基于價(jià)值工程(VE)原理對(duì)1 450 mm 軋機(jī)牌坊進(jìn)行工藝創(chuàng)新

楊順田 李 雷

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 618000;2.中國(guó)二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川 618013)

軋機(jī)是實(shí)現(xiàn)金屬軋制過(guò)程的設(shè)備，軋機(jī)牌坊是軋機(jī)安裝軋輥軸承座和軋輥調(diào)整裝置的重要部件。1 450 mm 軋機(jī)牌坊材質(zhì)為ZG270-500，外形尺寸為13 405 mm×4 750 mm×2 000 mm，單片牌坊重量為301 880 kg(約302 t)。以前的軋機(jī)牌坊制造工藝因多方面原因?qū)е滦枰啻窝b卡，還剩很多尺寸沒(méi)有加工就開(kāi)始翻活，且頻繁更換刀具，生產(chǎn)效率極低。由于涉及到多個(gè)基準(zhǔn)，就必然導(dǎo)致裝卡找正困難，使重要尺寸的平行度、垂直度、同軸度、對(duì)稱度等不容易保證，增大了加工難度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，首先從技術(shù)上進(jìn)行工藝創(chuàng)新，再應(yīng)用價(jià)值工程(VE)原理，取消或減少一些不必要的工序或工步，縮短加工時(shí)間，提高效率。

1 技術(shù)創(chuàng)新前后工藝對(duì)比分析

1 450 mm 軋機(jī)牌坊(見(jiàn)圖1)原工藝方案是依據(jù)加工部位要求多次裝卡，并按不同加工部位選擇加工刀具。同一個(gè)部位的粗加工與精加工可能會(huì)安排在不同的裝卡過(guò)程中進(jìn)行，或者同一個(gè)加工部位要使用不同的刀具并頻繁地更換刀具，生產(chǎn)效率低，價(jià)值系數(shù)遠(yuǎn)低于1。經(jīng)工藝方案優(yōu)化后，新工藝方案主要具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)新方案采用工序集中后效果明顯。在工件一次裝夾中，盡可能多的加工相關(guān)尺寸表面，這樣就更容易保證許多重要尺寸的平行度、垂直度、同軸度、對(duì)稱度等要求，這是采用工序集中后所帶來(lái)的直接效果，廢品率也顯著下降。

(2)新方案換刀次數(shù)顯著減少。換刀次數(shù)由原先的18 次減少到10 次，下降了40%，刀具種類(lèi)由14 種減少到9 種，下降了35.7%。提高了單個(gè)刀具的利用效率，也減少了刀具費(fèi)用。

圖1 軋機(jī)牌坊三維效果圖Figure 1 Three-dimensional effect drawing of rolling mill housing

2 價(jià)值工程對(duì)象的選擇

價(jià)值工程(Value Engineering)是以功能分析為核心，使產(chǎn)品或作業(yè)達(dá)到適當(dāng)?shù)膬r(jià)值，即用最低的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)其必要功能的一項(xiàng)有組織的活動(dòng)。應(yīng)用價(jià)值工程，既要研究技術(shù)，又要研究經(jīng)濟(jì)。即研究在提高功能的同時(shí)不增加成本，或在降低成本的同時(shí)不影響功能，把提高功能和降低成本統(tǒng)一在一個(gè)最佳方案之中［1］。

選擇價(jià)值工程對(duì)象時(shí)應(yīng)遵循的一般原則有兩條:優(yōu)先考慮在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)上有迫切需要的或?qū)?guó)計(jì)民生有重大影響的項(xiàng)目;在改善價(jià)值上有較大潛力的產(chǎn)品或項(xiàng)目［2］。

根據(jù)巴雷特分析法，按軋機(jī)牌坊所用的主要機(jī)床設(shè)備費(fèi)用占產(chǎn)品總制造費(fèi)用的比重大小進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)價(jià)值系數(shù)的大小，把所有加工部位劃分成主次有別的A、B、C、D 等幾類(lèi)。當(dāng)價(jià)值系數(shù)＜1 時(shí)，表示該項(xiàng)重要程度小而成本高，應(yīng)作為研究對(duì)象;當(dāng)價(jià)值系數(shù)＞1 時(shí)，表示該項(xiàng)重要程度大而成本低，可作為研究對(duì)象;當(dāng)價(jià)值系數(shù)=1 時(shí)，表示該項(xiàng)重要程度和成本相當(dāng)，屬于正常值，不作為研究對(duì)象;當(dāng)價(jià)值系數(shù)=0 時(shí)，表示該項(xiàng)不重要，可取消或合并。軋機(jī)牌坊各加工部位的價(jià)值系數(shù)分類(lèi)為:A 為窗口內(nèi)各部，B 為地腳面各部尺寸，C為立柱面、上下橫梁面各部尺寸，D 為大型內(nèi)螺紋孔及壓下孔，所選項(xiàng)的價(jià)值系數(shù)均＞1 或＜1(偏離于1)。A、B、C、D 不同加工部位在不同設(shè)備上所承擔(dān)的工作量比重如表1 所示。

表1 不同加工部位在不同設(shè)備上所占的比重Table 1 The proportion of different machining parts on different equipments

針對(duì)1 450 mm 軋機(jī)牌坊加工項(xiàng)目，工藝優(yōu)化在改善價(jià)值上具有較大潛力。經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析軋機(jī)牌坊的技術(shù)要求、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件，在多個(gè)備選方案中，優(yōu)選出軋機(jī)牌坊的機(jī)械加工方案:劃→鏜(粗加工)→鉗→探傷→精整→劃→數(shù)控銑(精加工)→劃→鉆→探傷→鉗。

工藝粗加工由RMB254(10″)落地鏜床加工牌坊窗口內(nèi)各面、四周各面及鏜壓下孔，均單邊留量5 mm，以便在探傷后進(jìn)行表面精整處理。工藝精加工的主要內(nèi)容由5×17 m 數(shù)控龍門(mén)銑床完成，如各表面和壓下孔的加工，次要的孔由成本低廉的鉆床加工完成。各工序的工時(shí)和成本之間的關(guān)系如表2 所示。

在優(yōu)選出加工方案后，按價(jià)值系數(shù)大小做進(jìn)一步的價(jià)值優(yōu)化分析。根據(jù)各工序的機(jī)加工臺(tái)時(shí)和成本比例確定優(yōu)先改善的加工工序。由表2 可以看出，銑工序的加工費(fèi)用占總機(jī)加工費(fèi)用的78.11%。銑工序加工費(fèi)用高的主要原因是占用數(shù)控龍門(mén)銑鏜床加工時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)床加工臺(tái)時(shí)費(fèi)用高，價(jià)值系數(shù)偏離正常值1 達(dá)40%。通過(guò)分析圖紙的技術(shù)要求，可以將精度要求不高的部分工作量分解至普通鏜床加工，從而降低加工成本，還可減輕數(shù)控龍門(mén)銑鏜床的生產(chǎn)負(fù)荷。因此選擇銑工序?qū)嵤﹥r(jià)值工程，以提高該項(xiàng)的價(jià)值系數(shù)。

表2 各工序的工時(shí)和成本之間的關(guān)系Table 2 Relationship between working hours and costs of various processes

3 基于價(jià)值工程原理制訂加工工藝

對(duì)銑序?qū)嵤﹥r(jià)值工程，以提高該項(xiàng)的價(jià)值系數(shù)，制訂出更加符合價(jià)值工程原理的加工工藝。

3.1 產(chǎn)品功能分析

1 450 mm 軋機(jī)在工作時(shí)，產(chǎn)生巨大的軋制力(大約為60 000 kN)，通過(guò)壓下裝置及壓下孔傳遞給軋機(jī)牌坊。軋機(jī)牌坊的主要功能是受力，它是整臺(tái)軋機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵零件。

3.2 優(yōu)化加工內(nèi)容、合理選擇加工設(shè)備

與原工藝相比，零件關(guān)鍵、重要及精度要求高的部位安排在數(shù)控龍門(mén)銑床上加工，達(dá)到優(yōu)化加工內(nèi)容、合理選擇加工設(shè)備的目的，同時(shí)提高設(shè)備利用率。新工藝方案從裝配技術(shù)要求和使用情況入手，考慮到軋機(jī)牌坊窗口面的對(duì)稱度、平行度、窗口面與地腳面的對(duì)稱度及壓下孔的加工精度等對(duì)使用影響較大，必須由高度精的5×17 m 數(shù)控龍門(mén)銑床來(lái)加工保證，其余加工內(nèi)容則可分解至普通鏜床和鉆床上加工，也能同樣保證加工質(zhì)量。

3.3 優(yōu)化零件的加工裝卡方案

零件的精加工選在5×17 m 數(shù)控龍門(mén)銑床上進(jìn)行。工藝方案設(shè)計(jì)為工件順?lè)?，?nèi)側(cè)面向上，按線及已加工面找正。經(jīng)過(guò)對(duì)工件的載荷分析，設(shè)計(jì)了655 mm×450 mm×2 000 mm 的工字型條形墊鐵14 件，600 mm×300 mm×225 mm 方箱4件，并設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膲|鐵布置方案(見(jiàn)圖2)，將工件載荷合理分布在工作臺(tái)面及導(dǎo)軌上，使數(shù)控龍門(mén)銑床的移動(dòng)工作臺(tái)上載荷均勻分布。

3.4 進(jìn)一步優(yōu)化主要尺寸的加工順序

圖2 工件裝卡時(shí)墊鐵的布置方案Figure 2 Layout scheme of pad blocks when chucking

圖3 軋機(jī)牌坊主要尺寸Figure 3 Main dimensions of rolling mill housing

3.4.1 窗口內(nèi)各部尺寸加工的優(yōu)化

軋機(jī)牌坊零件的主要尺寸(見(jiàn)圖3)均在5×17 m 數(shù)控龍門(mén)銑床上加工。根據(jù)上道工序已加工出的基準(zhǔn)，對(duì)窗口內(nèi)各凸臺(tái)、相配合的槽、孔的加工順序也進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化，僅加工窗口內(nèi)各面及相關(guān)槽就節(jié)省了三種刀具，減少了五次換刀。

3.4.2 地腳面各部尺寸加工的優(yōu)化

3.4.3 立柱面、上下橫梁面各部尺寸加工的優(yōu)化

軋機(jī)牌坊立柱面、上下橫梁面各部尺寸比較密集，尺寸精度、位置精度要求也都很高。對(duì)加工順序、加工工藝步驟、精度保證措施都進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，滿足零件的設(shè)計(jì)與使用要求。

3.4.4 大型內(nèi)螺紋孔采用“旋風(fēng)銑削”

軋機(jī)牌坊上有許多M48 以上的大型內(nèi)螺紋孔，原工藝采用攻絲、挑扣等方法進(jìn)行，在有現(xiàn)成絲錐情況下，選擇上述方法沒(méi)什么問(wèn)題?？蓪?duì)于1 450 mm 牌坊大型內(nèi)螺紋(通常在M48～M120范圍內(nèi))的加工就沒(méi)那么容易了。若用上述方法來(lái)加工大型內(nèi)螺紋，要經(jīng)過(guò)“一錐、二錐…”幾錐才能完成，每錐加工不可能完全重合，必然會(huì)產(chǎn)生螺紋牙型不重合出現(xiàn)所謂的“雙眼皮”，嚴(yán)重影響螺紋的旋合甚至無(wú)法旋合而造成零件報(bào)廢。另外，用上述傳統(tǒng)的方法加工大型內(nèi)螺紋，效率很低。因此決定采用“旋風(fēng)銑削”方法加工大型內(nèi)螺紋孔，使價(jià)值系數(shù)向正常值靠攏，提高了生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。

“旋風(fēng)銑削”加工大型內(nèi)螺紋孔的原理(見(jiàn)圖4)是:螺紋刀具的刀尖回轉(zhuǎn)圓始終與內(nèi)螺紋外徑處于內(nèi)接狀態(tài)，與此同時(shí)，刀具繞工件孔軸線作螺旋運(yùn)動(dòng)(銑刀公轉(zhuǎn))。此時(shí)60°成形刀把與刀尖干涉的金屬切除，在工件孔壁上就切出螺紋槽。螺旋運(yùn)動(dòng)是由數(shù)控機(jī)床的螺旋插補(bǔ)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為防止加工到孔底部時(shí)，切屑與刀具的干擾阻擠和加工部位被切屑遮蓋，旋風(fēng)銑削均取從孔底向外加工的走刀方向。

圖4 旋風(fēng)銑削內(nèi)螺紋孔原理Figure 4 Whirlwind milling principle for internal threaded hole

3.4.5 壓下孔根部過(guò)渡段的數(shù)控程序軌跡的優(yōu)化

過(guò)去加工過(guò)的機(jī)架也有壓下孔根部過(guò)渡段，但大都只有一個(gè)R 過(guò)渡，它只是在普通落地鏜床上用R 樣板刀近似的加工出來(lái)。加工的粗糙度較差，型面也有失真現(xiàn)象，加工質(zhì)量不夠理想。1 450 mm 軋機(jī)牌坊的壓下孔根部過(guò)渡段不僅有一個(gè)較大的R，而且根部R 比孔底還深2 mm，另外還有30°的內(nèi)錐面，在壓下孔外端還有一個(gè)?1 090H7止口圓，其Ra值達(dá)3.2 μm。這些尺寸在普通機(jī)床上如果沒(méi)有特殊工裝是無(wú)法加工出來(lái)的，若購(gòu)買(mǎi)特殊工裝則會(huì)產(chǎn)生高昂的工裝費(fèi)，為此選用數(shù)控龍門(mén)銑鏜床加工該零件。對(duì)壓下孔根部過(guò)渡段的加工走刀路線(程序軌跡)進(jìn)行了反復(fù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化，如圖5 所示。

圖5 壓下孔根部程序軌跡Figure 5 Program trace of screw down hole root

4 經(jīng)濟(jì)價(jià)值計(jì)算

經(jīng)濟(jì)價(jià)值計(jì)算按現(xiàn)有核算成本進(jìn)行。已知RMB254 落地鏜床的機(jī)床臺(tái)時(shí)費(fèi)用為176 元/小時(shí)，5×17 m 數(shù)控龍門(mén)銑鏜床的機(jī)床臺(tái)時(shí)費(fèi)用為500 元/小時(shí)，在實(shí)現(xiàn)同等功能的情況下，使用RMB254 落地鏜床每臺(tái)時(shí)可節(jié)約324 元。

單件軋機(jī)牌坊按新工藝加工的成本核算見(jiàn)表3。原工藝的加工成本是445 000 元，經(jīng)計(jì)算可知，單件牌坊節(jié)約190 756 元，傳動(dòng)側(cè)牌坊和操作側(cè)牌坊共節(jié)約成本約38.2 萬(wàn)元。

在價(jià)值工程原理基礎(chǔ)上，合理制訂軋機(jī)牌坊加工工藝，不僅滿足了加工精度要求，也降低了生產(chǎn)成本。

表3 新工藝的加工成本(單件)Table 3 Machining cost of new technology(single piece)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軋機(jī)牌坊的加工工藝進(jìn)行系統(tǒng)性研究，實(shí)行工藝創(chuàng)新，充分利用價(jià)值工程原理，結(jié)合企業(yè)設(shè)備的加工能力，采取工藝分解，合理平衡大型數(shù)控銑鏜床的負(fù)荷等措施，大幅降低軋機(jī)牌坊的制造成本。研究成果對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品的制造有一定的參考價(jià)值。

［1］楊建昊，金立順.廣義價(jià)值工程［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［2］魏明海，龔凱.會(huì)計(jì)理論［M］.東北財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社，2003.

［3］張文杰.基于信息技術(shù)的再制造系統(tǒng)優(yōu)化模型［J］.價(jià)值工程，2008(2):91－94.

［4］倪為國(guó)，潘延華.銑削刀具技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［5］周澤華.金屬切削原理［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［6］楊順田，彭美武.軋機(jī)壓下裝置液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010:74－77.

［7］鄭文虎.難切削材料加工技術(shù)［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［8］陳洪濤.數(shù)控加工工藝與編程［M］.高等教育出版社，2002.