發射裝置結構設計與成本控制

楊學超， 王團

（中國空空導彈研究院主機部，河南洛陽471009）

1 引言

隨著軍品市場競爭機制的引入，軍品的性能、質量、成本、生產和服務日益成為競爭的焦點。軍工企業作為市場經濟環境下的一個經營實體，追求利潤最大化使其具有一般企業的屬性，成本控制問題對軍工企業全面、協調、可持續發展就顯得至關重要［1］。在這方面，美國是軍工產品設計成本控制做的最好的國家，由于美國軍工企業眾多，國防部有較大的選擇權，他們采用了軍品“設計成本控制”的管理方法，在產品開發、設計、制造各個階段中，訂立成本控制的“目標值”，重點在設計初樣階段對產品成本進行先期控制［2］。

傳統的成本控制偏重于制造環節，但產品成本在設計環節就已經基本確定，設計環節決定了整個生命周期成本的70%以上，所需的現金流僅占5%，產品一旦設計定型，在后續環節降低成本的空間有限，因此成本控制應重點放在設計環節來完成［3］。產品的設計成本是指企業設計一種產品，從設計開始到完成整個過程中所需要投入的成本，是根據設計方案中使用的材料，經過生產、工藝過程等條件計算出來的產品成本，可以說是一種預計成本，其高低主要取決于產品的結構、零部件的材質及制造的難易程度等［4］。

2 典型發射裝置成本構成

發射裝置是一種典型的軍品小批量機電裝備，機械制造占整個產品成本的70%以上，控制成本最有效的環節為結構設計環節，其他環節成本降低的空間有限，結構設計對發射裝置全壽命成本具有決定性影響。表1是一種典型發射裝置各組件結構設計在其設計成本所占的比重，從表中可以看出：在8種組件中結構成本超過了80%，在整個產品成本所占比例超過了70%，達到了71.3%；由此可見，結構設計中的成本控制在整個發射裝置成本控制的重要性。

表1 各組件結構設計在其設計成本所占的比重

3 結構設計階段成本分析

結構設計是發射裝置設計的初始階段，結構設計優劣直接影響其后的工藝、加工、總裝和售 后 等［5］；故 在 產品結構設計階段，應進行充分的論證，對影響成本控制的各因素逐一分析。

3.1 選材

（1）合理選材

根據總體設計要求以及前期設計經驗進行合理選材［5］。選材性能過高會造成產品性能過剩，在滿足產品與工藝要求的前提下，盡量選擇前期型號所用的材質和厚度；或在充分論證情況下，對其材質性能提高或降低，選材優先度綜合為鋁合金＞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，應優先選用Y1Cr18Ni9，可以大大節約材料和加工成本，前者價格昂貴且常規加工方法困難；也可以根據要求選擇成本低且易于加工的硬質塑料和橡膠等有機材料；同時為增強繼承性和綜合利用庫存，優先使用已用過的材料，盡量減少同型號產品材質的種類，因此首先要對已有型號、市場和庫存進行充分調研。

要根據零件的設計特性和尺寸合理選擇毛坯料，圓特征或柱特征的優先選擇棒料，條形或片型特征的優先選擇板材，結構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）標準件

標準件（標準結構）在一個產品中的比例是這個產品工藝性良好與否的重要象征。標準件（標準結構）的選用可以大大降低生產成本，縮短生產周期，減少不必要的投入，此投入主要包括人力物力、專用設備和專用量具的投入。能用標準件不用自制件，能用標準結構不必自行設計。以螺釘的標準件——“十字槽盤頭螺釘GB/T818 M5×20”為例，該零件在專業廠家生產成本僅為0.25元/件；而如自行生產成本可能為10元/件（批產1000件）以上，二者成本相差數十倍。所以要降低成本，優選標準件（標準結構）非常必要。

3.2 結構設計的合理性

圖1 某型發射裝置

發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單件，減少后期模具、工裝的開發費用；對于部分零件功能與位置極為接近或對稱的，最好設計成對稱件，以減少加工工藝與工裝。例如圖1某型發射裝置殼體部分為兩旁掏空的板料拼合而成的，設計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構上完全對稱，改進了加工工藝，從而節省成本。

材料的利用率是制約結構設計成本又一關鍵問題，許多結構設計會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。這就需要在設計階段，分析設計的合理性，對原設計進行分割或改變，提高材料利用率。例如圖2所示，對其設計進行簡單改進，在不影響其功能的情況下，對原來整個零件進行了分割改進，再用成本低廉的標準件連接起來，性能上沒有太大的差別，但是有效提高了材料的利用率，同時降低了零件的加工難度。經過對比，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

3.3 合理的公差

公差的合理選擇直接影響發射裝置整機成本。公差過嚴直接影響設備、模具和工裝等精度要求，其制造成本也相應提高，進而影響整機的成本；同時因零件超差而延誤后續工序或交貨，給工作造成很大的被動，或者因超差而讓步使用也會嚴重影響產品在軍方心目中的形象；公差要求過松，會降低整機品質和軍方對產品的評價，軍方口碑變差，失去與同行的競爭力。因此在結構設計完成或樣機之前，充分進行分析論證，將整機要求充分分解到各個零組件上，制定合理的公差要求［6］。

解決好這個問題，必須改變“精度越高=性能越好”的錯誤觀念，結構形式巧妙、結構尺寸合理，公差標注得當，是設計零部件結構的關鍵。標注公差時，當精度越高（公差帶越小）加工越困難，加工成本越高，而且加工和檢驗周期越長，所以對于任何一個零件的公差標注都應當慎重。當某尺寸公差值無法確定時，建議設計師采用功能性標注的方法，選擇零部件實際使用條件下可允許的公差最大值，避免隨意標注公差［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，一般技術較高者可加工±0.02～±0.05mm的精度，技術低者只能加工出±0.1mm。數控機床原則可達到1μm的精度，但由于加工反力引起的讓刀、加工及測量時的工件熱膨脹差、裝夾引起的工件彈性變形、壓延擠壓所引起的內部應力釋放等因素產生1μm誤差不斷積累，結果甚至不能保證10μm以下的精度。對以上情況進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則無法加工；當無現成的相應尺寸的鉸刀，加工這種尺寸及精度時，就必須定做該尺寸的鉸刀。對該細長軸類件還需要注意，當材料長徑比超過10時，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械，估計出大致精度的公差。

圖3 某零件工程圖

3.4 結構設計的繼承性

繼承性在發射裝置整機結構設計中極為重要，可提高發射裝置產品的系列化和通用化。各型發射裝置在功能和結構上或多或少相通，有的發射裝置差不多有50%以上的零件可以借用以往型號，極大縮短了研制周期和開發成本，使得全壽命期的成本可以減少一半以上。所以在發射裝置設計之初，應該充分認識到產品或組件的繼承性，能借用的就直接借用，可以省去設計和試驗成本，同時有效利用庫存，減少零件的單位成本；即使不可以直接借用，也可在原基礎上加以改進。

3.5 結構設計的某些技巧總結

通過多年的型號設計工作，獲得了許多寶貴的設計經驗，在發射裝置設計過程中表明，這些經驗對產品的成本控制還是有許多益處的。

（1）外倒角一般倒斜角，內倒角一般倒圓角；外倒角倒斜角比倒圓角成本低得多，內倒角根據要求采用相應大小的圓角，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力集中。

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

（3）選擇結構要素時，應盡量避免曲面與曲面相貫，至少改為一個平面和曲面相交，可大大提高加工效率。

（4）內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；螺紋旋合長度標注min，以保證使用要求；螺紋小徑深度標注max，便于加工和檢測。

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

（6）零件特征的機構設計盡量利于數控機床的批量加工，可以大大節省成本。

總之，所有標注應利于加工和檢驗，使零件以最簡單的加工方法完成，且不降低加工質量。

4 結論

結構設計優化確實能有效控制發射裝置的生產成本，但是結構設計的改進對成本控制僅僅是一個方面，發射裝置的成本控制是一項復雜的系統工程。設計人員應該在設計之初，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階段之前解決，充分認識設計初樣階段的成本控制優勢，降低產品成本，提高企業效益。

［1］ 宋景嚴.軍工科研單位經費管理的思考［J］.世界標準化與質量管理，2007（12）：17-18.

［2］ 吳德永，孟凡杰.從設計環節控制航天軍品成本的研究［J］.航天工業管理，2009（1）：23-24.

［3］ 萬金華.制造業企業成本管理探討［J］.市場周刊（管理研究），2006（10）：31-32.

［4］ 曹玉日，何正斌.國防科研投資體制的弊端及對策［J］.裝備指揮技術學院學報，2004（12）：33-35.

［5］ 王同領.沖壓成本控制［J］.汽車工程師，2012（2）：56-57.

［6］ 董光榮.機械設計的尺寸公差簡析［J］.山西機械，2001（S1）：60-61.