發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成本控制

楊學(xué)超， 王團(tuán)

（中國空空導(dǎo)彈研究院主機(jī)部，河南洛陽471009）

1 引言

隨著軍品市場競爭機(jī)制的引入，軍品的性能、質(zhì)量、成本、生產(chǎn)和服務(wù)日益成為競爭的焦點(diǎn)。軍工企業(yè)作為市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的一個(gè)經(jīng)營實(shí)體，追求利潤最大化使其具有一般企業(yè)的屬性，成本控制問題對軍工企業(yè)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展就顯得至關(guān)重要［1］。在這方面，美國是軍工產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本控制做的最好的國家，由于美國軍工企業(yè)眾多，國防部有較大的選擇權(quán)，他們采用了軍品“設(shè)計(jì)成本控制”的管理方法，在產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造各個(gè)階段中，訂立成本控制的“目標(biāo)值”，重點(diǎn)在設(shè)計(jì)初樣階段對產(chǎn)品成本進(jìn)行先期控制［2］。

傳統(tǒng)的成本控制偏重于制造環(huán)節(jié)，但產(chǎn)品成本在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就已經(jīng)基本確定，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)決定了整個(gè)生命周期成本的70%以上，所需的現(xiàn)金流僅占5%，產(chǎn)品一旦設(shè)計(jì)定型，在后續(xù)環(huán)節(jié)降低成本的空間有限，因此成本控制應(yīng)重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)來完成［3］。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本是指企業(yè)設(shè)計(jì)一種產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)開始到完成整個(gè)過程中所需要投入的成本，是根據(jù)設(shè)計(jì)方案中使用的材料，經(jīng)過生產(chǎn)、工藝過程等條件計(jì)算出來的產(chǎn)品成本，可以說是一種預(yù)計(jì)成本，其高低主要取決于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、零部件的材質(zhì)及制造的難易程度等［4］。

2 典型發(fā)射裝置成本構(gòu)成

發(fā)射裝置是一種典型的軍品小批量機(jī)電裝備，機(jī)械制造占整個(gè)產(chǎn)品成本的70%以上，控制成本最有效的環(huán)節(jié)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，其他環(huán)節(jié)成本降低的空間有限，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對發(fā)射裝置全壽命成本具有決定性影響。表1是一種典型發(fā)射裝置各組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在其設(shè)計(jì)成本所占的比重，從表中可以看出：在8種組件中結(jié)構(gòu)成本超過了80%，在整個(gè)產(chǎn)品成本所占比例超過了70%，達(dá)到了71.3%；由此可見，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的成本控制在整個(gè)發(fā)射裝置成本控制的重要性。

表1 各組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在其設(shè)計(jì)成本所占的比重

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段成本分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是發(fā)射裝置設(shè)計(jì)的初始階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響其后的工藝、加工、總裝和售 后 等［5］；故 在 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)進(jìn)行充分的論證，對影響成本控制的各因素逐一分析。

3.1 選材

（1）合理選材

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求以及前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理選材［5］。選材性能過高會(huì)造成產(chǎn)品性能過剩，在滿足產(chǎn)品與工藝要求的前提下，盡量選擇前期型號(hào)所用的材質(zhì)和厚度；或在充分論證情況下，對其材質(zhì)性能提高或降低，選材優(yōu)先度綜合為鋁合金＞不銹鋼＞銅合金＞鈦合金。例如：同樣是不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti與易切不銹鋼Y1Cr18Ni9均能滿足使用要求，應(yīng)優(yōu)先選用Y1Cr18Ni9，可以大大節(jié)約材料和加工成本，前者價(jià)格昂貴且常規(guī)加工方法困難；也可以根據(jù)要求選擇成本低且易于加工的硬質(zhì)塑料和橡膠等有機(jī)材料；同時(shí)為增強(qiáng)繼承性和綜合利用庫存，優(yōu)先使用已用過的材料，盡量減少同型號(hào)產(chǎn)品材質(zhì)的種類，因此首先要對已有型號(hào)、市場和庫存進(jìn)行充分調(diào)研。

要根據(jù)零件的設(shè)計(jì)特性和尺寸合理選擇毛坯料，圓特征或柱特征的優(yōu)先選擇棒料，條形或片型特征的優(yōu)先選擇板材，結(jié)構(gòu)上光滑或具原材料特征的盡量選擇鈑金彎折或原料焊接而成。毛坯料選擇的好壞不但關(guān)系到材料的利用率，尤其對零件的加工非常有利，可以大大減少加工工序和成本。

（2）標(biāo)準(zhǔn)件

標(biāo)準(zhǔn)件（標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）在一個(gè)產(chǎn)品中的比例是這個(gè)產(chǎn)品工藝性良好與否的重要象征。標(biāo)準(zhǔn)件（標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）的選用可以大大降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，減少不必要的投入，此投入主要包括人力物力、專用設(shè)備和專用量具的投入。能用標(biāo)準(zhǔn)件不用自制件，能用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)不必自行設(shè)計(jì)。以螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)件——“十字槽盤頭螺釘GB/T818 M5×20”為例，該零件在專業(yè)廠家生產(chǎn)成本僅為0.25元/件；而如自行生產(chǎn)成本可能為10元/件（批產(chǎn)1000件）以上，二者成本相差數(shù)十倍。所以要降低成本，優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)件（標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）非常必要。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性

圖1 某型發(fā)射裝置

發(fā)射裝置基本為一左右對稱、流線型美觀的裝備，部分零件為左右件，要充分分析是否可以將其合并為一個(gè)單件，減少后期模具、工裝的開發(fā)費(fèi)用；對于部分零件功能與位置極為接近或?qū)ΨQ的，最好設(shè)計(jì)成對稱件，以減少加工工藝與工裝。例如圖1某型發(fā)射裝置殼體部分為兩旁掏空的板料拼合而成的，設(shè)計(jì)之初左右兩片功能有所不同且不對稱，后增加了其他一些簡單零件使其功能和結(jié)構(gòu)上完全對稱，改進(jìn)了加工工藝，從而節(jié)省成本。

材料的利用率是制約結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本又一關(guān)鍵問題，許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)造成原材料的利用率很低，甚至不足5%，這等于變相增加了成本。這就需要在設(shè)計(jì)階段，分析設(shè)計(jì)的合理性，對原設(shè)計(jì)進(jìn)行分割或改變，提高材料利用率。例如圖2所示，對其設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單改進(jìn)，在不影響其功能的情況下，對原來整個(gè)零件進(jìn)行了分割改進(jìn)，再用成本低廉的標(biāo)準(zhǔn)件連接起來，性能上沒有太大的差別，但是有效提高了材料的利用率，同時(shí)降低了零件的加工難度。經(jīng)過對比，材料利用率由不足5%提高到80%以上，加工成本減少70%以上。

圖2 某零件的加工改進(jìn)

3.3 合理的公差

公差的合理選擇直接影響發(fā)射裝置整機(jī)成本。公差過嚴(yán)直接影響設(shè)備、模具和工裝等精度要求，其制造成本也相應(yīng)提高，進(jìn)而影響整機(jī)的成本；同時(shí)因零件超差而延誤后續(xù)工序或交貨，給工作造成很大的被動(dòng)，或者因超差而讓步使用也會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品在軍方心目中的形象；公差要求過松，會(huì)降低整機(jī)品質(zhì)和軍方對產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，軍方口碑變差，失去與同行的競爭力。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成或樣機(jī)之前，充分進(jìn)行分析論證，將整機(jī)要求充分分解到各個(gè)零組件上，制定合理的公差要求［6］。

解決好這個(gè)問題，必須改變“精度越高=性能越好”的錯(cuò)誤觀念，結(jié)構(gòu)形式巧妙、結(jié)構(gòu)尺寸合理，公差標(biāo)注得當(dāng)，是設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。標(biāo)注公差時(shí)，當(dāng)精度越高（公差帶越?。┘庸ぴ嚼щy，加工成本越高，而且加工和檢驗(yàn)周期越長，所以對于任何一個(gè)零件的公差標(biāo)注都應(yīng)當(dāng)慎重。當(dāng)某尺寸公差值無法確定時(shí)，建議設(shè)計(jì)師采用功能性標(biāo)注的方法，選擇零部件實(shí)際使用條件下可允許的公差最大值，避免隨意標(biāo)注公差［6］。圖3為某零件的工程圖，功能上的要求采用配合公差加工，不管車削還是銑削，一般技術(shù)較高者可加工±0.02～±0.05mm的精度，技術(shù)低者只能加工出±0.1mm。數(shù)控機(jī)床原則可達(dá)到1μm的精度，但由于加工反力引起的讓刀、加工及測量時(shí)的工件熱膨脹差、裝夾引起的工件彈性變形、壓延擠壓所引起的內(nèi)部應(yīng)力釋放等因素產(chǎn)生1μm誤差不斷積累，結(jié)果甚至不能保證10μm以下的精度。對以上情況進(jìn)行綜合判斷可以得出，h7的精度要靠高技能的工人來加工，不如留一點(diǎn)余地，改為，性能沒有太大差別，加工難度大大下降。對小直徑孔φ5H8，小孔徑因一般車刀無法加工，故采用鉆削加工后鉸削加工，但如果直徑及允許范圍不在鉸刀系列之內(nèi)則無法加工；當(dāng)無現(xiàn)成的相應(yīng)尺寸的鉸刀，加工這種尺寸及精度時(shí)，就必須定做該尺寸的鉸刀。對該細(xì)長軸類件還需要注意，當(dāng)材料長徑比超過10時(shí)，即使支撐住，車削也很難保證0.05mm直線度，如采用無心磨削，成本無疑會(huì)大幅度增加。這需要對加工方法熟知，了解加工順序和加工機(jī)械，估計(jì)出大致精度的公差。

圖3 某零件工程圖

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的繼承性

繼承性在發(fā)射裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極為重要，可提高發(fā)射裝置產(chǎn)品的系列化和通用化。各型發(fā)射裝置在功能和結(jié)構(gòu)上或多或少相通，有的發(fā)射裝置差不多有50%以上的零件可以借用以往型號(hào)，極大縮短了研制周期和開發(fā)成本，使得全壽命期的成本可以減少一半以上。所以在發(fā)射裝置設(shè)計(jì)之初，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品或組件的繼承性，能借用的就直接借用，可以省去設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本，同時(shí)有效利用庫存，減少零件的單位成本；即使不可以直接借用，也可在原基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的某些技巧總結(jié)

通過多年的型號(hào)設(shè)計(jì)工作，獲得了許多寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)射裝置設(shè)計(jì)過程中表明，這些經(jīng)驗(yàn)對產(chǎn)品的成本控制還是有許多益處的。

（1）外倒角一般倒斜角，內(nèi)倒角一般倒圓角；外倒角倒斜角比倒圓角成本低得多，內(nèi)倒角根據(jù)要求采用相應(yīng)大小的圓角，無特殊要求的不要圓角太小或清根，這不但難以加工而且容易應(yīng)力集中。

（2）表面處理或噴漆的零部件，只要求指出被保護(hù)的特征，對于可做也可不做處理的地方一定要求表面處理，零件表面保護(hù)是表面處理最麻煩的工序。

（3）選擇結(jié)構(gòu)要素時(shí)，應(yīng)盡量避免曲面與曲面相貫，至少改為一個(gè)平面和曲面相交，可大大提高加工效率。

（4）內(nèi)螺紋深度一般不宜大于大徑的3倍，否則加工困難而且使用意義不大；螺紋旋合長度標(biāo)注min，以保證使用要求；螺紋小徑深度標(biāo)注max，便于加工和檢測。

（5）在斜面上加工孔，應(yīng)考慮給加工留出工藝平臺(tái)，否則在斜面上直接鉆孔、攻絲非常困難。

（6）零件特征的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量利于數(shù)控機(jī)床的批量加工，可以大大節(jié)省成本。

總之，所有標(biāo)注應(yīng)利于加工和檢驗(yàn)，使零件以最簡單的加工方法完成，且不降低加工質(zhì)量。

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化確實(shí)能有效控制發(fā)射裝置的生產(chǎn)成本，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)對成本控制僅僅是一個(gè)方面，發(fā)射裝置的成本控制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在設(shè)計(jì)之初，就制定出合理、周密的方案，積極避免潛在的不必要成本，把成本控制在定型或批產(chǎn)階段之前解決，充分認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)初樣階段的成本控制優(yōu)勢，降低產(chǎn)品成本，提高企業(yè)效益。

［1］ 宋景嚴(yán).軍工科研單位經(jīng)費(fèi)管理的思考［J］.世界標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量管理，2007（12）：17-18.

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