转向节零件的机械加工工艺及工艺装备设计

转向节零件的机械加工工艺及工艺装备设计
任务书
1．课题意义及目标
在大批量生产过程中，既要保证零件的精度要求，同时也要节约生产成本提高生产率，一个良好的加工工艺安排和工艺装备设计是必不可少的。

本次毕业设计，要求学生能够运用所学过的基础理论知识，通过对转向节零件进行工艺分析，制定该零件的机械加工工艺规程并完成主要工序的工艺装备设计，为以后从事机械制造方面的工作打好基础。

2．主要任务
（1）编制转向节零件机械加工工艺规程；
（2）零件机械加工工艺装备设计；
（3）绘制工艺装备结构图；
（4）编写设计说明书。

3．主要参考资料
[1]孟少农主编，机械加工工艺手册［M］.北京：机械工业出版社1991
[2]张展主编，机械设计手册（第3卷）［M］.北京：中国劳动出版社，1993
[3]袁哲俊主编，《金属切削用具》［J］.上海：上海科学技术出版社，1984
4．进度安排
审核人：年月日
转向节零件的机械加工工艺及工艺装备设计
摘要：本论文制订了转向节零件的机械加工工艺规程并完成了铣转向节主销孔外侧两端面工序的专用夹具设计。

在制订机械加工工艺方案时通过对零件进行工艺分析，确定了毛坯的制造形式，拟定了零件的机械加工工艺路线，最后，制订出零件的机械加工工艺规程文件；在设计专用夹具时，首先确定了定位方案，选择了定位元件，进行了定位误差分析，再计算了切削力与夹紧力，最后，设计出该工序的专用夹具。

关键词：转向节加工工艺专用夹具
The design of machining technology and
equipment for steering knuckle parts
Abstract :This paper developed the steering knuckle of parts machining process planning and completed the milling steering knuckle king pin hole lateral two transverse process of special fixture design. In mapping out the machining process through the study of the process analysis of parts, determine the blank form of manufacturing, parts machining process route is worked out. finally, I developed parts machining process planning documents. When designing special fixture, I first determine the positioning scheme, chose the positioning device, a positioning error analysis, and calculate the cutting force and clamping force, finally, the process of special fixture design.
Keywords: Steering knuckle ,Process of the craft,special fixt
目录
1 绪论 (1)
2 零件的工艺性分析 (2)
2.1 零件的分析 (2)
2.1.1 零件的作用 (2)
2.1.2 零件的工艺分析 (4)
2.2 零件毛坯的制造形式 (5)
2.3 热处理及表面处理工序 (6)
2.4 辅助工序 (6)
3 工艺路线的制定 (8)
3.1 机械加工工序 (8)
3.2 制定工艺路线的依据 (8)
3.3 工艺路线的确定 (8)
3.3.1 拟定工艺路线 (9)
3.3.2 机械加工余量 (12)
3.3.3 表面加工方法的确定 (13)
3.3.4 定位基准的选择 (14)
4 夹具的设计 (16)
4.1 转向节铣主销孔外侧面夹具的设计 (16)
4.2 定位方案的分析和定位基准的选择 (16)
4.3 切削力的计算与夹紧力分析 (16)
4.4 铣主销孔外侧两端面到225mm的基本工时与切削用量 (17)
4.5 底座的设计 (18)
4.6 夹具精度分析 (19)
5 结论 (20)
参考文献 (21)
致谢 (22)
1绪论
机械制造技术基础课程设计是在完成了机械制造技术的基础课程后，进行的一次理论与实践相结合的训练。

机械加工工艺是为了工件设计，保证工件的质量、节约能源、提高利润的主要手段，也是企业进行生产准备，计划调度、安全生产、技术测评和健全劳动组合的重要的依据，也是企业上档次、上质量、上水平，加快产品的更新，提高经济效益的技术保障。

而夹具又是制造系统中的重要的组成部分，夹具不论在传统的制造系统还是在现代的制造系统都有着十分重要的地位。

在设计的过程中，为了结合到实际的生产情况以及平衡组织和机器的负载，通常将设计工序分为几个阶段的过程。

设计工序时有两个不一样的原则，即工序的集中、工序的分散。

工序集中的特点：一是采用自动化程度较高的工艺设备，可以使得生产效率比较高；二是由于工序数少，加工所需的机床数少，因此可相应的减少加工技术员的数目和工作量；三是随着使用夹具次数的频率的降低可以使辅助的时间大大缩减，这样一次的装夹就可加工出的面更多，对于保证每个部分之间的位置精度有了更大的保障。

工序分散的特点:一是由于工序分散所以加工中所用到机床和工艺设备简单，便于调整；二是一道工序的操作变得简单，对操作工人的水平要求不高；三是由于工序的数量变多，至使装备的量也变多，相应的生产技术员也多，占用地也就较大。

设计机床夹具的一些条件有：最主要的是要保障机床加工零件时的精度要求；能够提高劳动生产率；机床的整体形式能够简单，可为加工提供有利的加工条件；能够减少制造的消耗。

总而言之，特别是，在加工设备的设计上，要确保质量和生产效率，工作条件和经济能够达到真正的协调统一。

在夹具的设计中最基本要求是必须保证加工质量。

随着机械工业产业的迅速的发展，产品的品种和生产率都有了愈来愈强的竞争，使得多品种，中小批量的生产已经成为了机械生产的主流形式，为了适应机械生产的这种发展的趋势，对机床夹具的标准越来越高。

组合夹具、半组合夹具、可调夹具，尤其是成组夹具在以后的发展过程中将会越来越受到重视。

随着对机床在精度以及加工效率等方面有着愈来愈高的要求的方向下，在人机结合和保护环境的指导下，对夹具的要求的精度要求更加全面，经济效益也会变得更好。

2 零件的工艺性分析
2.1 零件的分析
2.1.1 零件的作用
CA1092汽车的转向节是该汽车在前桥转向部分上的一个重要的零件。

它是控制车轮转动的重要零件。

为了让汽车能够随意的转变方向，该零件承受着不确定载荷的弯曲应力的影响。

同时又承受着一定的冲击载荷以及微小扭力转矩。

使拐弯灵活方便，安全可靠。

由于转向节受到扭矩的长时间作用，长期的处于弯矩和扭矩共同作用的状态中，所以在运动状态下，强度不均匀，强度更大，所以在制造的过程中必须选择具有高硬度的材料，选择合适的处理工艺以及保证其所需的尺寸精度。

转向节零件图
2.1.2 零件的工艺分析
在机械制造业当中，常常会按照零件加工工艺过程的相似性，常常会将结构复杂的各种零件分为轴类零件、套类零件、盘环类和叉架类零件以及箱体类零件五种类型，这五种类型的零件的样子和加工要求都各不相同，制造所需的机器的也差异很大。

转向节按照结构特点分，它有有轴、套、盘环、叉架这四种类型零件的特征，而该零件的结构是由支撑轴颈、法兰盘、叉架这三个部分所构成的。

轴颈部分：轴颈加工精度比较苛刻的几个表面：外圆表面、端面、圆角，以及与轮毂轴承连接的支承轴颈640g φ、655f φ还有端面，工作时用来封闭油的轴颈φ885h 及端面，刹车盘止口140φ11h ，以及7R -1、4R -5.1的圆角。

加工了刹车盘止口以后，其余所有的加工表面=Ra 8.0.两支承轴颈对轴心线的同轴度公差是IT8，端面和轴的中心线之间的垂直度公差值为05.0mm 。

R7-1处是受力集中部位要求具有较高的强度。

φ85油封轴颈端面易受到磨损，要求表面硬度高。

因此，在此区域要求中频淬火，淬硬层深3mm 到6mm ，硬度53到58HRC 。

法兰面部分： 法兰面的在工作时作用是和刹车盘相配合来工作的，其上有间隔相等的有4-5.16φmm 的螺钉孔。

其对轴的中心线的垂直度公差为IT8。

垂直度公差偏差较大将会导致刹车时摩擦片与刹车毂的贴合性能变差，影响到汽车的刹车性能。

轴心线是螺钉孔的限位螺钉孔位置度的测量基准，因此，应以加工后的支承轴颈为定位基准加工螺钉孔。

限位螺钉孔16M ⨯5.1和轴心线是在相同面内，两者相距的位置为mm 60。

其作用是控制前轮的转向角。

法兰面的背面的斜面是在锻造过程中弄模角而造成的，为了使螺母端面与法兰面的连接的更好，每个螺钉孔上都钻有22φmm 的深坑。

叉架部分： 转向节的上下耳以及法兰面共同构成了叉架形体，叉架上精度比较高的地方有：①主销孔尺寸要求长间隔mm 225长的841H φ，最大的物质条件和mm 012.0同轴，且在同一平面上的位置公差mm 3.0，极限角偏差的轴和线不超过10±之间。

在叉的底部，距离43mm 。

为了减少磨损，在销孔的手是在青铜衬套和mm 38最大材料条件的同轴015.0mm 尺寸公差，8.0=Ra ，是为布什在注油孔应与导套油孔和油杆通过mm 7对喷嘴的压力成
线性油槽。

②轴承窝座：轴承窝座的作用是用来安放止推轴承。

其尺寸为1267H φ，端面与上耳内端面两者间的位置为mm 112，对于主销孔的垂直度公差为mm 05.0。

确定过程的处理空间位置的孔，孔定位，由于需求的基础上，处理系统误差累积更多的形状和位置公差，所以不容易保证垂直度公差。

③锥孔：由图可知锥孔的小端直径为mm 29φ其锥孔长度为mm 55锥度是8:1，量规与端面之间的位置度公差为mm 3.0±，而锥孔与塞规着色面积大于或等于%75（以转动角度 180做检验）。

下耳外端面与锥孔中心线间的距离为mm 34，两个锥孔之间的相对位置mm 160，至主销孔中心线距离为mm 44。

在制造过程中误差的影响有两个对圆锥、钻头的加工误差和建立区域的颜色，以及不适区宽度的%75。

分析转向节零件图得知该零件需要加工的面为3组。

这3组需要加工的表面都有在空间上的要求。

分析如下：
（1）以主销孔40φ孔中心的一组加工面。

包括上主销孔，67φ孔，mm 225外两端面，内侧面。

及64M -螺纹孔。

（2）以节轴两顶尖孔为中心的一组加工面，包括节轴各部尺寸，26M 螺纹，
40φ，55φ，85φ，140φ及上下俩端面，164φ-及152φ-孔。

以上各部分要求有：
1.两主销孔轴线与轴线的垂线有'159± 度的要求，且要求拉削加工。

67φ孔表面有垂直度要求。

2.转向节的节轴左面端部各部分要求与轴心的轴线的同轴度为01.0。

与外侧端面的垂直度要求05.00
3.0-，且=Ra 8.0，加工时需要进行磨削加工。

2.2 零件毛坯的制造形式
影响毛坯选择的主要因素有零件的结构和其外廓尺寸的大小，零件对其材料的工艺性和材料组织的要求，零件的生产纲领中的要求，零件对毛坯的表面的要求（表面的光洁度和表面层性能），毛坯的精度也会影响毛坯的选择，最后是在实际中的生产能力以及未来的发展都会影响到毛坯的选择。

转向节在工作时，在φ40和φ55之间的轴径上会受到比较大的冲击载荷和曲应力。

因此在φ40和φ55的轴径之间的部分必须要具有能够承受这种冲击载荷和曲应力的硬度以及耐磨性。

而芯部则要求必须具有较好的韧性和强度。

所以选择合金结构钢的40Cr材料。

为了达到给定的HB180～220对锻造毛坯进行调质处理。

由于大量的复杂形状和生产，同时为了提高生产效率和加工精度，在锻件锻造内孔不锻出。

该零件是大批量生产，所以该零件的毛坯加工要使用模锻加工，模锻有许多优点：锻件的内部组织的结构较为坚实，可以获得比较高的强度。

因为锻件的里面没有空洞的地方、没有异物，表面也没有创伤，所以减少工件的加工时间，工件的生产品质也相应的提高，同时产品的加工生产也变得高效。

转向节毛坯图
2.3 热处理及表面处理工序
常见热处理有退火、调质、时效、渗碳等。

选取合适的工艺至关重要，是影响零件加工质量和材料使用性能的重要因素。

①在切削量很大的工件加工之前应该降低毛坯材料的应力，以便于毛坯材料更易于切削加工，常使用正火、时效处理等。

②在切削量大的工件加工之后也应降低材料的应力，应添加相应工序，如退火等。

③在进行加工量较小的工件时应该降低工件的硬度，可增加相关工序，如淬火等。

④为了提高工件表面的耐磨性、耐蚀性而采用的镀铬、镀锌等热处理工序，通常情况下安排在工艺过程最后阶段。

2.4 辅助工序
辅助工序是一种间接加工的工序，如检验工序、防锈、特别需要的内容等，它保证了加工过程中的质量，是工艺路线中不可缺少的重要步骤。

我选择的辅助工序是检查外观缺陷，清洗包装，探伤退磁等。

3 工艺路线的制定
3.1 机械加工工序
①遵循“先基准后其他”原则，即应先加工精基准表面或孔，再以加工出来的重要孔或表面当精基准来加工其他面或孔。

若定位基准面两个或更多是，则应该逐步的提高加工精度来进行基准面和主要面或孔的加工，以便为接下来的工序提供定位基准。

②遵循“先粗后精”原则，各表面的加工顺序，应按加工阶段由粗至精依次进行。

③遵循“先主后次”原则，先加工底面，前后端面，Φ67孔这些主要表面及孔，然后再加工凸台，座底孔这些次要表面及孔。

④遵循“先面后孔”原则，即先加工平面，后加工孔。

3.2 制定工艺路线的依据
要让零件的尺寸和精度以及粗糙度等的各项指标要求都能满足要求。

该零件是要大量的生产，因此，可以考虑采用机床配以专用夹具。

可以考虑制造一个用来满足特定要求的机床，可以在加工时使得工序尽量的集合在一起这样就能够增加加工效率，对于提高加工精度，降低加工消耗，以此来获得最好的经济效益。

相对于本企业的实际加工来说，也具有超前性。

这样既能够保证较好的安全工作环境，同时减轻工人总体的加工任务。

3.3 工艺路线的确定
常用的工艺方案有两种。

一种是以两耳外侧面和零件的法兰面为粗基准加工上、下耳部的内外端面，以两耳部侧面和加工过的上耳内端面为基准加工轴承中心孔，再以中心孔为精基准加工各轴颈外圆及端面、法兰面和端头螺纹等。

其他各部位的加工
均以精加工后的轴承轴颈和主销孔作为定位基准。

另一种方案是以轴承颈毛坯表面、耳部及法兰面为粗基准铣端面打中心孔，以中心孔为精基准加工轴承颈及端面、端头螺纹，再以精加工的轴承颈表面、耳部作为精基准加工主销孔，其他的部位加工同上一方案。

3.3.1 拟定工艺路线
根据汽车转向节的结构形状，精度要求在主要加工面上的，还有公差等方面的要求，在设计工艺路线的时候主要考虑以下的几个方面：
1由于转向节的复杂结构并且在其形状上存在着不对称性，因此导致了转向节装夹精确度难以保障，并且在加工的过程中，必须要尽量的减少转向节的变动的次数，在加工时尽量的要让多个加工工序使用共同的夹具来完成，这样就可降低工件在装夹时所产生的误差。

2 加工过程必须要满足零件的同轴度的要求，主要加工表面的精度要求，因此必须保证正确的装夹定位。

拟定的工艺路线方案以下：
方案一
方案二
两个方案相比较，方案一的工艺路线主要是考虑了通过减少装夹次数来减少多次装夹所引起的定位误差，但只能是在理论上考虑到了转向节的位置关系，并没有考虑到实际操作中机械设备的结构的情况，因而在理论上夹具的装夹次数虽然比较少了，但是在实际的情况中却大大的不同，甚至变得更加的困难，可能就因此造成了更加多的加工误差，装夹次数也相对来说也会有所增加，总体上来说，方案一设计的路线并没有达到最好的设计的效果，并且明显缺乏了实际操作的经验，方案二在充分吸收了方案一的优点的基础之上，又结合了工厂的实际的生产情况，以及加工设备的结构情况，从转向节的复杂的形状的复杂来说，根据各个加工面的加工的要求，粗加工阶段、半精加工阶段以及精加工阶段的各个阶段，各个加工面必须有条有理的分开，以此来保证工件的各个基本要求：尺寸、表面粗糙度、精度的要求。

同时，将在实际操作过程中的工件所需的装夹次数降到最低，使得加工时间、工人的工作量都减小了，因此达到降低成本，提高加工质量的效果。

所以，通过了方案一和方案二的比较，选择了方案二作为最终的加工工艺路线。

经过综合细致的考虑，实地考察最终确定了转向节的加工工艺如下图所示
3.3.2 机械加工余量
根据资料可知该零件的加工所需的材料为Cr
40，硬度HBS为220
~
180，毛坯采
用的是模锻。

并且生产批量是大批量生产。

由机械制造技术设计指导书可得知
1）外圆26φ，φ40，φ55，φ85取加工余量5mm 分别得到31φ，φ45，φ60，
90φ；
2)26φ，φ40，φ85，140φ端面取加工余量5mm ；
3)上下耳部的内外端面及其内表面的加工余量分别取加工余量2.5mm ；
4）外孔φ85，φ55，φ40取加工余量5mm 可分别得到φ90，,φ60，φ45； 5）内孔φ15取加工余量5mm 可得到φ10；
3.3.3 表面加工方法的确定
根据零件图上所标注的各个加工面及孔的技术要求，查《机械制造技术基础课程设计》表2.24、表2.25，通过比较各个加工方案，最后确定的零件表面及孔的加工方法如表1所示
表1 零件表面及孔的加工方法
3.3.4 定位基准的选择
零件的右侧是转向节的叉架部分，而中部是转向节的法兰盘部分，其右侧是两件的阶梯轴，并且零件在加工时也存在着不需要加工的表面。

在转向节零件的加工工艺的设计过程中，必须选定准确的定位基准，准确的定位基准对于保障零件的技术精度等的要求和编排正确合理的加工次序有着特殊重要的意义。

该零件的设计基准和测量基准都是一致的，这个基准是转向节轴颈的中心线和主销孔中心线与两条中心线所形成的交点。

这个基准也是该零件上的全部加工面的测量基准。

所以，在该零件加工的
过程中，中心线和精加工后的轴承轴颈和主销孔是加工时各个工序中的定位基准。

定位基准有两种形式，粗基准和精基准。

比如用毛坯上尚未进行加工的表面所做出的定位基准，这种基准通常就是粗基准，如果用已加工过的表面所做的定位基准，那么这种基准就是精基准。

在选择定位基准的时候应该首先要确定加工所需的是哪个精基准，确定了以后再考虑用哪个未加工的表面加工才能把精基准所需的表面加工出来。

4 夹具的设计
4.1 转向节铣主销孔外侧面夹具的设计
本机床的夹具主要是用来铣主销孔外侧两端面到225mm ，所以需保证各面的尺寸和粗糙度要求即可。

本道工序为上述转向节加工工序中的第十一道工序，本道工序在加工时需要考虑到如何在保证其加工所需的尺寸和加工要求下来提高工人的生产效率，还要降低工人的加工时间。

4.2 定位方案的分析和定位基准的选择
由零件图分析可知的孔的位置和尺寸精度，位置的选择来定加工基准，这个转变的过程中，是一个选择的标准设计过程为参考点来定位。

限制其自由度的定位基准的选择有在端面的2个面和节轴55mm φ的外圆就是该定位时的主要的定位基准，这样就可以限制了工件六个自由度中的五个自由度，剩下的最后一个自由度则由档销来限制。

X 轴方向的旋转，Z 轴方向移动以及Y 轴方向的旋转的三个自由度可以由端面来限制，而剩余的两个自由度是则是X 方向和Y 方向的自由度是由外圆来限制的。

Z 方向的旋转则由档销限制。

采用2个压板机械来压紧。

4.3 切削力的计算与夹紧力分析
根据《机械加工工艺手册》可查得： 铣削力计算公式为 圆周分力 Fz
f p k Zd a a a Fz 0
.100.174.09.05.5481.9-⨯=ε
查表可得：
0100d mm
= 5Z = mm
a 192=ε 0.08/f a mm z =
2.5p a mm
= 06.1=Fz k
代入得
0.90.74 1.09.8154.5 2.50.081925100 1.06
z F -=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯
=1741.2N
通过查表可得水平、垂直、轴向、圆周方向的几个分力相互之间的比值为：8.0/=E L F F
6
.0/=E V F F
53
.0/=E x F F
0.80.81741.21392.9L E F F N
∴==⨯= 0.60.61741.21044.72V E F F N ==⨯=
0.530.531741.2922.8x E F F N
==⨯=
在铣削加工时产生的水平分力与由夹紧时力所产生的摩擦力相平衡。

即： μ⋅=F F L '
（查表可得3.0=μ）
'
1392.9
46430.3L F F N μ
=
=
=
与安全系数k 与通过该式计算出的理论夹紧力F 相乘就是实际中所需要的夹紧力'F
即： kF F =' 取k=2 '246439286F N =⨯=
4.4 铣主销孔外侧两端面到225mm 的基本工时与切削用量
机床：2A-431X2A429特种铣床 刀具：YT15 75º 双面铣刀D=100mm Z=5 铣削深度w a ： w a =2.5mm 每齿进给量
f
a ：根据机械加工工艺手册表30-13，取
0.08/f a mm Z
=
铣削速度V ：参照机械加工工艺手册表30-23，取(55~120)/min V m =，
机床主轴转速n ：01000V n d π= 式（2-1）
取V =100, 0d =100代入公式（2-1）得： n 1000100318.47/min 3.14100r ⨯=≈⨯
根据《机械加工工艺师手册》表11-4，取300/min n r =
实际铣削速度V '：0 3.1410030094.2/min 10001000d n V m π⨯⨯'==≈
工作台每分钟的进给量m f ：m z w f f zn = 式（2-2）
取z f =0.08f a =，5Z =，w n =300n =代入公式（2-2）得：
m f =0.085300120/min mm ⨯⨯=
取120/min m f mm =
根据《机械加工工艺手册》
被切削层长度l ：由毛坯尺寸可知l=80
刀具切入长度1l ：1l =20
刀具切出长度2l ：mm l 22=
走刀次数为1
机动时间1j t ：12
1j m l l l t f ++= 式（2-3）
取l=80, 1l =20 22l =,120m f = 代入公式（2-3）得：
1j t =(80+20+2)/120=0.85min
故本工序的机加工时间Tj=Tj1=0.85min
4.5 底座的设计
本道工序夹具体底座，采用焊接后再加工。

保证了节轴外圆的同轴度和台阶面的
垂直度及主销孔的角度。

4.6 夹具精度分析
本道工序加工中主要保证各面尺寸和位置粗糙度的要求，利用夹具在机床上加工时，机床、夹具、工件、刀具等形成一个封闭的加工系统。

它们之间相互联系，最后形成工件和刀具之间的正确位置关系。

因此在夹具设计中，当结构方案确定后，应对所设计的夹具进行精度分析和误差计算。

在该工序加工时候首先保证其面尺寸精度以及粗糙度大小的要求，必须要保证其及主销孔中心与节轴中心角度满足要求，这样就能使加工要求得到保证。

5 结论
经过了数月的了解和学习，毕业设计也如期的结束了，回顾这整个的设计过程，有很多值得深思和探讨的地方
我们从机械制造工艺学的角度分析了CA1092汽车转向节的工艺工装问题，该工件不同于其他一般种类的零件，它是一个异形体，整个转向节零件的设计基准是该零件的两条轴心线交点，这对工件基准的选择有着非常重大的意义。

在工艺顺序排列方面，有对阶梯轴的加工和上下耳内外端面的加工的两种排列形式的体现，我选择的是后者，加工零件过程中组合机床、成型刀具和成形磨具的使用在保证加工精度的前提下，使整个加工效率得到了很大的提升，一个合格的工程师的必须的要求，必须要掌握的技能是可以对于单一的一道工序可由多种加工方法来达到技术要求，以及如何选择最合理、效率最高的加工方法。

转向节零件的夹具设计部分在这个设计中也是很重要的并且是个难点，我在此次设计中选择的是铣主销孔外侧面夹具的设计跟以往的夹具设计不同，该零件的特殊的形状也决定了该夹具的形式必然很特殊，夹具的形式是选择2个压板机械压紧这样就能够很好地提供夹紧力，满足所需的要求。

我认为本次的毕业设计课题涉及的加工形式多种多样且很齐全，使我有机会接触到更多的知识，有比较从而得出了最佳的方案，这是毕业前的一次知识的梳理和再积累，也为日后的工作有了更加宝贵的经验。