基于特征的零件制造成本測算

李庭泰 陶建華

（廣州大學機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006）

零件的制造成本作為制造過程中的重要一環。因此，快速、準確的地測算對制造企業至關重要。

文獻[1]針對模型采用壓鑄工藝的方法，創建了基于流程的成本計算模型來估算生產成本。文獻[2]通過詳細的文獻回顧和專家訪談，確定了成本估算智能決策支持系統的應用可能。文獻[3]針對傳統成本分析中分配標準單一的不足，引入了作業成本分析法。將再制造過程費用按照作業動因進行分配，合直接材料費和直接人工費，得出不同機床的再制造成本，決策者提供有效的成本信息。文獻[4]利用基于圖和規則的方法，詳細分析注塑模基于加工特征的加工工時估算流程，分析了加工費、材料費、設計費等費用的估算模型和方法。文獻[5]針對模具業定義了BOM 成本數據庫和XML 特征文檔，使用實例推理的方法對成本進行估算。

上述研究從制造工藝流程、相似性檢索和實例推理的方法展開研究，這些方法用實例庫中大量數據作為支持，當目標零件與實例零件相似度比較低或實例庫中的數據不夠完整時，可能導致無法準確預測目標零件的制造成本。本文基于特征的零件制造成本測算，深度分析制造成本影響因素并建立基于加工特征的工時計算模型，實現加工成本的計算，計算精確度高，并結合實例驗證。

1 特征的分類

從加工制造的角度出發。將板類零件加工特征主要分為六大類特征：槽類特征、孔類特征、凸臺特征、臺階特征、過渡特征和面特征，具體特征如圖1 所示。

圖1 加工特征分類

2 制造成本影響因素

2.1 毛坯成本

毛坯成本（C毛坯）是指未經任何處理的材料成本，主要取決于毛坯尺寸大小和材料類型。數學模型如式（1）所示。

式中：V為實際毛坯體積；ρ為材料密度；t為材料單價。

2.2 加工成本

加工成本（C加工）是指完成一個零件所需的加工成本，它通常與零件加工工時相關。計算加工工時需要考慮零件的復雜程度、尺寸大小、材料特性、加工精度、加工工藝、對刀時間、換刀時間和進/退刀時間等多種因素的影響。數學模型如下：

式中：T加為每個加工特征的加工時間；T輔為輔助時間；k設備為加工設備的工時單價。

通過MySQL 數據庫構建零件與制造資源之間的關系，如圖2 所示。將零件加工特征與刀具信息、機床、夾具通過制造資源庫E-R 關系信息聯系起來，以確定加工使用的機床工時單價k設備。

圖2 制造資源間E-R 關系圖

2.3 表面處理成本

表面處理包括噴涂、電鍍、鍍膜、熱處理和拋光等多種工藝，可以提高產品的外觀質量、功能性和耐用性，提高零件的可靠性和使用壽命[6]。當表面處理成本（C表）以每平方米的方式計算制造成本時。數學模型如式（3）所示。

式中：S為表面處理面積；t表面為按照每平方米計算表面處理工藝單價。

當表面處理方式按照零件重量計算制造成本時，數學模型如式（4）所示。

式中：M為零件重量；t表面為表面處理工藝單價。

2.4 熱處理成本

熱處理能夠改善材料的工藝性能和使用性能，發揮材料的潛力，延長零件的使用壽命，提高產品質量，消除材料內在缺陷，降低內應力[7]。通常以零件重量進行計算熱處理成本，數學模型如式（5）所示。

式中：M為零件重量；t熱為熱處理工藝單價。

2.5 設備折舊費

設備折舊費主要包括機床折舊費、刀具折舊費和夾具折舊費。通常基于設備的原值、預計使用壽命和殘值來計算。以機床折舊費為例，一般是從機床從投入生產加工到報廢不能使用這段時間上的分攤，將機床折舊率記為k機折，數學模型如式（6）所示。

式中：機床折舊費率k機折的數學模型如式（7）。

式中：J為機床設備原值；U為機床設備殘值；N為機床預計使用時間。

機床設備殘值[8]通常是機床設備原值[9]的一個固定比例。機床預計使用時間可通過機床的預計壽命、機床每天的工作時間、每次機床加工的零件數量、機床的維護保養情況綜合判斷。

2.6 其他成本

其他成本考慮主要因素，數學模型如式（8）所示。

式中：C水電為水電成本；C管理為管理成本；C人工為人工成本；C運輸為運輸成本。

（1）水電成本

實際的水電成本可能會受到季節、用電用水量等因素的影響，要根據企業當地具體情況進行調整。根據以往的經驗按每小時用水量進行計算，電費則可以按照所使用的機床的額定功率進行計算。

（2）管理成本

管理成本一般是在制造過程中實施的管理和組織制造車間所發生的各種費用，還包括項目承擔過程中的商務費用以及其他間接費用等。可通過零件的直接成本（材料成本、加工成本、表面處理成本、熱處理成本）的一定比例進行計算。數學模型如式（9）所示。

式中：C直成包括材料成本、加工成本、表面處理成本和熱處理成本。

（3）人工成本

人工成本通常根據工人不同經驗和類別，對應不同工時費，包括直接人工成本和間接人工成本[10]。還包括比如管理、運輸、維護及制造零件相關的其他人力資源成本。表1 中展示了部分工人類別的工時費。在計算人工成本時按人工工作時間進行計算，數學模型如公式（10）所示。

表1 人工工時費

式中：t為工人工作時間，k人工為工時單價。

工人工作時間通常包括以下6 大部分如圖3 所示。

圖3 工人工作時間

對于人工工時單價k人工，由于操作人員擁有不同的經驗和技能類別，對應的工時單價也不相同。因此，要根據具體使用的機床來匹配相應的人工工時單價。

（4）運輸成本

運輸成本通常是由運輸距離、貨物重量和體積、運輸方式等因素綜合決定的，數學模型如式（11）所示。

式中：d距為運輸距離；k運為運輸單價，可以根據不同的運輸方式進行設定；w貨為貨物重量；k運為單位重量運費，可以根據貨物的種類和運輸方式進行設定；c裝卸為固定裝卸費。

2.7 制造成本計算模型

根據企業規模、市場需求，通過上述綜合考慮了材料成本、加工成本、表面處理成本、熱處理成本、設備折舊費、其他成本等制造成本影響因素。其中毛坯成本和加工成本是影響價格波動最關鍵的因素，數學模型如式（12）所示。

3 特征加工工時計算

3.1 面加工工時計算

在板類零件中，頂面、底面、外輪廓面特征，加工策略不相同，但可以采用相同的數學模型來計算。根據客戶對加工精度要求的不同，工時估算方式也不相同。以頂面粗加工為例，數學模型如式（13）所示。

式中：?V為切削體積；D為刀具直徑；F為進給量；p為切寬比，刀具直徑方向切削段長度與直徑之比[11]；v為主軸轉速；d為切削深度。

切削體積 ?V的數學模型如式（14）所示。

式中：s毛頂為毛坯頂面面積；l為零件頂面到毛坯頂面的距離。

粗加工是大量去除材料，半/精加工在粗加工后去除預留量。可將半/精加工的切削表面積看作加工面的表面面積，用相同模型來計算兩者的加工工時。數學模型如式（15）所示。

式中：s表為切削表面積。

3.2 槽類加工工時計算

槽類主要有通槽、盲槽、開口槽和鍵槽等；如圖4 盲槽加工先是開粗，如果刀具直徑較大，則要粗清角操作，清角加工工時采用式（15）計算；接下來是半/精加工，由于槽類半/精加工是對每個面單獨加工處理，工時計算的原理和方法是類似的，因此采用式（15）計算；對于通槽、開口槽、鍵槽等和盲槽工時計算的原理和方法是大同小異。

圖4 盲槽

經上述分析，槽類特征的粗加工工時可按照一定規律進行計算，數學模型如式（16）所示。

式中：S為槽的底面積；H為槽的深度；t清為清角加工時間。

3.3 孔類加工工時計算

孔類主要有通孔、盲孔、錐孔和錐沉孔等。孔粗加工常為鉆孔加工。加工前，一般在待加工孔中心打中心點進行定位，所以每一個孔需要一個預打點時間。當孔粗加工策略為鉆孔加工時，可以采用相同的數學模型，如公式（17）所示。

式中：L為孔的深度；t孔輔為打中心點的時間。

當孔直徑大于刀具直徑時，此時孔粗加工策略為銑削，加工工時則按照槽類式（16）計算。當計算臺階孔加工工時，小徑孔的粗加工工時采用孔類式（17）計算，L應為臺階孔的深度；當沉臺用锪孔加工時，粗加工工時采用式（17）計算，L為沉臺的深度；當沉臺以銑削加工時，粗加工工時采用式（16）計算，S為沉臺底面面積。當鉸孔以半/精加工時，采用式（17）計算；當鏜孔或銑孔以半/精加工時，可以近似看作刀具走完整個面所花費的時間，采用式（15）計算。

3.4 凸臺特征與過渡特征

（1）凸臺特征

由于凸臺一般為單一特征或復合特征，在實際加工中只需要進行半/精加工即可，用計算式（15）。

（2）過渡特征

過渡特征一般使用成型刀加工，工時數學模型如式（18）所示。

式中：L過為過渡特征的長度。過渡特征的長度要根據過渡特征類型及其鄰接面具體判斷和分析，如圖5 以過渡面中的圓柱面f1為例，若圓柱面f1的高度記為h，半徑記為r，則L過=h+r。

圖5 帶有圓角特征的模型

4 實例驗證

以企業加工的板類零件為例（圖6），在獲取零件加工特征后（圖7），選材料為Q235A 碳素結構鋼，表面標準化處理，無熱處理，整體加工精度為IT9，不設局部加工精度，生產數量為1。

圖6 板類零件實例

圖7 零件加工特征表

如圖8 所示，實例零件價格結果為545.58 元，企業人工實際價格結果為511.64 元。經驗證，板類零件制造成本計算偏差在理想范圍內，可以滿足企業的實際需求。

圖8 零件的報價單

5 結語

本文提出了一種基于特征的零件制造成本測算技術，建立了板類零件制造成本計算模型；深度分析了基于特征的加工工時計算方法。實例表明，該方法可有效計算企業零件制作成本。為制造企業提供了快捷和準確的方法。同時該方法具有一定的通用性，為其他類型零件制造成本研究提供了參考。可根據不同零件類型的特點和需求進行優化和改進。