2-3毕业设计说明书参考样本(气缸盖工艺性改进设计).doc

江西农业大学毕业设计说明书分类号： 学校代号： 2003届本科毕业生毕业设计说明书Technologicle improvement design of NJ385s air cylinder cover设计成员：黄 明 智 胡 梁指导老师：董 晓 兰申请学位级别：工程学士 学位授予单位：江西农业大学设计日期：2003年5月前 言生产设备陈旧，技术落后，生产效率低，设备的通用性差，是我国国有企业普遍存在的问题，也是阻碍我国国有企业发展的一大因素。在现阶段的国有企业改革当中，特别是在中国加入世界贸易组织（WTO）之后，如何合理、有效地解决上述问题就显得尤为迫切。引进先进生产设备，对产品的生产工艺进行改进，是提高生产效率的重要环节，也是提高国有企业市场竞争力的主要手段之一。汽车工业是一个国家科学技术发展水平的重要标志，是一个资金密集、技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。世界各个工业发达国家几乎无一例外地把汽车工业作为国民经济的支柱产业。汽车的研制、生产、销售、营运，与国民经济许多部门都息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起着重要的推动作用。汽车也是社会物质生活发展水平的标志。汽车的保有量随着国民人均收入水平的提高而增加。在许多发达国家中，汽车的数量很多并已普及到千家万户，促使人的社会生活方式发生显著的变化。改革开放以来，特别是在近几年，我国的汽车制造工业发展迅速。但是，由于同样存在着设备陈旧，技术落后，生产效率低，设备的通用性差等问题，我国的汽车制造工业与世界发达国家的汽车制造工业相比，还有着一段较大的差距。发动机是汽车的重要组成部分，历来被称为汽车的“心脏”。世界各个著名汽车生产厂商的发动机生产几乎都是采用柔性制造系统（FMS）。这也是当今世界各国工业发展的必然趋势和方向。在指导老师董xiao兰的带领下，我们毕业设计小组对江铃汽车有限公司进行了多次实地参观、调查，获得了大量的数据和资料。经过反复地认真思考，我们决定对江铃NJ385柴油发动机气缸盖的工艺性进行改进设计。我们以柔性生产线为最终目标，从生产设备，生产的自动化程度，产品工艺性等方面进行了改进。改进之后，生产线最大的特点就是柔性强，生产效率比以前有较大提高。在设计过程中，我们设计小组得到了董晓兰老师和江西农业大学工学院相关老师的悉心指导，以及江铃汽车有限公司制造部陈怀德部长等有关人士的大力支持和帮助，在此一并致谢。由于我们的知识和经验有限，同时时间也很紧张，设计中一定有不妥之处，错误在所难免，欢迎各位老师批评指正。 编者：黄明智 胡 梁 2003年5月目 录 前言第一章 调查与分析1一、NJ385气缸盖传统加工生产线的简介 1 NJ385气缸盖生产线现状 1 工艺方案调整原则 1 二、柔性制造系统的简介 1 柔性制造系统的特征 1 柔性制造系统的发展及涉及的主要领域 2 柔性制造系统的优越性 4第二章 设计过程 6 一、工艺投入分析 6 二、流水线的组织 7三、输送装置的选择与设计 8四、工艺过程 10附件（工序卡）附图（工艺图）设计总结 13参考文献 14第一章 调查与分析一、NJ385气缸盖传统加工生产线的简介 NJ385气缸盖生产线现状我们设计小组先后对现NJJ385气缸盖生产线进行了多次实地调查。经过调查，现NJ385气缸盖生产线采用通用设备与专用设备相结合的工艺方案，主要由转盘铣床、双面铣床、立式钻床、摇臂钻床、立式铣床、专用机床组成。产品加工生产均靠工人手动操作进行，其生产能力为年产4000台。现生产线劳动强度大，产品质量人为因素较大，不利于保证产品质量。 工艺方案调整原则根据公司战略要求，发动机生产以柔性加工为主，少批量多品种，共线生产，快速切换。因此NJ385发动机气缸盖工艺方案需以柔性加工设备为主，利于多品种共线生产，产品质量较现在要有较大幅度提高。二、柔性制造系统的简介 柔性制造系统的特征FMS是由中央电子计算机自动控制的工艺和辅助设备、工具和仪表、运输装置、仓库业务以及数个柔性制造单元（FMC）等集成的一个系统。所谓柔性制造单元（FMC），是指一种以数控机床或加工中心为主体的高度自动化的加工单元，其材料、工件的传递装卸和加工过程都在计算机控制下自动进行。FMS能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整、适用于多品种、中小批量生产。它的最大优点是高度的柔性。由于改换加工批量时机器的调整时间很短，所以可以大大减小加工批量；同时还可以加工很宽的产品线，从而获得接近自动加工线的优越性能。FMS可以完成生产一组或若干组零件所必须的性质不同的工艺工序。在这种系统中，调整设备不必中断生产，它是借助于电子计算机中的程序自动实现的。因此，在小批甚至单件生产条件下，也可以获得较好的经济效益。总的来说，FMS具备下面一些特点：从硬件的形式看它由3部分组成： 两台以上的数控机床或加工中心以及其它的加工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等等； 一套能自动装卸的运储系统，包括刀具的运储和工件原材料的运储。具体结构可采用传送带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上下料托盘、交换工作站等； 一套计算机控制系统。包括主控计算机系统、监控系统、通信系统等；从软件内容看主要包括： FMS的运行控制； FMS的质量保证； FMS的数据管理和通讯网络；从FMS的功能看它必须是： 能自动进行零件的批量生产； 简单地改变控制指令、便能制造出某一零件族的任何零件； 物料的运输和储存必须是自动的（包括刀具、工装和工件）； 能解决多机条件下的零件混合加工，且无须额外增加费用；图11所示为一柔性制造系统的配置图。图11 柔性制造系统配置图 柔性制造系统的发展及涉及的主要领域柔性制造系统（FMS）是为解决多品种、中小批量生产效率低、周期长、成本高及质量差等问题而出现的，而且由于社会经济发展的需要和科学技术发展提供的可能，FMS早在80年代后期就已进入了实用阶段，形成了高技术产业。FMS在进入实用阶段后不仅没有停滞或被取代，反而正在迅速发展。1989年美国未来技术预测有限公司（FTS.INC）对美国FMS市场进行了调查和预测。其结果是1990年美国FMS交易额为1.21亿美元，1991年为1.33亿美元，1992年和1993年分别为1.46和1.61亿美元。平均年增长率为10%；1991年Frosr & Sullivan公司提交了一篇长达230页的FMS市场调查报告说，尽管FMS价格昂贵，但其销售额仍在增长。报告说1990年美国FMS市场销售总额达2.26亿美元，预计1995年可达5.59亿美元；1991年5月制造自动化新闻报道了欧洲1992年FMS市场预测。预测认为，欧洲1992年FMS市场交易额将从1990年的8.25亿美元跃至30亿美元。这数字虽因统计的方法没有统一规定，各公司间相互差异较大，但从发展趋势来看却是完全一致的，均呈增长态势。另外，据1993年9月在德国汉诺威举办的第十届金属加工机床博览会（93EMO）参展情况报道，共有279家公司的321个展台展出了回转零件FMS，棱体类零件FMS，锻造加工FMS，焊接、热处理、抛光等FMS以及柔性装配系统等柔性制造设备和技术；还有近300个展台展出了与 FMS有关的工具、工具识别监视、系统诊断、数据处理系统以及生产计划管理软件等展品。总之，无论是从市场交易还是博览会展出情况都可看出FMS仍在迅速发展。由于单元控制系统是FMS的神经中枢，也是CIMS的重要组成部分，是CIMS中生产实施的执行机构，所以国内外制造行业在单元控制系统的理论和技术研究方面投入了大量的人力物力，因此单元控制技术发展迅速。特别是在80华代中后期，随着计算机技术的进一步发展以及人工智能技术的发展与应用，FMS控制技术无论是软件还是硬件均有突飞猛进的发展。这一发展主要表现在以下几个方面：不断推出新型控制软件随着FMS的发展，特别是CIMS的发展，FMS控制软件发展很快，无论是制造商还是应用厂商都在不断地推出或引进新的单元控制软件。例如西屋电气公司的一种用来监督和控制FMS制造单元的新型软件Unicell，这是一种数据驱动的单元控制软件；还有亚瑟安德森（Arthur Anderson）公司的CELLPAC软件包，它是一种具有开放结构的单元生产活动控制软件包。控制软件的模块化、标准化为了便于对柔性制造控制软件进行修改、扩展或集成，控制软件模块化、标准化已成为FMS控制系统的主要发展趋势，现在美国国家标准局期望这项技术能够吸引美国3万个小型生产厂商。新型软件的开发工具迅速发展新型软件开发工具已成为控制系统发展的瓶颈，因此一些软件公司不断推出一些称之为“平台”的支持开发工具，帮助用户来完成自己的工程项目设计和实施。例如ITP软件有限公司推出的Mainstream应用软件开发平台产品，还有HP公司的HPIPT，Fastech公司的Cell Works，DEC公司的Basestar，IBM公司的Plant Works，Hilco公司的Monitrol等。积极引入设计新方法为提高控制系统的正确性和有效性，人们在不断开发新型控制软件，发展软件开发工具的同时，还积极引入设计新方法。例如面向对象（00）方法。发展新型控制体系结构FMS控制系统的体系结构早期参照传统的生产管理方式采用集中式分级递阶控制体系结构。这种结构，控制功能的实现比较容易，但顶层控制系统出现故障时FMS将全部瘫痪，所以FMS控制系统逐渐发展为多级分布控制体系结构。这种控制结构虽然易于实现各种控制功能，可靠性也比较高，但由于控制层数比较多，工作效率和灵敏性则相对比较差。所以又发展出非递阶或自治协商式控制体系结构。这种控制结构虽然还是采用分布控制，但响应速度快、柔性好。这种控制结构非常适合于开始先安装一个或几个小型的易于管理的柔性制造单元，然后再集成单元之间的信息流和物流的分步实施方法。大力开发应用人工智能技术FMS控制系统功能的增强除了本身控制技术的发展外，还有一个重要原因，那就是人工智能CAD技术和专家系统在控制、检测监控和仿真等单元控制技术中的广泛应用。FMS的系统规模减小，并发展标准单元美国未来技术预测公司发表的“柔性制造系统预测”报告中预言：FMS将由“大型复杂系统向比较小的更容易管理的单元方向发展”。FMS控制系统的理论和技术涉及的领域很多，它主要包括： 生产调度理论与算法的研究它主要涉及数学规划、图论、对策论、排队论、人工神经网络方法、Petri网理论等应用数学理论及方法。计算机通信及数据技术的研究主要涉及数据通讯规范与标准、工程数据库管理技术。计算机仿真技术研究主要涉及系统建模理论、数理统计分析技术、计算机仿真管理技术。生产组织及控制模式理论和技术的研究主要涉及动态逻辑单元重构理论、多黑板结构模型的智能单元控制理论、系统扰动及再调度理论和技术、JIT技术、开放式体系结构等。制造资源控制管理理论和技术的研究主要涉及刀具管理理论及技术、加工设备的实时调度技术、物料储运系统如AGV、立体仓库等的控制技术。系统运行性能评价的理论研究。主要涉及系统投资评估理论，调度算法评价指标体系等。 柔性制造系统的优越性与传统的加工生产线相比，柔性制造系统具有以下优点：加工精度高，闭环控制，机床精度高；加工质量稳定性好，可靠性高；尤其适合预期改变的设计，如研究试制零件的生产，仅需少量改动软件，即可完成任务；多种加工可集中完成；根据国外应用FMS的实践经验，其经济效益十分显著：提高劳动生产效率1.54倍；每昼夜设备负荷至少可达到1720h；增加产量30%以上；零件准备和生产时间缩短30%；生产面积减少20%40%，设备减少20%50%，工人减少40%50%，基建投资回收期为1.53年。柔性制造系统作为一项新技术和生产管理方法已显示出强大的生命力，它对企业管理改革的影响是极其深刻的。因为FMS的推广和应用，不仅是技术问题，不单纯是要求运转的全部机器设备精确协调地工作，而且要求所有的环节（如产品设计、计划、生产、经营管理活动）也要精确协调地工作。因此，企业管理的变革必须与生产自动化实现同步化，使企业的生产活动和经营管理走上全面现代化的道路。其发展的目标是以计算机系统为基础，以柔性制造系统FMS为核心，使设计、加工工艺、生产制造和经营管理组合成一个有机整体的计算机集成制造系统。表11 柔性加工生产线与传统加工生产线的比较（以NJ385气缸盖加工生产线为例）：通过表11，使我们对柔性加工生产线的优越性有了一个比较直观的认识。我们设计小组也以表11为依据，研究决定从以下几个方面对NJ385柴油发动机气缸盖的工艺性进行改进设计：产品生产加工过程的改进： 生产工序的优化改进； 组织更为科学合理的生产流水线；设备的更新： 设备投入分析； 设备在已有的厂房的的合理布置；输送装置的选择设计和布局： 输送装置的基本参数和功率的计算选择； 输送装置的布局； 输送速度的计算；以上的几点是我们整个改进设计的中心，我们的设计始终围绕着这个中心进行，最终设计出一套完全区别于传统加工生产线的、具有高度柔性和较高自动化程度的全新加工生产线。由于我们的知识和经验有限，并且受到生产条件的限制，我们所设计的这条加工生产线与严格意义上的柔性制造系统的标准还有较大差距，我们只是尽最大努力使它更接近于柔性制造系统的要求，因此这条加工生产线只能称为准柔性系统（PFMS）。 第二章 设计过程本设计主要通过2台组合机床，7台钻削中心和2台摇臂钻床，并配上相应的清洗机和在线检测设备，采取输送链连接的方式，组成一条能适应该厂多种发动机气缸盖的柔性加工生产线。该加工生产线通过少量调整，还可适用于今后新产品缸盖加工生产。 一、工艺投入分析 工艺投入分析包括对工艺所须的机器厂房，人员等投入的分析。对设备的投入分析见下表。 厂房布置（如下图）设备代号名称如下：A：GHC00235组合机床；B：GHC00238组合机床；C：R600钻削中心； D：MV100立式钻削中心；E：304012（）摇臂钻床； F：R510钻削中心；G：清洗机； H：检测设备； 二、流水线的组织确定流水线的节拍和节奏 节拍是组织流水线和其他一切设计计算的出发点。节拍可用下列公式计算：计划期产量件节拍= 计划期有效工作时间min 计划期有效工作时间是指制度规定时间减去必要的停歇时间，如维修设备、更换工具、工人休息等时间。 计划期的产量包括计划出产量和预计废品量。 根据江铃公司提供的气缸盖年产量为10000只，预计废品2 %，规定每班工作8小时每日开工1班，每班规定工人有12min停歇时间，节拍计算如下： 8260（121） min 11.4711.5 min 10000250（1 2%）因为节拍较小，气缸盖的体积也小，不便于按件运输，所以应该在加工到一定数量后，成批地运输，这时我们需要计算节奏。节奏就是流水线上前后出产两批相同产品之间的时间间隔。计算公式如下：节奏 节拍运输批量 根据调查，该车间的运输批量为10只，则 节奏114.7115min确定工序同期化 工序同期化，就是使流水线各道工序的单件时间相等或成简单倍数关系。一般通过计算流水线各道工序的工作节拍可以看出工序同期化的程度。工作节拍可按下式计算：采用工作地数 工作节拍 工序单件时间min 各工序的工作节拍如果相等或接近，说明这条流水线的各道工序的生产能力是平衡的，设备利用率高，生产周期短，经济效果好；如果各道工序的工作节拍不相当或相差较大，说明流水线各道工序的生产能力不平衡，设备利用率低，会发生停顿中断现象，经济效果差，必须采取措施使工序同期化，否则不宜组织生产线。 根据调查并经过计算，我们确定各道工序工作节拍均在11.5min12min左右，符合上述条件，因此可以组织生产线。 配备工人 工作地工人需要数工作地数该工作地同时工人数工作班次数 根据调查所得数据，我们计算确定工作地工人需要数为14人次。选择运输装置和传送带(链)的计算 流水线的传送装置，一般有滚道、滑道、以及传送带等。如果采用传送带，则需要计算和确定传送带的速度和长度。公式如下： 节拍或节奏 传送带（链）速度 相邻两工作地的中心距m 传送带（链）长度2工作地长度和技术上需要的长度工作地长度之和工作地本身的长度工作地之间的距离关于该道步骤我们将在后面章节进行详细介绍。 流水线的平面布置流水线的平面布置应有利于工人操作方便，零件运行路线最短，前后工序衔接，以及充分利用生产面积。根据江铃公司所提供的产房面积，我们将流水线按下图平面布置： 三、输送装置的选择与设计 根据厂家所生产的气缸盖尺寸和实际需要，并且参照输送用平顶链和链轮国际标准ISO4348：1983，我们决定输送装置使用不锈钢侧弯平顶链。侧弯平顶链的简介名称 标准名称：侧弯平顶链 英文名称：Sideflexing Top Chain；Top ChainCurved Movement 结构特点与组成零件如图41所示，侧弯平顶链结构比较简单，仅一块两侧带铰圈的链板与一根销轴。两侧铰圈的一侧与销轴固定联结，称为固定铰圈。另一侧处在里档的铰圈与销轴活动联结，称为活动铰圈。销轴(图43)为鼓状，这是因为铰链间隙与链条的侧弯能力成正比，铰链间隙增大后会增加单个链板的铰圈孔心距与链条节距间的间距，将销轴制成鼓状，可以达到既减少铰圈孔心距与链条节距间的差距，又不降低侧弯能力的效果。活动铰圈与销轴构成了侧弯平顶链的铰链。顶板的一个侧边是对称的斜边，这样链条就可以实现侧弯动作。侧弯平顶链在弯道上运行时，链板会受到一个径向力，在此力的作用下链条在导轨上产生侧向移动，故需要在顶板下面装上防移板（如图42）。由于侧弯平顶链使用时经常要与液态物质接触，所以链板材料用不锈钢制造居多。图41 侧弯平顶链 特点与应用 侧弯平顶链因为具有侧弯能力，所以采用侧弯平顶链的输送机可以在平面内连续平稳地转弯。侧弯平顶链具有以下特点： 链条承载能力与链条本身重量的比值较小。 链条的耐磨性好。 在运转过程中，链条与导轨之间的摩擦阻力小。 输送过程中被输送物品出现翻到与跳跃的现象较少，噪声也较少。链条容易接长与截短，使用方便。 速度适应性强，能在很低的速度下工作。 输送精度高，易于实现同步输送，还可实现柔性输送。输送链的尺寸设计 我们选用的不锈钢侧弯平顶链其尺寸参数如下： （单位 mm） a.节距 p38.1； b.链板厚度 T3.2； c.销轴直径 d6.38； d.铰链中心到工作面高度 L6.4； e.链板里侧到防移板底面高度 H11.9； f.链板宽度 B190.5； g.侧弯半径 R609.6； 根据上述尺寸参数，不锈钢侧弯平顶链规格的确定过程如下： 已知条件 a.配用的输送机型式：不锈钢侧弯平顶链输送机 b.被输送的物料：发动机气缸盖 c.被输送的物料重量：18kg件 d.被输送的物料的尺寸： e.装载间隔：1个气缸盖3.3m f.板条重量：2kg块 g.链条挂数：1挂 h.输送距离：54m i.链条速度：17.2mh j.链轮齿数：12齿 k.要求选用的链节距，滚子与附件的结构：链条节距为38.1mm，k2附件，每个链节均需要安装附件，F型滚子 l.其它：润滑 通过计算或选择要确定的内容： 要求链条的节数； 驱动输送机要求的功率； 选择计算 要求链节数量（np）np540038.12122847 (节) 要求的功率p 根据上述条件以及给出的尺寸参数，预估滚子直径小于60mm，此时仅仅为输送底板箱要求的链条张力T1：T1（1814）g1000 0.150.37 KN 为输送板条自重要求的链条张力T2：板条重量（21000100）kgmT22.12054g10000.153.33 KN 计算使链条自身移动要求的张力T3 ： 若链条重量为2.4kgm,附件重量为0.06kg件，单个滚子允许承载为2 KN ,则 T32.1 2.420.06(1001000)254g10000.151.01 KN 链条输送机工作时链条承受的最大张力：FmaxT1T2T30.373.331.014.71 KN 则求得功率p1.14.7117.26010.851.75 kw四、工艺过程钻削要素 切削速度：切削速度V是指钻头主切削刃与外缘处的线速度。 V d0 n1000式中 d0 钻头外径（mm）; n 钻头或工件的转速（rs） 根据被加工零件的材料查表得 进给量：钻头或工件每转一转，它们之间的轴向相对位移，称为每转进给量f，单位为毫米转。钻头或工件相对钻头每转一个刀齿，它们之间的轴向相对位移，称为每齿进给量af,单位为毫米转。钻头或工件每秒钟内，它们之间的轴向相对位移，称为每秒进给量或进给速度vf,单位为毫米秒。它们之间的关系为： Vf n f2naf60 式中 n 钻头或工件的转速（rmin） 钻削深度：钻削深度apd02 单位为 mm 切削厚度：在垂直主切削刃在基面上投影的方向测出懂得切削层断面尺寸（mm），即acaf sinkrf sinkr2钻削中的力矩与功率 使用麻花钻头钻削中，两个切削刃同时工作。总切削力可以分为两个 大小相等，作用在两个主切削刃上的力P。每个切削刃上的力P又可分为Pt、Pa、Pr三分量（见如下图） 切向力A可由如下公式求得Pt=w f a =ks f D/4式中ks为比切削力，fz =f/2(每个切削刃进给量)，f为钻头总进给量（见下图），D为钻头直径。作用在钻头上的力矩有下式求出M=Pt D/2=ksf D2/8 总的轴向力PA=2B=2Pa(sin60)式中Pa垂直作用在切削刃上的进给力，可按下式计算Pa=k Fd/4式中k为使切削刃压入材料的比切削力（切削面积为fD/4）。如果k近似等于ks，则Pa=Pt代入PA公式中，则 PA=2 Pa =2Ptsin(60)于是 PA=Pt=Sf D如果PA与力矩有关，则可求得 PA=3.464M/D则，刀具要求的功率可按下式求出N=M w=ksfDv/4(60,000)式中S单位用N/m m2,f和D用mm,v=Dn用m/min(n=rev/min).进给需要的功率通常为总功率的1-5，因此，可以略而不计。如果考虑钻床的效率，则电动机要求功率为N=SfDv/4（60，000）铣削要素铣削中的功率消耗铣削过程比车削，钻削复杂的多但也可以按照上述比切削的原理进行计算。由于切削成锲形，必须确定其平均厚度。在大多数情况下，可以只考虑比功率消耗Vs.根据单位切削率,可以把 Vs.定义为单位时间单位功率切下材料的体积。因而Vs 通常用cm3/kWmin来量度;即表示每分钟每千瓦功率能切下的加工材料的立方厘米数.如果已知,Vs以及切削条件 ae =径向切削深度mm, ap=轴向切削深度mm, vf =工作台进给速度mm/min,便可计算出需要的功率.切削率V为V= vf ap aemm3/min需要功率为N=V/ Vs.= vf ap ae/Vs如果需要求出作用在刀具或工件上的切向率以便估算出要求的支承力,也可以用上述公式求出因为通常可以下式求出功率(vs的单位为cm3/kW min).N=Pt v/60000= vf ap ae/1000Vs式中v为切削速度,为机床效率（0.70.8）。工序的制定（详见 附表及附图） 设 计 总 结经过两个多月的时间，在我们设计小组成员的共同努力下，我们的毕业设计终于圆满完成了。记得接到课题之初，我们就通过各种途径查阅了大量的相关资料。在查阅资料的过程中，