发射装置结构设计与成本控制

杨学超， 王团

（中国空空导弹研究院主机部，河南洛阳471009）

1 引言

随着军品市场竞争机制的引入，军品的性能、质量、成本、生产和服务日益成为竞争的焦点。军工企业作为市场经济环境下的一个经营实体，追求利润最大化使其具有一般企业的属性，成本控制问题对军工企业全面、协调、可持续发展就显得至关重要［1］。在这方面，美国是军工产品设计成本控制做的最好的国家，由于美国军工企业众多，国防部有较大的选择权，他们采用了军品“设计成本控制”的管理方法，在产品开发、设计、制造各个阶段中，订立成本控制的“目标值”，重点在设计初样阶段对产品成本进行先期控制［2］。

传统的成本控制偏重于制造环节，但产品成本在设计环节就已经基本确定，设计环节决定了整个生命周期成本的70%以上，所需的现金流仅占5%，产品一旦设计定型，在后续环节降低成本的空间有限，因此成本控制应重点放在设计环节来完成［3］。产品的设计成本是指企业设计一种产品，从设计开始到完成整个过程中所需要投入的成本，是根据设计方案中使用的材料，经过生产、工艺过程等条件计算出来的产品成本，可以说是一种预计成本，其高低主要取决于产品的结构、零部件的材质及制造的难易程度等［4］。

2 典型发射装置成本构成

发射装置是一种典型的军品小批量机电装备，机械制造占整个产品成本的70%以上，控制成本最有效的环节为结构设计环节，其他环节成本降低的空间有限，结构设计对发射装置全寿命成本具有决定性影响。表1是一种典型发射装置各组件结构设计在其设计成本所占的比重，从表中可以看出：在8种组件中结构成本超过了80%，在整个产品成本所占比例超过了70%，达到了71.3%；由此可见，结构设计中的成本控制在整个发射装置成本控制的重要性。

表1 各组件结构设计在其设计成本所占的比重

3 结构设计阶段成本分析

结构设计是发射装置设计的初始阶段，结构设计优劣直接影响其后的工艺、加工、总装和售 后 等［5］；故 在 产品结构设计阶段，应进行充分的论证，对影响成本控制的各因素逐一分析。

3.1 选材

（1）合理选材

根据总体设计要求以及前期设计经验进行合理选材［5］。选材性能过高会造成产品性能过剩，在满足产品与工艺要求的前提下，尽量选择前期型号所用的材质和厚度；或在充分论证情况下，对其材质性能提高或降低，选材优先度综合为铝合金＞不锈钢＞铜合金＞钛合金。例如：同样是不锈钢材料1Cr18Ni9Ti与易切不锈钢Y1Cr18Ni9均能满足使用要求，应优先选用Y1Cr18Ni9，可以大大节约材料和加工成本，前者价格昂贵且常规加工方法困难；也可以根据要求选择成本低且易于加工的硬质塑料和橡胶等有机材料；同时为增强继承性和综合利用库存，优先使用已用过的材料，尽量减少同型号产品材质的种类，因此首先要对已有型号、市场和库存进行充分调研。

要根据零件的设计特性和尺寸合理选择毛坯料，圆特征或柱特征的优先选择棒料，条形或片型特征的优先选择板材，结构上光滑或具原材料特征的尽量选择钣金弯折或原料焊接而成。毛坯料选择的好坏不但关系到材料的利用率，尤其对零件的加工非常有利，可以大大减少加工工序和成本。

（2）标准件

标准件（标准结构）在一个产品中的比例是这个产品工艺性良好与否的重要象征。标准件（标准结构）的选用可以大大降低生产成本，缩短生产周期，减少不必要的投入，此投入主要包括人力物力、专用设备和专用量具的投入。能用标准件不用自制件，能用标准结构不必自行设计。以螺钉的标准件——“十字槽盘头螺钉GB/T818 M5×20”为例，该零件在专业厂家生产成本仅为0.25元/件；而如自行生产成本可能为10元/件（批产1000件）以上，二者成本相差数十倍。所以要降低成本，优选标准件（标准结构）非常必要。

3.2 结构设计的合理性

图1 某型发射装置

发射装置基本为一左右对称、流线型美观的装备，部分零件为左右件，要充分分析是否可以将其合并为一个单件，减少后期模具、工装的开发费用；对于部分零件功能与位置极为接近或对称的，最好设计成对称件，以减少加工工艺与工装。例如图1某型发射装置壳体部分为两旁掏空的板料拼合而成的，设计之初左右两片功能有所不同且不对称，后增加了其他一些简单零件使其功能和结构上完全对称，改进了加工工艺，从而节省成本。

材料的利用率是制约结构设计成本又一关键问题，许多结构设计会造成原材料的利用率很低，甚至不足5%，这等于变相增加了成本。这就需要在设计阶段，分析设计的合理性，对原设计进行分割或改变，提高材料利用率。例如图2所示，对其设计进行简单改进，在不影响其功能的情况下，对原来整个零件进行了分割改进，再用成本低廉的标准件连接起来，性能上没有太大的差别，但是有效提高了材料的利用率，同时降低了零件的加工难度。经过对比，材料利用率由不足5%提高到80%以上，加工成本减少70%以上。

图2 某零件的加工改进

3.3 合理的公差

公差的合理选择直接影响发射装置整机成本。公差过严直接影响设备、模具和工装等精度要求，其制造成本也相应提高，进而影响整机的成本；同时因零件超差而延误后续工序或交货，给工作造成很大的被动，或者因超差而让步使用也会严重影响产品在军方心目中的形象；公差要求过松，会降低整机品质和军方对产品的评价，军方口碑变差，失去与同行的竞争力。因此在结构设计完成或样机之前，充分进行分析论证，将整机要求充分分解到各个零组件上，制定合理的公差要求［6］。

解决好这个问题，必须改变“精度越高=性能越好”的错误观念，结构形式巧妙、结构尺寸合理，公差标注得当，是设计零部件结构的关键。标注公差时，当精度越高（公差带越小）加工越困难，加工成本越高，而且加工和检验周期越长，所以对于任何一个零件的公差标注都应当慎重。当某尺寸公差值无法确定时，建议设计师采用功能性标注的方法，选择零部件实际使用条件下可允许的公差最大值，避免随意标注公差［6］。图3为某零件的工程图，功能上的要求采用配合公差加工，不管车削还是铣削，一般技术较高者可加工±0.02～±0.05mm的精度，技术低者只能加工出±0.1mm。数控机床原则可达到1μm的精度，但由于加工反力引起的让刀、加工及测量时的工件热膨胀差、装夹引起的工件弹性变形、压延挤压所引起的内部应力释放等因素产生1μm误差不断积累，结果甚至不能保证10μm以下的精度。对以上情况进行综合判断可以得出，h7的精度要靠高技能的工人来加工，不如留一点余地，改为，性能没有太大差别，加工难度大大下降。对小直径孔φ5H8，小孔径因一般车刀无法加工，故采用钻削加工后铰削加工，但如果直径及允许范围不在铰刀系列之内则无法加工；当无现成的相应尺寸的铰刀，加工这种尺寸及精度时，就必须定做该尺寸的铰刀。对该细长轴类件还需要注意，当材料长径比超过10时，即使支撑住，车削也很难保证0.05mm直线度，如采用无心磨削，成本无疑会大幅度增加。这需要对加工方法熟知，了解加工顺序和加工机械，估计出大致精度的公差。

图3 某零件工程图

3.4 结构设计的继承性

继承性在发射装置整机结构设计中极为重要，可提高发射装置产品的系列化和通用化。各型发射装置在功能和结构上或多或少相通，有的发射装置差不多有50%以上的零件可以借用以往型号，极大缩短了研制周期和开发成本，使得全寿命期的成本可以减少一半以上。所以在发射装置设计之初，应该充分认识到产品或组件的继承性，能借用的就直接借用，可以省去设计和试验成本，同时有效利用库存，减少零件的单位成本；即使不可以直接借用，也可在原基础上加以改进。

3.5 结构设计的某些技巧总结

通过多年的型号设计工作，获得了许多宝贵的设计经验，在发射装置设计过程中表明，这些经验对产品的成本控制还是有许多益处的。

（1）外倒角一般倒斜角，内倒角一般倒圆角；外倒角倒斜角比倒圆角成本低得多，内倒角根据要求采用相应大小的圆角，无特殊要求的不要圆角太小或清根，这不但难以加工而且容易应力集中。

（2）表面处理或喷漆的零部件，只要求指出被保护的特征，对于可做也可不做处理的地方一定要求表面处理，零件表面保护是表面处理最麻烦的工序。

（3）选择结构要素时，应尽量避免曲面与曲面相贯，至少改为一个平面和曲面相交，可大大提高加工效率。

（4）内螺纹深度一般不宜大于大径的3倍，否则加工困难而且使用意义不大；螺纹旋合长度标注min，以保证使用要求；螺纹小径深度标注max，便于加工和检测。

（5）在斜面上加工孔，应考虑给加工留出工艺平台，否则在斜面上直接钻孔、攻丝非常困难。

（6）零件特征的机构设计尽量利于数控机床的批量加工，可以大大节省成本。

总之，所有标注应利于加工和检验，使零件以最简单的加工方法完成，且不降低加工质量。

4 结论

结构设计优化确实能有效控制发射装置的生产成本，但是结构设计的改进对成本控制仅仅是一个方面，发射装置的成本控制是一项复杂的系统工程。设计人员应该在设计之初，就制定出合理、周密的方案，积极避免潜在的不必要成本，把成本控制在定型或批产阶段之前解决，充分认识设计初样阶段的成本控制优势，降低产品成本，提高企业效益。

［1］ 宋景严.军工科研单位经费管理的思考［J］.世界标准化与质量管理，2007（12）：17-18.

［2］ 吴德永，孟凡杰.从设计环节控制航天军品成本的研究［J］.航天工业管理，2009（1）：23-24.

［3］ 万金华.制造业企业成本管理探讨［J］.市场周刊（管理研究），2006（10）：31-32.

［4］ 曹玉日，何正斌.国防科研投资体制的弊端及对策［J］.装备指挥技术学院学报，2004（12）：33-35.

［5］ 王同领.冲压成本控制［J］.汽车工程师，2012（2）：56-57.

［6］ 董光荣.机械设计的尺寸公差简析［J］.山西机械，2001（S1）：60-61.