浅谈壳体设计与加工成本

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、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，Φ0.05位置度，必须高精度加工中心加工，Φ0.08可以使用二流加工中心，Φ0.15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Φ10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长度450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

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

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

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

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

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

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：

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

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。

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。