淺談鈑金的設(shè)計(jì)制造與成本核算

李秋偉

【摘要】鈑金生產(chǎn)涉及制造行業(yè)各方面，如汽車，航空等，使用范圍廣泛，在制造業(yè)有著舉足輕重的地位。目前鈑金行業(yè)的產(chǎn)值年均增速高于10%，其中模具及配件行業(yè)產(chǎn)值增幅預(yù)計(jì)達(dá)到24%，因此分析鈑金的設(shè)計(jì)制造以及成本之間的關(guān)系對鈑金行業(yè)的發(fā)展顯得至關(guān)重要。闡述了鈑金設(shè)計(jì)制造過程中的設(shè)計(jì)方式、材料選取及定額、工藝流程及其相應(yīng)的成本核算分析，為鈑金制造企業(yè)提供一定的參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】鈑金；設(shè)計(jì)制造；CAD；成本核算；工藝流程；軟模加工

引言

近年來我國制造行業(yè)發(fā)展迅猛，作為制造業(yè)基礎(chǔ)行業(yè)之一的鈑金行業(yè)取得了空前的發(fā)展。鈑金是一種針對金屬薄板（通常在6mm以下）的綜合冷加工工藝，包括剪、沖/切/復(fù)合、折彎、焊接、鉚接、拼接、成型等，被廣泛應(yīng)用于機(jī)電、石油、輕工、汽車、電力等行業(yè)中。鈑金零件指金屬薄板經(jīng)過鈑金加工后生成的零件，鈑金零件的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是，無論最終的造型多么復(fù)雜，都是從一塊厚度一致的平板板料開始，經(jīng)過復(fù)雜的沖壓、折彎等鈑金加工制造而成。目前全國從事鈑金行業(yè)的企業(yè)已逾3萬家，超過180萬的相關(guān)從業(yè)人員，年生產(chǎn)鈑金件約4200萬噸，銷售總額達(dá)5000億元人民幣。這充分說明對鈑金的設(shè)計(jì)制造和成本分析方面的研究意義重大。鈑金件的制造要經(jīng)歷兩個(gè)重要階段，一是鈑金件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)決定了鈑金加工完成后的最終形態(tài)和功能；另一個(gè)階段就是鈑金件的加工制造。鈑金件的設(shè)計(jì)制造不僅與它的實(shí)用性有關(guān)，與成本銷售也有著莫大的關(guān)系。鈑金零件的成本構(gòu)成主要有：材料費(fèi)用、人工費(fèi)用、制造費(fèi)用。本文將通過論述鈑金設(shè)計(jì)制造過程中的設(shè)計(jì)方式、材料選取及定額、工藝流程等及其相應(yīng)的成本分析來說明鈑金的設(shè)計(jì)制造與成本核算的關(guān)系，以期為從事鈑金制造業(yè)的人員提供一定的參考和借鑒。

1、鈑金件的設(shè)計(jì)及其成本核算

鈑金件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一般是直接在平面圖紙上手工繪制出來。設(shè)計(jì)人員使用幾何畫法原理，通過圖解法和解析法在平面圖紙中將模型的主要信息表達(dá)出來。目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，鈑金制造行業(yè)使用計(jì)算機(jī)及相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)得到應(yīng)用推廣，如利用CAD、CAPP等系統(tǒng)基于參數(shù)化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用CAD系統(tǒng)進(jìn)行鈑金設(shè)計(jì)已成為主流，越來越多的鈑金CAD系統(tǒng)或者模塊在工業(yè)界不斷涌現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行鈑金工程設(shè)計(jì)能大大降低工作量，提高設(shè)計(jì)效率和正確率，合理利用材料，從而節(jié)約成本。

鈑金件設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮的是構(gòu)件本身的功能是否滿足要求，制造是否容易。對于功能性，在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)有嚴(yán)格的要求或者規(guī)定，但在構(gòu)件的加工性方面的差異很明顯，優(yōu)化的空間比較大。鈑金件的工藝性是指零件在沖切、彎曲、拉伸加工中的難易程度。良好的工藝應(yīng)保證材料消耗少，工序數(shù)目少，模具結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。在鈑金件設(shè)計(jì)時(shí)需要工程師重視幾條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：1）簡單形狀準(zhǔn)則，一般切割面幾何形狀簡單，方便切割下料，切割的路徑相應(yīng)越短，切割量小，從而提高制造效率，降低成本；2）節(jié)省原料準(zhǔn)則，盡量減少下腳料，以節(jié)約成本；3）足夠強(qiáng)度剛度準(zhǔn)則，這也是保證功能性的要求；4）可靠沖裁準(zhǔn)則，如果沖裁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，準(zhǔn)確測量定位費(fèi)時(shí)，由于刀具的磨損和安裝誤差，加工精度通常達(dá)不到要求，質(zhì)量難以保證，廢品率高；5）避免粘刀準(zhǔn)則，在沖裁時(shí)容易出現(xiàn)刀具與構(gòu)件粘接的問題，需要保證切割面連通并留有一定的坡度來解決此問題。

鈑金設(shè)計(jì)工程師在鈑金件設(shè)計(jì)時(shí)注重鈑金件的使用性和工藝加工性，對成本的考慮比較少，這是是鈑金件設(shè)計(jì)的短板。采購工程師注重成本預(yù)算。而對銷售來說，鈑金產(chǎn)品的使用工藝性和成本預(yù)算同樣重要。因此在鈑金件的初步設(shè)計(jì)時(shí)對其成本的核算顯得非常重要。

2、鈑金材料與成本核算

適合鈑金件的材料非常多，一般包括鍍鋅鋼材、不銹鋼、彈簧鋼、鍍錫薄板和銅及銅合金。常用的鍍鋅鋼材有SECC（電鍍鋅板）和GI（熱鍍鋅板）。電鍍鋅板底材是冷軋鋼卷，所以其具有冷軋鋼卷的機(jī)械性能和加工性，并且由于電鍍的鋅層保護(hù)作用，所以SECC有良好的耐腐蝕性和裝飾性。不銹鋼有含鉻量較高的鐵素體型不銹鋼、馬氏體不銹鋼及奧氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼材擁有優(yōu)越的耐腐蝕性和高溫抗氧化性能；馬氏體不銹鋼熱導(dǎo)性好，強(qiáng)度高，擁有良好的機(jī)械性能，常作為承載件；奧氏體不銹鋼具有鐵素體型不銹鋼的耐腐蝕性和抗氧化性，并且有良好的塑性和焊接性能，但屈服強(qiáng)度比較低，不適合作為承壓構(gòu)件。彈簧鋼是指含錳鉻較高的中碳合金鋼，具有良好的彈性，所以常用于減震構(gòu)件后儲(chǔ)能構(gòu)件。鍍錫薄板俗稱馬口鐵，底材為低碳鋼，所以擁有良好的塑性，厚度非常薄，一般小于0.6毫米。銅及其合金保持了銅的大部分性能，導(dǎo)電性及耐腐蝕性良好，塑性高，易加工，但材料單價(jià)費(fèi)用比較高。除了上述的幾種常用材料外，

在鈑金件的成本核算中，直接材料費(fèi)占有很大的比例。在選材上要優(yōu)先滿足構(gòu)件的性能，再來選取經(jīng)濟(jì)的板材，在價(jià)格上，鐵片<鍍層鐵片<不銹鋼<鋁合金<銅合金。除了鈑金件的材料品種外，鈑金材料的定額及余料庫存管理也影響著成本。如何保證采購的材料規(guī)格和數(shù)量適宜，材料的利用率最優(yōu)化，余料的管理和合理利用，已經(jīng)成為鈑金制造企業(yè)必須關(guān)心的問題。

3、鈑金制造工藝與成本核算

鈑金件的加工工藝區(qū)別于機(jī)械加工的車，銑，刨，磨，線切割等工藝。主要有柔性加工和沖壓加工。柔性加工是指軟模加工，沖壓加工就是硬模加工。本文主要參照軟模加工工藝對成本核算進(jìn)行分析。鈑金件的生產(chǎn)按照工藝分為以下幾個(gè)工序：下料、折彎、壓鉚、焊接、表面處理、組裝和包裝。可參考《面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)指南》來進(jìn)行鈑金件的制造。

3.1下料

軟模加工時(shí)下料有數(shù)沖和鐳射等方式。數(shù)沖就是利用沖裁的方法把構(gòu)件未成型前的展開樣式?jīng)_裁出圖紙要求的孔位和尺寸形的一種工藝方式。這個(gè)工藝可以對厚度約0.5cm-5.0cm左右的鋼鐵鋁銅板材進(jìn)行精準(zhǔn)而快速的線分割。沖外部輪廓時(shí)，可以選擇長方刀和短方刀，刀的長度決定了加工時(shí)間，也即決定了成本。數(shù)沖對刀具的磨損嚴(yán)重，尤其國產(chǎn)的刀具的沖裁次數(shù)僅為進(jìn)口刀具的一半。在加工不銹鋼等硬度大的板材時(shí)，磨損是其它軟板材的2—3倍。這個(gè)過程中刀具費(fèi)在成本核算是也占了相當(dāng)?shù)谋壤?。?shù)沖加工的產(chǎn)品毛刺較大，去毛刺工藝相應(yīng)增加了人工費(fèi)。鐳射加工是指利用高能量密度的激光束照射材料表面，使材料汽化或顏色改變的加工工藝。由于它是無接觸加工，對材料無直接沖擊，因此無機(jī)械變形，加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于材料，同時(shí)由于鐳射光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非鐳射照射部位沒有或影響極小。鐳射加工產(chǎn)生的廢料比數(shù)沖少，加工時(shí)間短，材料變形小，對數(shù)沖無法加工到的產(chǎn)品，可以進(jìn)行二次加工。對于反射較大的部分鋁板，要用專用的鐳射機(jī)加工，普通的加工鐵，不銹鋼，銅等深色金屬的鐳射機(jī)容易燒壞反射鏡。一般采用鐳射切割下料，間隔距離最小是0.5T，數(shù)沖沖壓下料，間隔距離相對就比較大，至少可以放下一個(gè)數(shù)沖刀具寬度，甚至是兩個(gè)刀具寬度。

3.2折彎

折彎既是利用折彎機(jī)把未成型的構(gòu)件折彎至圖紙規(guī)定的外形尺寸，在折彎過程中要保證產(chǎn)品的功能性，此工序中一般要采用折床和預(yù)制的折彎模具來實(shí)現(xiàn)折彎。折彎時(shí)要首先要根據(jù)圖紙上的尺寸，材料厚度確定折彎時(shí)用的刀具和刀槽，避免產(chǎn)品與刀具相碰撞引起變形是上模選用的關(guān)鍵，下模的選用根據(jù)板材的厚度來確定。折彎一般規(guī)律是先內(nèi)后外，先小后大，先特殊后普通。

折彎工藝的成本節(jié)約主要在操作工的熟練程度和設(shè)備的自動(dòng)化方面。如熟練工調(diào)試時(shí)間短，節(jié)約人工費(fèi)。折彎設(shè)備自動(dòng)化高，能保證折彎尺寸的穩(wěn)定性，成品率提高。一般對折彎工的操作技能有一定要求，其人工費(fèi)比普通工人高出1到2倍。

3.3壓鉚

這種工藝其實(shí)就是借助沖床的力度將一種釘狀產(chǎn)品擠壓在產(chǎn)品工件上使其不脫落，方便安裝。一般用于壓鉚的零件有壓鉚螺柱、螺母和螺釘，壓鉚時(shí)采用相應(yīng)的壓鉚機(jī)來完成。此道工序的成本核算主要看鉚接件的數(shù)量和位置。數(shù)量多，位置度要求高，需要治具來保證壓鉚件放置平整，壓鉚后板材變形少，報(bào)廢率降低。鉚釘位置放在鈑金件的邊緣位置，離最外邊很近，這樣壓鉚后外邊直線度就容易變形，也需要治具控制板材金屬的應(yīng)力釋放。

3.4焊接

焊接就是將多個(gè)構(gòu)件焊接在一起，達(dá)到加工的目的。目前常用的焊接方式有氬弧焊，點(diǎn)焊，二氧化碳保護(hù)焊，手工電弧焊，機(jī)器人焊接等。一般焊接方式的選擇要根據(jù)實(shí)際條件和焊接件的材料特性來決定的。焊接時(shí)最容易出現(xiàn)板材變形，為了減小變形，除了打磨外，必需用治具控制。機(jī)器人焊接，需要編好程序，產(chǎn)品固定好位置，大批量生產(chǎn)，這種焊接優(yōu)點(diǎn)是工時(shí)少，質(zhì)量高，但是費(fèi)用高。焊接工序?qū)θ藛T的專業(yè)水平要求較高，人工費(fèi)是普通的2--5倍。

3.5表面處理

一般折彎，壓鉚之后要進(jìn)行表面處理工序，不同的材料選擇的表面處理方法也不同，比如冷板加工后常選擇表面電鍍的處理方式，電鍍之后要磷化處理，最后再進(jìn)行噴涂處理。表面前處理可以清潔表面，顯著提高涂膜附著力，能成倍提高涂膜的耐蝕力。清洗時(shí)將構(gòu)件掛于流水線上，經(jīng)過清洗溶液之后進(jìn)入清水中，然后構(gòu)件經(jīng)過噴淋區(qū)，最后經(jīng)過烘干過程。當(dāng)進(jìn)行噴涂時(shí)，工件的牙孔可擰上螺釘，導(dǎo)電保護(hù)區(qū)域可用高溫膠帶貼合保護(hù)。如果構(gòu)件進(jìn)行不裝配噴涂時(shí)，不需要進(jìn)行噴涂的地方如螺孔等需要用螺釘或者軟膠棒進(jìn)行填塞保護(hù)，其他區(qū)域可用耐溫性能良好的膠帶等粘貼保護(hù)。目前鈑金企業(yè)將表面處理工藝中的電鍍/氧化都外包加工，按照產(chǎn)品表面積核算價(jià)格的。噴涂的成本核算，主要在噴涂的流水線上。清洗后，需要貼防烤的零件，需要人工來配合流水線，有時(shí)會(huì)造成員工窩工，使得流水線速度低下，工時(shí)增加，費(fèi)用提高。某些戶外噴涂的箱體在附著力，耐腐蝕性上面要求比較高，噴涂前要有電鍍層，費(fèi)用相對較高。還有部分鈑金要求噴漆，噴涂厚度一般10um以內(nèi)，這對鈑金件裸露鐵皮的表面要求比較高，工藝復(fù)雜，成本較高，況且液體漆是粉體漆價(jià)格的2—3倍。

3.6組裝和包裝

組裝工序的成本主要包括人工費(fèi)和治具費(fèi).對包裝部分而言，根據(jù)產(chǎn)品的重量選擇外包裝，重量小于55KG的一般選取紙箱外包裝，大于55KG選取木箱外包裝。外包裝的不同，內(nèi)部緩沖保護(hù)輔料選取也不同，所以會(huì)有不同的成本。運(yùn)輸方式包括空運(yùn)和海運(yùn)，空運(yùn)選擇輕便的紙箱包裝較多，但是包裝費(fèi)用降低了，運(yùn)費(fèi)增加了。海運(yùn)選擇木箱較多，包裝費(fèi)用增加了，運(yùn)輸費(fèi)用降低了。一般木箱是紙箱價(jià)格的5—10倍。有關(guān)鈑金件的包裝設(shè)計(jì)，在筆者其他文章中會(huì)有詳細(xì)說明，本文中不再過多說明。

4、結(jié)語

評判一個(gè)鈑金件的設(shè)計(jì)是否合理，除了功能性滿足要求、工藝合理外，也可以從成本上反饋出來，一般軟模加工的鈑金產(chǎn)品，材料費(fèi)占總費(fèi)用的20—30%，硬模加工的鈑金件，材料費(fèi)用占總費(fèi)用的40—50%。月用量小于于500的一般用軟模加工，大于500選擇硬模加工。本文主要從軟模加工來展開進(jìn)行闡述的，限于篇幅對硬模的鈑金沖壓的工藝設(shè)計(jì)未加以敘述。

本文針對鈑金件設(shè)計(jì)、制造工藝進(jìn)行詳細(xì)的闡述，分析了鈑金件設(shè)計(jì)方式及制造時(shí)的下料、折彎、壓鉚、焊接和表面處理等具體工藝流程，同時(shí)總結(jié)了相應(yīng)階段的成本分析，為鈑金制造企業(yè)的規(guī)劃和發(fā)展提供指導(dǎo)和建議。

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