ускоренные методы определения трудоемкости деталей новых

УСКОРЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТРУДОЕМКОСТИ ДЕТАЛЕЙ НОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
Праведников И.С.
Уфимский государственный авиационный технический университет
ВВЕДЕНИЕ
Трудоемкость является одним из важнейших показателей конструкции и
характеризует требуемые для ее изготовления затраты труда. Определение трудоемкости на стадии проектирования любого нового изделия остается сложной задачей, поскольку еще не разработана технология и не проведено нормирование
операций. Существующий в настоящее время так называемый «весовой метод»,
широко применяемый в промышленности, показывает неплохие результаты только на стадии предварительных «прикидочных» расчетов в условиях производства
со стабильной номенклатурой из года в год выпускаемых машин при наличии собранных за ряд лет статистически отработанных удельных показателей. Но даже и
при этих условиях результаты расчетов бывают далеко не всегда верными, поскольку трудоемкость детали зависит от конструктивной сложности, степени технологичности, марки материала и коэффициента использования материала Ким.
Таким образом, разработка универсальной математической зависимости
трудоемкости изготовления деталей от всех выше перечисленных факторов и ее
реализация на ЭВМ позволит проверить различные варианты трудоемкости и выбрать вариант, обеспечивающий заданный или максимальный уровень эффективности.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТРУДОЕМКОСТИ ОБРАБОТКИ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Решение данной задачи осуществлялось на примере серийного производства изделий предприятий Башкортостана. Было выбрано несколько ответственных деталей из различных материалов. Для каждой детали по принятой ведомости
установили перечень спроектированного оснащения. Затем для каждого шифра
специальной технологической оснастки по отчетным данным, учетным карточкам
и записям отдела проектирования оснащения и инструментальных цехов восстановлена трудоемкость проектирования и трудоемкость изготовления оснастки. По
учетным карточкам восстановлена также и трудоемкость проектирования технологии.
Результаты обработки первичных данных представлены в табл.1. Анализ
данной таблицы показывает, что величина трудоемкости запуска в первую очередь зависит от трудоемкости изготовления технологической оснастки. Так, например, для кольца переднего Тзап=5,42 н-час при общей трудоемкости изготовления оснастки 172 н-час, а для кольца заднего Тзап=4,35 н-час − трудоемкость
изготовления технологической оснастки составила 640 н-час. При изготовлении
валов компрессора заднего и переднего была установлена почти одинаковая трудоемкость запуска, проектирования и изготовления технологической оснастки.
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
Таблица 1
Сведения о трудоемкости оснащения и изготовления
деталей в период запуска
Трудоемкость Трудоемкость изТрудоемпроектироваготовления оснаНаименование детали
кость
стки, Тито
детали, Тд ния оснастки,
Тпто
172,47
99,0
5,42
1. Кольцо переднее
640,48
217,0
4,35
2. Кольцо заднее
243,66
196,0
7,21
3. Вал передний
286,66
230,0
7,86
4. Вал задний
481,74
240.5
18,67
5. Ротор компрессора
6. Колесо рабочее
1220,39
777,0
113,91
1 ступени
7. Колесо рабочее
1201,53
798,5
85,95
2 ступени
8. Колесо рабочее
1586,22
664,0
82,69
3 ступени
В процессе освоения производства наблюдается постепенное насыщение
цехов оборудованием, оснасткой, совершенствованием производственных связей
и их организацией до запроектированного уровня. Ученые экономисты в своих
работах [1,2] указывают на существование двух сторон освоения производства:
изменение организационно-технических условий в связи с оснащением производства оборудованием, приспособлениями и инструментами, т.е. освоение собственно производства; развитие и закрепление у рабочих специализированных навыков, т.е. освоение работы рабочими. На рис.1 представлена динамика трудоемкости изготовления вала, проектирования и изготовления технологической оснастки.
Тд, н-час
Тд
15
10
5
Тпто
Тито
Тто, н-час
60
40
20
Рис.1. Динамика изменения трудоёмкости изготовления вала компрессора,
проектирования и изготовления технологической оснастки.
Как видно из графика, фактор оснащения производства специальной оснасткой действует на протяжении всего периода изготовления деталей. Это связано,
прежде всего, с присущей авиационному производству очередностью оснащения.
Сложный характер динамики трудоемкости оснащения свидетельствует об отсут_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
ствии на предприятии перспективных расчетов будущих потребностей в дооснащении технологических процессов, поэтому фактическое снижение трудоемкости
в первые годы мало зависит от уровня оснащенности. Несколько неожиданные
результаты получены при изучении динамики трудоемкости и оснащенности
изготовления диска турбины на УМПО (рис.2).
Тд, н-час
15
10
5
Тд
Тпто
Тито
Тто, н-час
60
40
Рис.2. Динамика изменения трудоёмкости изготовления диска,
проектирования и изготовления технологической оснастки.
Так, например, изготовление оснастки закончено через два года после запуска деталей в производство, но в процессе использования она не оказала существенного влияния на трудоемкость изготовления диска. Однако во все последующие годы наблюдается стабильное снижение трудоемкости. Фиксация действительных режимов резания, проведенная автором в течение 5 лет, показала увеличение скорости резания при обработке диска из титанового сплава ВТ9 в 1,4-1,6
раза, что позволило на некоторых переходах выйти за пределы оптимальных скоростей резания.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что при значительных затратах на создание технологической оснастки, снижение трудоемкости деталей происходит как за счет совершенствования технологии и организации производства,
так и за счет пересмотра норм времени. При небольших затратах на технологическую оснастку снижение трудоемкости осуществляется только за счет пересмотра
норм времени.
Определение трудоемкости деталей в период запуска нового изделия в
производство является весьма сложной задачей. В настоящее время на предприятиях отрасли начальная трудоемкость назначается на основании сравнения новых деталей с аналогичными, ранее выпускаемыми предприятиями.
В том случае, когда аналога нет, трудоемкость назначается нормировщиками интуитивно на основании собственного опыта. Автор поставил перед собой
задачу выявить определенные закономерности в характере изменения трудоемкости в зависимости от различных параметров, определяющих конструктивнотехнологические особенности деталей. Наиболее простым параметром является
масса детали. Анализ представленных на рис.3 данных показывает, что массу
можно использовать только в том случае, когда конструктивно детали несущественно отличаются друг от друга и выполнены из одного и того же материала. В
противном случае ошибка в определении Тд может достигать величин ±80%.
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
Тд, н-час
8
6
4
2
1
2
3
4
5
6
Рд, кг
7
Рис.3. Влияние массы детали на трудоёмкость изготовления
по данным предприятий: ◊ − Гидравлика; □ − УМПО; ∆ − ЗМЗ.
Правильнее использовать показатель − массу снимаемого металла, для чего
достаточно знать массу заготовки и массу детали (рис.4), но и в этом случае детали, изготавливаемые из различных материалов, но одинаковые по конструкции,
отличаются по трудоемкости от 2 до 5 раз.
Тд, н-час
10
8
6
4
2
1
2
3
4
5
6
7
∆Р, кг
Рис.4. Влияние массы снимаемого слоя детали на трудоёмкость
изготовления (Гидравлика).
Для уточнения получаемых значений трудоемкости предлагается ввести
показатель приведенной трудоемкости Тпр, величина которой определяется по
формуле
(1)
Tпр=Тд·Кvk ,
где Тд − трудоемкость детали; Кvk − коэффициент обрабатываемости.
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
По коэффициенту Кvk можно легко определить обратную ему величину −
коэффициент относительной трудоемкости КТ, который непосредственно характеризует увеличение трудоемкости детали при ухудшении обрабатываемости материала. Тогда
1
КТ =
(2)
К vk
Для установления связи между трудоемкостью деталей новых изделий и их
физико-технологическими характеристиками пришлось обратиться к корреляционному анализу. Статистические параметры корреляции моделей рассчитаны методом наименьших квадратов. При этом использовались стандартные и специально разработанные программы для ЭВМ. Рассмотрим пример построения корреляционной модели для определения расчетной трудоемкости изготовления новых
деталей в зависимости от массы детали, массы заготовки, массы и объема снимаемого слоя, параметров обрабатываемости и стоимости материалов. Исходные
производственные данные приведены в табл.2. Анализ представленных данных
производился на ЭВМ с помощью программы самообучения с послойным сравнением расчетных и фактических значений трудоемкости. Окончательные результаты расчета Тд, как видно на табл.2, не превышали фактические значения Тд
на ±7,8%, что позволило легко подобрать необходимую функциональную зависимость с высоким коэффициентом корреляции.
Таблица 2.
Основные производственные данные о трудоемкости изготовления
деталей и их физико-технологические характеристики
Рзаг, Рдет, кг ∆Р, кг V, см3
Материал
Тд,
Тд.р.,
Отклонекг
н-час н-час
ние, %
33,6
20,9
12,7
3010
11,33
9,45
-8,4
29,3
10,4
11,9
2830
8,47
7,02
1,6
21,2
9,9
11,3
2700
ВТ3-1
7,1
6,95
-8,6
15,5
9,6
5,9
1400
7,94
7,2
-12,1
31,7
24,1
7,6
1810
12,83
11,6
-7,7
22,1
12,4
9,7
2200
7,65
7,94
-0,1
31,7
19,1
12,6
2990
8,7
9,4
-3,5
21,1
11,7
9,4
2140
8,1
7,8
8,1
18,3
8,8
9,5
2160
ВТ9
7,56
6,7
14,4
11,6
6,5
5,1
1110
6,5
6,3
-1,7
17,3
8,3
9
2030
5,3
6,5
-20,7
16,1
7,7
8,4
1910
6,6
6,3
4,6
18,2
8,6
9,6
2190
6,8
6,57
4,6
13,4
10,0
3,4
775
8,6
8,46
-3,3
12,1
13,2
8.4
31,4
17,9
13,5
1670
11.2
12,2
-9,4
40,2
20,8
19,4
2400 13Х11Н2В2
18,3
18,0
4,9
53,7
28,5
25,2
3110
11,6
12,16
-5,9
40,4
20,8
19,6
2420
19,4
19,2
5,1
33,3
18,3
15
1690
19,9
20,4
-8,2
43,9
23,5
20,4
2300 ХН73МБТЮ
27,2
25,76
-5,9
45,6
29,2
16,4
1850
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
На рис. 5 представлены точки корреляционного поля приведенной цеховой
трудоемкости по исходным данным табл. 2 от массы детали и массы снимаемого
слоя.
Τпр, н-час
Р,∆Р, кг
Рис.5. Влияние массы детали и снимаемого слоя на приведенную трудоемкость изготовления (УМПО): ◊ − Р; □ − ∆Р.
Анализ данных показывает, что между массой детали и приведенной трудоемкостью существует функциональная зависимость с высокой теснотой связи.
Математическая аппроксимация зависимостей Тпр=f(Pд) и Тпр=f(∆Р) позволила получить следующие уравнения
Тпр=1,65+0,25·Рдет±7%
(3)
и
Тпр=3,05+0,23·∆Р±12%
(4)
Необходимо отметить, что более точная математическая зависимость (3)
между массой детали и приведенной трудоемкостью говорит о том, что существующая на УМПО методика определения трудоемкости Тд реально не отражает
величину удельной трудоемкости δТд, которая в большей степени характеризует
производительность труда при выполнении механических операций.
В процессе формирования полного контура диска компрессора или турбины основные трудозатраты приходятся на процесс точения. Так, например, диск
компрессора А95 имеет трудоемкость 108 н-час при массе детали 8,8 кг. В процессе протягивания пазов затрачено всего 7,6 н-час.
Первичная математическая обработка производственных данных о полной
трудоемкости изготовления дисков из различных материалов с учетом коэффициента их трудоемкости позволила получить уравнение
Тд=(4,36+0,85·∆Р)КТ±18%
(5)
Отклонение расчетных значений Тд от фактических по линейному уравнению достаточно велико и составляет ±18%. Это позволяет предположить, что на
трудоемкость Тд существенно влияет не только масса снимаемого слоя, но и его
объем. Так, например, при изготовлении диска компрессора (ВТ9,
Рдет=10,2кг, ∆Р=17,2кг) трудоемкость составила 139 н-час, а при изготовлении
диска турбины (ЭИ698ВД, Рдет=43,8 кг, ∆Р=41 кг) 150 н-час. Сравнение показывает, что при двукратном увеличении массы снимаемого слоя с заготовки диска
турбины его трудоемкость увеличивается только на 10%. Если учесть, что удельный вес титанового сплава ВТ9 составляет 4,2 г/см3, а жаропрочные сплавы на
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
никелевой основе ХН73МБТЮ (ЭИ698ВД) − 8,9 г/см3, то становится понятно, что
на общую трудоемкость деталей в большей степени влияет объем снимаемого металла ∆V, а не его масса. Поэтому была проведена математическая аппроксимация
зависимости Тд=f(∆V) уравнением вида Тпр=В0·(∆V)В1. После вычисления коэффициентов регрессии В0 и В1 и замены Тпр на Тд , а ∆V на массу детали, получено
следующее уравнение
5,1 ⋅ К Т ⋅ Р
1, 43
Д
ТД =
 1


− 1
 К им

1, 43
(6)
γ
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТРУДОЕМКОСТИ ОБРАБОТКИ
ПРОЕКТИРУЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
Для повышения точности и надежности прогнозирования трудоемкости
деталей предложена методика оценки трудоемкости проектирования деталей и
методика определения коэффициента шероховатости, как одного из технологических факторов, изменяющих трудоемкость. С этой целью вводится показатель
сложности детали, mд, вычисляемый по формуле
n
mдет = ∑ ⋅ F j ⋅ K ш ,
(7)
j =1
где Fj − объем снимаемого материала, отнесенный к определенному классу
шероховатости; Кш − коэффициент шероховатости.
Значения Кш могут быть вычислены по уравнению
Кш=В0⋅Rа-В1 ,
(8)
где Rа − высота микронеровностей, мкм.
Результаты расчетов показателя сложности детали и величины, соответствующей ему приведенной трудоемкости, приведены на рис. 6. Как можно заметить, зависимости Тпр=f(mд) прямолинейны. Наименьший разброс точек наблюдается для значений трудоемкости, зафиксированных в период серийного производства изделия, когда весь технологический цикл изготовления полностью оснащен
приспособлениями, мерительным и режущим инструментом.
Тпр н-час
9
6
3
25
50
75
100
125
175
200
mд, см3
Рис.6. Влияние показателя сложности детали на приведенную трудоемкость: ◊ − единичное производство; □ − при запуске; ∆ − серийное; ○ − расчетное.
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
При прогнозировании трудоемкости не меньший интерес представляет определение ее величины в момент запуска изделий Тзап. Согласно данным, представленным на рис. 6, прямая Тзап=f(mд) расположена выше, а разброс значений
трудоемкости больше. Это объясняется рядом обстоятельств. Во-первых, для построения прямой Тзап=f(mд) использовались действительные величины трудоемкости, сложившиеся в производстве или установленные нормировщиками, т.е. в них
могут войти и значения, имеющие ошибку определения из-за недоработок в нормативно-справочных материалах или невнимательности нормировщиков. Вовторых, уровень Тзап складывается под воздействием таких конкретных условий,
как уровень технологической подготовки производства, наличие высококвалифицированных кадров рабочих и ИТР, организация и культура производства, а они
разработаны на разных предприятиях [3]. Все это приводит к тому, что отношение
Тзап/Тсер для отдельных изделий может сильно различаться. Поэтому представляет
интерес сравнить Тзап с трудоемкостью деталей инструментального производства
Тед, которые, как правило, идут единичными экземплярами. Можно ожидать, что
между Тзап и Тед есть определенная связь в силу того, что ряд особо сложных деталей в период освоения, а также эталонные детали изготавливаются в инструментальных цехах. Тогда, по всей вероятности, трудоемкость, сложившаяся в инструментальном цехе, повлияет на трудоемкость серийного производства и, следовательно, связь между Тзап и Тед закономерна. Установлено, что Тед превышает Тзап
в среднем в 2-3 раза. В то же время для деталей инструментальных цехов, выпускаемых небольшими сериями, Тед примерно равна Тзап. Это позволяет сделать заключение о том, что по величине трудоемкости Тед можно судить о Тзап, при этом
Тзап≤Тед и прямая Тед=f(mд) служит своеобразной границей для значений Тзап.
Необходимо отметить, что на практике вычисление показателя сложности детали
mд представляет определенные трудности, так как требует специальных навыков.
Поэтому для упрощения процедуры прогнозирования методика вычисления mд
несколько видоизменена и приспособлена для расчетов на ЭВМ. В частности,
предлагается вместо mд определять показатель N, равный количеству знаков (т.е.
размеров), подлежащих механической обработке и нанесенных на чертеж детали.
Каждый знак при этом учитывается с коэффициентом Кш, характеризующим изменение трудоемкости при увеличении класса шероховатости.
Трудоемкость детали можно определить из уравнения вида
Тпр=∆Рх ⋅Ny
,
(9)
где ∆Р − масса снимаемого металла, кг; N − количество знаков в чертеже, определяющих механообработку.
Если в формулу (9) подставить значение Тдет из (6) и значение ∆Р равное
 1

∆Р = 
− 1 ⋅ Рдет ,
(10)
 К им

то получим
х2
Т дет = Рдет
х1
 1

⋅ 
− 1 ⋅ N y ⋅ K Т
 К им

(11)
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
Трудоемкость изготовления изделия Тизд, можно представить как сумму
следующих составляющих по формуле
Т изд = ∑ Т дет + Т сб ,
(12)
где Тсб − трудоемкость сборочных работ.
Прогнозирование величины Тизд можно вести двумя методами. Во-первых,
оценить трудоемкость всех входящих в изделие деталей, просуммировать их и
добавить трудоемкость сборки. Во-вторых, получить аппроксимирующее уравнение непосредственно для Тизд. Во втором случае целесообразно воспользоваться
предложенным автором показателем КΣ, отражающим влияние на трудоемкость
не только коэффициента обрабатываемости материала (Кvk), но и стоимости заготовки.
Следовательно, показатель обрабатываемости Кvk должен быть дополнен
другим показателем, отражающим различие в величине интенсивности износа инструмента (hопо). Следует иметь в виду, что, с одной стороны, непосредственное
определение hопо является трудоемкой операцией, а с другой − значения hопо, по
всей вероятности, зависят от содержания легирующих элементов в материале.
Наиболее простым в использовании показателем, также зависящем от содержания
легирующих элементов, является оптовая цена материала. Например, отношение
оптовой цены 1 кг стали ХН38ВТ к цене 1 кг стали 40ХНМА примерно равно 15.
Аналогичные соотношения существуют и при сравнении оптимальной интенсивности износа hопо этих сталей. При этом по величине оптимальных скоростей резания стали, взятые для эксперимента, отличаются друг от друга в пределах 510%.
Предлагается для более полной характеристики различий в группах материалов использовать обобщенный показатель трудоемкости КΣ, равный
КΣ = КТ⋅·Кс ,
(13)
где Кс − коэффициент относительной стоимости данной марки материала по сравнению со сталью 45. Значение Кс можно вычислить из следующего уравнения
Кс=0,613-0,00687х1+3,12х2+0,497х3+0,264х4-0,42х5+0,41х6 ,
(14)
где x1 − диаметр прутка, мм; x2 − содержание углерода, %; x3 − содержание никеля,
%; x4 − содержание хрома, %; x5 − содержание титана, %; x6 − содержание молибдена, %.
Пользуясь формулой 14, можно вычислить Кс новых материалов без проведения длительных и дорогостоящих опытов для определения параметра hопо.
Таким образом, формулы 2, 13 и 14 позволяют автоматизировать вычисления параметров КТ и Кс и, главное, перейти от экспериментов к расчетному их определению, что само по себе является важной проблемой.
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
Средние значения коэффициентов КТ, Кс, а также обобщенного показателя
трудоемкости КΣ по группам материалов, приведены в табл.3. Этими данными
можно воспользоваться для прикидочных расчетов параметра Кизд, являющегося
совокупным показателем трудоемкости изделия. Он вычисляется по формуле
n
К изд = ∑ ⋅ K Tj ⋅ K cj ⋅ Pj ,
(15)
j =1
где Рj − масса деталей из материалов, относящихся к j-ой группе в классификации; n - количество групп материалов.
Расчетные значения коэффициентов трудоемкости
Таблица 3
Наименован. Угл. Легир. Нерж. ЖПС. ЖПС ЖПС Титан. Ал.,мед.
показателя
стали стали стали стали деф. лит. сплавы магн.,
2 гр.
3 гр.
4 гр. 5 гр. 6 гр.
8 гр.
1 гр.
1 гр.
1
2,5
2,5
3,6
6,5
6,5
3.7
0,9
КТ
1
3,6
8,9
17,7
38
50,1
42
9,0
Кс
1
9,0
22,3
63,7
247
325
155
8,1
КΣ
Значение параметра Кизд поддается непосредственному расчету только после завершения этапа рабочего проектирования изделия.
Математическая обработка статистических данных по трудоемкости изготовления различных изделий ряда предприятий Башкортостана (см. рис.6) позволила получить для серийного производства уравнение
Тизд=0,165·Кизд+0,137·10-6·Кизд2 .
(16)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам проведенных исследований разработана методика и математическое обеспечение прогнозирования трудоемкости деталей новых изделий
на основе объективных параметров: массы снимаемого слоя, марки обрабатываемых материалов, конструкторской сложности деталей с учетом эффективности
применяемых режимов обработки. Предложена система поиска оптимальной динамики трудоемкости новых изделий, учитывающая созданные математические
зависимости трудоемкости деталей, математические зависимости оперативного
времени, позволяющие определить объем проектирования и изготовления технологической оснастки.
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Праведников И.С., Касимов Л.Н. Разработка научных основ управления
динамикой трудоемкости новых изделий и деталей // Система социально-эконом.
обеспеч. качества услуг и сервиса: Сб. науч. трудов – Уфа: Уфимск. технол. ин-т
сервиса, 1995. – С. 114-117.
2. Праведников И.С., Касимов Л.Н., Дубасов Н.П. Разработка математических моделей параметров динамики трудоемкости деталей бытовой техники //
Проектирование, диагностика и повышение надежности бытовой техники: Сб. науч. трудов – Уфа: Уфимск. технол. ин-т сервиса, 1998. – С. 65-70.
3. Праведников И.С., Касимов Л.Н. Моделирование и оптимизация параметров подготовки производства новых изделий в условиях малого предпринимательства // Малое предпринимательство Башкортостана: науч. тр. межвуз. конф. –
Уфа: Уфимск. технол. ин-т сервиса, 2001. – С. 314-318.
_____________________________________________________________________________
© Нефтегазовое дело, 2005
http://www.ogbus.ru