杠杆设计工艺分析与车间设施物流规划.docx
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杠杆设计工艺分析与车间设施物流规划
1引言
机械制造基础课程设计是在学完了大学的全部基础课、技术基础课以及大部分的专业课之后进行的。
这是学生在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的复习，也是一次理论联系实际的训练。
因此，它在学生四年的大学学习中占有重要的地位。
2零件的分析
2.1零件的作用
题目给出的零件是杠杆。
它的主要作用是用来支承、固定和传递扭矩的。
要求零件的配合是符合要求。
后附杠杆零件图。
2.2零件的工艺分析
2.2.1零件的技术要求
杠杆零件的Φ25、Φ10、Φ8四孔的轴线具有垂直度要求。
现主要技术分析如下：
由Φ40mm的圆及30mm的宽凸台组成的上端面表面粗糙度为Ra10μm，Φ40mm外圆下端面表面粗糙度为Ra5μm，两平面位置
mm。
Φ30mm的两个凸台的表面粗糙度为Ra10μm，和Φ40mm的下圆表面位置分别为
mm，
mm，两凸台厚15mm。
Φ25mm的孔的尺寸为Φ25
mm，表面粗糙度为Ra2.5μm，并且后续各孔对其底面将有位置度和平行度要求，即都以其为设计基准。
Φ10mm的孔的尺寸为Φ10
，表面粗糙度为Ra5μm。
两个Φ8mm的孔的尺寸为Φ8
mm,表面粗糙度为Ra2.5μm，孔轴线和Φ25mm的孔轴线距82±0.2mm，平行度为0.2mm。
该杠杆的形状特殊、结构简单，是常见的杠杆零件。
为实现起功能，对其的配合面要求较高，加工精度要求较高。
因其在工作中的工作平稳,故无须进行热处理。
综上所述，该杠杆的各项要求制定较合理，符合其功用。
2.2.2零件的工艺性分析
分析零件图可知，杠杆中间的两平面和左右两边的端面要进行切削加工，Φ25、Φ10、Φ8孔的端面均为平面，这样可以防止加工的过程中钻头钻偏，可以保证加工的精度和配合的精度。
另外，除了Φ10孔以外，对其余的三孔的孔内表面的要求较高。
要采取必要的措施以保证其表面精度。
但这些加工精度可以在正常的生产条件下采用经济的方法保质保量地加工出来。
端面和孔的加工可以通过通用铣床和钻床保证其加工精度，而不需要使用高精度的机床，通过钻削、铣削的加工就可以达到要求。
2.2.3确定零件的生产类型
由题目可知杠杆零件的生产类型为中批生产类型。
2.3确定毛坯的种类和制造方法
2.3.1确定毛坯的制造形式
杠杆零件的材料为灰铸铁HT20-40。
考虑到杠杆零件在工作中的载荷平稳并且处于润滑状态，因此应该采用润滑效果较好的铸铁，以使金属纤维尽量不被裁断，保证零件工作可靠。
2.3.2确定毛坯的制造方法
由题目可知该零件达到中批生产的水平，而且零件的轮廓尺寸不大，铸造表面质量的要求高，故可采用铸造质量稳定的，适合中批生产的金属模铸造。
毛坯的拔模斜度为5度。
又由于零件的对称特性，故采取两件铸造在一起的方法，便于铸造和加工工艺过程，而且还可以提高生产率。
2.4拟定工艺路线
2.4.1基面的选择
粗基准的选择：
对于本零件而言，按照粗基准的选择原则，选择本零件的加工表面就是宽度为Φ40mm的肩面表面作为加工的粗基准，可用压板对肩台进行加紧，利用一组V形块支撑Φ40mm的外轮廓作主要定位，以消除四个自由度。
再以一面定位消除两个自由度，达到完全定位，就可以加工Φ25（H7）的孔。
精基准的选择：
主要考虑到基准重合的问题，和便于装夹，采用Φ25（H7）的孔作为精基准。
2.4.2工件表面加工方法的选择
本零件的加工表面有:
粗精铣宽度为40mm的上下平台、钻Φ10（H7）孔、钻2×Φ8+0.0150的小孔、粗精铣Φ30凸台的平台。
材料为HT20-40，加工方法选择如下：
Φ40mm圆柱的上平台：
表面粗糙度为Ra10，采用粗铣→精铣的加工方法。
Φ40mm圆柱的下平台：
表面粗糙度为Ra5，采用粗铣→精铣的加工方法。
Φ30的凸台上下表面：
表面粗糙度为Ra10，采用粗铣→精铣的加工方法。
钻Φ25（H9）内孔：
公差等级为IT6~IT8，表面粗糙度为Ra2.5，采用钻孔→扩孔钻钻孔→粗铰→精铰的加工方法，并倒1×45°内角。
钻Φ10（H7）内孔：
公差等级为IT7~IT8，表面粗糙度为Ra5，采用钻孔→粗铰→精铰的方法。
钻Φ8（H7）内孔：
公差等级为IT6~IT8，表面粗糙度为Ra2.5，采用钻孔→粗铰→精铰的加工方法。
2.5确定工艺路线
制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证。
在生产纲领（生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，决定了所应选用的工艺方法和工艺装备。
）已确定为中批生产的条件下，可以考虑采用通用机床，并尽量使工序集中来提高生产率。
除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。
2.5.1工艺路线
工序Ⅰ：
毛坯准备
工序Ⅱ：
粗精铣宽度为Φ40mm的上下平台和宽度为30mm的平台
工序Ⅲ：
粗精铣宽度为Φ30mm的凸台表面
工序Ⅳ：
钻孔Φ25（H9）使尺寸达到Φ23mm
工序Ⅴ：
扩孔钻钻孔Φ25（H9）使尺寸达到Φ24.8mm
工序Ⅵ：
铰孔Φ25（H9）使尺寸达到Φ25（H9）
工序Ⅶ：
钻Φ10（H7）内孔使尺寸达到9.8mm
工序Ⅷ：
粗铰Φ10（H7）内孔使尺寸达到9.96mm
工序Ⅸ：
精铰Φ10（H7）内孔使尺寸达到Φ10（H7）
工序Ⅹ：
钻2×Φ8（H7）小孔使尺寸达到7.8mm
工序ⅩⅠ：
粗铰2×Φ8（H7）小孔使尺寸达到7.96mm
工序ⅩⅡ：
精铰2×Φ8（H7）小孔使尺寸达到Φ8（H7）
工序ⅩⅢ：
检验入库
2.5.2工艺方案的分析
根据宽度为40mm的上下肩面作为粗基准，Φ25（H7）孔作为精基准，只要加工Φ25孔时尺寸达到要求的尺寸，那样就保证了2×Φ8（H7）小孔的圆跳动误差精度等。
结合工艺路线，根据工序集中的加工原则，最终制定下面方案路线：
工序Ⅰ：
铸造毛坯；
表面时效热处理。
工序Ⅱ：
粗铣Φ40上下端面和宽度为30的平台面；
精铣Φ40上下端面和宽度为30的平台面。
工序Ⅲ：
粗铣凸台面；
精铣凸台面。
工序Ⅳ：
钻Φ25（H9）孔；
扩钻Φ25（H9）孔；
粗铰Φ25（H9）孔；
精铰Φ25（H9）孔。
工序Ⅴ：
钻2×Φ8（H7）孔；
粗铰2×Φ8（H7）孔；
精铰2×Φ8（H7）孔。
工序Ⅵ：
钻Φ10（H7）孔；
粗铰Φ10（H7）孔；
精铰Φ10（H7）孔。
工序Ⅶ：
表面去毛刺。
工序Ⅷ：
检验入库。
3加工余量和工艺尺寸的确定
3.1机械加工余量、工序尺寸的确定
杠杆的材料是HT20-40，毛坯的重量10kg，生产类型为中批生产。
由（参考文献:
机械加工余量手册，孙本绪、熊万武，北京:
国防工业出版社）可知，要确定的毛坯机械加工余量和尺寸公差，先确定以下各项因素。
3.1.1公差等级
由杠杆的功用和技术要求，确定该零件的公差等级为普通级。
3.1.2铸件的重量
查资料估算实体杠杆零件重量为6千克，由此再估算起毛坯的重量为8千克。
3.1.3零件的分模面
根据该杠杆零件的形位特点，该零件的Φ25、Φ8轴线组成的平面为分模面，属于直分模面。
3.1.4零件表面粗糙度
由零件图可知，该杠杆的各加工表面的粗糙度Ra均大于2.5µm。
根据上述诸因素，由于毛坯采用金属模铸造，可查表确定该铸件的尺寸公差和机械加工余量以及各加工表面的工序尺寸，所得结果见下表。
表1各加工表面表面总余量
加工表面
基本尺寸
加工余量数值（mm）
说明
Φ40mm的上下平台
40
4
加工上下表面
宽度30mm的平台
30
3
加工上表面
Φ30mm的凸台上下面
30
3
凸台上下面
Φ10（H7）孔
10
3
加工内孔
Φ8（H7）孔
8
3
加工内孔
Φ25（H9）孔
25
4
加工内孔
表2Φ40mm的上、下平台
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸
毛坯
62
±1.8
62±1.8
粗铣
56
3（单边）
0.3
56
精铣
54
1（单边）
0.3
54
表3Φ30mm的左凸台上下表面
工艺路线
基本尺寸
工序余量
工序精度
工序尺寸
毛坯
49
±1.8
49±1.8
粗铣
52
3（单边）
0.4
52
精铣
53
1（单边）
0.4
53
表4Φ25（H9）孔
加工表面
加工方法
加工余量
公差等级
工序尺寸
Φ25（H9）
钻孔
11.5（单侧）
—
Φ23
Φ25（H9）
扩孔
0.9（单侧）
—
Φ24.8
Φ25（H9）
粗铰孔
0.07（单侧）
Φ24.94
Φ25（H9）
精铰孔
0.03（单侧）
H9
Φ25（H9）
表5Φ10（H7）孔
加工表面
加工方法
加工余量
公差等级
工序尺寸
Φ10（H7）
钻孔
4.9（单侧）
—
Φ9.8
Φ10（H7）
粗铰孔
0.08（单侧）
—
Φ9.96
Φ10（H7）
精铰孔
0.02（单侧）
H7
Φ10（H7）
表62×Φ8（H7）孔
加工表面
加工方法
加工余量
公差等级
工序尺寸
2×Φ8（H7）
钻孔
4.9（单侧）
—
Φ7.8
2×Φ8（H7）
粗铰孔
0.08（单侧）
—
Φ7.96
2×Φ8（H7）
精铰孔
0.02（单侧）
H7
Φ8（H7）
3.2选择加工设备
由于生产类型为中批生产，故加工设备宜以采用通用机床为主，辅以少量专用机床。
其生产方式为以通用机床加专用夹具为主，辅以少量专用机床的流水生产线。
工件在各级床上的装卸及各机床间的传送均由人工完后。
粗精铣宽度为Ф40mm的上下平台和宽度为30mm的平台。
考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题，采用立铣，选择X5012立式铣床，刀具选D=2mm的削平型立铣刀,专用夹具、专用量具和游标卡尺。
粗精铣宽度为Φ30mm的凸台表面。
采用X5012立式铣床，刀具选D=2mm的削平型铣刀，专用夹具、专用量检具和游标卡尺。
钻孔Ф25（H9）使尺寸达到Ф23mm。
采用Z535型钻床，刀具选莫氏锥柄麻花钻（莫氏锥柄2号刀）D=23mm，专用钻夹具，专用检具。
扩孔钻钻孔Ф25（H9）使尺寸达到Ф24.8mm。
采用立式Z535型钻床，刀具选D=24.7mm的锥柄扩孔钻（莫氏锥度3号刀），专用钻夹具和专用检具。
铰孔Ф25（H9）使尺寸达到Ф25（H9）。
采用立式Z535型钻床，刀具选D=25mm的锥柄机用铰刀，并倒1×45°的倒角专用铰夹具和专用检量具。
钻Φ10（H7）的内孔使尺寸达到Φ9.8mm。
采用立式Z518型钻床，刀具选用D=9.8mm的直柄麻花钻，专用的钻夹具和量检具。
扩Φ10（H7）内孔使尺寸达到Φ9.96mm。
采用立式Z518型钻床，刀具选用D=10mm的直柄机用铰刀，专用夹具和专用量检具。
精铰Φ10（H7）内孔使尺寸达到Φ10（H7）mm。
采用立式Z518型钻床，选择刀具D=10mm的精铰刀，使用专用夹具和量检具。
钻2×Ф8（H7）的小孔使尺寸达到7.8mm。
采用立式Z518型钻床，刀具选用D=7.8mm的直柄麻花钻，专用钻夹具和专用检量具。
扩2×Φ8（H7）小孔使尺寸达到Φ7.96mm。
采用立式Z518型钻床，选择刀具为D=8mm直柄机用铰刀，使用专用夹具和专用量检具。
精铰2×Φ8（H7）小孔使尺寸达到Φ8（H7）。
采用立式Z518型钻床，选择刀具为D=8mm的直柄机用铰刀，使用专用的夹具和专用的量检具。
3.3加工余量、切削用量、工时定额的确定
工序二：
粗精铣Φ40上下端面和宽度为30的平台面。
粗铣Φ40上下端面和宽度为30的平台面；
工件材料：
HT20-40，铸造；
加工要求：
粗铣φ40上下端面和宽度为30的平台面；
机床：
X5012立式铣床；
铣削深度：
因为切削量较小，故可以选择ap=3.0mm，一次走刀即可完成所需长度。
据X5012铣床参数，选择nc=188r/min,实际切削速度Vc=3.14×160×188/1000=40m/min=94.5mm/s，根据X5012立式铣床工作台进给量,选择fM=190mm/min，最终确定ap=3.0mm，nc=190r/min，Vc=5.67m/min，fz=1.01mm/r，计算基本工时Tj=（l+l1+l2）/fM=0.492s。
精铣Φ40上下端面和宽度为30的平台面。
铣削深度：
因为切削量较小，故可以选择ap=1.0mm，一次走刀即可。
每齿进给量：
机床功率为4.5kw，fz=0.15~0.30mm/z，选较小量fz=0.18mm/z。
据X5012铣床参数，选择nc=188r/min,根据X5012立式铣床工作台进给量,选择fM=190mm/min，最终确定ap=1.0mm，nc=190r/min，Vc=5.67m/min，fz=1.01mm/r，计算基本工时Tj=（l+l1+l2）/fM=0.492s。
工序三：
粗精铣Φ30凸台面。
粗铣凸台面；
机床:
X5012立式铣床；
铣削深度:
可以选择ap=3.0mm，一次走刀即可完成所需长度；
机床功率为4.5kw,fz=0.15~0.30mm/z，由于是对称铣，较小量fz=0.18mm/z，据X5012铣床参数，选择nc=188r/min,则实际切削速度Vc=3.14×160×188/1000=40m/min=94.5mm/s,根据X5012立式铣床工作台进给量,fM=190mm/min。
最终确定ap=3.0mm，nc=190r/min，Vc=5.67m/min，fz=1.01mm/r，基本工时Tj=（l+l1+l2）/fM=0.478s。
精铣凸台面；
确定ap=1.0mm，nc=190r/min，Vc=5.67m/min，fz=1.01mm/r，基本工时Tj=（l+l1+l2）/fM=0.478s。
工序四：
钻、扩、粗铰、精铰Φ25（H9）mm孔。
钻Φ25（H9）孔；
钻孔余量为23.0mm，扩孔的余量为1.8mm，粗铰的余量为0.14mm，精铰的余量为0.06mm。
进给量的确定:
由课程设计指南选取该工步的实际每转的进给量为f=0.4mm/r。
参照课程设计指南所列Z535型立式钻床的主轴转速，取实际转速n=250r/min，再将此转速代入公式：
n=1000V/πd便求得该次工序的实际钻削速度为：
V=πnd/1000=250×π×23/1000=18m/min，由课程设计指南表2-26，钻孔的基本时间可由公式Tj=L/fn=（l＋l1＋l2）/fn求得。
其中1=40mm，l2=1mm，L1=（D×cotkr）/2＋（1～2）=（7.8×cot56）/2＋（1～2）=3.6mm，f=0.3mm/r，n=1000r/min将上述结果代入公式，可得到该公序的基本时间：
Tj=（40mm＋3.6mm＋1mm）/（0.4mm/r×250r/min）=27s。
扩钻Φ25（H9）孔；
进给量的确定:
由课程设计指南选取该工步的每转进给量为f=1.2mm/r。
切削速度的计算:
由课程设计指南初选切削速度为V为4m/min。
由公式：
n=1000V/πd可求得该工序的钻头转速n=51.35r/min，参照课程设计指南所列Z535型立式钻床的主轴转速，取转速n=47r/min，再将此转速代入公式：
n=1000V/πd便求得该死工序的实际钻削速度为：
V=πnd/1000=3.6m/min，Tj=（40mm＋3.6mm＋1mm）/（1.2mm/r×47r/min）=47s。
粗铰Φ25（H9）孔；
进给量的确定:
由课程设计指南选取该工步的每转进给量为f=0.8mm/r。
参照课程设计指南所列Z535型立式钻床的主轴转速，取转速n=63r/min，再将此转速代入公式：
n=1000V/πd便可以求得该次工序的实际钻削速度为：
V=πnd/1000=63×π×25/1000=4.95m/min，Tj=（40mm＋3.6mm＋3mm）/（0.8mm/r×63r/min）=55s。
精铰Φ25（H9）孔；
进给量的确定:
由课程设计指南选取该工步的每转进给量为f=0.6mm/r。
参照课程设计指南所列Z535型立式钻床的主轴转速，取主轴转速n=80r/min,再将此转速代入公式：
n=1000V/πd便求得该次工序的实际钻削速度为：
V=πnd/1000=80×π×25/1000=6.28m/min，Tj=（40mm＋3.6mm＋5mm）/（0.6mm/r×80r/min）=61s。
钻、粗铰、精铰2×Φ8（H7）mm孔；
钻2×Φ8（H7）孔，参考文献并参考Z518机床主要技术参数，取钻2×Ф8（H7）孔的进给量f=0.3mm/r,初选钻2×Ф8（H7）孔的切削速v=0.435m/s=26.1m/min,按机床实际转速取n=1000r/min，则实际切削速度为v=3.14×1000/1000m/min≈22m/min，Tj=（15mm＋3.6mm＋1mm）/（0.3mm/r×1000r/min）=4.2s
粗铰2×Φ8（H7）孔；
f=0.3mm/r，n=750r/min将上述结果代入公式，可得到该公序的基本时间：
Tj=（25mm＋1.046mm＋3mm）/（0.3mm/r×450r/min）=12.9s，V粗=1/2V钻=1/2×22m/min=11m/min。
精铰2×Φ8（H7）孔；
参考文献并参考Z518机床主要技术参数，取铰孔的进给量f=0.3mm/r,参考文献得：
铰孔的切削速度为v=0.3m/s=18m/min。
由此算出转速：
n=1000v/πd=1000×18/3.14×8r/min=717r/min，按照机床的实际转速n=720r/min。
则实际切削速度为：
V=πdn/1000=3.14×8×720/1000m/min=18m/min。
Tj=（15mm＋1.046mm＋5mm）/（0.3mm/r×720r/min）=5.8s
钻、粗铰、精铰Φ10（H7）mm孔；
钻Φ10（H7）孔，由机械制造工艺设计简明手册，并参考Z518机床主要技术参数，取钻Ф10（H7）孔的进给量f=0.3mm/r,初选钻Ф10（H7）孔的切削速度v=0.435m/s=26.1m/min,由此算出转速为:
n=1000v/πd=1000×26.1/3.14×9.8r/min=848.17r/min，按机床实际转速取n=900r/min，则实际切削速度为v=3.14×900×9.8/1000m/min≈27.7m/min，Tj=（25mm＋1.046mm＋1mm）/（0.3mm/r×900r/min）=6S。
粗铰Φ10（H7）孔；
参考文献并参考Z518机床主要技术参数，取孔进给量f=0.3mm/r,参考文献得：
切削速度为（1/2-1/3）V钻，故:
V=1/2V钻=1/2×27.7m/min=13.8m/min,由此算出转速:
n=1000v/πd=1000×13.85/3.14×9.96r/min=442.9r/min,取机床实际转速n=450r/min。
Tj=（25mm＋1.046mm＋3mm）/（0.3mm/r×450r/min）=13S
精铰Φ10（H7）孔；
参考文献并参考Z518机床主要技术参数，取铰孔的进给量f=0.3mm/r,参考文献得：
铰孔的切削速度为v=0.3m/s=18m/min。
由此算出转速：
n=1000v/πd=1000×18/3.14×10r/min=573r/min,按照机床的实际转速n=600r/min。
则实际切削速度为：
V=πdn/1000=3.14×10×600/1000m/min=18.8m/min,Tj=（25mm＋1.046mm＋5mm）/（0.3mm/r×600r/min）=12S。
4SLP布置杠杆加工车间
合理的加工车间布置，有助于降低生产成本，提高生产效率，提高设备利用率，确保生产系统的长期高效运作。
4.1杠杆加工车间现状分析
由设计题目可知生产类型为轻型铸件中批量生产，应将加工车间按成组原则布置。
作业的专业化程度较一般，在中批量生产条件下，设车间占地面积为600平方米，现有员工20人，杠杆产量为10000件/年，毛坯质量8KG，清洗后7.5KG，经铣后7KG，经Z535钻后6.5KG，经Z518钻后6KG，包装后7.5KG。
现有作业单位如下表：
表7杠杆加工车间作业单位
序号
设备名称
备注
1
原材料室
存放原材料
2
清洗组
清洗待加工零件
3
X5012立式铣床
机加工设备
4
立式Z535型钻床
机加工设备
5
立式Z518型钻床
机加工设备
6
检验
抽检产品尺寸、性能规格
7
包装区
包装成箱
8
成品库
成品存放
4.2加工车间物流分析
杠杆加工车间加工设备间存在大量的物流活动，对于直接分析杠杆加工车间的大量物流数据比较繁琐复杂，所以SLP中将物流强度转化为五个等级，分别用A、E、I、O、U来表示。
它分别代表超高物流强度、特高物流强度、较大物流强度、一般物流强度和可忽略搬运五种物流强度。
绘制成下表8所示：
表8物流强度等级比例划分表
物流强度等级
符号
物流路线比例（%）
承担物流量的比例（%）
超高物流强度
A
10
40
特高物流强度
E
20
30
较大物流强度
I
30
20
一般物流强度
O
40
10
可忽略搬运
U
通过加工工艺路线，确定主要物流路线的物流强度并划分物流强度等级。
详细见下表：
表9主要作业单位对物流强度汇总表
序号
作业单位对
物流强度
物流强度等级
1
1-2
8
A
2
2-3
7.5
E
3
3-4
7
E
4
4-5
6.5
I
5
5-6
6
O
6
6-7
6
O
7
7-8
7.5
A
为了能够简单明了的表示所有作业单位之间的物流相互关系，下面绘制杠杆加工车间作业单位间的物流相关表，见表10。
在进行车间布置时，物流相关表中物流强度等级高的作业单位之间的距离应尽量缩小，而物流强度等级低的作业单位之间的距离可以适当加大。
表10杠杆加工车间作业单位间的物流相关表
4.3加工车间非物流分析
在考虑加工车间设施规划问题时，不仅只有物流关系这一影响因素，非物理关系也占有一定影响。
4.3.1作业单位相互关系的非物流因素及非物流相互关系等级划分
在SLP分析中，产品P、产量Q、工艺过程R、辅助服务部门S及时间安排T是影响车间布置的基本要素。
划分作业单位间相互关系密切程度的典型非物流影响因素有以下几类：
作业流程的连续性，物料搬运，管理方便，使用相同的设备，管理方便。
通过调查并综合上述理由之后，得到各作业单元之间的非物流关系如表11所示。
表11杠杆加工车间非物流强度汇总表
序号
作业单位对
（物流路线）
非物流密切
程度等级
1
1-2
O
2
2-3
O
3
2-6
E
4
3-4
I
5
3-5
O
6
3-6
E
7
4-5
A
8
4-6
E
9
5-6
E
10
6-7
I
表中没有列出的作业单位对之间的非物流密切程度等级为U级，加权值为
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