赵锦伟

（南京工业大学教务处工程训练中心，江苏南京 211800）

0 引言

在汽车变速箱体的换挡结构中，拨块安装在拨叉基体上，通过变换不同的齿轮组合完成换挡变速。长此以往，拨块会产生不同程度的磨损和变形。由于拨叉、拨块的分体式结构，拨块发生严重破坏甚至失效时，可以直接换新，但拨叉仍然留用，省去了维修等诸多麻烦。设计一种方案，为拨块类零件的加工提供有效参照，设计专用夹具配合完成加工。

1 毛坯的分析

该拨块零件为学校与企业合作过程中学生实践生产的产品，企业提供零件的材料为灰铸铁HT200。该材料最低抗拉强度为200 MPa，有铸造性、可切削性、减振性及耐磨性较好等优点。根据拨块特性及工作情况，选择金属模机械砂型铸造毛坯（毛坯未铸出内孔）[1]。经分析，留各表面的单边加工余量2 mm。该零件属于尺寸较小的轻型零件，生产类型为大批量生产，企业年生产量可达5000 件。

2 零件工艺安排

该拨块加工项主要有平面、曲面、内孔及内螺纹，是一个形状稍微复杂的零件，因此需用铣床、车床来进行加工，或整个零件的加工都可以采用铣床来完成。因该零件为校企合作学生实践产品，能够涉及到较多工种的则为优质方案，故采用前者方法较为妥当。拨块零件如图1 所示，Φ15 mm 的内孔表面粗糙度为Ra1.6 μm，可选用7 级公差。该孔可以采用较细刀杆的内孔刀来车削至尺寸，或通过钻孔、扩孔及铰孔等工序完成，为节省时间，这里选用前者方法。其他各面粗糙度均为Ra3.2 μm，选择自由公差[2]。零件外轮廓及前后平面须用铣床加工，工艺安排如下。

图1 拨块零件

2.1 工序I

对毛坯零件进行热处理，在500～550 ℃退火、消除应力。

2.2 工序Ⅱ

选用XK5034 型数控立式升降台铣床，主电机功率P=4 kW，将零件铣削至尺寸。

（1）粗铣：利用数控在线加工方法将各平面及曲面进行粗铣去量，选用直径8 mm、齿数4 的硬质合金端铣刀。一次走刀完成粗加工，铣削深度ap=1.5 mm，机床转速n=300 r/min，进给速度vf=300 mm/min，留0.5 mm 的精加工余量。

（2）精铣：设置ap=0.5 mm，n=500 r/min，vf=150 mm/min，将拨块精铣至尺寸，并保证表面粗糙度。

2.3 工序Ⅲ

内孔刀镗Φ15 mm 孔。选择CA6140 型普通车床，主电机功率P=7.5 kW。

由专用夹具定位工件，夹紧、钻孔后用硬质合金内孔刀将Φ15 mm 的孔车削至尺寸。为了避免在切削过程中刀杆下侧与内孔壁发生摩擦干涉，此过程需要统一采购符合条件要求的内孔刀，方便直接装夹刀具使用，省去磨削刀具的时间。同时需要控制切削深度ap≤1 mm，保证切削过程稳定有序。

粗镗：f=0.2 mm/r，n=500 r/min。

精镗：f=0.1 mm/r，n=1000 r/min。

2.4 工序Ⅳ

零件夹于平口钳上，用丝锥对M8 的内螺纹攻丝。为保证零件的表面质量，在零件的被夹持表面垫铜皮进行保护。

2.5 工序V

零件去毛刺后终检、入库。

3 车床钻孔夹具设计

3.1 夹具设计要求

（1）空间位置。严格来讲，要求夹具安装成功后，应当满足在空间上对于各类刀具都可以直接靠近工件进行切削；同时，需保证夹具体在使用时，与车床不发生任何的干涉。在本次设计中，因夹具与卡盘为过度盘连接，故干涉问题不存在。

（2）快速调整更换。设计的夹具多数为专用型夹具，为减少机床设备的等待闲置和更换等辅助时间，要求夹具可以快速重新调整结构稳定性和更换零部件，操作应方便、省力。

（3）定位及精度。为确定零件的准确位置，夹具体中的零件应被完全定位，同时夹具在机床上也应具有完全定位的特性，以便为工件的定位和安装做基础。另一方面，普通机床所安装的夹具，对其精度及刚度都有一定的要求，这样可以减少零件在夹具中的定位误差和夹紧误差[3]。

3.2 选择定位基准

现针对工序Ⅲ中提到的车床专用夹具进行单独设计。装夹拨块选择合适的定位基准极为重要，其合理性可以确保较高的加工质量，甚至缩短工艺过程。根据基准选择原则，在车床上用夹具来定位Φ15 mm 的待加工内孔，应选择A 面和D 面作为内孔在两个方向上的定位基准。

3.3 夹具设计方案

将三爪卡盘换成提前制作好的Φ230 mm 的圆形底盘（也称基础件），该盘外围均匀分布4 个连接孔，以供和主轴端部过渡盘连接。先将定做好的长方体定位板（170 mm×42 mm×15 mm）横贴于基础件上面，定位板零件如图2 所示。用2 个圆柱销将其固定，3个螺栓锁紧，圆柱销处采用过盈配合，使基础件中心与定位板下边缘的垂直距离为25 mm，此距离用来体现定位拨块内孔位置的一个参数。把拨块的凸角部分放置到定位板卡槽中，留0.5 mm的放置间隙。将长条形压板（130 mm×30 mm×15 mm）均匀竖直地压在拨块上，用2 个M8 螺栓进行固定锁紧即可。对应夹具设计的要求，此动作较为迅速，且操作方便、安全、省力。因整个夹具装置处于基础件左上方位置，即重心有所偏移，考虑到装置的旋转稳定性，在基础件右下方空白处加装一个尺寸、重量合适的平衡块，来保证夹具体在运转过程中的动态平衡。

图2 定位板零件

3.4 定位原理分析

假设在整套夹具设计中，以基础件表面为底面、中心为原点，建立如图3 所示的空间直角坐标系。从六点定位原理的角度分析，因工件的位置需完全确定下来，所以本装置采用完全定位的形式，基础件支撑着拨块，限制了零件沿Z 轴移动、绕X 轴、Y 轴旋转的3个自由度；在前者限制的基础上，定位板与拨块的A 面接触，限制了零件沿X 轴移动、绕Z 轴转动的2 个自由度；定位板的卡槽与拨块的D 面接触，限制了零件沿Y 轴的移动。这样拨块的6个自由度被完全限制，位置也就确定了[4]。

图3 夹具三维立体装配

3.5 定位误差分析

拨块的A 面紧贴定位板，只需将定位板按位置要求精确地安装在基础件上，X 轴方向上的误差则会趋于零。因为夹具是长期使用，为了方便更换零件，须在定位板卡槽部分留有一定的放置间隙，这样在Y 轴方向上，便会产生一定量的定位误差。但内孔是以D 面为参考基准，所以只需将拨块D 面紧贴卡槽，Y 轴方向的误差便会趋于零。夹具各零件各表面都需要进行精加工，尤其是基础件的上表面及定位板的各表面较为重要。因为工件上的定位基准面是要与定位元件的工作表面贴合形成定位副，定位副的制造精度会直接影响到拨块内孔的定位精度。所以，可通过以上方式来减小夹具的定位误差。

4 切削力及夹紧力计算

4.1 切削力计算

为方便切削，刀具选择YT5 的硬质合金内孔刀[5]。经查表：

其中，Fc为圆周切削力；Fp为径向切削力；Ff为轴向切削力；ap为切削深度，取ap=1 mm；Kc为主切削力修正系数；Kp为背向力修正系数；Kf为进给力修正系数；f 为摩擦因数，取f=0.925。

通过查表计算取：Kc=1.2，Kp=1.41，Kf=1.88。则Fc=841 N，Fp=480 N，Ff=425 N。

4.2 夹紧力计算

考虑到安全系数，由夹具设计手册得：

其中，K1为基本安全系数，取K1=1.6；K2为加工属性系数，取K2=1.1；K3为刀具钝化系数，取K3=1.2；K4为继续切削系数，取K4=1.1；K5 为夹紧所需稳定系数，取K5=1.2。

所以，K=K1×K2×K3×K4×K5=2.7。

查夹具设计手册计算得，切削力最大值F=1058 N。则零件所需夹紧力WK=K×F=2.7×1058=2857 N。

通过查询机床夹具设计手册可知：压板处M8 粗牙螺纹可提供21.2 kN[6]，该数据远大于零件所需夹紧力2857 N，所以该专用夹具可以满足车削内孔的夹紧力需求，证明该夹具可用。

5 总结

本文在介绍用机床加工拨块的同时，通过三维建模对夹具进行立体的构建，直观呈现出车床夹具结构的可靠性，解决了零件定位装夹等工艺问题，可以提高拨块的加工质量和生产效率，也能够应用到实际生产当中。该方案能够有效减少加工时间，降低劳动强度和材料成本，为更多类似零件的生产提供工装方案。也可以将此方案引用到职业教育教学，作为学生实践教学的一种任务考核，不仅可以探索实训课程的改革，更能提升教学质量，体现创新型工程训练的成果。