Функционально-стоимостной анализ технологических процессов

Рис. 5.15. Пример полноценного использования отходов

Рис. 5.9. Многорезцовая обработка заготовки блока зубчатых колес

Рис. 5.6. Зависимость трудоемкости и себестоимости обработки от скорости резания

Сопоставление эффективности технологических вариантов по критериям произво­дительности и себестоимости может привести в отдельных случаях к различным выво­дам. Так, например, при сопоставлении растачивания отверстия диаметром 30 и длиной 40 мм по 7-му квалитету с шероховатостью Ra=1,25 мкм в стальных заготовках быст­рорежущим резцом Р18 на токарном станке 1К62 и протягивания в серийном производ­стве получены приведенные ниже данные.

Технологическая себестоимость, р.:

при протягивании…………………………………………..0,11

при растачивании…………………………………………...0,11

Трудоемкость (штучно-калькуляционное время, мин):

при протягивании…………………………………………..1,06

при растачивании…………………………………………...3,63

Приведенный пример показывает, что при сопоставлении эффективности технологи­ческих процессов не следует ограничиваться определением только себестоимости обра­ботки, а иногда требуется подсчитать как себестоимость, так и трудоемкость обработки.

В ответственных случаях определения экономической эффективности технологиче­ских процессов необходимо вести расчет по двум ее основным критериям: производи­тельности (или трудоемкости), выражаемой штучно-калькуляционным временем, и се­бестоимости, представленной в виде технологической себестоимости. Когда по сравни­ваемым вариантам технологических процессов затраты на режущий инструмент разли­чаются незначительно, можно ограничиться сопоставлением эффективности процессов только по одному из указанных критериев экономичности. Если один из сравниваемых вариантов связан с применением дорогостоящего оборудования или специальной техно­логической оснастки, анализ экономичности процессов следует дополнить расчетом приведенных затрат.

Экономическая эффективность технологических процессов в большой степени за­висит от масштабов годового выпуска изделий и размеров партии заготовок, запускаемых в производство.­

Известно, что приобретение высокопроизводительных, но дорого­стоящих многошпиндельных автоматов и полуавтоматов окупается только при доста­точно больших количествах выпускаемых изделий. С другой стороны, структура и об­щая сумма затрат по эксплуатации станков различного типа существенно различаются.

На рис. 5.7 приведена зависимость составляющих затрат себестоимости от вида оборудования, а также от количества выпускаемой продукции. Из рисунка видно, что при использовании простых и дешевых токарных и револьверных станков основная часть себестоимости обработки приходится на долю заработной платы, достигающей 80-90 %, При переходе к высокопроизводительным автоматам доля заработной платы в общей себестоимости снижается до 55 % для одношпиндельного и до 20 % для шести-шпиндельного автомата. Соответственно возрастает доля затрат на амортизацию (до 35 %) и освоение (до 20 %) станка. Повышенные эксплуатационные расходы окупа­ются за счет высокой производительности станка при достаточно большом выпуске.

По А.А. Маталину на рис. 5.8 приведены кривые изменения себестоимости обра­ботки стальных ступенчатых заготовок средней сложности, требующих применения сверлильного и расточного инструмента, разверток, фасонных и отрезных резцов в зави­симости от размеров партии обрабатываемых заготовок. При расчете себестоимости принималось, что один рабочий обслуживает один токарный или револьверный станок или два одинаковых автомата. Все затраты на режущий инструмент, электроэнергию, охлаждающие и смазывающие средства, амортизацию станка и приспособлений, зара­ботную плату основных и вспомогательных рабочих и на материал относились к едини­це продукции.

Рис. 5.7. Зависимость составляющих затрат себестоимости от вида оборудования и количества выпускаемой продукции:

1 - затраты на заработную плату; 2 - затраты на амортизацию; 3 - затраты на освоение станка; 4 - затраты на материалы

Рис. 5.8. Изменение себестоимости изготовления ступенчатых втулок на различном оборудовании:

1 - токарный станок; 2 - револьверный станок; 3 - одношпиндельный токарный автомат;

4 - четырехшпипдельный токарный автомат; 5 - шестишпиндельный токарный автомат

Кривые изменения себестоимости (рис. 5.8) имеют вид гипербол и при увеличении количества обрабатываемых заготовок асимптотически приближаются к прямым, харак­теризующим наименьшую себестоимость обработки заготовок на данном станке, не за­висящую от размеров партии заготовок. Это означает, что для каждого станка существу­ет определенная величина партии заготовок данной сложности и размеров, начиная с которой достигается наиболее экономичная работа станка. Пересечение кривых себе­стоимости (точки 1', 2', 3', 4') определяет пределы экономичного использования станков разных типов. Из рисунка следует, что при обработке малых партий (зона левее точки 1') наиболее экономичным является применение токарного станка. С увеличением партии заготовок наиболее экономичной оказывается обработка соответственно на револьвер­ном, одно-, четырех- и шестишпиндельном токарных автоматах.

Большое влияние методов и режимов обработки, применяемых станков и техноло­гической оснастки на экономичность изготовления заготовок, а также зависимость эко­номичности технологических процессов от размеров партий обрабатываемых заготовок делают актуальной проблему оценки экономичности эффективности технологических процессов. Правильное и своевременное определение экономической эффективности создания и применения новой техники и технологии производства в значительной сте­пени определяет направление и темпы дальнейшего технического прогресса машино­строения.

Таким образом, в условиях жесткой рыночной конкуренции вторым актуальным направлением технологии машиностроения является повышение производительности труда и снижение себестоимости изделий.

Рассмотрим некоторые направления по повышению производительности и сниже­нию себестоимости.

Как видно из вышеприведенных формул, производительность может быть повыше­на главным образом за счет сокращения Т_оп. Это может быть достигнуто уменьшением Т₀ и Т_в (формула 5.9) и их совмещением.

Сокращение основного времени осуществляется за счет интенсификации режимов резания, увеличения скорости и подачи. В последние годы все шире используется высо­коскоростная обработка с v до 800 м/мин при лезвийной и с v до 100 м/сек при алмазно-абразивной обработке. Увеличение подачи может быть осуществлено только при ис­пользовании широких резцов или двухрезцовой обработке (делением подачи).

В значительной мере сократить Т_о позволяет многорезцовая обработка (рис. 5.9). Вспомогательное время можно сократить за счет уменьшения времени на установ­ку и выверку заготовки, увеличения скорости холостых ходов рабочих органов станка, уменьшения затрат времени на управление оборудованием и выполнения контроля.

Установка с требуемой точностью заготовок на станке может отнимать много време­ни. Например, установка и закрепление заготовок крупногабаритных деталей иногда за­нимает 8... 12 ч. Применение специальных, универсальных и других видов приспособле­ний или нормализованных средств в виде опор, планок, подкладок и т.п. обеспечивает ба­зирование деталей по правилу шести точек с меньшими затратами времени. Этому же спо­собствует использование быстродействующих пневматических, гидравлических и элек­тромеханических зажимов, встраиваемых в приспособления. При закреплении заготовок вручную важно сокращать число типоразмеров применяемых крепежных средств, число независимых зажимов и обеспечивать доступность мест закрепления. Затраты времени на закрепление заготовок вручную сокращают использование нормализованных крепежных средств в виде болтов, разрезных шайб, прижимных планок, пружин, поддерживающих прижимные планки, а также автономные пневматические и гидравлические приводы, ус­танавливаемые непосредственно на исполнительные поверхности станка.

Для уменьшения затрат времени на вспомогательные ходы все современные станки оснащают механизмами ускоренных перемещений рабочих органов и автоматическими устройствами, обеспечивающими переход к рабочей подаче.

Скорость вспомогательных перемещений в станках непрерывно повышается. Тен­денция ее повышения отчетливо прослеживается на примере многоцелевых станков типа обрабатывающий центр (ОЦ). Если в 70-е годы скорость вспомогательных ходов состав­ляла 4... 5 м/мин, то уже в начале 90-х годов она достигла 12... 15 м/мин. Следует ожи­дать дальнейшего увеличения скорости вспомогательных ходов, так как в повышении производительности станков она является одним из главных факторов.

Время, затрачиваемое на управление станком и приспособлением, сокращают в ре­зультате концентрации управления в одном месте. На тяжелых станках пульты управле­ния дублируют, что позволяет рабочему управлять станком с разных точек рабочего места. Введение механизмов ускоренных перемещений инструментов (заготовок) в ис­ходное рабочее положение, устройств для быстрой смены инструментов, автоматизация управления ходом операции являются основными мерами по непосредственному сокра­щению вспомогательного времени.

Для того чтобы иметь представление о том, как протекает процесс обработки заго­товок, рабочий систематически должен контролировать точность выдерживаемых раз­меров, состояние станка, приспособлений и инструментов. Время, затрачиваемое на это, может быть сокращено благодаря применению измерительных средств, встраиваемых в станок и показывающих во время обработки значения получаемых размеров, устройств цифровой индикации, непрерывно следящих и выдающих информацию об относитель­ных перемещениях рабочих органов станков, устройств диагностики состояния станка и инструментов. Решению этой же задачи содействуют и устройства адаптивного управ­ления, на которые может быть возложен выбор числа рабочих ходов, изменение режи­мов обработки в связи с изменением припусков и твердости заготовок, компенсация те­пловых деформаций технологической системы и решение других задач.

К уменьшению операционного времени приводит полное или частичное совмеще­ние вспомогательных переходов с выполнением основных переходов. Примером такого совмещения может служить установка очередной заготовки на одном конце поворотного стола фрезерного станка, в то время как на другом его конце идет обработка предшест­вующей заготовки (рис. 5.10). По окончании обработки стол поворачивается на 180°, начинается обработка очередной заготовки, а на свободном конце стола обработанная заготовка заменяется новой.

Совмещение времени установки заготовки с ее обработкой может быть получено при «маятниковой» обработке (рис. 5.11). Сущность ее заключается в том, что во время обработки одной заготовки, установленной на одном конце стола станка, осуществляет­ся смена другой, установленной па другом конце стола и ранее обработанной. После окончания обработки заготовки стол с ускоренной подачей подводит к инструменту очередную заготовку, и цикл повторяется.

Совмещение затрат времени на установку заготовки и съем детали с основными пе­реходами возможно при наличии на станке отдельной установочной позиции. Такие по­зиции обычно предусмотрены на много позиционных станках, примером которых может быть четырехпозиционный агрегатный станок с поворотным столом (рис. 5.12).

Полное совмещение вспомогательного времени со временем выполнения основных переходов достигается в непрерывных процессах, характеризуемых непрерывностью перемещения заготовок с рабочей подачей. Примерами непрерывных процессов могут быть бесцентровое шлифование поршневых пальцев (рис. 5.13, а) и непрерывное фрезе­рование плиток на карусельно-фрезерном станке (рис. 5.13, б).

Рис. 5.10. Двухпозиционный стол станка Рис. 5.11. Схема «маятниковой» обработки

Рис. 5.12. Совмещение с основными переходами установки (съема) заготовки на четырехпозиционном агрегатном станке

Повышению производительности труда во всех ее аспектах в значительной мере способствует комплексная автоматизация производства изделий (автоматические и ро­торные линии, гибкие автоматизированные производственные системы).

Снижение себестоимости изделий машиностроения может быть достигнуто не только за счет повышения производительности труда, но и уменьшения значений других ее составляющих.

Рис. 5.13. Полное совмещение установки (съема) заготовки и вспомогательных переходов с основными

Расходы на материалы могут быть определены по формуле:

где - масса i -й марки материала, расходуемого на изготовление изделия, кг; – стоимость 1 кг материала i -й марки, p.; - масса отходов i -й марки материала, кг; -

стоимость 1 кг отходов i -й марки материала, р.; р - число марок материалов, используе­мых для изготовления изделия.

Анализ приведенного уравнения (5.17) показывает, что имеются следующие пути снижения расходов на материалы;

-сокращение массы материалов, расходуемых на изготовление машины;

-использование, по возможности, более дешевых материалов;

-получение отходов материалов в виде, пригодном для последующего использования.

Расход материала при изготовлении машины определяется материалоемкостью ее

конструкции и массой отходов, образующихся в процессе изготовления. Так как основ­ными материалами, из которых изготовляют машины, являются металлы, то именно их экономии и следует уделить большее внимание.

Металлоемкость конструкции машины полностью зависит от конструктора. Недос­таточное знание свойств материалов, приближенные проверочные методы расчета, а не оптимизационные, преднамеренное завышение запасов прочности приводят к излишне­му расходу материалов. К тому же результату может привести непродуманное конструк­тивное оформление деталей. Для суждения о рациональности использования материалов служит коэффициент использования материала, представляющий собой отношение массы G_изд готового изделия к массе G_мат материала, затраченного на его изготовление:

Значительное количество отходов и потерь металла возникает на машинострои­тельных заводах при получении заготовок деталей. К такого рода потерям относится угар металлов при плавке, сплески, остатки в плавильных агрегатах, окалина, отходы в виде заусенцев, облоя, обрезков, брака заготовок.

При механической обработке большую долю отходов составляет стружка. Но по­мимо нее в отходы идут обрезки проката, из которого получают заготовки, обрезки при раскрое листового материала и забракованные детали.

Сокращение потерь и отходов не только экономит материалы, позволяя увеличить выпуск изделий, но и экономит затраты обоих видов труда как на данной, так и на всех предшествующих стадиях производства.

Потери материала сокращаются с уменьшением числа стадий, которые проходит предмет природы до его превращения в изделие. Идеальным было бы непосредственное превращение предмета природы в годное изделие. В машиностроении такое стремление сводится к непосредственному получению деталей из полуфабрикатов или, если это не­возможно, к сокращению до минимума числа операций, которые должен пройти полу­фабрикат до его превращения в готовую деталь.

Большую экономию материала и снижение трудоемкости механической обработки дают переход от литья в землю к литью в кокиль, оболочковые формы, центробежному литью и другим способам литья, а также использование сварных заготовок.

Уменьшение отходов листового материала дает рациональный раскрой листов. Для поиска наивыгоднейшего способа раскроя листов нередко подключается вычислитель­ная техника. Поиск может сопровождаться изменением конструктивных форм деталей, не нарушающим их соответствия своему служебному назначению, но обеспечивающим экономию материала.

Однако, при всей экономии материала, нельзя недооценивать рост себестоимости заготовок, приближающихся по конфигурации и точности размеров к готовой детали. Так, повышение точности отливок в 2 раза приводит к увеличению их себестоимости на 20 %, в то время как повышение этой же точности черновой механической обработкой увеличивает их себестоимость только на 10 %.

Выбору наиболее дешевых материалов при конструировании деталей способствует точность формулировки их служебного назначения и условий, в которых им предстоит работать. Глубокое осмысление задач, возлагаемых на деталь, и свойств материалов по­может выбрать, например, углеродистую сталь вместо легированной, использовать пла­стические массы, металлокерамические сплавы, композиты и прочие более дешевые материалы вместо дорогих металлов.

Экономию дорогих металлов дает конструкция детали, отдельные части которой сделаны из разных материалов. Например, головка выхлопного клапана двигателей внутреннего сгорания работает в потоке горящих газов с высокой температурой, в то время как стержень клапана работает в нормальных условиях. Стыковая сварка позволя­ет сделать стержень клапана из хромистой стали 40Х, а головку клапана из мартенситной стали 40Х10С2М (рис. 5.14).

Те же результаты дает применение биметаллов - двухслойных материалов (сталь - бронза, сталь - алюминиевые сплавы и др.). Из биметаллических материалов изготовля­ют втулки, служащие опорами валов, вкладыши подшипников автомобильных и трак­торных двигателей и другие детали.

Рис. 5.14. Заготовка клапана (a) и готовая деталь (б) из двух различных материалов, соединенных стыковой сваркой

Значительную экономию дорогостоящих материалов дает нанесение различных из­носостойких и коррозионно-стойких покрытий. Широкие возможности в экономии ме­таллов создает появление новых неметаллических материалов с высокими механиче­скими свойствами. Примером такого рода материалов может служить синтегран - мате­риал, получаемый из крошки гранита и связующей смеси. Обладая высокой прочностью, синтегран не дает усадки, хорошо гасит вибрации, легко схватывается с металлом, Син­тегран можно использовать для изготовления корпусных деталей, валов, ступиц зубча­тых колес, стержней инструментов и многих деталей других типов. Примечательно, что применение синтеграна принципиально изменяет традиционную технологию изготовле­ния изделий. Отдельные детали или сборочные единицы получают в окончательном ви­де заливкой синтеграна в формы. При сборке, например редуктора, валы с зубчатыми колесами и стальными подшипниками, изготовленными воедино, ориентируются отно­сительно формы корпуса редуктора. При заливке синтеграном формы корпуса фиксиру­ется положение всех сборочных единиц, находящихся в нем.

Отходы металла, получаемые при изготовлении деталей, могут иметь различную стоимость в зависимости от возможностей их дальнейшего использования.

Отходы в виде стружки, обрезков, облоев, лома и пр., непригодные для машино­строительного предприятия, являются ценным сырьем для металлургических предпри­ятий. Ценность таких отходов зависит от организации их сбора и хранения. Недопусти­мо смешение отходов металла различных марок, их загрязнение и окисление. Отходы, сдаваемые с паспортом их химического состава, ценятся вдвое выше отходов без пас­порта. На передовых машиностроительных предприятиях создают специальные цеха по сбору, сортировке, очистке отходов и подготовке к транспортированию.

Если отходы могут быть использованы для получения полноценных заготовок дру­гих деталей, их стоимость или не отличается от первоначальной стоимости материала или близка к ней. Примером полноценного использования отходов может служить полу­чение четырех заготовок колец и стержня резца из отходов, образующихся при изготов­лении каждой предшествующей заготовки (рис. 5.15).

Расходы на заработную плату основных производственных рабочих могут быть снижены за счет использования многостаночного обслуживания.

Основными путями сокращения расходов на содержание, амортизацию и экс­плуатацию средств труда являются следующие:

1. Бережное отношение к средствам труда: соблюдение условий эксплуатации, пре­дусмотренных техническими паспортами; защита от воздействия факторов (производст­венной пыли, влаги, химически активных веществ и др.), ускоряющих изнашивание оборудования и приспособлений; тщательный уход (чистка, смазывание, хранение и т.п.); систематический контроль состояния, своевременное техническое обслуживание и ремонт.

2. Приобретение оборудования, приспособлений и инструментов, стоимость кото­рых находится в соответствии с видом, объемом и длительностью выпуска производи­мой продукции, что в конечном счете предопределяет процент амортизационных отчис­лений.

3. Повышение коэффициента использования оборудования, особенно дорогостоя­щего оборудования (уникального и специального). Например, эксплуатацию многоопе­рационных станков, гибких производственных систем и т.п. нередко ведут в три смены и даже в праздничные дни при коэффициенте загрузки 0,9 - 0,95 с тем, чтобы получить наибольшую отдачу и снизить амортизационные расходы на единицу продукции.

4. Снижение затрат на силовую электроэнергию за счет применения оборудования, мощность электродвигателей которого не завышена и соответствует выполняемой рабо­те. Экономия электроэнергии, расходуемой на нагрев, сварку, обработку заготовок, а также затрат на пар, газ, сжатый воздух и другие энергоносители.

5. Экономически целесообразное приобретение и использование инструментов. В зависимости от сложности и качества инструментов их стоимость различна, но вместе с тем различны технологические возможности и сроки службы. Например, применение комбинированного и более дорогого инструмента для обработки ступенчатого отверстия в заготовке корпусной детали при определенном объеме выпуска может оказаться более выгодным, так как позволяет совместить переходы и сократить затраты времени на вы­полнение операции. Это приведет к сокращению времени использования станка и расхо­дов на заработную плату. Точно также инструмент более дорогой, но имеющий боль­шую стойкость, может оказаться выгодным в связи с более длительным периодом его эксплуатации. Таким образом, целесообразность объема затрат на приобретение инст­рументов может быть определена лишь в зависимости от расходов по другим статьям себестоимости.

6. Эксплуатация режущих инструментов с режимами, соответствующими их эко­номичной стойкости, своевременный вывод из работы затупившегося инструмента, снижение стоимости перетачивания.

7. Рациональное использование объема части здания, относящейся к изготовлению данного изделия и используемой для размещении оборудования, стеллажей, заделов и пр,

Все это говорит о том, что к настоящему времени технология машиностроения как наука может предложить производителям много методов, направленных на снижение себестоимости изделий.

Целью функционально-стоимостного анализа (ФСА) является оценка по обеспече­нию функционального назначения изготавливаемых изделий с их минимальной себестои­мостью.

Функционально-стоимостной анализ предусматривает несколько этапов:

1. информационно-подготовительный;

2. аналитический;

3. творческий;

4. исследовательский;

5. рекомендательный.

Информационно-подготовительный этап заключается в получении всей техниче­ской и экономической информации о функциональном назначении изделия и его техно­логических процессах (табл. 5.1).

По собранной информации, а при необходимости она проверяется и уточняется не­посредственно на рабочих местах выполнения технологических процессов, составляется структурно-стоимостная модель технологического процесса (табл. 5.2).

Аналитический этап заключается в установлении функционального назначения технологического процесса и его операций в обеспечении необходимых показателей качества изделий и их ранжирование (рис. 5.16).

При анализе могут возникать три варианта:

1. соответствие действительно необходимых и требуемых функций;

2. недостаточность требуемых функций;

3. завышение требуемых функций,

В частности, работы Брянской технологической школы показали, что конструктор­ские требования по высотным параметрам шероховатости поверхностей деталей машин в среднем завышены в 2 раза, а это приводит к увеличению технологической себестои­мости их изготовления на 25 %.