基于注塑工藝的汽車零部件成本分析

趙振家，趙明楠，嚴玉廷

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

前言

在汽車工業落實節能減排，推進綠色發展的背景下，“以塑代鋼”已成為汽車輕量化設計的重要手段之一。由于塑料密度遠低于金屬密度，再結合其易成型、耐腐蝕等優點，其在汽車的應用比例越來越大。一些車型已將翼子板、尾門等零件實現塑料化并獲得市場消費者認可。隨著車用塑料的種類及重量越來越多，掌握塑料產品上下游產業鏈以及合理地進行成本分析對企業成本控制策略變得尤為重要。

注塑工藝作為塑料成型的重要工藝之一，在汽車的眾多零部件中均有應用，常見注塑產品如下表1所示。為對汽車注塑產品進行合理的成本分析，本文先介紹了注塑工藝概況，并基于注塑工藝建立了成本分析模型，這對企業開展成本分析、采購議價等工作具有一定的參考意義。

表1 汽車常見注塑零件

1 注塑工藝概況

1.1 工藝流程

圖1 注塑工藝流程及設備示意圖

注塑成型是指利用注塑機將融化的塑料快速注入閉合的模具內，使之冷卻固化、開模后得到成型產品的方法。注塑成型是一個循環的過程，其流程及使用的設備如下圖1所示。

1.2 注塑機選型

生產過程中，選用合適的注塑機不僅有助于合理地控制產品成本，也避免了因采用較大噸位機型帶來的能源及材料浪費。對注塑機噸位選擇一般歸納為“射得滿、鎖得住、放得下、取得出”4大判定標準[1]。

（1）射得滿

注塑能力是根據注塑機的最大注塑量而考慮，即“射的滿”。一般要求注塑機注塑能力≥產品質量×模腔數量/0.75。

（2）鎖得住

鎖模力是指合模后以抵抗熔融塑料進入模腔產生的模腔壓力，防止模具閉合不嚴，造成漏膠、飛邊等不良現狀，即“鎖得住”。要求注塑機鎖模力≥產品分型面投影面積×模腔數量×材料鎖模力常數。

（3）放得下

模具外形尺寸應小于注塑機工作臺面的有效尺寸，即“放得下”。一是模具長寬方向至少有一個方向的尺寸＜水平方向拉桿內間距；二是注塑機最小模厚≤模具厚度≤注塑機最大模厚。

（4）取得出

開模行程是保證產品從注塑機取下的重要參數，一般產品深度×3.5≤開模行程來校核。

通過上述判定標準選出來的注塑機可視為最理想生產的注塑機，并作為成本分析的參考依據。實際生產中，由于產品種類差異大，零部件生產企業不可能購買全部型號設備，往往存在注塑機噸位偏大的情況，因此，在各個階段計算成本分析時應結合實際情況來進行。

1.3 注塑周期

產品的注塑周期不僅對生產運行效率至關重要，且對汽車零部件成本控制也發揮重要的作用，而在實際生產中，企業經常通過優化注塑周期來實現成本的管控。注塑產品評估隨著項目進行具有動態變化的特點，各個階段在實際進行成本分析工作時，前期可通過類似產品進行評估，并積累經驗數據庫，也可通過模流分析進行評估；項目中期通過實際生產狀況來進行計算，并與不同階段做對比，提供數據參考，修正經驗模型；項目后期或競品分析時則可通過類似產品進行經驗評估。為了科學地計算注塑成型周期，并通過理論來指導實際生產，本文依據注塑工藝流程，將整個注塑成型周期歸納為注塑時間、保壓時間、冷卻時間、開合模時間，具體計算方法如下：

（1）注射時間

注塑時間根據產品材料性質，產品形狀及質量要求而定，它與注射壓力、注射速率、螺桿轉速、背壓及溫度等許多因素有關。注射時間估算方法見公式1：

Ti：注射總時間，s；

K1：成型熱膨脹系數，參考材料物性表；

M：射膠總量（（單件產品重量×模穴數量+流道、料頭重量）/材料利用率）；

ρ：材料密度，g/cm3；

K2：射出速率系數，一般取0.2～0.5；

V：注塑機最大射出速度，cm3/s。

（2）保壓時間

保壓時間為從模腔充滿后開始，到保壓結束為止所經歷的時間。保壓時間受材料收縮率以及產品尺寸和變形要求等因素影響。保壓時間計算方法見經驗公式2。這里保壓時間主要和產品壁厚相關，實際調工藝參數是針對不同的零件可通過螺桿位置來進行保壓，即保壓時間為0s。為提升公式準確性，可通過對同類產品積累的經驗數據來不斷修正、完善模型。

Th：保壓總時間，s；

D：產品壁厚，mm。

（3）冷卻時間

注塑件的冷卻時間占整個成型周期的比例為50%以上，一定程度上決定了整個成型周期。影響冷卻時間的因素較多，如產品形狀、壁厚，模具材料、水路排布、走向以及冷卻液流量，塑料種類、熔膠溫度、模具溫度、材料熱變形溫度等。結合實際經驗見擬合公式3[2]：

TC：冷卻時間，s；

α：塑料熱擴散系數，mm2/s；

Tc：熔膠溫度，℃；

Tm：模具溫度，℃，參考材料物性表；

Tx：熱變形溫度，℃，參考材料物性表。

（4）開合模時間

開合模的時間受機臺噸位、模具結構、機械手取件等因素影響，一般按不同噸位機臺進行統計。為了提升生產效率，往往通過在開模頂出時機械手同步進行取件動作，合模時模具同步復位。歸納經驗公式4如下，并通過不斷積累生產數據對其修正，以提高適應性及準確性。

TO：開合模時間，s；

X：注塑機機臺噸位。

1.4 注塑模具

注塑產品的生產離不開模具，汽車注塑產品模具的種類及結構因產品不同而千差萬別，加之不同企業對模具的材料、結構、質量等要求不一等因素，為評估模具價格帶來了諸多的不確定性。

圖2 模具價格構成圖

一般而言，模具價格構成如圖2所示。對注塑模具進行成本估算的方法主要有四類：工時法、按模具材料費估算（工料比法、重量法）、類比法、成本法[3]。在實際進行成本分析工作時，為了更好的評估模具價格，通常采用多種方法相結合來進行。首先對產品尺寸、模具結構復雜程度、產品表面特征及精度等參數進行評估，確定模具大小、材料及標準件品牌等初步方案，通過工時法、按模具材料費法，進行模具價格估算，最后依據類比法對模具價格進行對比修正評估出最終的模具價格。模具價格評估是一項需要較強綜合能力的工作，評估人員需對產品、模具結構以及上下游產業鏈熟悉，這給非工程人員進行成本分析工作帶來了一定的難度。未來，隨著CAD/CAM/CAE/CIMS和同步開發系統的不斷進步以及模具標準件的市場化透明化，通過研發商業化的模具價格計算軟件來實現對模具價格計算，進而解決這一難題。

2 成本分析模型

對汽車注塑類產品成本主要包括材料費、設備折舊費、工裝費用、能源動力費、人力費、場地費以及其他等費用。

2.1 材料費用

注塑產品材料費用主要包括注塑材料費、澆口及流道費、試模材料費，因更換材料或顏色必要的洗料筒材料費。產生的廢料可作為回收或出售，計算方法見公式5：

Cmaterial，材料成本，元；

M1，產品重量，kg；

Pmaterial1，材料單價，元/kg；

ηmaterial，材料利用率，%；

M2，產生廢料重量，kg；

Pmaterial2，廢料單價，元/kg。

2.2 設備分攤費用

注塑過程按特點及自動化程度不同所需設備不同，主要使用設備包括注塑機、模溫機、干燥機、機械手、輸送線等。設備分攤計算方法如公式6：

Cequip.，設備費用分攤，元；

Pequip.，設備購買價格，元；

Yequip.，設備折舊年限，一般為10年；

12，指每年工作月數為12個月；

Dequip.，設備每月運行天數，一般取21.75天；

Hequip.，設備每日工作小時數；

3600，指每小時換算為3600秒；

ηequip.，設備工作效率，%；

Tstd.，注塑成型周期，s。

2.3 工裝費用

注塑產品所需要的工裝一般分為三類即模具、夾具、檢具。分攤成本以模具費最多，在進行模具分攤時，應結合產品模具費用是否單獨支付及分額比例等情況。計算方法見公式7：

Cmold，工裝分攤成本，元；

Pmold，工裝價格，元；

Nmoldlife，設計壽命或約定攤銷次數。

2.4 能源動力費

能源動力費主要指設備所使用的電費，計算方法見公式8：

Cequip.，能源動力費，元；

Pequip.，設備額定功率，主要指注塑機功率，適用時包括模溫機、機械手、傳輸帶的功率，kW；

λequip.，設備平均功率系數，%；

1，為設備工作1小時；

Penergy為當地用電單價，元/kWh；

2.5 人工費用

注塑生產中所用人員通常用來支持換模、調工藝、修飛邊、包裝、運輸及檢驗等工作。人工費用計算見公式9：

Clabor，人工費用，元；

Plabor，工人月工資，元/月；

Dlabor，工人月工作天數，天；

Hlabor，工人日工作小時，h。

2.6 場地費用

注塑生產過程所必要使用場地主要包括原材料占地、注塑機及輔助設備占地，機械手及運輸線占地等。計算方法見公式10：

Crent，場地費用，元；

Sequip.，設備占地面積m2；

Prent，場地折舊費或租金，元/m2·月。

2.7 其他費用

其他費用主要包括后處理費用、包裝、運輸費用、期間費用以及利潤等費用。

汽車注塑類零部件通常并不只有注塑一種工藝，注塑工藝完成后依據不同產品繼續通過其他工藝（噴涂、水轉印、包覆、電鍍等）來完成最終產品，因此，還須結合其他工藝費用來核算產品原價。

包裝多為循環式料架等，可按使用壽命進行折舊計算；現汽車生產為訂單拉動式生產，運輸費用通常按實際情況統一結算，可根據運輸公里×運輸單價來進行評估。

期間費用是指不能直接歸屬于某個特定產品成本的費用。主要包括管理費用、財務費用、銷售費用。進行成本分析按一定比例計算即可，一般為制造費用的5%～10%。

利潤通常按完全成本費用的一定比例計算，注塑行業一般為10%～30%。

3 結語

成本分析對企業生產各項工作的重要性不言而喻，科學合理的成本核算方法能夠準確的分析汽車零部件的各項成本。本文基于注塑工藝流程建立了成本分析模型，該模型可以用于產品開發各個階段的成本分析，項目前期可指導采購議價，項目中期可支持成本變化評估，項目后期可支持競品及VAVE等工作。此外，成本分析模型的運用離不開相關的數據積累，圍繞工藝模型不斷建立材料、設備、人工、場地、模具、工時等相關數據庫，不斷優化模型，才能夠更科學合理地對產品進行分析。