基于價值工程的零件加工工序改進與應用

趙文波，李英杰

(山東建筑大學 機電工程學院， 山東 濟南 250101 )

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基于價值工程的零件加工工序改進與應用

趙文波，李英杰

(山東建筑大學 機電工程學院， 山東 濟南 250101 )

在生產中，部分產品存在著量大面廣、工序繁瑣、工藝復雜、原材料和能源消耗高、質量難于保證等問題，可運用價值工程進行技術攻關及技術改造。文章基于價值工程理論對汽車傳動軸萬向節叉的質量現狀進行工藝論證及改進，針對傳動軸產品質量和整車性能問題，采用強制確定法對影響萬向節叉質量的因素進行了改進對象的選擇，萬向節功能分析及評價，提出了三種工藝改進方案，對方案用優缺點比較法進行概略評價及可行性詳細評價，確定最終可行方案；基于價值工程的選定方案在生產中實施后使萬向節叉成為穩定的合格品，在產品質量、技術管理及經濟效益等方面都取得了較好的效果。

價值工程；萬向節叉；工序改進；方案評價

0　引言

隨著汽車工業的發展，特別是前輪驅動轎車大量生產以來，傳動軸萬向節的設計理論和制造技術獲得了飛速的發展。當今國際上，傳動軸和萬向節生產廠家的競爭日趨激烈：把一種新產品投放市場，不僅要求其強度和壽命用滿足各種使用要求的規定，而且還要求產品的價格更具有競爭性和輕量化。被國家列為重點扶持的關鍵零部件項目之一萬向節，與國外相比，無論從產品的設計、還是制造技術都存在一定的差距。有鑒于此，文中是在制造過程中基于價值工程的萬向節叉加工工序的改進與應用[1]。

萬向節是汽車傳動軸上的關鍵部件。在前置發動機后輪驅動的車輛上，萬向節傳動軸安裝在變速器輸出軸與驅動橋主減速器輸入軸之間；而前置發動機前輪驅動的車輛省略了傳動軸，萬向節安裝在既負責驅動又負責轉向的前橋半軸與車輪之間。車輛在運行中路面不平產生跳動，負荷變化或者兩個總成安裝位置差異，都會使得變速器輸出軸與驅動橋主減速器輸入軸之間的夾角和距離發生變化，需要要用一個“以變應變”的裝置來解決這一個問題，因此就有了萬向節。一般萬向節由十字軸、十字軸承和萬向節叉等零件組成(如圖1所示)[2]。

圖1　十字軸萬向節構造圖

萬向節裝配中，叉頭上與相關零件直接配合、連接或關系密切的結構表面(又稱為功能面)，其尺寸和位置精度直接影響萬向節的性能。功能面包括法蘭、軸承孔、法蘭孔以及法蘭端面齒槽或鍵槽等[3]。各功能面相互間位置度要求高，如軸承孔與法蘭止口對稱度、與法蘭端面的平行度、兩軸承孔的同軸度，軸承孔內擋圈槽與法蘭止口的對稱度及對軸承孔的跳動度，法蘭端面齒槽中心與法蘭止口中心的同軸度或端面鍵槽與法蘭止口的對稱度、法蘭孔與法蘭止口及軸承孔的位置度等8個位置公差一般要求都在7級或8級，有些場合要求會更高，而加工時如果工件即萬向節叉頭經多次裝夾，這些精度難以同時保證[4]。

在萬向節叉零件生產中存在的問題：萬向節叉零件的圓柱面表面尺寸為Φ，加工后經檢驗發現該圓柱表面的圓度誤差最大為0.07 mm，嚴重超過內控圓度為0.02 mm的形位誤差工藝要求。在批量生產中發現有大批零件(約占50%)在精車成形工序中報廢，如果回用則影響兩耳軸線的位置精度、對稱度或兩項都受影響：當高點在兩耳一側時，則影響對稱性；高點在兩耳中間時則影響位置精度；高點在與兩耳成45 °角位置時，則影響對稱性和位置精度(如圖2所示)[5]。

圖2　萬向節零件工序圖/mm

生產中，承擔該產品加工的CA6140車床工時緊張，車間中CE7120機床尚負荷不滿；在CA6140車床上用頂尖夾緊力不夠，加工后造成圓度超差；同時需要經常更換活頂尖、工具費用高；生產效率低、廢品率高。

1　價值工程的理論依據和實施

1.1價值工程的內涵

價值工程(Value Engineering)又稱價值分析，是一門技術與經濟相結合的現代化管理科學[6]。價值工程是以提高產品或作業價值為目的，通過有組織的創造性工作，尋求用最低的壽命周期成本，可靠地實現使用者所需功能的一種管理技術。價值工程中所述的“價值”，是指作為某種產品(或作業)所具有的功能與獲得該功能的全部費用的比值。從價值工程的定義中，涉及到價值、功能和壽命周期成本這三個基本概念。

(1) 價值

價值工程中所述的“價值”是一個相對概念，是指價值工程分析對象所具有的功能與形成功能的費用之比[7]。它是衡量一個研究對象經濟效益高低的尺度，可以表示為：

V=F/C

式中：V為價值；F為研究對象的功能；廣義是指產品或作業的功用和用途；C為獲得相應功能的壽命周期成本，即從研發、設計、試驗、試制、生產、銷售、使用、維修直到報廢所花費費用的總和。

價值工程中的價值是一種比較價值或相對價值的概念，對象的效用或功能越大，成本越低，價值就越大。

(2) 功能

功能是指價值工程分析對象能夠滿足人們某種需要的一種屬性[8]。比如對產品而言，功能就是指它的用途。任何產品的存在是由于它們具有能滿足用戶所需求的功能。人們購買產品的實質是為了獲得產品的功能。價值工程通過分辨確定各種功能的性質和重要程度，對產品功能進行分析研究，正確、合理地確定產品的必要功能、消除不必要功能，加強不足功能、削弱過剩功能，改進設計，降低產品成本。

價值工程是以功能為中心，在可靠地實現必要功能基礎上來考慮降低產品成本的。

(3) 壽命周期成本

壽命周期是指從價值工程分析對象被研究開發、設計制造、用戶使用直到報廢為止的整個時期[7]。對象的壽命周期一般可分為自然壽命和經濟壽命。價值工程一般以經濟壽命來計算和確定對象的壽命周期。壽命周期成本是指從分析對象被研究開發、設計制造、銷售使用直到報廢所發生的各項費用之和。壽命周期成本主要由生產成本及維護成本組成。

價值工程就是要通過著重于功能分析的一系列有組織的創造性活動，提高所研究對象的價值。

1.2價值工程的實施步驟

價值工程有自己獨特的一套工作程序[9]，其工作步驟及具體內容見表1。

表1　價值工程的實施步驟

2　萬向節叉零件加工工序改進與應用

在生產中，對量大面廣、工序繁瑣、工藝復雜、原材料和能源消耗高、質量難于保證的產品，我們可以運用價值工程進行技術攻關及技術改造[10]。我們依據價值工程理論(以最低的總成本，來切實可靠地達到產品或作業的必要功能)進行對萬向節叉的功能分析和有組織的改進活動。

2.1改進對象的選擇

價值工程對象選擇的方法有很多種，根據不同價值工程對象的特點及企業自身條件選用適宜的方法。常用的方法有經驗分析法、ABC分析法、強制確定法、百分比分析法、價值指數法等，我們選擇強制確定法(Forced Decision)。

強制確定法是以功能重要程度作為選擇價值工程對象的一種分析方法[11]。具體步驟是：首先進行功能評分，求出功能系數和成本系數，依據價值系數的計算結果分析對象的功能與成本是否相稱，若不相稱，應選為價值工程的研究對象。此方法是從功能與成本兩方面來考慮問題的，所以比較全面而且方法簡便易行，能夠將功能由定性表達提升到定量分析。

按照影響萬向節叉質量的六大因素(人、機、料、法、環、檢)用一對一比較法作出評價，明確其重要性次序。比較結果表明機械加工方法(即加工工藝)是最大影響因素，人與機床兩項次之，因此機械加工方法應為選擇對象。

2.2傳動軸萬向節功能分析

功能分析是用簡明的語言對價值工程對象的每一項功能做一個確切的描述，通過這種描述，把功能的本質、內容及其水平準確地表達出來，再用系統的觀點將已經定義了的功能加以系統化，找出各局部功能相互之間的邏輯關系，并用圖表形式表達，以明確產品的功能系統，從而為功能評價和方案構思提供依據[12]。

我們對汽車傳動軸產品的質量功能下的定義：總功能為提高汽車產品質量，重要的是提高在精車成形工序中的定位精度。由此可得出如下功能系統圖：

圖3　傳動軸產品功能系統圖

2.3萬向節功能評價

經過功能定義與整理后明確了價值工程對象所具有的功能，還要定量確定功能的目標成本是多少，功能的現實成本是多少，改進目標是多少，這些問題都要通過功能評價來解決。

功能評價就是找出實現功能的最低費用作為功能的目標成本(功能評價值)，以功能目標成本為基準，通過與功能現實成本的比較，求出兩者的比值(功能價值)和兩者的差異值(改善期望值)，然后選擇功能價值低、改善期望值大的功能作為價值工程活動的重點改進對象。

2.3.1功能評價系數

功能評價系數是評價對象的某項功能在總功能所占的比重。功能評價系數越大說明功能越重要[13]。選四名對此萬向節叉零件加工工藝較為熟悉的人員分別對五項質量功能進行打分，然后計算得出功能評價系數(見表2)。

表2　功能評價系數

表中“功能”欄的A為兩耳孔軸線與外圓軸線位置度0.5； B為兩耳端面對中心對稱表面的對稱度0.1； C為基準端面與外圓軸線垂直度及外圓橢圓度；D為兩耳端面及孔的粗糙度； E為兩耳寬135，孔徑Φ50。表3、4中的A、B、C、D、E所示功能與前述相同。

2.3.2功能成本系數

功能成本系數是將評價對象的功能評價值與功能的現實成本進行比較，求得評價對象的價值系數和成本降低期望值，進而確定價值工程改進對象。按五項質量功能，依各工序進行功能成本系數分配(見表3)。

表3　各功能的成本系數

2.3.3目標成本分配

根據上述表2、表3數據作出“目標成本分配表”(見表4)。

表4　目標成本和成本降低期望值

由表4可以看出功能價值系數小于1(功能價值系數等于1，表示功能與成本達到了合理匹配，一般無需改進；功能價值系數大于1，說明該功能比較重要，但分配的成本較少；功能價值系數小于1，此時成本對于所實現的功能來說偏高。一種可能是存在著過剩功能，另一種可能是功能雖無過剩，但實現功能的條件或方法不佳，致使實現功能的成本過高。這種情形就應列為改進范圍。確定價值工程對象的改進范圍，應綜合考慮功能價值系數偏離1的程度以及成本降低的幅度，優先選擇功能價值系數遠小于1，而且成本改進幅度大的功能。)的三項中以C種(即精車成形后的基準端面與外圓垂直度及外圓橢圓度)為功能最低(功能價值系數為0.647)，應首先選為改進對象，其他兩項也應該提高質量功能[12]。

2.4改進方案的選定與評價

我們對改進對象萬向節叉在進行功能分析評價基礎上，尋找和構思實現功能的新方案，這是價值工程能否取得成效的關鍵步驟[14]。方案評價是對新構思的方案進行技術、經濟和社會三個方面的評價，包括方案的概略評價和方案的詳細評價。本著有利于管理、效益高、可行性大的原則，對選定的功能改進對象進行廣泛的論證，對提出的三種工藝改進方案進行概略評價及可行性詳細評價。

2.4.1方案的概略評價

概略評價是對新構思方案進行初步研究，其目的是從眾多的方案中進行粗略的篩選，以

減少詳細評價的改進量(見表5)[15]。表5中，×為舍，○為取，△為留。

從工藝改進方案概略評價表可以看出：改變加工工藝、改進定位基準方案具有高質(產品質量高)、高產(生產效率高)、低成本(投資費用低)，并且對工人的技術水平要求也不高，可以作為優選的方案。

表5　工藝改進方案概略評價表

2.4.2方案的詳細評價

詳細評價是在概略評價所得的比較抽象的方案中，評選出準備實施的最佳方案。其評價結論是方案審批的依據。

技術評價圍繞功能進行，內容是方案能否實現所需功能以及實現程度；經濟評價圍繞經濟效果進行，內容是以成本為代表的經濟可行性；社會評價圍繞社會效果進行，內容是方案對社會的利弊；最后進行綜合評價，選出最佳方案[16]。

方案一 原加工工藝不變，將專機加工改為加工中心加工。若不改進定位基準，即使使用加工中心，位置精度及對稱度的要求都因基準誤差而受到影響。這種方法加工精度只高在加工中心機器本身，宏觀地看，整個零件質量不高。另外，加工中心與專機相比不如專機效率高，故此方案不可取。

方案二 使用原有加工工藝，而經常更換活頂尖的方法雖可保證質量，但廢品率高，有時廢品率高達50%。因此，此方案采用價值不大。

方案三 改變原有加工工藝，將定位基準由下端面改為焊接坡口處平面，在加工兩耳端面、兩耳內孔后再車坡口(如圖4所示)。

這種方案可用菊花頂尖，夾緊力比活頂尖增大，在加工定位圓柱表面時及端面垂直度得到保證，可使定位精度(對稱度、位置度)提高幅度為28.6%。

圖4　改進后工序圖/mm

此方案定位基準的加工可由CA6140普通車床轉為CE7120機床加工，這樣既可緩解車間CA6140機床工時緊張的狀況，又消除了CE7120機床的窩工現象，使管理趨向合理、零件的廢品率下降、加工工時下降，并擴大了生產能力。此方案還可使鉆、擴專用機床清理鐵屑方便，節約輔助工時，改善了工人勞動條件，克服了工具(活頂尖)消耗高的弊端。[17]此方案僅增添一套夾具零件及一件菊花頂尖，投資成本不高，會產生是事半功倍的效果。故將該方案定為可行方案。

基于價值工程的選定方案，在生產中實施后可取得了較好的的綜合效益。

(1) 在社會效益方面該件在裝車后萬向節質量提高，成為信得過產品。即使傳動軸總成在裝配后的動平衡工序中發現不平衡等異常，也無需考慮該件的原因。

(2) 在經濟效益方面采用工藝成本的效用計算經濟效益的高低可知，由于夾具、刀具費用的降低、工時的下降、廢品的大幅度減少等，致使單件產品成本下降了14.5%。

(3) 在技術效益方面由于定位精度的改善，使工藝安排更加合理，提高了工藝科學管理水平，也是技術進步工作中的一項成果。

3　結語

價值工程以提高產品(或作業)價值和有效利用資源為目的，通過有組織的創造性工作，尋求用最

低的壽命周期成本，可靠地實現使用者所需功能，以獲得最佳綜合效益。在基于價值工程的萬向節叉加工工序創新方案：是以提高價值為目標，以功能分析為核心，以經濟效益為出發點，對選定的對象進行分析，從而在產品質量、技術管理及經濟效益等方面都取得了較好的效果，在方案實施后使萬向節叉成為穩定的合格品，廢品率降為千分之一，取得了較好的的綜合效益。

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(學科責編：吳芹)

Improvement and application of part machining process based on VE (value engineering)

Zhao Wenbo，Li Yingjie

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The article, based on the theory of value engineering (i.e. the total cost, the lowest in order to reliably achieve product or operation necessary function), demonstrates on the status quo of the automobile drive shaft universal joint fork and improve. Quality status of automobile drive shaft universal joint fork is demonstrated and improved based on value engineering theory in the article. By using the forced decision method, the factors of affecting the quality of universal joint fork in improving object selection, universal joint function analysis and functional evaluation for transmission shaft product quality and vehicle performance issues are explored. The selected functions improve extensive argumentation, put forward three kinds of process improvement scheme, the scheme with the advantages and disadvantages of the comparative method of outline evaluation and detailed feasibility evaluation and determine the final feasible scheme. Through the research on the application of value engineering in the production practice, the paper explores the production in large quantity and wide, process cumbersome, complex process, difficult to guarantee the quality of the parts, the use of value engineering technology research and technological transformation. The results show that the selected scheme based on the value engineering in the production makes the implementation of the universal joint become stable qualified product, in terms of the quality of the products, technology management and economic benefits have achieved good results.

VE; universal joint; innovation of process; scheme evaluation

2015-10-26

趙文波(1968-)，男，副教授，學士，主要從事機械制造等方面研究．E-mail：zwb@sdjzu.edu.cn

1673-7644(2016)03-0270-06

TH186

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