汽車變速撥叉加工工藝及夾具設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 入，處于其產業鏈上游的汽車零部件跨國集團均以各種不同的方式，跟著其原有的供應渠道，流進了中國市場。 據有關權威部門公布的統計數據顯示，截至目前，全球排名前 100 位的汽車零部件供應商中，已有 70%來華開展業務，在中國大陸進行汽車零部件生產的外資企業超 過 1200 家。 2020 年全國汽車零部件企業銷售收入 4035 億元，其中，外資 (控股或獨資 )零部件占據了大部分市場份額，國產零部件僅占 20%25%。 導致這種狀況出現的原因很多，但最主要的原因就是中國在汽車核心技術方面的欠缺，因此，我們就應該通過技術的改革來增強企業的競爭力，提高汽車零部件的生產質量就成了一個中國企業首要攻克的難題，所以改進汽車零部件的生產工藝和制造技術對于一個即將成為汽車生產大國來說迫在眉睫。 [2] 國內外研究狀況 機床夾具的現狀 國際生產研究協會的統計表明，目前中、小批多品種 生產的工件品種已占工件種類總數的 85%左右。現代生產要求企業所制造的產品品種經常更新換代，以適應市場的需求與競爭。然而，一般企業都仍習慣于大量采用傳統的專用夾具，一般在具有中等生產能力的工廠里，約擁有數千甚至近萬套專用夾具；另一方面，在多品種生產的企業中，每隔 3 ~ 4 年就要更新 50 ~ 80%左右專用夾具，而夾具的實際磨損量僅為 10 ~ 20%左右。特別是近年來，數控機床、加工中心、成組技術、柔性制造系統 (FMS)等新加工技術的應用，對機床夾具提出了如下新的要求： 1) 能迅速而方便地裝備新產品的投產，以 縮短生產準備周期，降低生產成本； 2) 能裝夾一組具有相似性特征的工件； 3) 能適用于精密加工的高精度機床夾具； 2 4) 能適用于各種現代化制造技術的新型機床夾具； 5) 采用以液壓站等為動力源的高效夾緊裝置，以進一步減輕勞動強度和提高勞動生產率； 6) 提高機床夾具的標準化程度。 現代機床夾具的發展方向 現代機床夾具的發展方向主要表現為標準化、精密化、高效化和柔性化等四個方面。 (1) 標準化 機床夾具的標準化與通用化是相互聯系的兩個方面。目前我國已有夾具零件及部件的國家標準： GB/T2148~T2259－ 91 以及各類通用夾具、組合夾具標準等。機床夾具的標準化，有利于夾具的商品化生產，有利于縮短生產準備周期，降低生產總成本。 (2) 精密化 隨著機械產品精度的日益提高，勢必相應提高了對夾具的精度要求。精密化夾具的結構類型很多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達177。；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為 5μm。 (3) 高效化 高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時間和輔助時間，以提高勞動生產率，減輕工人的勞動強度。常見的高效化夾具有自動化夾具、高速化夾具和具有夾緊力裝置的夾 具等。例如，在銑床上使用電動虎鉗裝夾工件，效率可提高 5 倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗轉速為9000r/min 的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生產流水線、自動線配置相應的高效、自動化夾具外，在數控機床上，尤其在加工中心上出現了各種自動裝夾工件的夾具以及自動更換夾具的裝置，充分發揮了數控機床的效率。 (4) 柔性化 機床夾具的柔性化與機床的柔性化相似，它是指機床夾具通過調整、組合等方式，以適應工藝可變因素的能力。工藝的可變因素主要有：工序特征、生產批 量、工件的形狀和尺寸等。具有柔性化特征的新型夾具種類主要有：組合夾具、通用可調夾具、成組夾具、模塊化夾具、數控夾具等。為適應現代機械工業多品種、中小批量生產的需要，擴大夾具的柔性化程度，改變專用夾具的不可拆結構為可拆結構，發展可調夾具結構，將是當前夾具發展的主要方向。 [3] 研究內容和研究方法 主要是研究 汽車撥叉 件 的加工工藝 和 夾 具的設計。首先對 汽車撥叉 件 零件相關 3 資料進行收集， 研究出零件的以下分析方法 ： (1) 首先對 零件及其 加工 工藝 進行 分析 ， 并根據 零 件產品圖 分析 其 形狀特點、尺寸大小、精度要求、原材 料尺寸規格和力學性能，并結合可供選用的 金屬切削 設備規格以及制造條件、生產批量等因素，分析零件的 加工 工藝性。良好的 加 工藝性應保證材料消耗少、工序數目少、占用設備數量少、 生產效率高、 夾 具結構簡單而壽命高、產品質量穩定、操作簡單。 (2) 確定工藝方案和 主要工藝參數 的 計算 。 在 機械加工 工藝性分析的基礎上，找出工藝與 夾 具設計的特點與難點，根據實際情況提出各種可能的 加工 工藝方案，內容包括工序性質、工序數目、工序順序及組合方式等。同一種零件可能存在多個可行的 加工 工藝方案，通常每種方案各有優缺點，應從產品質量、生產效率、設 備占用情況、 夾 具制造的難易程度和壽命高低、生產成本、操作方便與安全程度等方面進行綜合分析、比較，確定出適合于現有生產條件的最佳方案。此外，了解零件的作用及使用要求對零件 加工 工藝與 夾 具設計是有幫助的。 工藝參數包括機床的轉速、加工的刀具及其尺寸、加工余量和加工時間。 (3) 選擇 加工 設備 。 選擇機床時應考慮以下幾個方面： 機床的加工尺寸范圍與零件的外廓尺寸相適應； 機床的工作精度應與工序的精度要求相適應； 機床的生產效率應與零件的生產類型相適應； 機床的選擇應考慮車間現有設備條件，盡量采用現有設備或對現有 設備進行改裝。 [4] (4) 夾 具結構形式的選擇與設計 。 根據擬定的工藝方案，考慮 零 件的形狀特點、零件尺寸大小、精度要求、生產批量、加工條件、操作方便與安全的要求等選定與設計 夾 具 結構形式。 在單件小批生產中，應盡量選用通用夾具和組合夾具，在大批、大量生產中應安工序加工要求設計制造專用夾具。 夾具的結構設計主要有 :定位裝置的設計、夾緊裝置的設計、對刀及引導裝置的設計和夾具體的設計。 (5) 夾 具結構參數計算 。 確定 夾 具結構形式后，需計算或校核 夾 具結構上的有關參數，如 定位元件的尺寸、極限偏差和定位元件間位置尺寸及其極限 偏差，定位誤差的計算、夾緊力的計算等 。 (6) 繪制 夾 具圖 。 夾 具圖是 加工 工藝與 夾 具設計結果的最終體現，一套完整的夾 具圖應該包括 夾 具和使用 夾 具的完備信息。 夾 具圖的繪制應該符合國家制定的制圖標準，同時考慮 夾 具行業的特殊要求與習慣。 夾 具圖由總裝圖和非標準件的零件圖組成。總裝配圖主要反映整個 夾 具各個零件之間的裝配關系，同時 要 在 夾具圖中 4 用雙點畫線繪制出工件圖 ， 工件圖應畫為實際加工的位置。 右下方列出 夾 具零件的明細表，寫明技術要求等。零件圖一般根據 夾 具總裝配圖測繪，應該有足夠的必要的剖面、剖視圖以將零件結構表達清楚。此外 ，要標注零件加工所需的所有結構尺寸、公差、表面粗糙度、熱處理及其他技術要求。 [5] 對于一個完整的生產過程， 加工 工藝與 夾 具設計是密不可分的，二者相互聯系，相互影響，因此前述 方法 可能需要交叉、反復進行。若方案有變化，則需重新進行設計計算。 課題研究的意義和目的 在汽車零部件的生產過程中，企業看重零件的生產工藝及其夾具的設計方案，達到提高汽車零部件質量和提高生產效率降低生產成本，提高國內汽配市場占有率的目的。通過對課題的分析與設計能夠 縮短 產品 生產周期 ， 降低生產成本， 對增強企業的競爭力有重大的意義。 論文正文的結構 本文共分六章，內容包括：緒論 (簡述了該課題的背景及國內外研究現狀和研究方法以及意義和目的 )； 汽車撥叉零件的分析 (包括零件材料的分析和工藝 的分析等 )；工藝 規程 設計計算 (主要 設計各道加工工序、 計算各工序的工藝參數 )； 定位銷孔夾具 的設計。 5 第 2 章 零件的工藝總體設計 汽車撥叉 的作用 變速叉是典型的叉桿類零件。工作時，操縱變速操縱桿，通過叉型撥桿、變速導塊、變速叉軸，帶動變速叉撥動滑動齒套改換擋位，實現汽車行駛的各種速度。 變速箱在改換擋位時，變速叉撥動滑動齒套與同 步錐半齒嚙合。在嚙合過程中，滑動齒套一直在做旋轉運動，變速叉叉爪和滑動齒套撥叉槽產生摩擦，使叉爪部位產生磨損，叉桿同時受彎曲應力的作用。因此，變速叉結構形式、材質選擇、熱處理方式及硬度指標，均以增強耐磨性和剛度為基點，以適應變速 叉 的工作條件。 [6] 圖 21 汽車撥叉 照片 汽車撥叉 的 工藝分析 汽車 撥叉是一個很重要的零件，因為其零件尺寸比較小，結構形狀較復雜，其 軸孔 的 加工 精度要求較高，此外還有 撥叉腳上下 端面 要求加工，對精度要求也較 高。 其 撥叉腳端面 與 軸 孔中心軸有垂直度公差要求， 定位 銷孔 與 軸孔中心軸垂直 度要求 。因為其尺寸精度、幾何形狀精度和相互位置精度，以及各表面的表面質量均影響機器或部件的裝配質量，進而影響其性能與工作壽命，因此它 們 的加工是非常關鍵和重要的。 6 汽車撥叉工藝要求 圖 22 汽車撥叉 零件圖 7 一個好的結構不但要應該達到設計要求，而且要有好的機械加工工藝性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能夠保證加工質量，同時使加工的勞動量最小。而設計和工藝是密切相關的，又是相輔相成的。設計者要考慮加工工藝問題。工 藝師要考慮如何從工藝上保證設計的要求。 撥叉零件圖如圖 22，其加工有 六 組加工： (1) 粗銑 軸孔 上 下 端面，表面粗糙度要求為 aR =； (2) 鉆軸孔φ ?? ，表面粗糙度要求為 aR =； (3) 粗精 撥叉腳上下 端面，表面粗糙度要求為 aR =； (4) 粗精銑 撥叉腳內側 面，表面粗糙度要求為 aR =； (5) 鉆軸孔 216。 ?? ，表面粗糙度要求為 aR =； (6) 磨撥叉腳上下 端面，表面粗糙度要求為 aR =。 毛批的選擇及制造方法 汽車撥叉零件材料為 45鋼，為了獲得纖維組織，增強其強度，采用模鍛方法制造，其拔模斜度為 07 ，模鍛成型后切邊，并進行調質，調質硬度為 220~260HV，并進行酸洗、噴丸處理。噴丸處理可提高 表面硬度，增加耐磨性，消除毛坯表面因脫碳而對機械加工帶來的不利影響。為提高耐磨性，對叉爪部位需進行高頻淬火，淬火硬度為 600~750HV。 [7] 生產綱領 依設計題目知： N=30000 臺 /年 。 撥叉重量 約 為 1kg， 屬輕型零件； 由 《機械制造工藝設計簡明手冊》 表 知，該撥叉的生產類型為大批生產。 所以初步確定工藝安排為：加工過程劃分階段；工序適當集中；加工設備以通用設備為主，大量采用專用工裝。 8 第 3 章 工藝規程設計 加工工藝過程 由以上分析可知。該 撥叉零件的主要加工表面 是平面和孔 。一般來說，保證平面的加工精度要比保證 孔 的加工精度容易。因此，對于 撥叉 C 來說，加工過程中的主要問題是保證 軸孔和定位銷孔 的尺寸精度及位置精度，處理好 軸孔和定位銷孔與平面之間的相互關系。 由上章工藝分析得知，撥叉腳端面與 軸孔 有位置度公差， 定位銷孔與軸孔有位置度公差， 所以，保證 撥叉軸孔 高精度是本次設計的重點、難點。 確定各表面加工方案 一個好的結構不但應該達到設計要求，而且要有好的機械加工工藝性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能保證加工的質量，同時是加工的勞動量最小。設計和工藝是密切相 關的，又是相輔相成的。對于設計汽車撥叉的加工工藝來說，應選擇能夠滿足撥叉軸孔加工精度要求的加工方法及設備。除了從加工精度和加工效率兩方面考慮以外，也要適當考慮經濟因素。在滿足精度要求及生產率的條件下，應選擇價格較底的機床。 [8] 各表面加工注意事項 (1) 要考慮加工表面的精度和表面質量要求，根據各加工表面的技術要求，選擇加工方法及分幾次加工。 (2) 根據生產類型選擇，在大批量生產中可專用的高效率的設備。在單件小批量生產中則常用通用設備和一般的加工方法。 (3) 考慮被加工材料的性質。 (4) 考慮工廠或車間的實際情況，同時也應考慮不斷改進現有加工方法和設備，推廣新技術，提高工藝水平。 (5) 此外，還要考慮一些其它因素，如加工表面物理機械性能的特殊要求，工件形狀和重量等。 [9] 選擇加工方法一般先按這個零件主要表面的技術要求選定最終加工方法。再選擇前面各工序的加工方法。 9 軸孔端面加工 查《機械 制造 工藝 設計簡明 手冊 》 表 可以確定， 上端面 的加工方案為：粗銑 ( 1412 ITIT ? )，粗糙度為 ~，一般不淬硬的平面。 叉腳端面加工 查《機 械制造工藝設計簡明手冊》 表 、 可以確定， 叉 端面 的加工方案為：粗銑 —— 粗 磨 ( 87 ITIT ? )，粗糙度為 ~， 垂直度公差等級 ( 108 ITIT ? )，淬硬 金屬 平面， 磨削 的粗糙度可以較 大 。 叉腳內側面加工 查《機械制造工藝設計簡明手冊》 表 可以確定， 叉腳內側面 的加工方案為：粗銑 —— 半精銑 ( 1211 ITIT ? )，粗糙度為 ~， 一般不 淬硬 的 平面， 半精銑銑 的粗糙度可以較 小 。 軸孔加工 查《機械制造工藝設計簡明手冊》 表 可以確定， 軸孔 的加工方案為： 鉆—— 擴 —— 鉸 —— 锪 ( 98 ITIT ? )，粗糙度為 ~， 加工未淬火鋼及鑄鐵的實心毛坯，也可同時加工有色金屬 (但表面粗糙度較大 )，孔徑 15mm。 定位銷孔加工 查《機械制造工藝設計簡明手冊》 表 可以確定， 軸孔 的加工方案為： 鉆( 1312 ITIT ? )，粗糙度為 ， 加工未淬火鋼及鑄鐵的實心毛坯，也可同時加工有色金屬 (但表面粗糙 度較大 )，孔徑 15mm。 [10] 確定定位基準 粗基準的選擇 選擇粗基準時，考慮的重點是如何保證各加工表面有足夠的余量，使不加工表面與加工表面間的尺寸、位子符合圖紙要求。 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。以求壁厚均勻、外形對稱、少裝夾等。 10 (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) 應盡可能選擇平整、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。有澆口、冒口、飛邊、毛刺的表面不宜選作粗基準，必要時需經初加工。 (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。 [11] 要從保證孔與孔、孔與平面、平面與平面之間的位置，能保證 汽車 撥叉在整個加工過程中基本上都能用統一的基準定位。從 汽車 撥叉零件圖分析可知， 其加工 粗基準 為叉軸孔上端面和與其共面的叉爪端面 。 精基準選擇的原則 (1) 基準重合原則。即盡可能選擇設計基準作為定位基準。這樣可以避免定位基準與設計基準不重合而引起的基準不重合誤差。 (2) 基準統一原則，應盡可能選用統一的定位基準。基準的統一有利于保證各表面間的位置精度，避免基準轉換所帶來的誤差，并且各工序所采用的夾具比較統一，從而 可減少夾具設計和制造工作。例如：軸類零件常用頂針孔作為定位基準。車削、磨削都以頂針孔定位，這樣不但在一次裝夾中能加工大多書表面，而且保證了各外圓表面的同軸度及端面與軸心線的垂直度。 (3) 互為基準的原則。選擇精基準時，有時兩個被加工面，可以互為基準反復加工。例如：對淬火后的齒輪磨齒，是以齒面為基準磨內孔，再以孔為基準 磨齒面，這樣能保證齒面余量均勻。 (4) 自為基準原則。有些精加工或光整加工工序要求余量小而均勻，可以選擇加工表面本身為基準。例如：磨削機床導軌面時，是以導軌面找正定位的。此外，像拉孔在無心磨 床上磨外圓等，都是自為基準的例子。 [12] 此外，還應選擇工件上精度高。尺寸較大的表面為精基準，以保證定位穩固可靠。并考慮工件裝夾和加工方便、夾具設計簡單等。 11 要從保證孔與孔、孔與平面、平面與平面之間的位置，能保證 汽車 撥叉 在整個加工過程中基本上都能用統一的基準定位。從 撥叉 C 零件圖分析可知，它的 軸孔下端面 適于作精基準使用 。 選擇精基準的原則時，考慮的重點是有利于保證工件的加工精度并使裝夾準。 工藝路線的擬訂 對于大批量生產的零件，一般總是首先加工出統一的基準。 汽車撥叉 的加工的第一個工序 也就是加工統一 的基準。具體安排是： 先以叉軸孔上端面為粗基準， 加工 叉軸孔下端面 ，再加 工叉軸孔 ，最后以 差軸孔下端面為精基準， 精加工撥叉上端面和 定位銷 孔 。 后續工序安排應當遵循粗精分開和先面后孔的原則。 工序的合理組合 確定加工方法以后，就按生產類型、零件的結構特點、技