基于UG NX12.0 的序列式变速箱拨叉设计及五轴加工技术

基于UG NX12.0 的序列式变速箱拨叉设计及五轴加工技术

周敏,陈贤照

( 中山职业技术学院 ,广东中山 528311)

   摘要: 介绍了变速箱拨叉的结构特点,对变速箱拨叉进行了创新设计,讨论了其加工方法及工艺,解决了反面加工时的装夹难题,基于 UG NX12.0 软件对其进行了五轴编程,应用 HYbest 五轴联动高速机床完成了产品的加工。

关键词: 序列式变速箱；拨叉; 夹具; UG NX12.0 五轴编程; 高速加工

Design and five axis machining technology of shift fork of sequential transmission based on UG NX12.0

ZHOU Min,CHEN Xianzhao

( Zhongshan Polytechnic,Zhongshan Guangdong 528311,China)

Abstract:This paper introduces the structural characteristics of the transmission fork, makes an innovative design of the transmission fork, discusses its processing method and technology, and solves the clamping problem in the reverse processing. Based on UG NX12.0 software, the five axis programming is carried out, and the product processing is completed by using the Hybest five axis linkage high-speed machine tool.

Keywords: Sequential transmission；Fork；fixture；Five-axis processing programming with UG NX12.0; High-speed machining

拨叉常用于传动零件的分离,其作为变速箱变速的控制元件,广泛应用于汽车、拖拉机等机械的变速箱中。工作过程中,拨叉通过拨动滑套与旋转齿轮的接合实现换挡,使变速箱得到不同的输出转速。

序列式手动变速箱也称直齿变速箱,赛车波箱大都采用直齿无同步器设计来减少传动系统上的动力流失,加档和减档只需要前后推拉排挡杆就可以完成手动降档和加档。这设计不但加快了换挡速度,更大大降低了换错挡的可能,因此序列式变速箱对分秒必争的专业比赛是有一定帮助的。序列式手动变速箱换挡拨叉连接在一根拨叉轴上,轴上加工有螺旋形凹槽。套在拨叉轴上的拨叉环内凹糟通过滚珠与拨叉轴相连。换挡时,机械联动机构驱动拨叉轴旋转一定角度,拨叉轴上的凹糟也将之转过一定角度,可以一口气改变所有换挡拨叉的位置。如图1所示为拨叉在变速机构使用示意图。

收稿日期: 2022-12-29

基金项目: 校级科研项目-多轴自动钻攻一体机的研发（KYB2111）

作者简介:周敏( 1974—) ,男,硕士研究生,副教授,主要从事数控技术方面的教学和研究。E-mail:393214359@qq.com。

图1 拨叉在变速机构使用示意图 图2 变速箱拨叉工程图

拨叉作为序列式变速箱关键部件,其性能好坏直接影响变速箱的换档操作性能、可靠性及寿命。如图2所示的拨叉是某企业委托我校进行创新设计和加工的序列式变速箱部件。

1. 零件的创新设计与建模

常见的拨叉是一种薄壁三叉型结构。它一头是与滑杆联接的圆柱凸台滑杆孔,而另一头则是拨动滑动齿轮(或啮合套)的拨叉叉口。对这款序列式变速箱,滑杆机构上设计有弹簧销,通过拨叉叉口的相对侧设计了V型槽来配合使用,从而保证拨叉与滑杆相对位置的准确性,进而保证了换挡的灵活性。拨叉V型槽与跟其相配合的定位销槽位置精度误差大小对变速齿轮的位置能否正确转换,起着关键作用。

在这里利用UG NX12.0软件,通过实体拉伸方法创建圆柱体和通孔,再利用实体拉伸方法创建拨叉叉口和V型槽部位,再通过合并等命令使主体和其他部分称为一个实体,加强筋部位用圆弧过渡连接,边缘部位倒圆角。如图3所示为拨叉的实体设计图。

图3 变速箱拨叉实体图 图4 设计与制作的夹具

2. 工艺分析

2.1 零件分析和毛坯准备

拨叉零件在产品结构设计时受滑杆与变速拨叉的工作距离以及齿轮箱位置空间的限制,一般采用薄壁叉杆型结构。目前,拨叉的毛坯类型通常为模锻件或熔模铸件,但此零件的加工属于首扳试制,目的是检验部件设计是否满足使用要求,部件外观结构在产品测试中是否定位准确,能够灵活换挡,。

拔叉的形状中,主要由带有滑杆孔的套筒主体、叉口、V型销槽位和悬臂卡口等部分组成,这三部分以滑杆孔为中心错位分布,销槽位中线以卡口位中线垂直,销槽位与卡口背侧面平行。

对零件图分析可知: 变速箱拨叉最大长度为178.15mm,最大宽度为55.6mm,最大高度为 84.7mm,并有直径22mm、深84.5mm的滑杆通孔,加工表面要求有空间尺寸关系和形位公差。工件为40cr的毛坯料,硬度为32HRC。拔叉工件截面厚度为7.7mm,拨叉开口端薄弱处宽度约为8mm,工件受力极容易发生弹性变形。由于臂侧面加强筋的限制,整个零件没有一个较为平整的平面用来做粗基准,这对精基准的加工较为困难。

整个工件以滑杆孔的中心为基准,拨叉件为了保证安装使用过程中拨叉与滑杆的准确定位,规定V型销槽位与滑杆孔垂直度为0.1mm,叉口平面与滑杆孔垂直度为0.1mm,叉口为悬臂结构,相对于滑杆孔深处长度约130mm,刚性比较差,在加工中要保证较高的位置精度和加工质量,难度较大。

2.2 加工方案确定

由于叉口、V型销槽位、卡口等三部分错位分布,如用三轴加工中心加工,需多方位加工,而且各方位的装夹需要设计对应的夹具,大大增加了加工难度和加工的复杂程度；叉口与作为基准的滑杆孔距离较远,加工过程中定位精度容易受夹紧力作用,而导致薄壁件自身变形的影响,另一方面由于定位面相对较小,导致定位面误差比例放大,进而影响定位的准确性。

拔叉手扳的加工有两种方案,第一种方案用常用三轴数控加工的方法加工,先加工卡口方位上方向各面,加工深度至叉口下方加强筋倒圆角位置,根据卡口上方位位置面制作夹具,翻转工件装夹,进而加工底面方位各面。 V型销槽位及槽位周边需加工出圆角效果,另外,销槽位与悬臂卡口相互错位处要求加工出圆弧过渡的加强筋,此两处的加工需在侧位才能进行加工,需制作这两个侧方位加工装夹所用的夹具。综合上述的表述,用这种方法需制作三套夹具,并四次装夹才能实现加工。第二种方案是用五轴联动高速加工中心,摆动轴为AC轴五轴联动机床进行五轴加工。该五轴机床旋转轴A轴可在水平面内0~115º的幅度范围内摆动,旋转轴C轴可任意角度转动。在这里参考第以种方案的第1工序和第2工序,在工序2时,利用五轴机床工作台旋转与倾斜功能,就能实现v型槽位周边圆角和圆弧加强筋位置的加工。故采用第二种方案,只需进行两次装夹,并制作一套夹具,就可进行部件的全面加工,大大简化加工流程。第二种方案需要五轴编程加工技术。

2.3  夹具设计

    工件正面加工完毕,反面的加工需要设计夹具进行装夹。设计夹具时,用拔叉叉口上方平面位置和滑杆圆孔顶端平面位置做Z方向的压紧点和定位点,卡口处上方平面悬空0.3mm,以避免Z向过定位；水平面方位的紧固以滑杆孔Φ22mm和悬臂卡口宽13.5mm位置为定位点,其中与滑杆孔的配合的圆弧凸台高15mm,与滑杆孔为过渡配合,与悬臂卡口定位配合的小凸台为过渡配合,以提高工件装夹的刚度。在圆柱凸台加工深度为10mm的M16的螺纹孔,用M16×70mm内六角螺柱穿过滑杆孔就可紧固毛坯与工件,同时在叉口内圆弧区域选择两处适当位置加工直径Φ14.7mm,深度为12mm螺纹孔,并铰孔加工M16×10mm的螺纹。安装毛坯时,用M16×50mm两个内六角螺栓穿过毛坯工艺孔,将毛坯继续压紧在夹具上。这样就有3只M16mm螺栓将毛坯和紧固在夹具上。夹具设计与安装时,工件圆弧加强筋位置要与夹具避空。由于五轴机床工作台为三爪卡盘方式装夹,夹具装夹位置设计为Φ65×35mm的圆柱,用于三爪卡盘夹紧。图4位设计与制作的夹具。

图5 第一次装夹加工后的工件图                         图6  第二次装夹示意图

图7第二次装夹粗加工示意图  图8 第二次装夹半精和精加工示意图

2.4  装夹方式

首先加工的部位是卡口方向上表面,利用数控三轴自动编程加工方法,加工毛坯至180*125*85尺寸,6个面可作为粗基准。平口钳夹紧工件,毛坯露出平口钳55mm以上,滑杆孔上方中心为对刀原点,机床粗加工深度至拨叉叉口上表面向下3mm,预留圆角加工避空位,粗加工余量0.4mm。预钻滑杆孔和工艺孔两处定位点,钻孔Φ8并钻穿,然后用Φ12和Φ20钻头扩孔至尺寸,随后精加工上方位各平面、圆弧面、悬臂卡口内外侧各面,圆筒外侧上段部分,最后,粗镗和精镗滑杆孔Φ22至尺寸精度范围。第一次装夹加工后的工件图如图5所示。

拔叉上方加工完毕,安装夹具,利用三抓卡盘夹紧夹具Φ65×35的圆柱部位,用三个等高基准块作为轴向定位,拖表使上表面至水平,长边与X轴平行,短边与Y轴平行,误差范围控制不超0.02mm。先设定Z轴原点位置,Z轴原点设定在夹具圆柱凸台的台阶面上。接着工件翻转180°,以拨叉叉口上方平面位置和滑杆圆孔顶端平面位置作Z轴方向压紧点和定位点,将滑杆孔套入夹具圆柱凸台,并对齐与悬臂卡口位与圆弧凸台配合,用铜棒轻敲使其配合入围并使定位面贴近,并将一支M16×70和两支M16

×50的内六角螺栓将毛坯压紧在夹具上,如图6所示（图6为二次装夹示意图）。用探测头精确找正滑杆孔圆心作为X、Y轴的原点。上表面拖表检查是否水平,如不水平进行调整直至水平,X方向打表检查是否与X轴平行,如不平行调整直至平行。图7为第二次装夹粗加工示意图,图8为第二次装夹半精和精加工示意图

2.5加工刀具的选择

由于毛坯材料是40Cr,硬度较高,难以切削加工,所以刀具选择钨钢刀具,特别是钻孔加工,钻头需要用硬质钨钢涂层钻头。加工拨叉手板所用的刀具如表1所示。

表1  刀具卡

2.6制定程序单

数控加工程序单是数控编程的主要依据,基于前面分析制定拨叉手板五轴加工程序单,如表2所示正面加工程序单,如表3所示反面加工程序单。

表2 正面加工程序单

表3 反面加工程序单

2.7加工工序及关键工艺参数表

根据零件各加工区域形状和几何特点,对其进行工艺分析,各加工工序及关键工艺参数的设定见表4( 表格中空白处表示无需设置) 。

表4 加工工序

3 结束语

设计夹具时, 充分考虑了定位点和压紧点的设计。 反方向加工时,利用拨叉叉口上方位平面的区域作为压紧面,压紧位与夹具的的压紧面相对应, 有足够的接触面积,保证定位的有效性, 也防止工件的定位夹紧面在夹紧力的作用下产生的变形, 避免了工件定位点区域的不平使夹具的压板压迫形成的工件弹性变形量。为了减少毛坯的误差复映现象对加工精度的带来的影响,采用了适当的辅助支撑来提高工件的加工刚度,同时也防止过定位的发生。夹具加工时,用铣加工的方法,消除切削力对加工的影响,夹具刚性好。

     在加工工艺研究中, 由于传统的数控加工主要解决重复定位、粗基准多次使用等问题, 要确保工件的基准精度满足下一道工序的要求。 在这里,我们用五轴加工的方法,减少装夹次数, 保证了工件位置精度要求,在每道工序中,工件仅需一次装夹,便可完成全部加工内容, 减少基准转换产生的误差,大大提升尺寸准确性和加工效率。

五轴数控机床编程比三轴数控机床复杂,五轴数控机床价格昂贵,编程加工的安全问题,要充分考虑。编程之后,五轴加工编程刀路最好经过专业的仿真软件,对后置处理才产生NC代码进行仿真加工。在CAM软件中进行刀路仿真时,五轴刀具路径生成后要利用对应的五轴数控机床的后置处理文件进行后置处理才能产生正确NC代码,否则会造成走刀路线不正确,甚至造成机床与工件碰撞的严重后果。

按照上述工艺设置,应用UG NX12.0软件进行五轴编程,在解决路径仿真、后置处理和装夹难题之后,选择合理的刀具,就可对拨叉进行五轴加工了。最终我们用了大约6h完成了产品的整体加工 ( 如图9所示)。经检测,用新加工工艺,消除了夹具刚性不好和夹紧变形的问题,拨叉垂直度和平面度达到了要求,此次试验取得了较好效果,为后续批量生产打下基础。

图9 加工后拨叉产品图

参考文献:

【1】林新贵,詹欣荣.基于 MASTERCAM 的深槽窄缝零件数控加工技术研究[J].机床与液压,2010,38 (4) :12-14．

【2】机械加工工艺手册编辑委员会.机械加工工艺手册 (第 3 卷 )[M] .北京:机械工业出版社, 1992.

【3】马海龙,段辉,汤爱君. 薄壁零件切削变形的研究现状综述［J］.机床与液压,2010,38 (09) : 117-119.

【4】彭新荣,孙小捞.影响高速铣削加工质量的因素及 PowerMILL高速铳削加工策略[J].机床与液压,2011,39 (12):22-23.

【5】张喜江.多轴数控加工中心编程与加工技术[M]北京: 化学工业出版社 ,2019．

【6】李海滨,唐小波,高天宇等.叶片数控加工表面粗糙度控制的研究.机床与液压,2011,39(23):26 -28.

【7】徐海山,汤梦蕊．变速器换档拨叉的设计［J］.机械工程师,2002,4（2）：60－61.

【8】盖立武,郭旭红． 基于UG 的精密凹槽零件数控加工［J］．组合机床与自动化加工技术,2015( 9) : 137－139．

【9】王佳,李瑾宁,杜春鹏.基于等刚度的变速箱拨叉优化设计［J］.传动技术,2106,30(1);25-28.

【10】易明,王学军,王建明.拨叉加工工艺研究.拖拉机与农用运输车［J］.2009,36(4)；113-115.

【11】黄晓峰,杨敏.高速铣削薄壁铝合金表面粗糙度的实验分析及应用［J］.机床与液压,2010,38(20) : 20－22．

【12】彭新荣,孙小捞．影响高速铣削加工质量的因素及高速铣削加工策略［J］.机床与液压,2011,39(12):22－23．

【13】巨江,李龙刚,吕凯归．基于UG NX 6.0的弧面分度凸轮三维实体建模与仿真加工［J］.机械设计与制造,2011( 1) :169-171．