刀具全寿命周期管理及成本核算

刀具全寿命周期管理及成本核算

1数控刀具管理系统概述随着航空制造业生产自动化水平的提高，如何有效管理不同品种、不同规格的数控工具已成为公司面临的新课题。工具管理是衡量每个生产单元集成制造能力的重要标志之一。借助ERP-SAP系统数控刀具管理,对数控刀具的合理配置、有效使用、生产效率的提高及成本的降低都非常重要。近两年来,随着公司推行单元集成制造系统的运行,逐步认识到刀具管理在生产制造系统中的地位和作用。但是,限于公司的财力、物力、技术和管理水平,公司的装备状况在短期内不可能发生显著的变化,也不可能采用国外高度自动化的刀具管理方法,因此,公司目前的刀具管理还是刀具管理信息系统模式(即刀具的静态管理),关于刀具的实时调度和在线加工状态监控管理目前还基本上没有实现。本文立足于公司数控刀具管理现状的基础,研究和开发适合于现阶段公司单元集成制造要求的数控刀具管理系统。本文基于全寿命周期的数控刀具管理信息系统包括基础数据管理、刀具工艺管理、刀具库存管理、刀具采购管理、刀具现场管理、刀具修磨管理、刀具报废管理和系统管理等几个功能模块。2刀具制造的模式和特点刀具管理在传统上已经有了许多理论和方法,并且已经有了不少成功的经验。国内外从事刀具管理系统研究的专家,针对各种不同情况也已经开发了很多刀具管理软件,这些系统大大超越了过去简单的人工刀具管理模式,并且都采用了先进的数据库技术、网络技术、控制技术,实现了刀具管理计算机化和集成化,实现了信息共享。但是,这些系统大都是从生产制造的角度来分析刀具管理的模式和特点,只是简单的要求刀具管理满足生产的需求。因此,传统的刀具管理方法没有包含刀具管理的全部内容,还存在一定的局限。这种局限性具体体现在以下几个方面:(1)传统刀具管理仅研究了刀具寿命中的一个或几个时期,缺少对整个刀具、寿命周期的分析,刀具管理的内容不够全面。(2)传统刀具管理的模块划分相对分散、孤立,模块之间缺乏相应的信息交互,因而无法实现刀具全寿命周期内的集成化管理。(3)传统刀具管理是以满足生产制造中的刀具需求为目标,没有考虑到刀具全寿命周期内的成本问题,因而无法给公司生产经营提供决策支持。为了克服这种局限性,本文对传统刀具管理理论进行丰富和完善,提出了刀具全寿命周期管理的理论和方法。3刀具的基础信息管理刀具全寿命周期包括投入期、使用期和报废期。刀具全寿命周期管理是指满足生产制造的需要的前提下,以刀具成本为主线,结合生产经营效益分析,研究刀具整个寿命周期内,包括刀具选用与组合、申购、采购、入库、出库、加工使用、回收、修磨、报废等,如何进行集成化管理的一种方法。(1)刀具全寿命周期管理包括了刀具管理的全部内容,其模型如图1所示。(2)刀具全寿命周期管理模型(1)投入期:在刀具投入期主要进行采购管理,以及时满足生产制造中的刀具需求,同时将采购信息及时反馈给数控刀具室,做好入库准备。(2)使用期:在刀具使用期主要进行刀具库存管理、刀具工艺管理、基础数据管理、刀具现场管理等。刀具库存管理主要对刀具的出入库和回收进行管理,以保证生产现场刀具使用所需要的安全库存量,并及时将库存信息反馈给工艺人员,辅助工艺人员(程序编程人员)决策;反馈给采购人员,及时采购刀具。刀具工艺管理主要面向工艺人员,通过提供各种刀具参数信息,辅助工艺人员即程序编程人员制定工艺程序及零件加工程序的编程,并优化刀具的选用。刀具基础数据管理是刀具全寿命周期管理中最基础的一个环节。它通过对于刀具基础数据的管理和维护,来推动其他环节的有效运行。刀具的基础数据主要包括:刀具代码、刀具基本参数、刀具几何参数、刀具组件参数、机床参数等。刀具现场管理主要通过派工单、生产计划单来制定刀具需求清单,报数控刀具室备货,从而指导装刀工装配主动送刀,减少刀具准备时间;通过现场操作工人对刀具的使用信息、机床加工信息、零件加工进度的反馈,分析刀具加工性能。(3)报废期:在刀具报废期主要进行刀具修磨管理和刀具报废管理。刀具修磨管理主要对修磨后刀具的相关参数进行管理和维护,以确保刀具修磨后再次进入加工环节的有效管理。刀具报废管理主要对刀具报废情况进行管理,一方面可以分析刀具的加工性能和工艺规程的合理性,另一方面也可以辅助对相关人员的绩效考核。刀具全寿命周期管理是围绕刀具投入期、使用期、报废期,对刀具进行集成化管理的一种方法。刀具全寿命周期管理的各个模块之间有着密切的联系;刀具采购管理要以刀具库存管理中的库存信息为依据,同时刀具库存管理要为工艺管理提供决策依据;刀具基础数据管理是整个刀具全寿命周期管理运行的基础;刀具现场管理驱动刀具修磨管理和刀具报废管理的运行。4刀具全寿命周期成本ca企业的成本关系到公司生产经营的好坏。随着公司科研生产制造系统的不断发展,数控机床的大量使用,刀具的需求量也不断在增加。因此,刀具成本所占公司成本的比例也在不断上升,据统计目前刀具成本大约占到公司各种制造成本的15%-20%。刀具全寿命周期管理不仅要满足公司科研生产制造的需求,还要为公司经营效益分析提供决策依据。因此,刀具全寿命周期成本的核算也是刀具全寿命周期管理的中非常重要的一环节。刀具全寿命周期成本Ca包括刀具加工成本Ct和刀具管理成本Cm。刀具全寿命周期成本核算的具体公式可表示为本文仅研究全寿命周期成本中的刀具加工成本核算问题,即刀具加工成本的计算公式为式中Ct———刀具的总加工成本Pi———刀具单价对于加工中报废的刀具不能简单根据其加工时间来换算成本,因为刀具的实际加工情况不同。刀具报废的原因也有很多超过刀具寿命极限而报废,也有加工中意外的报废。刀具的报废可认为是刀具剩余成本的转移,因此,通过计算刀具的剩余成本就可以算出报废刀具的成本。刀具加工成本核算法是基于刀具理想切削过程的,即认为刀具的实际寿命等于刀具的额定寿命,而很多情况下刀具的实际寿命并不等于刀具的额定寿命。因此,通过核算方法计算出来的刀具成本与实际成本之间还存在着一定的误差。目前,为了准确的计算刀具实际寿命,有人提出了相对磨损率结合刀具切削数据库的方法,但是,这种方法比较复杂,计算过程也比较繁琐,实际应用比较困难。本系统为了修正这一误差,采取对额定寿命进行动态修正的方法,即依据一定时期内所统计出来的刀具各个实际寿命算出刀具实际寿命的平均值,用刀具实际寿命的平均值来代替刀具的额定寿命。这一方法提高了刀具实际成本核算的精确度。5刀具磨损机理分析(1)刀片历史数据收集与分析以试制中心加工螺旋管接头零件和新研产品的粗、精车为例,该零件及产品工序较多,所涉及刀片较多,在加工中会用到外圆刀片、镗孔刀片、内槽刀片、外螺纹刀片等。如何提高刀片寿命,提高单位时间刀具切削率是控制生产成本的主要手段之一。2012年2月试制中心共加工了3批螺旋管接头零件和其他新研产品,其中在加工15件45A材料的ZQK4-00-09螺旋管接头零件中刀具消耗严重,如表1所示。从表中可见,整体内槽刀具消耗最多,加工15件零件使用4把整体内槽刀,且都为刀杆折断,造成刀具报废。镗孔刀片和外圆刀片在粗加工和精加工每片可加工26、120和32、40件的磨损极限,针对该零件的加工工序,先后对消耗较严重的整体内槽刀和正常磨损的镗孔刀片、外圆刀片进行具体的分析。(2)数控刀具(整体内槽刀、镗孔刀片、外圆刀片)失效机理分析刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损;后者包括脆性破损(如崩刃、碎断、裂纹破损等)和塑性破损两种。刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。一把新刀或一片刀片从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间,称为刀具寿命。数控刀具使用一段时间后,以加工表面粗糙度增大,切屑的颜色、形状和初始切削时不同,切削温度升高,切削阻力增大,切削加工系统甚至出现振动或不正常的声响。上述现象表明刀具已发生严重磨损,必须更换刀具或刀片。刀具或刀片磨损是切削加工过程中不可避免的现象,但刀具或刀片磨损过快或发生非正常磨损(也称破损),必然会影响加工质量,增加刀具消耗,使生产效率降低,加工成本提高。因此,通过研究刀具或刀片磨损,可制定合理的切削方案,提高生产效率和零件加工质量,并有利于降低加工成本。为了能使刀具或刀片经久耐用,尽量减少磨损,需要了解各种切削因素对刀具磨损的影响。影响刀具切削性能的主要因素有:刀具几何参数、刀具材料、切削用量、零件材料及其加工工艺等。这些因素中零件材料属于不可控因素,改变其他因素的属性可以控制刀具的磨损形式及磨损率。如根据零件材料的性能改变加工工艺和编程,从而影响刀具的磨损;选择合理的刀具材质和合理的刀具切削参数可改善刀具磨损,提高刀具的使用寿命。如何合理选择上述可控因素:需要从零件的加工工艺(划分零件加工工序);数控编程(确定合理切削参数,编辑整体内槽刀、镗孔刀片、外圆刀片先后加工顺序);刀具选择等几方面分析。6改进刀具切削参数的方法(1)工艺方面:原工艺要求为先加工外圆内孔,后加工内槽。造成加工内槽时为断续切削,对刀具冲击力较大,这是造成刀具折断的主要原因。通过分析及改善重新安排加工顺序,先加工内槽,后加工外圆内孔,这样就避免了切槽时产生断续切削,从根本上解决了切削冲击力大的问题。(2)编程方面:在切槽工步中,因切深大,切屑不易排出。切屑在孔中不断挤压刀具造成崩刃,导致刀具报废。通过分析加以改进,合理安排程序,增加退刀去屑程序。及时将切屑清除。(3)选刀方面:没有合适的专用内槽刀具:现有的刀具规格不能满足该产品零件的加工要求,领出的刀具刀头伸出长度只有2mm,而该零件要求切深为3.5mm。实际工作中是将领出的刀具刀头伸出长度改磨至4mm加工。改磨后虽然刀头伸出长度够了但刀杆直径变细,导致刀具强度降低,容易造成刀头折断。可以通过分析以改变刀具切削参数来保证刀具寿命。通过上述分析及改进措施的实行,在后续加工的两批管接头零件中内槽刀具的损耗降到了零,极大地节省了刀具成本。切削参数的优化:对ZQK4-00-09材料45A螺旋管接头零件进行了加工切削试验,在满足零件质量的前提下,为提高单位时间刀具切削率进行了有益的尝试。在零件粗车阶段,需要的是在最短的时间内去除最多的零件材料。在使用瓦尔特WN-MG080404-NM4刀片粗车45A材料时,使用不同的切削参数对零件的加工作了试验,如表2所示。在表中第一组切削参数是优化前的切削数据,这时的切削参数比较保守。切削平稳,切屑为螺旋状。相应的切削时间也是最长。随后使用第二组切削参数,这时切削平稳,切屑呈“c”形,是比较理想的切屑形状。第三组切削参数中改变了吃刀量,因为在所有切削参数中吃刀量对切削力的影响最低,在此切削条件下切削平稳,切屑呈“c”形,但颜色发蓝,说明基本上已经到了刀具的极限,在加工中应尽量避免。第四组切削参数切削呈现为崩裂状,且机床有震动的情况出现。已经达到了机床的极限。第五组切削参数切削平稳,切屑基本上为“c”形,偶尔有带状切屑出现,但加工时间提高不大,可以根据实际加工情况灵活调整。通过以上几组切削参数的对比,确定工作中以第一组切削参数为标准,在此工作状态下,充分浇注冷却液每刀片可加工零件60-70件,且切削稳定。在零件精车阶段,希望仅使用一个刀片就能完成一个批次零件的加工而不中途调整刀具,所以对刀具的切削参数要求以耐用为主。零件已经经过粗加工阶段,零件余量一般在0.8-0.2mm之间。进给速率一般为0.07-0.12mm,主轴转速720r/min。通过改善加工方法,固化切削参数等手段,在螺旋管接头的全程加工中刀具使用寿命提高了一倍以上,同时加工时间缩短了10%,达到了预期的效果(见表3)。优化前,所用刀具加工零件数为399件,刀具单价合计761.42元;优化后,所用刀具加工零件数为765件,刀具单价合计761.42元。7优化后刀具费用(1)目标成本的制定3批螺旋管接头零件及其他粗、精车新研产品单件制造刀具总费用为:C=128.84元,对其他粗、精车新研产品的加工也用优化后的方法进行加工,刀具总费用为:C=17.58元,如表4所示。优化前总刀具费用为128.84元;优化后总刀具费用为17.58元。(2)财务收益螺旋管接头零件及其他粗、精车新研产品为1500件,对刀具切削方案和参数进行了优化,总财务收益如表5所示。8优化后的刀具费用本文对刀具全寿命周期管理的计算模型进行了介绍,并对成本核算中很重要的刀具加工成本的核算方法进行了详细的描述。对螺旋管接头零件及其他粗、精车新研产品所用的数控刀具进行了成本核算。优化前加工单件需刀具费用1