吸入感和提升摘挡力，防止跳档。设计鼓形叉脚提升换档平顺性，同时设计等强度叉脚，避免叉脚因受力变形不一致导致齿套出现倾斜。

该零件图纸如图1.1所示。

图1.1  机床羊角拨叉零件图

1.2  产量的确定

1.2.1  生产类型的确定

表2.1  生产类型的划分

已知零件质量m约为2.2kg，由表1可知零件质量m＜100kg，确定零件为小型零件。其次，根据零件的年产纲领(件/年)：N=2000件/年可知该生产批次为中批生产。因此该零件的生产类型为小型零件中批量生产。

1.2.2  日生产量的确定

零件的年产纲领(件/年)：N=2000件/年

每台产品中该零件的数量(件/台)：n=1

备品率：a=2%

废品率：b=2%

1．年产量Q=N×n×(1+a)×(1+b)=2000×1×(1+2%) ×(1+2%)=2080.8，取2081

2．年工作日D=365-1×52-7×2=299

3．日产量q=Q/D=2081/299=6.9，取q=7

日生产量对于企业的生产管理、资源配置、绩效评估和市场竞争力等方面都具有重要的意义。它可以帮助企业提高生产效率，降低成本，提高盈利能力。

2  零件工艺规程设计

2.2  毛坯的选择及毛坯图的绘制

2.2.1  毛坯的选择

零件形状简单，因此毛坯形状需与零件的形状尽量接近，因内孔很小，所以无法铸出。考虑到零件需加工表面少，精度要求不高，有强肋，且工作条件不差，既无交变载荷，又属于间歇工作，故选用金属型铸件，以满足不加工表面的粗糙度要求及生产要求^[3]。按照零件图纸的设计要求，确定该零件毛坯的材料为HT200，硬度190-241HB，毛坯种类为铸件。该材料的抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。

2.2.2  毛坯-零件综合图的绘制方法

在选定毛坯和确定了毛坯的机械加工余量后，便可绘制毛坯-零件综合图。综合图的绘制方法是：

（1）以实线表示毛坯表面的轮廓、以点划线画出零件的轮廓；在剖面图上用交叉线表示加工余量，加工余量为3～5mm。取加工余量为3mm。

（2）标注毛坯尺寸和公差，毛坯的基本尺寸包括机械加工的余量在内，毛坯的尺寸公差参照有关资料。零件是中批量生产，因此可采用砂型机械造型及壳体铸造毛坯^[4]。由《机械制造工艺设计简明手册》表2.2知，生产出来的毛坯尺寸公差等级为CT8级，加工余量等级为G级。由《机械制造工艺设计简明手册》表2.2可查出各个毛坯尺寸的公差值。毛坯的制造公差带采取双向布置，如下表2.2所示。

表2.2  机床羊角拨叉铸造毛坯尺寸公差及加工余量

此外，半径为R44mm的圆弧面按尺寸R44+2mm去铸造。

3．标注机械加工的粗基准符号和有关技术要求。毛坯尺寸是根据工艺规程，机械加工各工序的加工余量与毛坯制造方法能到的精度决定的，因此毛坯图绘制和工艺规程的制订是反复交叉进行的。毛坯-零件综合图如下图2.1。

图2.1  毛坯-零件综合图

2.3  定位基准的分析与选择

在制定零件加工工艺规程时，正确选择定位基准对保证加工表面的尺寸精度和相互位置精度的要求以及合理安排加工顺序都有重要的影响。

2.3.1  基准的概念

所谓基准就是零件上用来确定其他点、线、面位置的那些参考点、线、面。根据基准的功用不同，又可以分为设计基准和工艺基准两大类。（1）设计基准是在零件图上用来确定其他点、线、面的位置的基准。（2）工艺基准是在加工及装配过程中使用的基准。按照用途的不同又可以分为：1）定位基准是在加工中使工件在机床或夹具上占有正确位置所采用的基准。2）测量基准是在检验时使用的基准。3）装配基准是在装配时用来确定零件或部件在产品中的位置所采用的基准。在分析基准问题时，必须注意下列几点：（1）作为基准的点、线、面在工件上不一定具体存在（例如，孔的中心、轴心线、对称面等），而常由某些具体的表面来表现，这些表面就可称为基面^[5]。（2）作为基准，可以是没有面积的点和线或很小的面，但是代表这种基准的点和线在工件上所体现的具体基面总是有一定面积的。（3）上面所分析的都是尺寸关系的基准问题，表面位置精度（平行度、垂直度等）的关系也是一样。

2.3.2  基准选择原则

合理选择定位基准对保证加工精度和确定加工顺序都有决定性影响，后道工序的基准必须在前面工序中加工出来，因此，它是制订工艺过程中要解决的首要问题^[6]。如前所述，基准的选择实际上就是基面的选择问题。

在选择基面时，需要同时考虑五个问题：

（1）用哪一个表面作为加工时的精基面，才有利于经济合理地达到零件的加工精度要求。（2）为加工出上述精基面，应采用哪一个表面作为粗基面。（3）是否有个别工序为了特殊的加工要求，需要采用第二个精基面。在选择基面时需要两个基本要求。（4）各加工表面有足够的加工余量（至少不留下黑斑），是不加工表面的尺寸、位置符合图样要求，对一面要加工、一面不加工的壁，要有足够的厚度。（5）定位基面应有足够大的接触面积和分布面积。在工序I中，只能使用毛坯的表面作为定位基准，这种定位基面就称为粗基面（或毛基面）^[7]。在选择粗基面时，考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，使不加工表面与加工表面间的尺寸、位置符合图样要求。因此选择粗基面的原则是：

（1）如果必须首先保证工件某重要表面的余量均匀，就应该选择该表面作为粗基面。（2）如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求，则应以不加工表面作为定位基准面，如果工件上有好几个不需要加工的表面，则应以其中与加工表面的位置精度要求较高的表面为粗基面，以求壁厚均匀、外形对称等。（3）应该用毛坯制造中尺寸和位置比较可靠、平整光洁的表面作为粗基面，使加工后各加工表面对各不加工表面的尺寸精度、位置精度更容易符合图样要求。在以后各工序的加工中，可以采用已经切削加工过的表面作为定位基面，这种定位基面就称为精基面（或光基面）^[8]。对于精基面考虑的重点是如何减少误差，提高定位精度，因此选择精基面的原则是：

（1）应尽可能选用设计基准作为定位基准，这是基准重合原则。（2）应尽可能选用统一的定位基准加工各表面，以保证各表面间的位置精度，称为统一基准原则。（3）有时还要遵循互为基准、反复加工的原则。（4）有些精加工工序要求加工余量小而均匀，以保证加工质量和提高生产率，这时就以加工面本身作为精基面，称为自为基准原则。经常遇到这样的情况：工件上没有作为定位基面的恰当表面，这时就有必要在工件上专门加工出定位基面，这种基面称为辅助基面^[9]。辅助基面在零件的工作中没有用处，它是仅为加工的需要而设置的。

2.3.3  定位基准的选择

零件的材料为HT200，灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性高，不适合磨削。以下是拨叉需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求：

① mm的两圆柱端面，端面相距88mm,对称分布，加工完成后端面距对称中心线的距离为44±0.2mm，表面粗糙度为R_a3.2mm。②26mm的两圆柱端面，端面相距110mm,对称分布，加工完成后，端面的粗糙度为R_a3.2mm。③20.6mm的孔，加工完成后，孔内壁面的粗糙度为R_a1.6mm，且孔的中心线与14.4mm孔的中心线在水平方向的平行度为0.1/150mm，与88×5.4mm的槽平行度为0.07/100mm。④14.4mm的孔，加工完成后，孔内壁面的粗糙度为R_a1.6mm。⑤14.4mm和20.6mm孔的两端都有1×45°的倒角。⑥8863mm的键槽，键槽的两侧壁加工成型后的粗糙度为R_a3.2mm，槽顶面粗糙度为R_a12.5mm。

零件在加工时，粗基准选毛坯上的40mm和26mm圆柱端面，对另一侧的端面进行粗铣。而后反过来以加工过的端面为精基准对另一侧的端面进行粗铣加工。重复以上操作进行精铣加工。而后夹持26mm两端面在40mm端面上钻20.6mm的孔。再以20.6mm的内圆柱面为精基准面钻14.4mm的孔。最后以14.4mm的内圆柱面为基准面切键槽88×6×3mm。

2.4  工艺路线的制定

制定工艺路线的出发点，应当是使零件的加工精度（尺寸精度、形状精度、位置精度）和表面质量等技术要求能得到合理的保证。

在生产纲领已经确定为中批量生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率^[10]。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。鉴于此，可以采用一下三种工艺路线方案：

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