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浅讲壳体安排与加工本钱

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浅讲壳体安排与加工本钱

浅讲壳体安排与加工本钱

  浅谈壳体设计与加工成本 摘要: 本文针对影响壳体加工成本的因素进行分析, 例举了几种常见可优化的内容, 同时进行 了成本的计算。最后针对 EDU 壳体的部分设计内容进行工艺性优化,计算了可节约的成本。 本文从经济性出发,为壳体的工艺性设计提供参考。 关键词: 壳体设计,工艺性,加工成本 一、 引言 壳体产品是变速箱总成的重要零部件,是各类轴系、齿轮的装配基础。 壳体产品有着壁薄、刚性差、结构复杂等特点,大大提高了产品的加工成本,抬高了产 品的加工质量风险。 壳体的加工成本受制于产品的设计, 不同的公差等级、 结构设计等对于壳体产品的生产 成本有着直接影响,在设计过程中,保证产品功能性的前提下,对壳体设计适当地优化,对 于提高产品的工艺性,降低产品的加工成本有着重要的作用。如 EDU、SCM 等项目的壳体 产品,在生产过程中,部分设计内容过于复杂或工艺性不佳等原因,造成了生产成本高、质 量风险大等弊端。 二、 影响壳体加工成本的设计因素分析 影响壳体加工成本的设计因素主要由以下几点: 1. 公差因素 公差等级的高低直接影响加工壳体所使用的设备、刀具、医疗用具网罗哪些产物啊夹具、切削参数等,杨将新[1] 早在 96 年就针对车削加工成本进行研究,公差是影响车削的主要因素。 如位置度 500 范围内,Φ 0.05 位置度,必须高精度加工中心加工,Φ 0.08 可以使用二 流加工中心,Φ 0.15 以内,可以使用普通加工中心。 孔径 IT8 级精度以内,必须使用精铰或精镗以保证质量,如满足使用的情况下,提高到 IT9 级,甚至可以直接粗镗到位,其刀具成本可以直接降低。 2. 工艺性因素 产品工艺性是产品加工成本的重要因素,其设计内容直接影响设备、刀具、夹具等,如 侧面多角度加工,需要加工中心回转工作台,直接影响加工节拍;凹槽加工难度大于凸台加 工;侧面孔系的角度精度,由设备的分度精度所限制;加工内容的干涉情况,直接影响刀具 的设计等。 3. 平台性因素 在同一平台开发设计的拓展产品, 是否考虑相同的工艺孔与面, 将直接影响夹具的通用 性,设备的通用性,相关辅助件的互换性等。 三、 壳体设计的优化方法 壳体设计的优化,是系统性的优化,需要从战略方针上设计整个产品线,包括设备、夹 具、刀具,甚至物流、装配等需求。主要的优化方法可以从以下几个方面进行考虑: 1. 公差适用设计 公差配合的设计从产品的功能性进行考虑,充分理解产品公差的需求,从装配出发,进 行公差的选择。 如, 定位销孔径的公差选择, 铝合金变速箱壳体与离合器壳体的装配属于一般定位要求, 在手册可查的优先配合选用[2]说明中,孔的最高公差等级不大于 IT7 级公差,而按照公差 等级与加工方法的关系[2]中,IT7 级一般铰孔即可达到,而上升至 IT5 级时,必须使用金刚 石镗,假设Φ 10 长度 100 的普通铰刀为 4 刃,其价格约 700 元,当镶嵌 4 刃金刚石刀片时, 其价格约为 2000 元,在不考虑加工寿命及加工稳定性的情况下,其成本将大大升高。 又如,壳体结合面平面度,按照手册推荐,可以选取 8-10 级形位公差,以一般变速箱 对角线 计算,可选平面度为 0.06-0.15。当平面度选取为 0.1 时,可以用硬质合金刀 片、手动夹具、国产加工中心进行加工;当选取为 0.06 时,需要使用金刚石刀片、液压夹 具、先进加工中心设备进行加工,其成本将大大提升。 2. 结构工艺性设计 结构工艺性是指, 在满足产品使用要求的前提下, 所拟定的结构以及所规定的技术要求 必须能适应现代制造工艺水平,使生产过程便于实现并能保证其经济性。 (1) 毛坯设计降低刀具长度 壳体螺栓孔,螺栓法兰面,应避免与壳体壁靠的太近,可降低加工刀具的干涉长度,从 而降低刀具的材料成本。 图 1 设计与刀具干涉长度关系 图 1 中,1#图按照原始设计,刀具长度需要 156,2#图通过调整法兰面悬伸长度,可 将刀具长度降至 135,3#图通过调整毛坯壁斜度,可降低至 102,4#图进一步略微加大毛 坯壁斜度,通过调整刀柄,可将刀具长度降至 76。从 1#图至 4#图的设计优化,在满足功 能的同时,降低了刀具长度,不仅可以节约 40%的刀具费用,同时,增加了刀具的刚性, 提高了刀具的使用寿命,可以降低刀具成本约 50%以上。 (2) 沉孔设计改凸台设计 沉孔的加工远比凸台加工的成本高, 因为不同大小的沉孔牵涉到不同的非标刀具, 而凸 台设计,对应的加工刀具直径限制很小,可以利用同工序中的其他刀具进行加工,无需增加 额外的加工费用。 图 2 沉孔加工方案 假设壳体设计时,存在如图左侧的沉孔的工艺要求,根据工艺编排为三种方案,按照刀 具成本,加工成本与刀具使用寿命进行列表,按照 5 万年当量,6 年生命周期计算,其成本 如下表; 表 1 沉孔加工成本表 刀柄成本 方案 1 方案 2 方案 3 0.03 元/件 0.02 元/件 0.015 元/件 加工寿命 8000 件 8000 件 6000 件 刀具成本 0.325 元/件 0.25 元/件 0.33 元/件 节拍 12s 5.5s 5.5s 节拍成本 0.33 元/件 0.153 元/件 0.153 元/件 总成本 0.685 元/件 0.423 元/件 0.498 元/件 如将设计改成凸台,如下图左: 图 3 凸台设计改进 则加工工艺改为,先用面铣刀加工凸台,再用钻头加工螺栓孔,因几乎所有壳体都有平 面加工,因此,面铣刀的成本可以忽略,相对平面加工,凸台平面加工面积相对较小,其刀 具磨损成本,也可以忽略不计,因此其加工成本为, 表 2 凸台加工成本 刀柄成本 改进 0.015 元/件 加工寿命 8000 件 刀具成本 0.075 元/件 节拍 6.8s 节拍成本 0.189 元/件 总成本 0.279 元/件 该钻头为标准刀具,因此成本较低,与改进前,成本最低的方案 2 比较,单件的加工成 本降低 0.144 元/件,以年 5 万产能计算,每年可降本 7200 元。 假设一件工件上有 16 个同样的孔,则加工成本计算为: 表 3 16 螺栓孔加工成本计算 刀柄成本 方案 2 改进后 0.02 元/件 加工寿命 500 件 刀具成本 4 元/件 1.2 元/件 节拍 36s 47.3s 节拍成本 1 元/件 1.314 元/件 总成本 5.02 元/件 2.529 元/件 0.015 元/件 500 件 可以得到的成本,每件节约 2.491 元/件,以年产 5 万件计算,年降本 12 万余元。 (3) 统一非标设计 在一件壳体上,存在的非标设计,在满足使用功能的同时,进行统一设计,如阶梯孔、 螺纹孔、刀具圆角等。 以螺纹为例,假设一壳体上存在同一公称直径的 3 种螺纹,深度、底孔不同,且都需要 C1 倒角,如下表: 表 4 不同螺纹假设列表 M8*1.25 螺纹 螺纹 1 螺纹 2 螺纹 3 螺纹深 15 12 13.5 底孔深 19 16 17.5 数量 3 2 3 按上文假设产品当量计算,则涉及的刀具及加工成本计算如下表: 表 5 3 种螺纹规格加工成本计算 刀柄成本 底孔钻 1 底孔钻 2 底孔钻 3 丝锥 总计 0.015 元/件 0.015 元/件 0.015 元/件 0.015 元/件 加工寿命 2666 件 4000 件 2666 件 1000 件 刀具成本 0.262 元/件 0.175 元/件 0.262 元/件 0.4 元/件 节拍 10.28s 8.4s 10.28s 49.2s 节拍成本 0.286 元/件 0.233 元/件 0.286 元/件 1.367 元/件 小计成本 0.563 元/件 0.423 元/件 0.563 元/件 1.782 元/件 3.331 元/件 如果在满足功能性的前提下,将 3 种螺纹底孔统一为 19,螺纹深度不变,则成本计算 为: 表 6 统一螺纹底孔规格加工成本计算 刀柄成本 底孔钻 丝锥 总计 0.015 元/件 0.015 元/件 加工寿命 1000 件 1000 件 刀具成本 0.7 元/件 0.4 元/件 节拍 19.8s 49.2s 节拍成本 0.55 元/件 1.367 元/件 小计成本 1.265 元/件 1.782 元/件 3.047 元/件 两者比较,可得,每件可节约 0.284 元/件,按年产 5 万件计算,直接降本 14200 元。 这种非标的统一设计,不只在于直接降本,更在于刀具的统一管理,检测方法的统一, 从而降低库存成本以及相关的管理成本。 (4) 结构简单化设计 壳体本身包络所有传动系统,结构复杂,因此,在可能的范围内,从加工难度上对壳体 结构进行简化,对降低壳体的加工成本有着显著的好处。 如壳体侧面孔系的角度统一, 图 4 侧面孔系角度统一优化 假设按照改进前设计,安排工艺时,3 种侧面的不同角度,一般需要卧式加工中心进行 一道序完成,加工节拍不仅损耗再每次旋转工作台面,同时刀具需要退到安全距离外,这几 段空行程将浪费一定的加工节拍。 另外,如果按照供应商的工艺安排,其统一应用立式加工中心,在工件较大无法加装 A 轴的情况下,每一个角度需要一台设备进行加工,其节拍亦无法平衡,造成设备利用率极低 的成本浪费,该成本一定会转嫁到单件壳体的销售价格中去。 (5) 去除设计过盛 过盛的设计对于产品来说也是成本的浪费,设计过盛包括以下两种: 第一:无必要的设计 例如,镗孔的有效深度,应该根据配合长度的要求进行设计,过长的精加工孔,不仅影 响加工节拍,同时影响刀具的使用寿命。 第二:倾向压铸的设计 能够用压铸成型的,就不再考虑机械加工,机械加工不仅产生加工成本,同时也是切削 材料的浪费。 如总成吊装孔,压铸精度完全可以满足其使用需求,即取消其机加工的要求;刀具检测 程序,毛坯可以铸造时就避让干涉的,就一次成型,取消加工时的刀具检测。 (6) 平台化战略设计 一款基础产品的设计,在初期应充分考虑其拓展的可能性。 工艺孔、工艺面设计是平台化实现的重要设计,这些设计是满足加工夹具统一设计、装 配夹具统一设计、物料辅件统一设计的重要基础,是实现柔性化生产的必然要求。 假设三种同一平台产品,设计与未设计统一的工艺孔、工艺面,则相关假设及成本计算 如下: 未设计 一次性投入夹具成本: 数量:3 套 单价:20000 元(按手动夹具计算) 小计:60000 元(不考虑易损件) 一次性投入料架成本: 料架装载量:12 件/框(假设) 料架单价:2500 元(假设) 库存需料架数量:60 个 小计:150000 元 一次性投入:210000 元 产品库存成本: 种类:3 种 换模时间:4 小时(假设) 加工节拍:6JPH(假设) 每种安全库存量:240 件(10 倍于换模时间) 每件产品成本价格:300 元(假设) 小计:216000 元 场地成本: 单个料架占地:1.5m2(假设) 叠放层数:2 层 占地面积:45m2 厂房占地单价:0.6 元/m2/天 小计:9855 元/年 加上 10%管理成本 库存资金:248440.5 元 假设产品生命周期为 6 年,年储利率 4%, 总计成本:308356 元 设计 一次性投入夹具成本: 数量:1 套 单价:20000 元(按手动夹具计算) 小计:20000 元(不考虑易损件) 一次性投入料架成本: 料架装载量:12 件/框(假设) 料架单价:2500 元(假设) 库存需料架数量:9 个 小计:22500 元 一次性投入:42500 元 产品库存成本: 种类:3 种 换型时间:0.5 小时(仅切换程序) 加工节拍:6JPH(假设) 每种安全库存量:30 件(10 倍于换模时间) 每件产品成本价格:300 元(假设) 小计:27000 元 场地成本: 单个料架占地:1.5m2(假设) 叠放层数:2 层 占地面积:9m2 厂房占地单价:0.6 元/m2/天 小计:1971 元/年 加上 10%管理成本 库存资金:31868.1 元 假设产品生命周期为 6 年,年储利率 4%, 总计成本:55823 元 该设计仅机加工可直接降本 252533 元,年化 4.2 万元,降本比例 82%,同时降低了库 存产品质量变化的风险,前期装配夹具、加工夹具的设计成本。 四、 实例的分析与比较 1. EDU ISG 壳体实例 以混合动力变速器 EDU 项目课题,进行相关的设计工艺性优化,并计算其单件降本。 (1) 大平面粗糙度 图 5 大平面粗糙度示意图 取消大平面粗糙度 Ra1.6-Ra3.2, 改为 Ra3.2,毛坯在平面边缘增加储胶槽设计, 可减少每 500 件 1 片非标刀片的消耗,单价 700 元,降本 1.4 元/件。 (2) 轮廓 1 图 6 轮廓 1 截图 外圈轮廓改为凸台设计,内圈轮廓改为铸造保证, 可减少加工节拍 10 秒,降本 1.39 元/件(不计刀具损耗成本,下文同) 。 (3) 轮廓 2 图 7 轮廓 2 截图 该处轮廓仅为让空,意义不大,取消加工, 可节约加工节拍 8 秒,降本 1.11 元/件。 (4) 轮廓 3 图 8 轮廓 3 截图 该处轮廓铣槽改凸台设计, 可节约加工节拍 10.5 秒,降本 1.46 元/件。 (5) 侧面螺纹孔 图 9 侧面螺纹孔示意图 侧面螺纹孔,共计 8 个角度,M8 螺纹两种,M6 螺纹两种, 将 36#,81#,32#,83#,85#孔角度改为 0°方向,将 33#,37#改为 36°方向, M8 螺纹统一为深 13,底孔 18,M6 螺纹底孔统一为 20,螺纹深度不变。 可节约旋转角度时间 6 秒,换刀时间 8 秒,共计 14 秒,降本 1.946 元/件 (6) 3 处铣槽 图 10 3 处铣槽截图 图中 1#处,外轮廓压铸保证,只铣凸台平面,2#处与 1 处统一,3#处取消 2 条 5mm 槽,及出口倒角。 可节约加工节拍 42 秒,降本 5.83 元/件。 (7) 背刮 图 11 背刮截图 取消两处背刮,平面毛坯铸造保证, 可节约加工节拍 10 秒,降本 1.39 元/件。 ISG 壳体优化节拍 94.5 秒,共降本 14.526 元/件。 2. EDU TM 壳体实例 (1) 大平面粗糙度 同 ISG 壳体,降本 1.4 元/件 (2) 螺纹铣削 图 12 螺纹铣削 降低螺纹结合长度,重选螺钉,改用攻螺纹, 可节约加工节拍 60 秒,降本 8.33 元/件。 (3) 侧面螺纹孔 图 13 侧面螺纹孔示意图 与 ISG 壳体改进性质相同,约节约节拍 12 秒,降本 1.67 元/件。 (4) 2 处铣槽 图 14 2 处铣槽示意图 两处铣槽改进性质与 ISG 相同,约节约节拍 30 秒,降本 4.17 元/件。 (5) 两处孔口轮廓 图 15 两处孔口轮廓 两处孔口轮廓改为毛坯预铸凸台, 可节约节拍约 12 秒,降本 1.67 元/件。 (6) 侧面轮廓 图 16 侧面轮廓示意图 该处轮廓改为毛坯预铸凸台,内部轮廓取消铣削,左图中背面轮廓取消铣削,4 个光孔 改螺纹孔,装配件改为外部装配。 可节约加工时间约 35 秒,降本 4.865 元/件。 (7) 传感器孔 图 17 传感器孔截图 该处孔口轮廓改为毛坯预铸凸台, 可节约加工时间 9 秒,降本 1.251 元/件。 TM 壳体优化节拍 158 秒,共降本 23.362 元/件。 3. 小结 不考虑 ISG 与 TM 节拍平衡,单从两壳体加工成本计算,每套 EDU 壳体经优化后,可 以降本 37.888 元/套,按年产 35000 套,可年降成本 132 万余元。 瓶颈工序 TM 壳体,可提升 10%加工节拍。 五、 总结 本文通过研究壳体设计对加工成本的影响, 例举了常见的工艺性设计的改进方法, 同时 针对 EDU 壳体进行了部分设计进行工艺性改进,通过计算,至少可以提高节拍 10%,降低 可观的成本。以此方法供相关设计人员参考,充分考虑加工成本的前提下进行壳体设计。 本文许多不足之处,使用了比较多的经验数据,未进行详细的考证,同时,也未针对相 关设计与加工成本进行模型的建立。 下一步将针对壳体的工艺性进行详细深入的研究, 为我企业技术部门的壳体设计提供参 考标准。 浅谈壳体设计与加工成本_机械/仪表_工程科技_专业资料。壳体产品是变速箱总成的重要零部件,是各类轴系、齿轮的装配基础。 壳体产品有着壁薄、刚性差、结构复杂等特点,大大提高了产品的加工成本,抬高了产品的加工质量风险。 壳体的加工成本受制于产品的设计,不同的公差等级、结构设计等对于壳体产品的生产成本有着直接影响,在设计过程中,保证产品功能性的前提下,对壳体设计适当地优化,对于提高产品的工艺性,降低产品的加工成本有着重要的作用。

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