拨叉夹具设计

1、分析零件图

1.1零件作用

拨叉是传动系统中用来拨动滑移齿轮，以实现系统调速、转向的零件。其小头通过与轴的过盈配合来传递凸轮曲线槽传来的运动；大头的内部突起处与滑移齿轮的凹槽配合。

1.2零件的工艺分析

1、零件选用材料为ZG310-570。ZG310-570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。

图1-1拨叉

2、该零件主要加工表面及技术要求分析如下：                                                  

零件上端面及孔φ160的上下端面与孔φ52H8的垂直度公差等级为8级。表面粗糙度为Ra≤3.2um。加工时应以上端面与孔φ52H8的内表面为基准。又由于上端面须加工，根据“基准先行”的规则，故应先加工上端面，再加工孔φ52H8，最后加工孔φ160，然后加工其上下端面。

2、确定毛坯

2.1、确定毛坯种类

根据零件材料确定毛坯为铸件。并依其结构形状、尺寸大小和生产类型，毛坯的铸造方法选用砂型铸造，机器造型。

图2-1零件毛坯图

2.2、确定毛坯基本尺寸

通过零件分析可知孔为双侧加工，小头孔端面为单侧加工，

根据毛坯基本尺寸的计算公式可得下表：

表2-1

表3-1

 粗基准的选择：

以零件的小头上端面为主要的定位粗基准，以两个小头孔外圆表面为辅助粗基准。加工两小孔端面时，以底面和两外圆表面定位是合理的，此时应选择两V型块作为定位元件，这样比较容易实现。若选择底面和两小孔作为定位基准，则由于小孔铸造时的误差太大，很难与心轴、菱形销配合良好。以加工后的小孔端面为粗基准来加工两小孔。再以加工后的小孔和小孔端面为粗基准来加工中间孔，以及中间孔上下端面。这样做是保证零件垂直度误差的前提。

3.2、精基准的选择

加紧装置的组成：

     拨叉的铣断面装置如下图所示的

工序的确定：

按给定的尺寸和精度要求我重复的考虑吧拨叉的工业路线和夹具设计。

因工件的加工的表面和空比较多加工工序分给几组的同学，按分给我的加工工序我设计好了拨叉两端面铣的加工工序和夹具的设计。我用两个工件同时加工的方法来设计了拨叉的夹具。这样就可以提升加工量和加工速度，加工过程中可以避免拨叉的加工误差。两个拨叉零件平行放着夹具的中间部分也就是前后放着。铣拨叉两端面的夹具体主要是固定v形块和活动v形块的加紧方案，因前后放着的v形块高度不一样，我设计的支撑钉的高度也不一样但上面部分和下部分的螺纹长度和宽度都一样的，前面的零件下面使用的是尺寸小的支撑钉，后面的零件下面使用的是尺寸大的支撑钉，一共有四个支撑钉。固定v形块有俩个，前面和后面的零件各自用一个。活动v形块也是两个，配对固定v形块使用的。活动v形块外套有两个，盖上活动v形块上面部分。连杆也有两个是活动v形块的不可分离的一部分。对刀块用一个安装在后面零件的旁边。

装配图：

图5-1夹具图

     整个铣断面装置的夹具的主要部分是固定和活动v形块。我们通过仔细的分析才决定了铣断面装置的夹具。主要用的是毛胚零件要两个，平行放着铣。

V形块：

V型块是一种比较特殊的定位元件。它虽然是一个单独定位元件，但它的定位基面的结构要素却不是单一的，有两个定位平面，从某种意义上来讲这种形式的定位可看作是两个平面的组合定位。因此，它的定位基准的确定就不能象分析单一定位基面那样简单。

    大多数定位元件的定位基准都是定位基面本身或者是由其形成的点、面、线，如单一平面、球心、孔和轴的中心线等。根据这个道理，笔者认为，V型块的定位基准应有两个，其一是两定位平面的交线，另一个是由两平面形成的对称中心面，交线作为垂直方向的定位基准；对称中心面作为水平方向的定位基准。

    按照传统(中心论)的理论，V型块的定位基准应是检验心轴的中心高，即检验心轴在V型块上放置时的中心线，实际上这条中心线在V型块中的位置是不确切的，它会因检验心轴直径误差大小而变化，因此，在对刀误差中往往会引入这条中心线的位置误差。

活动v形块 

用于较短精基准外圆面定位；用于较长的粗基准外圆面定位；用于精基准外圆面较长时，或两段精基准外圆面相距较远或是阶梯轴时的定位，也可做成两个单独的短V型块再装配在夹具体上，目的是是减短V形块的工作面宽度有利于定位稳定。

    当定位外圆直径与长度较大时，采用铸铁底座镶淬火钢垫块的结构。这种结构除了制造经济性好以外，又便于V形块定位工作面磨损后更换或修磨垫块，还可通过更换不同厚度的垫块以适应不同直径外圆的工件定位使结构通用化。也有在钢垫块上镶焊硬质合金，以提高定位工作面的耐磨性。

固定v形块

对刀块：

这个，其实主要在普通铣床夹具上应用。在铣床上加工零件时，我们要知道零件的确切位置即“坐标”。不然，刀具要从哪里下刀啊？在数控机床上，我们可以看到有类似刀具外形的传感器即“寻边器”，用他可以测量出零件的坐标，这样既可以找到“坐标”又不会刮伤零件。

而对刀块在普通机床的夹具上，用对刀块主要是，不会刮伤零件，而对于一些复杂不容易找到定位面的零件，也有很大的作用。而塞尺也是相对对刀块而言的，相当于“对刀块对零件的保护”。塞尺可以保护对刀块防止刮伤的保护。

  工序计算

1、确定加工余量

表4-1

加工

粗精铣小头孔上端面，以底面为粗基准

    粗铣小头孔上端面:

由机械手册可以直接查出铣削速度：

采用套式面铣刀，。则

按机床说明书,见<<机械制造技术基础>>此转速与382r/min相接近的机床转速为355r/min.

所以实际铣削速度为

计算工时

     精铣小头孔上端面:

由机械手册可以直接查出铣削速度：

采用错齿三面刃铣刀，。则

按机床说明书,见<<机械制造技术基础>>此转速与581r/min相接近的机床转速为575r/min.

所以实际铣削速度为

一、工序020以小头孔上端面及小头孔外圆为基准，扩、精铰φ14孔，保证垂直度误差不超过0.05mm,孔的精度达到IT7。

1. 选择钻头 

扩孔选择硬质合金扩孔钻，粗钻时do=20mm，钻头采用双头刃磨法，后角αo＝12°，二重刃长度bε=2.5mm,横刀长b=1.5mm,宽l=3mm,棱带长度  °  °  ° 

2.选择切削用量

 （1）决定进给量

查机械加工手册得    

所以，      

  Ff，故所选进给量可用。  

（2）钻头磨钝标准及寿命　

后刀面最大磨损限度（查《简明手册》）为0.5～0.8mm，寿命．

（3）切削速度

查机械加工工艺设计手册 高速钢钻扩孔灰铸铁的切削速度  ,  

根据公式 n=202r/min  （查《机械制造设计基础》）选择立式钻床Z525取n=195m/min ,故实际切削速度为v=13.4m/min

  （4）检验机床扭矩及功率

查《切削手册》表2.20，当f≤0.26, do≤19mm时，Mt=31.78N•m，修正系数均为1.0，故MC=31.78 N•m。

查机床使用说明书：Mm =144.2 N•m。

查《切削手册》表2.23,钻头消耗功率：Pc=1.3kw。

查机床使用说明书，。

由于，，故切削用量可用，即：

， 

最终决定选择机床已有的进给量 经校验 校验成功。

3、计算工时

粗铰：

铰刀选择硬质合金铰刀  机床：Z525立式钻床

后刀面最大磨损限度（查《简明手册》）为0.4～0.6mm，寿命．

（查《机械制造设计基础》）铰刀铰灰铸铁孔时进给量1.0-2.6mm/r 粗铰的切削速v=10m/min

所以     根据公式  n=144r/min  根据切削说明书取n=140r/min ,故实际切削速度为v=9.6m/min

机动时切削工时，=58mm，

精铰：

铰刀选择硬质合金铰刀   机床：Z525立式钻床

（查《机械制造设计基础》）铰刀铰灰铸铁孔时进给量1.0-2.6mm/r 精铰的切削速v=8m/min

所以     根据公式  n=115r/min  根据切削说明书取n=97r/min ,故实际切削速度为v=6.7m/min

机动时切削工时，=58mm

1, 确定机械加工余量,工序尺寸和毛坯尺寸,

   拔叉零件材料是HT200,硬度为240HBS,中批生产,采用铸件毛坯.

镗削中间孔

    基本尺寸:φ40; 初镗加工余量:2 mm

半精镗加工余量:2mm;毛坯总余量:4mm

各工序尺寸:

     粗镗后基本尺寸: φ40-2=φ38mm

     毛坯基本尺寸:   φ38-2=φ36mm

各工序经济精度:

     半精镗取IT10,查表得IT10=0.12mm

     粗镗取IT13,查表得IT13=0.46mm

     毛坯公差为T=2mm

     毛坯尺寸: φ36±2mm

2, 定切削用量及工时

粗镗中间孔φ36,选用镗床T68,

查表得进给量f=0.27mm/r,

切削速度v=0.2~0.4m/s,取v=0.25m/s,

则转速n=  = =113.04r/min

查得T68标准转速n=100r/min

则实际速度v= =16.02m/min

切削工时:t= 

(2~3); =3~5mm;   =5mm

镗刀的主偏角= 

则取 = 5mm, =3mm, =5mm

t ==1.59min  =95.4s

半精镗中间孔φ40mm

   查表得进给量f=0.15mm/r

   切削速度v= 0.3m/s

   转速n = 

   查取T68镗床标准转速n=100r/min

   则实际切削速度v=

切削工时: t=

    四、加工52孔的测量长度，由于工艺基准与设计基准不重合，故需进行尺寸换算，加工完毕后应保证尺寸5mm，尺寸链如图所示，

加工时应保证尺寸A，A=30-5=25，5mm、30mm为自由尺寸，按自由尺寸取公差等级IT16级，则其公差为，则A=，

加工是以保证尺寸A间接保证尺寸5mm。

3、确定粗镗切削用量

3.1、刀具选用：选用刀具为YG6硬质合金，直径为30mm的镗刀，查《机械制造技术基础课程设计指南》（后称设计指南）178页表5-113主偏角=90°，副偏角=15°、刃倾角＝-１０°、前角＝10°、后角＝６°，

３.２、确定背吃刀量：由于加工余量为16mm，可分为两次走刀，取其直径余量分别为10mm，6mm，所以=mm，mm

 3.3、确定进给量f：根据《设计指南》表5-115，当粗镗铸铁，镗刀直径为30mm，镗刀伸出长度为150mm时，取=0.26mm/r,=0.5mm/r，查表5-119得镗刀后刀面最大磨损限度为1.4mm，刀具寿命T=60min

3.4、确定切削速度：根据《设计指南》表2-8，v= ，

试中=208， =0.2， =0.4，m=0.28，=1.0×0.8×1.08×1.04=0.9，所以==74m/min ，=m/min。

===305r/min，===278r/min，

查机床转速表取=370r/min，=305r/min，

修正=m/min=1.26m/s,

   m/min=1.13m/s.

最后修正为=0.26mm/r,=0.5mm/r，=5mm，=3mm，

=1.26m/s, =1.13m/s,=370r/min,=305r/min,

3.5、校验机床功率：根据《设计指南》表2-18的计算公式，车削时的功率（kw）为==,

查表2-10得=900， =0，=5

=1.08×1.0×1.0=1.08

=900×××1.08=1749.6N,

===0.36kw<7kw,满足要求。     

3.5、确定基本工时

根据镗削机动时间的计算公式，因为刀具主偏角为90°，所以 =2~3取为3， =3~5，取为5，=5，i=1

由=0.26mm/r,=0.5mm/r，=370r/min,=305r/min,并代入公式得=0.19min， =0.12min。

（二）精镗  1、确定刀具：所选刀具材料为YG6硬质合金，直径为30mm的镗刀，主偏角=90°，副偏角=10°、刃倾角＝0°、前角＝15°、后角＝６°，

2、确定背吃刀量：查《机械加工工艺手册》573页表2.4-66得精镗直径为50~80孔的直径余量可为2mm，取=0.6mm，=0.4mm，两次走到可完成加工。

3、确定进给量：查《机械加工工艺手册》573页表哦2.4-66，镗孔直径为73mm切削深度为0.6mm，0.4mm加工铸铁精加工时的进给量为=0.25mm，=0.15mm，查设计指南182页表5-119，硬质合金镗刀精加工铸铁时的后刀面最大磨损限度为0.6mm，刀具寿命T=60min。

4、确定切削速度：根据《设计指南》表2-8，v= ，试中=208， =0.2， =0.4，m=0.28，=1.0×0.8×1.08×1.04=0.9

=115.6m/min,

=169.1m/min.

r/min,r/min。

查转速表有480r/min,710r/min的转速，所以对切削速度进行修正：

=110.03m/min=1.83m/s,=160.7m/min=2.71m/s。

最后确定=0.6mm，=0.4mm，=0.25mm，=0.15mm，

=1.83m/s,=2.71m/s,=480r/min,=710r/min。

由于是精加工，所以不必进行机床功率校验。

5、确定工时

根据镗削机动时间的计算公式，因为刀具主偏角为90°，所以 =2~3取为3， =3~5，取为5，=5，i=1，

由=0.25mm，=0.15mm，=480r/min,=710r/min并带入公式得=0.15min，=0.17min

工序090铣断，以小头孔上端面和小头孔轴线为基准。

选择锯片铣刀，d=160mm，l=4mm，中齿，Z=40

采用X61卧式铣床

查《切削手册》，选择进给量为：,切削速度为：，则：

根据《简明手册》表得，取，故实际切削速度为：

此时工作台每分钟进给量应为：

查《切削手册》表得，刚好有。

计算切削基本工时：超切量和入切量y+△=30

5.1定位误差分析

六点定位原则解决了消除工件自由度的问题，即解决了工件在夹具中位置“定与不定”的问题。但是，由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致，即出现工件位置定得“准与不准”的问题。如果工件在夹具中所占据的位置不准确，加工后各工件的加工尺寸必然大小不一，形成误差。这种只与工件定位有关的误差称为定位误差，用ΔD表示。

在工件的加工过程中，产生误差的因素很多，定位误差仅是加工误差的一部分，为了保证加工精度，一般限定定位误差不超过工件加工公差T的1/5~1/3，

即：      ΔD≤(1/5～1/3)T  

式中      ΔD──定位误差，单位为mm；

           T ──工件的加工误差，单位为mm。

5.1.1定位误差产生的原因

工件逐个在夹具中定位时，各个工件的位置不一致的原因主要是基准不重合，而基准不重合又分为两种情况：一是定位基准与限位基准不重合，产生的基准位移误差；二是定位基准与工序基准不重合，产生的基准不重合误差。

由于定位副的制造误差或定位副配合间所导致的定位基准在加工尺寸方向上最大位置变动量，称为基准位移误差，用ΔY表示。不同的定位方式，基准位移误差的计算方式也不同。

如果工件内孔直径与心轴外圆直径做成完全一致，作无间隙配合，即孔的中心线与轴的中心线位置重合，则不存在因定位引起的误差。但实际上，如图所示，心轴和工件内孔都有制造误差。于是工件套在心轴上必然会有间隙，孔的中心线与轴的中心线位置不重合，导致这批工件的加工尺寸H中附加了工件定位基准变动误差，其变动量即为最大配合间隙。可按下式计算：

ΔY  = amax - amin = 1/2 (Dmax - dmin) = 1/2（δD +δd）         

式中      ΔY──基准位移误差单位为mm；

          Dmax──孔的最大直径单位为mm；

          dmin──轴的最小直径单位为mm。

         δD ──工件孔的最大直径公差，单位为mm；

         δd──圆柱心轴和圆柱定位销的直径公差，单位为mm。

基准位移误差的方向是任意的。减小定位配合间隙，即可减小基准位移误差ΔY值，以提高定位精度。

加工尺寸的基准是外圆柱面的母线时，定位基准是工件圆柱孔的中心线。这种由于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量，称为基准不重合误差，用ΔB表示。此时除定位基准位移误差外，还有基准不重合误差。

综上：定位误差产生的原因是，定位基准与限位基准不重合及定位基准与工序基准不重合而产生的误差。

5.1.2常见的定位方式中基准位移误差

1.用圆柱定位销、圆柱心轴中心定位

计算式：ΔY＝Xmax=δD+δd0+Xmin（定位心轴较短）

         Xmax  工件定位后最大配合间隙

        δD   工件定位基准孔的直径公差

        δd0  圆柱定位销或圆柱心轴的直径公差

      Xmin  定位所需最小间隙，由设计而定

注意：基准位移误差的方向是任意的。

当工件用长定位心轴定位时，需考虑平行度要求

计算式：ΔY＝Xmax=（δD+δd+Xmin）L1／L2

         L1  加工面长度    L2  定位孔长度

2.定位套定位

计算式：ΔY＝Xmax=δD0+δd+Xmin

δD0  定位套的孔径公差     δd  工件定位外圆的直径公差

注意：基准位移误差的方向是任意的。

3.平面支承定位

  平面支承定位的位移误差较容易计算，当忽略支承误差且定位基准制作精度较高时，工序尺寸的基准位移误差视为零。

4.V形体定心定位 

若不计V形造误差，仅有工件基准面的圆度误差时，工件的定位中心会发生偏移即O1O2＝T1－T2，产生基准位移误差。

即：ΔY＝O1O2= T1－T2

 故： 对于90°V形体ΔY＝0.707δd

5.1.3定位误差的合成

定位误差是两误差的合成即：ΔD=ΔB+ΔY

在圆柱间隙配合定位和V形块中心定位中，当基准不重合误差和位移误差都存在时，定位误差的合成需判断“＋”、“－”号。

例如：

V形块中 ΔB＝δd／2                    

当ΔB与ΔY的变动方向相同时ΔD＝ΔB＋ΔY＝δd／2+ΔY 

当ΔB与ΔY的变动方向相反时ΔD＝ΔB－ΔY＝δd／2－ΔY 

当工件在不受任何条件约束时，其位置是任意的不确定的。由理论力学可知，在空间处于自由状态的钢体，具有六个自由度，即沿着X、Y、Z三个坐标轴的移动和绕着这三个坐标轴转动的自由度。

六个自由度是工件在空间位置不确定的最高程度。定位的任务，就是要工件的自由度。在夹具中，用分别适当的与工件接触的六个支撑点，来工件六个自由度的原理，称为六点定位原理。

5.1.6计算定位误差

除槽宽16H11由铣刀保证外，本夹具要保证槽侧面与E面的距离及槽的中心平面与Ф25H7孔轴线的垂直度，其它要求未注公差，因此只需计算上述两项加工要求的定位误差。

（1）加工尺寸11±0.2mm的定位误差   采用图1-2（c）所示定位方案时，E面既是工序基准，又是定位基准，故基准不重合误差为零。有由于E面与长条支承板始终保持接触，故基准位移误差为零。因此，加工尺寸11±0.2mm没有定位误差。

（2）槽的中心平面与Ф25H7孔轴线垂直度的定位误差长销与工件的配合去Ф25H7 g6，则

            Ф25g6=Ф25-0.009 -0.025（mm）

            Ф25H7=Ф25+0.025 0（mm）

由于定位基准与设计基准重合，故基准不重合误差为零。基准位移误差的分析如图1-4所示。

基准位移误差

△y=2*8tan△a=2*8*0.000625=0.01（mm）

由于定位误差△D=△y=0.01‹0.08/3（mm），故此定位方案可行。

结论：基准不重合误

5.2工件的加紧

在机械加工过程中，工件会受到切削力、离心力、惯性力等的作用。为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，而不致发生振动和位移，在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。工件定位后，将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。

为了使夹具在机床工作台的位置准确及保证槽的中心平面与Ф25H7孔轴线垂直度要求，夹具体底面应设置定位键，定位键的侧面应与长销的轴心线垂直。

夹具总图上的尺寸、公差和技术要求

图5-3夹具工程图

5.2.5 夹具精度分析

为确使夹具能满足工序要求，在夹具技术要求指定以后，还必须对夹具进行精度分析。若工序某项精度不能被保证时，还需要夹具的有关技术要求作适当调整。按夹具的误差分析一章中的分析方法，下面对本例中的工序要求逐项分析；

1.槽宽尺寸16H11mm；此项要求由刀具精度保证，与夹具精度无关；

2.槽侧面到E面尺寸11±0.2mm；对此项要求有影响的是对刀块侧面到定位板 间的尺寸9±0.04mm及塞尺的精度（2h8mm）。上述两项误差之和△D+△G+△A+△J+△T=0.094<0.4(vmm)

因此，尺寸11±0.2mm能保证；

3.槽深8mm：由于工件在Z方向的位置由定位销确定，而该尺寸的设计基准为B面。因此有定位误差，

其中△B=0.2VMM、△y=(＆d+＆D）/2=（0.16+0.025）/2=0.02mm(＆d为销公差，＆D为工件公差）。△D=△B+△y=0.22mm、另外，塞尺尺寸（2h8mm）及对刀块水平面到定位销的尺寸（13±0.04mm）也对槽深尺寸有影响，△T=0.014+0.08+0.094mm，△J、△G、△A都对槽深无影响，因此

              △D+△G+△A+△J+△T=0.314（mm）

尺寸8的公差（按IT14级）为0.36mm，故尺寸8mm能保证；

参考文献

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