基于特征的零件制造成本測算

李庭泰 陶建華

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

零件的制造成本作為制造過程中的重要一環(huán)。因此，快速、準(zhǔn)確的地測算對制造企業(yè)至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[1]針對模型采用壓鑄工藝的方法，創(chuàng)建了基于流程的成本計(jì)算模型來估算生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[2]通過詳細(xì)的文獻(xiàn)回顧和專家訪談，確定了成本估算智能決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用可能。文獻(xiàn)[3]針對傳統(tǒng)成本分析中分配標(biāo)準(zhǔn)單一的不足，引入了作業(yè)成本分析法。將再制造過程費(fèi)用按照作業(yè)動因進(jìn)行分配，合直接材料費(fèi)和直接人工費(fèi)，得出不同機(jī)床的再制造成本，決策者提供有效的成本信息。文獻(xiàn)[4]利用基于圖和規(guī)則的方法，詳細(xì)分析注塑模基于加工特征的加工工時估算流程，分析了加工費(fèi)、材料費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)等費(fèi)用的估算模型和方法。文獻(xiàn)[5]針對模具業(yè)定義了BOM 成本數(shù)據(jù)庫和XML 特征文檔，使用實(shí)例推理的方法對成本進(jìn)行估算。

上述研究從制造工藝流程、相似性檢索和實(shí)例推理的方法展開研究，這些方法用實(shí)例庫中大量數(shù)據(jù)作為支持，當(dāng)目標(biāo)零件與實(shí)例零件相似度比較低或?qū)嵗龓熘械臄?shù)據(jù)不夠完整時，可能導(dǎo)致無法準(zhǔn)確預(yù)測目標(biāo)零件的制造成本。本文基于特征的零件制造成本測算，深度分析制造成本影響因素并建立基于加工特征的工時計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)加工成本的計(jì)算，計(jì)算精確度高，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證。

1 特征的分類

從加工制造的角度出發(fā)。將板類零件加工特征主要分為六大類特征：槽類特征、孔類特征、凸臺特征、臺階特征、過渡特征和面特征，具體特征如圖1 所示。

圖1 加工特征分類

2 制造成本影響因素

2.1 毛坯成本

毛坯成本（C毛坯）是指未經(jīng)任何處理的材料成本，主要取決于毛坯尺寸大小和材料類型。數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

式中：V為實(shí)際毛坯體積；ρ為材料密度；t為材料單價。

2.2 加工成本

加工成本（C加工）是指完成一個零件所需的加工成本，它通常與零件加工工時相關(guān)。計(jì)算加工工時需要考慮零件的復(fù)雜程度、尺寸大小、材料特性、加工精度、加工工藝、對刀時間、換刀時間和進(jìn)/退刀時間等多種因素的影響。數(shù)學(xué)模型如下：

式中：T加為每個加工特征的加工時間；T輔為輔助時間；k設(shè)備為加工設(shè)備的工時單價。

通過MySQL 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建零件與制造資源之間的關(guān)系，如圖2 所示。將零件加工特征與刀具信息、機(jī)床、夾具通過制造資源庫E-R 關(guān)系信息聯(lián)系起來，以確定加工使用的機(jī)床工時單價k設(shè)備。

圖2 制造資源間E-R 關(guān)系圖

2.3 表面處理成本

表面處理包括噴涂、電鍍、鍍膜、熱處理和拋光等多種工藝，可以提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、功能性和耐用性，提高零件的可靠性和使用壽命[6]。當(dāng)表面處理成本（C表）以每平方米的方式計(jì)算制造成本時。數(shù)學(xué)模型如式（3）所示。

式中：S為表面處理面積；t表面為按照每平方米計(jì)算表面處理工藝單價。

當(dāng)表面處理方式按照零件重量計(jì)算制造成本時，數(shù)學(xué)模型如式（4）所示。

式中：M為零件重量；t表面為表面處理工藝單價。

2.4 熱處理成本

熱處理能夠改善材料的工藝性能和使用性能，發(fā)揮材料的潛力，延長零件的使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，消除材料內(nèi)在缺陷，降低內(nèi)應(yīng)力[7]。通常以零件重量進(jìn)行計(jì)算熱處理成本，數(shù)學(xué)模型如式（5）所示。

式中：M為零件重量；t熱為熱處理工藝單價。

2.5 設(shè)備折舊費(fèi)

設(shè)備折舊費(fèi)主要包括機(jī)床折舊費(fèi)、刀具折舊費(fèi)和夾具折舊費(fèi)。通常基于設(shè)備的原值、預(yù)計(jì)使用壽命和殘值來計(jì)算。以機(jī)床折舊費(fèi)為例，一般是從機(jī)床從投入生產(chǎn)加工到報廢不能使用這段時間上的分?jǐn)偅瑢C(jī)床折舊率記為k機(jī)折，數(shù)學(xué)模型如式（6）所示。

式中：機(jī)床折舊費(fèi)率k機(jī)折的數(shù)學(xué)模型如式（7）。

式中：J為機(jī)床設(shè)備原值；U為機(jī)床設(shè)備殘值；N為機(jī)床預(yù)計(jì)使用時間。

機(jī)床設(shè)備殘值[8]通常是機(jī)床設(shè)備原值[9]的一個固定比例。機(jī)床預(yù)計(jì)使用時間可通過機(jī)床的預(yù)計(jì)壽命、機(jī)床每天的工作時間、每次機(jī)床加工的零件數(shù)量、機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)情況綜合判斷。

2.6 其他成本

其他成本考慮主要因素，數(shù)學(xué)模型如式（8）所示。

式中：C水電為水電成本；C管理為管理成本；C人工為人工成本；C運(yùn)輸為運(yùn)輸成本。

（1）水電成本

實(shí)際的水電成本可能會受到季節(jié)、用電用水量等因素的影響，要根據(jù)企業(yè)當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)按每小時用水量進(jìn)行計(jì)算，電費(fèi)則可以按照所使用的機(jī)床的額定功率進(jìn)行計(jì)算。

（2）管理成本

管理成本一般是在制造過程中實(shí)施的管理和組織制造車間所發(fā)生的各種費(fèi)用，還包括項(xiàng)目承擔(dān)過程中的商務(wù)費(fèi)用以及其他間接費(fèi)用等。可通過零件的直接成本（材料成本、加工成本、表面處理成本、熱處理成本）的一定比例進(jìn)行計(jì)算。數(shù)學(xué)模型如式（9）所示。

式中：C直成包括材料成本、加工成本、表面處理成本和熱處理成本。

（3）人工成本

人工成本通常根據(jù)工人不同經(jīng)驗(yàn)和類別，對應(yīng)不同工時費(fèi)，包括直接人工成本和間接人工成本[10]。還包括比如管理、運(yùn)輸、維護(hù)及制造零件相關(guān)的其他人力資源成本。表1 中展示了部分工人類別的工時費(fèi)。在計(jì)算人工成本時按人工工作時間進(jìn)行計(jì)算，數(shù)學(xué)模型如公式（10）所示。

表1 人工工時費(fèi)

式中：t為工人工作時間，k人工為工時單價。

工人工作時間通常包括以下6 大部分如圖3 所示。

圖3 工人工作時間

對于人工工時單價k人工，由于操作人員擁有不同的經(jīng)驗(yàn)和技能類別，對應(yīng)的工時單價也不相同。因此，要根據(jù)具體使用的機(jī)床來匹配相應(yīng)的人工工時單價。

（4）運(yùn)輸成本

運(yùn)輸成本通常是由運(yùn)輸距離、貨物重量和體積、運(yùn)輸方式等因素綜合決定的，數(shù)學(xué)模型如式（11）所示。

式中：d距為運(yùn)輸距離；k運(yùn)為運(yùn)輸單價，可以根據(jù)不同的運(yùn)輸方式進(jìn)行設(shè)定；w貨為貨物重量；k運(yùn)為單位重量運(yùn)費(fèi)，可以根據(jù)貨物的種類和運(yùn)輸方式進(jìn)行設(shè)定；c裝卸為固定裝卸費(fèi)。

2.7 制造成本計(jì)算模型

根據(jù)企業(yè)規(guī)模、市場需求，通過上述綜合考慮了材料成本、加工成本、表面處理成本、熱處理成本、設(shè)備折舊費(fèi)、其他成本等制造成本影響因素。其中毛坯成本和加工成本是影響價格波動最關(guān)鍵的因素，數(shù)學(xué)模型如式（12）所示。

3 特征加工工時計(jì)算

3.1 面加工工時計(jì)算

在板類零件中，頂面、底面、外輪廓面特征，加工策略不相同，但可以采用相同的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算。根據(jù)客戶對加工精度要求的不同，工時估算方式也不相同。以頂面粗加工為例，數(shù)學(xué)模型如式（13）所示。

式中：?V為切削體積；D為刀具直徑；F為進(jìn)給量；p為切寬比，刀具直徑方向切削段長度與直徑之比[11]；v為主軸轉(zhuǎn)速；d為切削深度。

切削體積 ?V的數(shù)學(xué)模型如式（14）所示。

式中：s毛頂為毛坯頂面面積；l為零件頂面到毛坯頂面的距離。

粗加工是大量去除材料，半/精加工在粗加工后去除預(yù)留量。可將半/精加工的切削表面積看作加工面的表面面積，用相同模型來計(jì)算兩者的加工工時。數(shù)學(xué)模型如式（15）所示。

式中：s表為切削表面積。

3.2 槽類加工工時計(jì)算

槽類主要有通槽、盲槽、開口槽和鍵槽等；如圖4 盲槽加工先是開粗，如果刀具直徑較大，則要粗清角操作，清角加工工時采用式（15）計(jì)算；接下來是半/精加工，由于槽類半/精加工是對每個面單獨(dú)加工處理，工時計(jì)算的原理和方法是類似的，因此采用式（15）計(jì)算；對于通槽、開口槽、鍵槽等和盲槽工時計(jì)算的原理和方法是大同小異。

圖4 盲槽

經(jīng)上述分析，槽類特征的粗加工工時可按照一定規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，數(shù)學(xué)模型如式（16）所示。

式中：S為槽的底面積；H為槽的深度；t清為清角加工時間。

3.3 孔類加工工時計(jì)算

孔類主要有通孔、盲孔、錐孔和錐沉孔等。孔粗加工常為鉆孔加工。加工前，一般在待加工孔中心打中心點(diǎn)進(jìn)行定位，所以每一個孔需要一個預(yù)打點(diǎn)時間。當(dāng)孔粗加工策略為鉆孔加工時，可以采用相同的數(shù)學(xué)模型，如公式（17）所示。

式中：L為孔的深度；t孔輔為打中心點(diǎn)的時間。

當(dāng)孔直徑大于刀具直徑時，此時孔粗加工策略為銑削，加工工時則按照槽類式（16）計(jì)算。當(dāng)計(jì)算臺階孔加工工時，小徑孔的粗加工工時采用孔類式（17）計(jì)算，L應(yīng)為臺階孔的深度；當(dāng)沉臺用锪孔加工時，粗加工工時采用式（17）計(jì)算，L為沉臺的深度；當(dāng)沉臺以銑削加工時，粗加工工時采用式（16）計(jì)算，S為沉臺底面面積。當(dāng)鉸孔以半/精加工時，采用式（17）計(jì)算；當(dāng)鏜孔或銑孔以半/精加工時，可以近似看作刀具走完整個面所花費(fèi)的時間，采用式（15）計(jì)算。

3.4 凸臺特征與過渡特征

（1）凸臺特征

由于凸臺一般為單一特征或復(fù)合特征，在實(shí)際加工中只需要進(jìn)行半/精加工即可，用計(jì)算式（15）。

（2）過渡特征

過渡特征一般使用成型刀加工，工時數(shù)學(xué)模型如式（18）所示。

式中：L過為過渡特征的長度。過渡特征的長度要根據(jù)過渡特征類型及其鄰接面具體判斷和分析，如圖5 以過渡面中的圓柱面f1為例，若圓柱面f1的高度記為h，半徑記為r，則L過=h+r。

圖5 帶有圓角特征的模型

4 實(shí)例驗(yàn)證

以企業(yè)加工的板類零件為例（圖6），在獲取零件加工特征后（圖7），選材料為Q235A 碳素結(jié)構(gòu)鋼，表面標(biāo)準(zhǔn)化處理，無熱處理，整體加工精度為IT9，不設(shè)局部加工精度，生產(chǎn)數(shù)量為1。

圖6 板類零件實(shí)例

圖7 零件加工特征表

如圖8 所示，實(shí)例零件價格結(jié)果為545.58 元，企業(yè)人工實(shí)際價格結(jié)果為511.64 元。經(jīng)驗(yàn)證，板類零件制造成本計(jì)算偏差在理想范圍內(nèi)，可以滿足企業(yè)的實(shí)際需求。

圖8 零件的報價單

5 結(jié)語

本文提出了一種基于特征的零件制造成本測算技術(shù)，建立了板類零件制造成本計(jì)算模型；深度分析了基于特征的加工工時計(jì)算方法。實(shí)例表明，該方法可有效計(jì)算企業(yè)零件制作成本。為制造企業(yè)提供了快捷和準(zhǔn)確的方法。同時該方法具有一定的通用性，為其他類型零件制造成本研究提供了參考。可根據(jù)不同零件類型的特點(diǎn)和需求進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。