序言

　　作為產(chǎn)品性能重要方面之一的經(jīng)濟(jì)性，由于其涉及因素的復(fù)雜性，長(zhǎng)期以來(lái)難以合理評(píng)價(jià)。CAD/CAPP一體化模型的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)輔助成本估算(CACE)成為可能。基于CAD/CAPP一體化模型的成本估算軟件能使設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品制造之前就能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其成本，為產(chǎn)品市場(chǎng)報(bào)價(jià)或重新設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了依據(jù)[1，2]。

　　1　焊接成本的估算規(guī)律

　　廣泛采用焊接結(jié)構(gòu)是機(jī)械制造工藝發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，焊接結(jié)構(gòu)已占機(jī)械坯件的40%左右。為了在制造之前即預(yù)知焊接成本，以下就工業(yè)上最常應(yīng)用的CO2保護(hù)焊和埋弧自動(dòng)焊的成本估算方法進(jìn)行討論。

　　1.1　焊接成本的影響因素分析影響

　　整個(gè)焊接過程最終成本的因素有：

　　(1)鋼板的準(zhǔn)備(切割、開坡口等)、定位和矯正等輔助工時(shí)費(fèi)用;

　　(2)焊接燃弧工時(shí)費(fèi)用;

　　(3)重新起弧、清理焊縫和消除應(yīng)力等輔助工時(shí)費(fèi)用和管理費(fèi)用;

　　(4)焊條、焊劑及保護(hù)氣體等的材料費(fèi)用及電費(fèi)。

　　其中，焊縫所需的金屬填充量直接影響焊接燃弧工時(shí)與焊條等的材料消耗，對(duì)焊接成本影響較大。例如板厚6mm的對(duì)接焊，裝配間隙4.5mm的焊縫截面積約為間隙0.8mm時(shí)截面積的5倍，后者的焊接速度比前者快3倍，而相同焊接時(shí)間內(nèi)后者焊絲消耗量約為前者的71%。因此要降低焊接成本，就要很好地控制焊縫金屬量。

　　1.2　焊接工時(shí)和焊接成本的計(jì)算

　　焊接燃弧時(shí)間

　　式中Mi為焊縫金屬重量，Mi=Vi·ρ，ρ為焊縫金屬密度，Vi為焊縫金屬體積，Vi=Li·Ai，Li為焊縫長(zhǎng)，Ai為焊縫截面積，可表示為焊縫特征參數(shù)的函數(shù)即Ai=f(S，α，β，b，ρ，H，R);Ei為單位時(shí)間內(nèi)焊縫金屬填充量;N為焊縫數(shù)。

　　工藝輔助時(shí)間tF由用來(lái)將物件集中、矯正和定位所花的時(shí)間t1與換焊條、重新起弧、去焊渣、清理焊縫所花的時(shí)間t2組成，可分別計(jì)算如下[3，4]：

　　式中C1i、C2i為特定的加工工時(shí)系數(shù)，αi為難度系數(shù)，Gi為焊接件重量，Xi為零件數(shù)，Si為板厚，Li為焊縫長(zhǎng)，n為需集中、定位后焊接的焊縫數(shù)，N為總焊縫數(shù)。

　　另外，焊縫金屬材料費(fèi)用及電費(fèi)可計(jì)算如下：

　　式中Mi為焊縫金屬重量，Km為費(fèi)用系數(shù)，ηm為焊縫材料利用率。

　　引入企業(yè)單位工時(shí)成本系數(shù)KW與工時(shí)利用率ηW可得出以下總的焊接加工成本計(jì)算公式：

　　2　基于CAD/CAPP的焊接成本估算模型

　　迄今的CAD/CAPP軟件能進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和詳細(xì)工藝規(guī)劃，此后產(chǎn)品的成本就已基本確定。但迄今的CAD/CAPP模型一般以達(dá)到零部件的制造要求為目的，很少考慮其對(duì)產(chǎn)品制造工時(shí)及成本的影響。如果在現(xiàn)有的CAD/CAPP模型基礎(chǔ)上增加成本估算模塊，就能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

　　為此，開發(fā)了基于CAD/CAPP模型的焊接成本估算軟件系統(tǒng)WCES(圖1)，其輸入為CAD/CAPP模塊產(chǎn)生的有關(guān)參數(shù)，輸出為焊接成本、零部件成本結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。主要步驟如下：

　　(1)從已有的CAD/CAPP模型中提取相應(yīng)的焊接特征。產(chǎn)品模型中包含了各種各樣的特征信息，對(duì)于焊接成本估算，要提取的焊接特征包括材料特性、焊接形式、焊接件的板厚S1和S2與焊縫長(zhǎng)度L有關(guān)的一系列尺寸以及坡口角度α(β)、間隙b、鈍邊P、根部半徑R、坡口深度H等其它焊縫特征參數(shù)。

　　(2)將設(shè)計(jì)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為成本特征參數(shù)。一般從CAD/CAPP模型中提取的特征參數(shù)并不能直接作為成本估算模塊的輸入，而需要設(shè)計(jì)特征參數(shù)向成本特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換。對(duì)于焊接成本估算，需要輸入焊縫長(zhǎng)度值L，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊往往只產(chǎn)生其間接值。如圓管周邊的焊接，只給出管子直徑，還需將它轉(zhuǎn)換為圓管周長(zhǎng)即L值;要得到弧形焊縫的長(zhǎng)度L，就要把已有的半徑、角度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為弧線的實(shí)際長(zhǎng)度值。這一類的轉(zhuǎn)換模型就是弧線半徑乘弧線角度得參數(shù)L。其它則可以根據(jù)不同要求進(jìn)行不同類型的轉(zhuǎn)換。

　　(3)計(jì)算焊縫金屬量V。

　　(4)計(jì)算焊接工時(shí)tr、輔助工時(shí)tF。

　　(5)計(jì)算焊接成本CW。

　　(6)根據(jù)成本計(jì)算結(jié)果分析成本結(jié)構(gòu)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

　　圖1　基于CAD/CAPP模型的焊接成本估算系統(tǒng)

　　3　液壓挖掘機(jī)斗桿焊接件成本的估算與分析

　　大型挖掘機(jī)工作裝置大都采用焊接結(jié)構(gòu)件，其中斗桿焊接件就有約30組焊縫。下面應(yīng)用WCES來(lái)進(jìn)行斗桿件的焊接成本估算與分析。

　　3.1成本估算

　　表1給出了斗桿件所有焊縫的焊接特征參數(shù)與工時(shí)成本數(shù)據(jù)。表中焊縫序號(hào)表示CAPP產(chǎn)生的焊接順序;相關(guān)零件號(hào)表示該焊縫所連接的零件在圖紙上的序號(hào);焊接方法[5]編號(hào)原則是：第一位“A”表示CO2氣體保護(hù)焊，第二位“T”、“Z”分別表示T型接頭焊接形式和搭接焊形式，第三位“I”、“V”分別表示I形、V形坡口形式，第四位“1”表示坡口為單邊形式，第五位“0”表示焊接不帶墊板，第六位“1”、“0”分別表示坡口帶與不帶鈍邊，第七位“1”、“2”分別表示單面焊與雙面焊;主要工藝參數(shù)中因參數(shù)b、H、R的值都為零，故未予列出。

　　表1　斗桿件焊接特征參數(shù)與工時(shí)成本

　　(1)材料成本

　　式中Gi為材料重量，KMi為費(fèi)用系數(shù)，ηMi為材料利用率，N為零件數(shù)。

　　斗桿坯料總重量G=621.368kg，其中熱軋板G1=499.381kg，KM1=3.5元/kg，ηM1=0.75;鋼管重量G2=121.987，KM2=5.0元/kg，ηM2=0.85;代入式(6)得：

　　CM=499.381×3.5/0.75+121.987×5.0/0.85=3048.02(元)

　　(2)焊接加工成本

　　CW取C1i=1.1min/kg，αi=1.5，Xi=2;Gi為一個(gè)零(部)件與另一個(gè)零(部)件需定位后焊接首道焊縫時(shí)焊接件的總重量，而這樣的焊接有n次(對(duì)于該斗桿n=16);C2i=0.8min/mm1.5·m，總焊接縫數(shù)N=31，由式(1)、(2)和(3)計(jì)算(表1)得：

　　tr=742.92(min);

　　t1=693.97(min);

　　t2=1235.61(min);

　　V=2851.17(cm3);

　　另取焊縫金屬材料比重ρ=8.0g/cm3，利用率ηm=75%，費(fèi)用系數(shù)Km=15元/kg;企業(yè)單位工時(shí)成本系數(shù)(包括工資、設(shè)備折舊費(fèi)、福利費(fèi)等)KW=0.85元/min，工時(shí)利用率ηG=75%;由式(4)和(5)得：

　　焊縫金屬材料費(fèi)用Cm=456.19(元);

　　焊接加工成本CW=3485.02(元)。

　　(3)制造成本C

　　由上可得斗桿件制造成本C=CM+CW=6533.04(元)。

　　3.2　成本結(jié)構(gòu)分析

　　各部分成本占斗桿件制造成本的比例為：

　　零件材料成本?M=CM/C=3048.02/6533.04=46.66%;

　　焊接加工成本?W=CW/C=3485.02/6533.04=53.34%;

　　在焊接加工成本中，用于將工件集中、矯正、定位所花的工時(shí)成本占：?1=(693.97/0.75×0.85)/3485.02=22.57%

　　焊接燃弧工時(shí)成本占：?2=(742.92/0.75×0.85)/3485.02=24.16%

　　用于換焊條、重新起弧、清理焊縫等的工時(shí)成本占：?3=(1235.61/0.75×0.85)/3485.02=40.18%

　　焊縫金屬材料成本占：?4=456.19/3485.02=13.09%

　　4　結(jié)束語(yǔ)

　　基于CAD/CAPP的焊接成本估算雖然能使設(shè)計(jì)師在制造前對(duì)焊接件成本進(jìn)行定量估算與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，但成本分析未能與CAD/CAPP完全一體化，還不能在設(shè)計(jì)中有效地降低產(chǎn)品成本。因此，必須進(jìn)一步在設(shè)計(jì)過程中用成本分析的觀點(diǎn)來(lái)選擇產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)，以達(dá)到技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。