材料有效利用率在鈑金成本優(yōu)化中的應(yīng)用

□ 楊建強(qiáng)

北京通用電氣華倫醫(yī)療設(shè)備有限公司 北京 100176

1 應(yīng)用背景

鈑金加工指對(duì)金屬板材、型材等在不改變斷面的前提下進(jìn)行冷熱態(tài)分離、變形,并以焊接、鉚接、螺栓連接等連接方式制造金屬構(gòu)件。鈑金加工是一種傳統(tǒng)加工方法[1],涉及下料、沖裁、折彎、焊接、表面處理、裝配連接等多種工藝,每種工藝具有不同的工藝特點(diǎn)和難點(diǎn)[2-4]。成形的鈑金零件具有輕便、強(qiáng)度高、易批量化等特點(diǎn),在電子、通信、醫(yī)療、航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展,各種先進(jìn)的鈑金工藝[5]、前沿技術(shù)[6-7]在鈑金領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及。與其它加工方法相同,鈑金加工也在持續(xù)優(yōu)化[8-9]。這其中,基于面向制造和裝配的鈑金設(shè)計(jì)理念存在零件最簡(jiǎn)原則和零件最少原則的矛盾[10-11]。零件最簡(jiǎn)原則為若干個(gè)簡(jiǎn)單零件一定比制造一個(gè)復(fù)雜零件便宜。零件最少原則為如果一個(gè)零件沒有必須存在的價(jià)值,就應(yīng)該與周圍的零件合并。文獻(xiàn)[10]中提到以零件最簡(jiǎn)原則避免復(fù)雜折彎,將零件拆分為幾個(gè)簡(jiǎn)單零件,并通過后續(xù)鉚、焊、螺釘連接等方式來降低成本。文獻(xiàn)[11]對(duì)這兩個(gè)原則的矛盾進(jìn)行解釋,強(qiáng)調(diào)零件最少原則可以帶來便于管理、便于裝配的好處,能夠得到更穩(wěn)定的質(zhì)量控制,由此推薦一體化折彎方式。

在實(shí)際工作中,對(duì)零件最簡(jiǎn)原則和零件最少原則的應(yīng)用存在爭(zhēng)論。筆者通過對(duì)鈑金零件的成本計(jì)算模式和工藝過程進(jìn)行分析,提出以材料有效利用率來平衡這兩個(gè)原則的矛盾,進(jìn)而確定鈑金成本優(yōu)化是采用傳統(tǒng)的拆分后再連接方案還是采用一體化落料后折彎方案,由此為鈑金成本優(yōu)化提供參考。

2 方案分析

分析對(duì)象為Q235材質(zhì)鈑金零件,按照零件最簡(jiǎn)原則,拆分后焊接設(shè)計(jì)方案如圖1所示,稱為方案甲,按照零件最少原則,一體化落料后折彎設(shè)計(jì)方案如圖2所示,稱為方案乙。方案甲具體為拆分為兩個(gè)零件,各自折彎后通過四個(gè)電阻焊點(diǎn)焊接在一起。方案乙具體為一次性落料為一個(gè)零件,然后由六道折彎成形。從量產(chǎn)角度出發(fā),對(duì)兩個(gè)方案的工藝流程進(jìn)行內(nèi)容對(duì)比和成本差異化對(duì)比,采用通常情況下加工廠對(duì)每批次100件量產(chǎn)鈑金零件成本的計(jì)算路徑,見表1。

表1 量產(chǎn)鈑金零件成本計(jì)算路徑

▲圖1 拆分后焊接設(shè)計(jì)方案

對(duì)于方案甲,拆分為兩個(gè)不同的零件,稱為零件1和零件2。兩個(gè)零件各自落料、折彎,再電阻點(diǎn)焊連接在一起。方案甲工藝流程如圖3所示。

對(duì)于方案乙,落料切割為一個(gè)十字形零件,然后采用六道數(shù)控折彎。方案乙工藝流程如圖4所示。

▲圖2 一體化落料后折彎設(shè)計(jì)方案

兩種方案的成本對(duì)比見表2。可以發(fā)現(xiàn)兩種方案的區(qū)別在于材料有效利用水平和是否有焊接步驟。方案甲拆分后零件為規(guī)則的長(zhǎng)方形零件,材料沒有浪費(fèi),需用料占空面積可以按照零件表面積計(jì)算,為56 816 mm2。方案乙零件表面積為52 696 mm2,需用料占空最大面積為159 034 mm2?？梢?方案乙浪費(fèi)了更多的材料。

表2 方案成本對(duì)比

定義材料有效利用率為零件物料表面積與實(shí)際需落料占空面積的比值。方案甲材料有效利用率基本為100%,質(zhì)量約1 kg。方案乙材料有效利用率大約為33%,質(zhì)量約2.8 kg。設(shè)Q235鋼板單價(jià)為7.5元/kg,實(shí)際用料差價(jià)為13.5元。方案甲零件數(shù)量拆分較少,零件管理、周轉(zhuǎn)復(fù)雜度不高,可不計(jì)費(fèi)用。明顯費(fèi)用區(qū)別為增加的四個(gè)電阻焊點(diǎn)及焊接的配套工藝費(fèi)用,差價(jià)約為10元,加上切割費(fèi)用差異,約10.5元。總體而言,兩個(gè)方案的成本相差并不大。與加工廠進(jìn)一步討論其它連接方式,發(fā)現(xiàn)方案乙多出的材料費(fèi)用基本可以抵消方案甲連接工藝成本。方案乙落料和折彎在同一個(gè)工藝步驟中完成,能夠得到更好的尺寸狀態(tài)和質(zhì)量控制。對(duì)于較為復(fù)雜的零件,考慮尺寸控制、周轉(zhuǎn)運(yùn)輸、物料管理等因素,方案乙更能體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

方案甲的材料有效利用率除以方案乙的材料有效利用率約等于3。如果基于零件最簡(jiǎn)原則的材料有效利用率除以基于零件最少原則的材料有效利用率不大于3,那么應(yīng)該以零件最少原則為優(yōu)先。由此,針對(duì)分析對(duì)象,采用一體化落料后折彎設(shè)計(jì)方案進(jìn)行加工制造,盡可能減少拆分。根據(jù)實(shí)際情況,不同區(qū)域、不同時(shí)期、不同加工企業(yè)的材料有效利用率會(huì)有所不同。

3 其它復(fù)雜鈑金零件案例

將材料有效利用率應(yīng)用于一個(gè)復(fù)雜鈑金零件。該零件原始設(shè)計(jì)思路為基于零件最簡(jiǎn)原則的拼焊方案,如圖5所示。零件由一個(gè)主體零件和八個(gè)小鈑金筋板焊接而成?；诹慵钌僭瓌t,筆者對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后一體化落料后折彎方案如圖6所示,只有一個(gè)主體零件,類似于在圖5主體零件上增加四個(gè)折彎,對(duì)應(yīng)八個(gè)小鈑金筋板。

在材料利用方面,拼焊方案可以將八個(gè)小鈑金筋板排布到主體零件的落料區(qū)域內(nèi),實(shí)現(xiàn)材料的有效利用,材料有效利用率約為33%。一體化落料后折彎方案的材料占用更大的落料面積,材料有效利用率只有約25%。由此,拼焊方案材料有效利用率與一體化落料后折彎方案材料有效利用率之比為1.32,小于3,應(yīng)當(dāng)基于零件最少原則進(jìn)行成本優(yōu)化和后續(xù)加工。經(jīng)過與供應(yīng)商討論,這一復(fù)雜零件采用一體化落料后折彎方案,可以降低成本約20%。拼焊方案工藝流程如圖7所示,一體化落料后折彎方案工藝流程如圖8所示。

▲圖3 方案甲工藝流程

4 結(jié)束語

零件最少原則和零件最簡(jiǎn)原則都是有效的成本優(yōu)化理念,有各自的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。筆者從鈑金加工實(shí)際出發(fā),引入材料有效利用率,結(jié)合過程控制、質(zhì)量穩(wěn)定性、成品率等因素,對(duì)這兩個(gè)原則進(jìn)行平衡。筆者建議,大部分鈑金零件都可以采用一體化落料后折彎方案進(jìn)行優(yōu)化,多采用在鈑金上打筋的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)增加焊接筋板零件的方案。不同工廠、不同工程技術(shù)人員依據(jù)不同的實(shí)際情況,對(duì)成本計(jì)算、材料利用率應(yīng)用可能會(huì)有不同,筆者對(duì)量產(chǎn)鈑金零件成本計(jì)算路徑進(jìn)行總結(jié),對(duì)材料有效利用率進(jìn)行應(yīng)用,以及對(duì)具體零件案例進(jìn)行分析,可以為工程技術(shù)人員的鈑金設(shè)計(jì)、成本優(yōu)化和加工提供參考。

▲圖4 方案乙工藝流程

▲圖7 復(fù)雜零件拼焊方案工藝流程

▲圖8 復(fù)雜零件一體化落料后折彎方案工藝流程