基于注塑工藝的汽車零部件成本分析

趙振家，趙明楠，嚴(yán)玉廷

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

在汽車工業(yè)落實(shí)節(jié)能減排，推進(jìn)綠色發(fā)展的背景下，“以塑代鋼”已成為汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要手段之一。由于塑料密度遠(yuǎn)低于金屬密度，再結(jié)合其易成型、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其在汽車的應(yīng)用比例越來越大。一些車型已將翼子板、尾門等零件實(shí)現(xiàn)塑料化并獲得市場消費(fèi)者認(rèn)可。隨著車用塑料的種類及重量越來越多，掌握塑料產(chǎn)品上下游產(chǎn)業(yè)鏈以及合理地進(jìn)行成本分析對企業(yè)成本控制策略變得尤為重要。

注塑工藝作為塑料成型的重要工藝之一，在汽車的眾多零部件中均有應(yīng)用，常見注塑產(chǎn)品如下表1所示。為對汽車注塑產(chǎn)品進(jìn)行合理的成本分析，本文先介紹了注塑工藝概況，并基于注塑工藝建立了成本分析模型，這對企業(yè)開展成本分析、采購議價(jià)等工作具有一定的參考意義。

表1 汽車常見注塑零件

1 注塑工藝概況

1.1 工藝流程

圖1 注塑工藝流程及設(shè)備示意圖

注塑成型是指利用注塑機(jī)將融化的塑料快速注入閉合的模具內(nèi)，使之冷卻固化、開模后得到成型產(chǎn)品的方法。注塑成型是一個(gè)循環(huán)的過程，其流程及使用的設(shè)備如下圖1所示。

1.2 注塑機(jī)選型

生產(chǎn)過程中，選用合適的注塑機(jī)不僅有助于合理地控制產(chǎn)品成本，也避免了因采用較大噸位機(jī)型帶來的能源及材料浪費(fèi)。對注塑機(jī)噸位選擇一般歸納為“射得滿、鎖得住、放得下、取得出”4大判定標(biāo)準(zhǔn)[1]。

（1）射得滿

注塑能力是根據(jù)注塑機(jī)的最大注塑量而考慮，即“射的滿”。一般要求注塑機(jī)注塑能力≥產(chǎn)品質(zhì)量×模腔數(shù)量/0.75。

（2）鎖得住

鎖模力是指合模后以抵抗熔融塑料進(jìn)入模腔產(chǎn)生的模腔壓力，防止模具閉合不嚴(yán)，造成漏膠、飛邊等不良現(xiàn)狀，即“鎖得住”。要求注塑機(jī)鎖模力≥產(chǎn)品分型面投影面積×模腔數(shù)量×材料鎖模力常數(shù)。

（3）放得下

模具外形尺寸應(yīng)小于注塑機(jī)工作臺(tái)面的有效尺寸，即“放得下”。一是模具長寬方向至少有一個(gè)方向的尺寸＜水平方向拉桿內(nèi)間距；二是注塑機(jī)最小模厚≤模具厚度≤注塑機(jī)最大模厚。

（4）取得出

開模行程是保證產(chǎn)品從注塑機(jī)取下的重要參數(shù)，一般產(chǎn)品深度×3.5≤開模行程來校核。

通過上述判定標(biāo)準(zhǔn)選出來的注塑機(jī)可視為最理想生產(chǎn)的注塑機(jī)，并作為成本分析的參考依據(jù)。實(shí)際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品種類差異大，零部件生產(chǎn)企業(yè)不可能購買全部型號設(shè)備，往往存在注塑機(jī)噸位偏大的情況，因此，在各個(gè)階段計(jì)算成本分析時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況來進(jìn)行。

1.3 注塑周期

產(chǎn)品的注塑周期不僅對生產(chǎn)運(yùn)行效率至關(guān)重要，且對汽車零部件成本控制也發(fā)揮重要的作用，而在實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)經(jīng)常通過優(yōu)化注塑周期來實(shí)現(xiàn)成本的管控。注塑產(chǎn)品評估隨著項(xiàng)目進(jìn)行具有動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，各個(gè)階段在實(shí)際進(jìn)行成本分析工作時(shí)，前期可通過類似產(chǎn)品進(jìn)行評估，并積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，也可通過模流分析進(jìn)行評估；項(xiàng)目中期通過實(shí)際生產(chǎn)狀況來進(jìn)行計(jì)算，并與不同階段做對比，提供數(shù)據(jù)參考，修正經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停豁?xiàng)目后期或競品分析時(shí)則可通過類似產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)評估。為了科學(xué)地計(jì)算注塑成型周期，并通過理論來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，本文依據(jù)注塑工藝流程，將整個(gè)注塑成型周期歸納為注塑時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、開合模時(shí)間，具體計(jì)算方法如下：

（1）注射時(shí)間

注塑時(shí)間根據(jù)產(chǎn)品材料性質(zhì)，產(chǎn)品形狀及質(zhì)量要求而定，它與注射壓力、注射速率、螺桿轉(zhuǎn)速、背壓及溫度等許多因素有關(guān)。注射時(shí)間估算方法見公式1：

Ti：注射總時(shí)間，s；

K1：成型熱膨脹系數(shù)，參考材料物性表；

M：射膠總量（（單件產(chǎn)品重量×模穴數(shù)量+流道、料頭重量）/材料利用率）；

ρ：材料密度，g/cm3；

K2：射出速率系數(shù)，一般取0.2～0.5；

V：注塑機(jī)最大射出速度，cm3/s。

（2）保壓時(shí)間

保壓時(shí)間為從模腔充滿后開始，到保壓結(jié)束為止所經(jīng)歷的時(shí)間。保壓時(shí)間受材料收縮率以及產(chǎn)品尺寸和變形要求等因素影響。保壓時(shí)間計(jì)算方法見經(jīng)驗(yàn)公式2。這里保壓時(shí)間主要和產(chǎn)品壁厚相關(guān)，實(shí)際調(diào)工藝參數(shù)是針對不同的零件可通過螺桿位置來進(jìn)行保壓，即保壓時(shí)間為0s。為提升公式準(zhǔn)確性，可通過對同類產(chǎn)品積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來不斷修正、完善模型。

Th：保壓總時(shí)間，s；

D：產(chǎn)品壁厚，mm。

（3）冷卻時(shí)間

注塑件的冷卻時(shí)間占整個(gè)成型周期的比例為50%以上，一定程度上決定了整個(gè)成型周期。影響冷卻時(shí)間的因素較多，如產(chǎn)品形狀、壁厚，模具材料、水路排布、走向以及冷卻液流量，塑料種類、熔膠溫度、模具溫度、材料熱變形溫度等。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)見擬合公式3[2]：

TC：冷卻時(shí)間，s；

α：塑料熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s；

Tc：熔膠溫度，℃；

Tm：模具溫度，℃，參考材料物性表；

Tx：熱變形溫度，℃，參考材料物性表。

（4）開合模時(shí)間

開合模的時(shí)間受機(jī)臺(tái)噸位、模具結(jié)構(gòu)、機(jī)械手取件等因素影響，一般按不同噸位機(jī)臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為了提升生產(chǎn)效率，往往通過在開模頂出時(shí)機(jī)械手同步進(jìn)行取件動(dòng)作，合模時(shí)模具同步復(fù)位。歸納經(jīng)驗(yàn)公式4如下，并通過不斷積累生產(chǎn)數(shù)據(jù)對其修正，以提高適應(yīng)性及準(zhǔn)確性。

TO：開合模時(shí)間，s；

X：注塑機(jī)機(jī)臺(tái)噸位。

1.4 注塑模具

注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)離不開模具，汽車注塑產(chǎn)品模具的種類及結(jié)構(gòu)因產(chǎn)品不同而千差萬別，加之不同企業(yè)對模具的材料、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等要求不一等因素，為評估模具價(jià)格帶來了諸多的不確定性。

圖2 模具價(jià)格構(gòu)成圖

一般而言，模具價(jià)格構(gòu)成如圖2所示。對注塑模具進(jìn)行成本估算的方法主要有四類：工時(shí)法、按模具材料費(fèi)估算（工料比法、重量法）、類比法、成本法[3]。在實(shí)際進(jìn)行成本分析工作時(shí)，為了更好的評估模具價(jià)格，通常采用多種方法相結(jié)合來進(jìn)行。首先對產(chǎn)品尺寸、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、產(chǎn)品表面特征及精度等參數(shù)進(jìn)行評估，確定模具大小、材料及標(biāo)準(zhǔn)件品牌等初步方案，通過工時(shí)法、按模具材料費(fèi)法，進(jìn)行模具價(jià)格估算，最后依據(jù)類比法對模具價(jià)格進(jìn)行對比修正評估出最終的模具價(jià)格。模具價(jià)格評估是一項(xiàng)需要較強(qiáng)綜合能力的工作，評估人員需對產(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)煜ぃ@給非工程人員進(jìn)行成本分析工作帶來了一定的難度。未來，隨著CAD/CAM/CAE/CIMS和同步開發(fā)系統(tǒng)的不斷進(jìn)步以及模具標(biāo)準(zhǔn)件的市場化透明化，通過研發(fā)商業(yè)化的模具價(jià)格計(jì)算軟件來實(shí)現(xiàn)對模具價(jià)格計(jì)算，進(jìn)而解決這一難題。

2 成本分析模型

對汽車注塑類產(chǎn)品成本主要包括材料費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)、工裝費(fèi)用、能源動(dòng)力費(fèi)、人力費(fèi)、場地費(fèi)以及其他等費(fèi)用。

2.1 材料費(fèi)用

注塑產(chǎn)品材料費(fèi)用主要包括注塑材料費(fèi)、澆口及流道費(fèi)、試模材料費(fèi)，因更換材料或顏色必要的洗料筒材料費(fèi)。產(chǎn)生的廢料可作為回收或出售，計(jì)算方法見公式5：

Cmaterial，材料成本，元；

M1，產(chǎn)品重量，kg；

Pmaterial1，材料單價(jià)，元/kg；

ηmaterial，材料利用率，%；

M2，產(chǎn)生廢料重量，kg；

Pmaterial2，廢料單價(jià)，元/kg。

2.2 設(shè)備分?jǐn)傎M(fèi)用

注塑過程按特點(diǎn)及自動(dòng)化程度不同所需設(shè)備不同，主要使用設(shè)備包括注塑機(jī)、模溫機(jī)、干燥機(jī)、機(jī)械手、輸送線等。設(shè)備分?jǐn)傆?jì)算方法如公式6：

Cequip.，設(shè)備費(fèi)用分?jǐn)偅?/p>

Pequip.，設(shè)備購買價(jià)格，元；

Yequip.，設(shè)備折舊年限，一般為10年；

12，指每年工作月數(shù)為12個(gè)月；

Dequip.，設(shè)備每月運(yùn)行天數(shù)，一般取21.75天；

Hequip.，設(shè)備每日工作小時(shí)數(shù)；

3600，指每小時(shí)換算為3600秒；

ηequip.，設(shè)備工作效率，%；

Tstd.，注塑成型周期，s。

2.3 工裝費(fèi)用

注塑產(chǎn)品所需要的工裝一般分為三類即模具、夾具、檢具。分?jǐn)偝杀疽阅＞哔M(fèi)最多，在進(jìn)行模具分?jǐn)倳r(shí)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品模具費(fèi)用是否單獨(dú)支付及分額比例等情況。計(jì)算方法見公式7：

Cmold，工裝分?jǐn)偝杀荆?/p>

Pmold，工裝價(jià)格，元；

Nmoldlife，設(shè)計(jì)壽命或約定攤銷次數(shù)。

2.4 能源動(dòng)力費(fèi)

能源動(dòng)力費(fèi)主要指設(shè)備所使用的電費(fèi)，計(jì)算方法見公式8：

Cequip.，能源動(dòng)力費(fèi)，元；

Pequip.，設(shè)備額定功率，主要指注塑機(jī)功率，適用時(shí)包括模溫機(jī)、機(jī)械手、傳輸帶的功率，kW；

λequip.，設(shè)備平均功率系數(shù)，%；

1，為設(shè)備工作1小時(shí)；

Penergy為當(dāng)?shù)赜秒妴蝺r(jià)，元/kWh；

2.5 人工費(fèi)用

注塑生產(chǎn)中所用人員通常用來支持換模、調(diào)工藝、修飛邊、包裝、運(yùn)輸及檢驗(yàn)等工作。人工費(fèi)用計(jì)算見公式9：

Clabor，人工費(fèi)用，元；

Plabor，工人月工資，元/月；

Dlabor，工人月工作天數(shù)，天；

Hlabor，工人日工作小時(shí)，h。

2.6 場地費(fèi)用

注塑生產(chǎn)過程所必要使用場地主要包括原材料占地、注塑機(jī)及輔助設(shè)備占地，機(jī)械手及運(yùn)輸線占地等。計(jì)算方法見公式10：

Crent，場地費(fèi)用，元；

Sequip.，設(shè)備占地面積m2；

Prent，場地折舊費(fèi)或租金，元/m2·月。

2.7 其他費(fèi)用

其他費(fèi)用主要包括后處理費(fèi)用、包裝、運(yùn)輸費(fèi)用、期間費(fèi)用以及利潤等費(fèi)用。

汽車注塑類零部件通常并不只有注塑一種工藝，注塑工藝完成后依據(jù)不同產(chǎn)品繼續(xù)通過其他工藝（噴涂、水轉(zhuǎn)印、包覆、電鍍等）來完成最終產(chǎn)品，因此，還須結(jié)合其他工藝費(fèi)用來核算產(chǎn)品原價(jià)。

包裝多為循環(huán)式料架等，可按使用壽命進(jìn)行折舊計(jì)算；現(xiàn)汽車生產(chǎn)為訂單拉動(dòng)式生產(chǎn)，運(yùn)輸費(fèi)用通常按實(shí)際情況統(tǒng)一結(jié)算，可根據(jù)運(yùn)輸公里×運(yùn)輸單價(jià)來進(jìn)行評估。

期間費(fèi)用是指不能直接歸屬于某個(gè)特定產(chǎn)品成本的費(fèi)用。主要包括管理費(fèi)用、財(cái)務(wù)費(fèi)用、銷售費(fèi)用。進(jìn)行成本分析按一定比例計(jì)算即可，一般為制造費(fèi)用的5%～10%。

利潤通常按完全成本費(fèi)用的一定比例計(jì)算，注塑行業(yè)一般為10%～30%。

3 結(jié)語

成本分析對企業(yè)生產(chǎn)各項(xiàng)工作的重要性不言而喻，科學(xué)合理的成本核算方法能夠準(zhǔn)確的分析汽車零部件的各項(xiàng)成本。本文基于注塑工藝流程建立了成本分析模型，該模型可以用于產(chǎn)品開發(fā)各個(gè)階段的成本分析，項(xiàng)目前期可指導(dǎo)采購議價(jià)，項(xiàng)目中期可支持成本變化評估，項(xiàng)目后期可支持競品及VAVE等工作。此外，成本分析模型的運(yùn)用離不開相關(guān)的數(shù)據(jù)積累，圍繞工藝模型不斷建立材料、設(shè)備、人工、場地、模具、工時(shí)等相關(guān)數(shù)據(jù)庫，不斷優(yōu)化模型，才能夠更科學(xué)合理地對產(chǎn)品進(jìn)行分析。