孔憲偉，馬自勤，程 強(qiáng)

(1.大連瓦軸精密電機(jī)汽車軸承有限公司，遼寧 大連 116102;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

0 引言

材料定額是指在一定的生產(chǎn)和技術(shù)條件下，生產(chǎn)單位產(chǎn)品或完成單位工作量所必須消耗材料的數(shù)量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。材料消耗定額是直接為生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理服務(wù)的。實(shí)現(xiàn)任何生產(chǎn)過(guò)程，都要以原料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料、工藝材料以及各種輔料等為首要條件，產(chǎn)品的材料成本一直是產(chǎn)品成本結(jié)構(gòu)的主要因素之一，大約占50%左右［1］。作為對(duì)材料消耗進(jìn)行有效的控制與管理，是企業(yè)經(jīng)營(yíng)降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益的不可或缺的任務(wù)。而材料定額是對(duì)材料消耗進(jìn)行控制與管理的依據(jù)，材料消耗定額的正確制訂、管理、使用對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)具有重要意義［2］。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，我國(guó)材料定額的估算已經(jīng)形成了比較規(guī)范的材料定額體系，但是在現(xiàn)代制造環(huán)境中仍存在材料定額與實(shí)際下料消耗吻合度較差的情況，一直困擾著企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理與工藝管理。本文在對(duì)傳統(tǒng)材料定額方法與流程及存在的問(wèn)題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了基于精益制造與企業(yè)資源計(jì)劃的材料定額方法與流程的解決方案。

1 傳統(tǒng)材料定額方法

傳統(tǒng)制訂材料消耗工藝定額的基本方法主要包括技術(shù)計(jì)算法、實(shí)際測(cè)定法、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法等。實(shí)際測(cè)定法是用實(shí)際稱量的方法確定每個(gè)零件的材料消耗工藝定額，這種方法不能事先確定材料定額。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法是根據(jù)相似零件材料實(shí)際消耗統(tǒng)計(jì)資料，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比，確定零件的材料消耗工藝定額。

技術(shù)計(jì)算法是根據(jù)產(chǎn)品圖樣、加工工藝以及有關(guān)的技術(shù)資料，根據(jù)零件的加工工藝方案中的加工余量，通過(guò)理論分析，計(jì)算出來(lái)出的毛坯尺寸，選擇材料的型號(hào)、規(guī)格、尺寸，計(jì)算各種工藝性損耗，核算零件凈重和毛重，確定材料消耗定額。材料定額的技術(shù)計(jì)算方法主要包括選料法、下料利用率法、材料綜合利用率法等［2-3］。

選料法是根據(jù)材料目錄中給定的材料范圍，結(jié)合具體產(chǎn)品情況，選定一個(gè)最經(jīng)濟(jì)合理的材料尺寸，然后根據(jù)零件毛坯和下料切口尺寸，在選定尺寸的材料上排列，將最后剩余的殘料(不能再利用的)分?jǐn)偟搅慵牟牧舷墓に嚩~中。如式(1)所示。

式中:W— 零件材料消耗工藝定額;W1— 毛坯重;W2—下料切口重;W3—?dú)埩现?N1—每料件數(shù)。

下料利用率法是先按材料規(guī)格，定出組距，經(jīng)過(guò)綜合套裁［4］下料的實(shí)際測(cè)定，分別求出各種材料規(guī)格組距的下料利用率，然后用下料利用率計(jì)算零件材料消耗工藝定額。如式(2)、(3)所示。

式中:Cx—下料利用率;∑W1— 一批零件毛坯重量之和;W4—獲得該批毛坯的材料消耗總量。

材料綜合利用率法是當(dāng)同一規(guī)格的某種材料可用一種產(chǎn)品的多種零件或用于多種產(chǎn)品的零件上時(shí)，可采用更廣泛的套裁，在這種情況下利用綜合利用率法計(jì)算零件材料消耗工藝定額較合理。如式(4)、(5)所示。

式中:Cz—材料綜合利用率;∑W5— 一批零件凈重之和;W6—該批零件消耗材料總重量。

式中:W5—零件凈重。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，我國(guó)材料定額的技術(shù)計(jì)算法，針對(duì)不同的加工工藝方式(機(jī)械加工、鑄造、沖壓、鍛造、焊接、熱處理、鉚焊、表面處理等)，已經(jīng)形成了比較科學(xué)、比較規(guī)范的材料定額體系。

2 材料定額的制訂與生產(chǎn)中原材料的規(guī)格和下料組合

傳統(tǒng)材料定額的制訂與生產(chǎn)中原材料的采購(gòu)和下料流程是，企業(yè)由工藝部門提供的材料消耗定額，由供應(yīng)部門根據(jù)工藝部門提供的定額資料及生產(chǎn)計(jì)劃，向有關(guān)供應(yīng)商進(jìn)行采購(gòu)。對(duì)于大批量采購(gòu)，可以根據(jù)材料定額，向供應(yīng)商協(xié)商定尺供料或者按工藝參數(shù)的要求組織供貨。原材料到貨檢驗(yàn)合格后，按照材料定額進(jìn)行原材料下料和限額發(fā)料［2］。但是在現(xiàn)代制造環(huán)境中企業(yè)往往存在材料定額與實(shí)際下料消耗吻合度較差的情況，一直困擾著企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理與工藝管理。通過(guò)調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)其主要原因，一是采購(gòu)或庫(kù)存原材料與工藝材料定額所選擇原材料規(guī)格不一致;二是生產(chǎn)過(guò)程的原材料排料與下料依據(jù)與工藝材料定額的依據(jù)不一致［5］。

2.1 原材料的規(guī)格優(yōu)化

工藝部門在制訂材料定額的時(shí)候，一般是根據(jù)零件毛坯尺寸，根據(jù)工藝手冊(cè)中材料目錄中給定的材料范圍，結(jié)合具體產(chǎn)品情況，選定一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)合理的材料規(guī)格。而在現(xiàn)代制造和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，企業(yè)由于產(chǎn)品的批量，對(duì)于原材料的需求往往不是大批大量，而是中批中量甚至小批小量;供應(yīng)商提供的原材料尺寸規(guī)格，往往并不一定符合工藝手冊(cè)中材料目錄中給定的材料范圍，從而造成供應(yīng)部門采購(gòu)或庫(kù)存原材料規(guī)格可能與工藝部門材料定額所選原材料規(guī)格并不一致，是導(dǎo)致材料定額與實(shí)際材料消耗吻合度較差主要因素之一。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一個(gè)基本假設(shè)，對(duì)于一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品以及供應(yīng)商是相對(duì)穩(wěn)定的，企業(yè)供應(yīng)部門采購(gòu)原材料的規(guī)格有必要也能夠做到相對(duì)穩(wěn)定。基于這一假設(shè)提出原材料的規(guī)格問(wèn)題優(yōu)化方案，使企業(yè)工藝部門提出的對(duì)于原材料規(guī)格的需求與供應(yīng)部門提供的實(shí)際原材料規(guī)格保持基本一致。企業(yè)供應(yīng)部門與工藝部門信息共享，提供的歷年采購(gòu)原材料規(guī)格統(tǒng)計(jì)資料;工藝部門制訂材料定額的時(shí)候，根據(jù)材料目錄中給定的材料范圍及供應(yīng)部門提供的相關(guān)資料，作為選擇原材料規(guī)格的依據(jù);遇到特殊需求或者特殊供應(yīng)情況，工藝部門與供應(yīng)部門要及時(shí)互相溝通信息、咨詢協(xié)商，選擇科學(xué)合理實(shí)際的原材料規(guī)格，最大限度的保證需求與供應(yīng)的一致性，保證材料定額與材料消耗的一致性，保證材料定額的有效性與嚴(yán)肅性。

2.2 原材料的下料組合優(yōu)化

工藝部門在制訂型材或者板材材料定額的時(shí)候，一般是基于單位產(chǎn)品的，根據(jù)產(chǎn)品BOM(Bill of Materials 物料清單)，把原材料的需求按照原材料及規(guī)格歸類，綜合考慮排料問(wèn)題，以此為依據(jù)確定相關(guān)材料定額，工藝部門制訂材料定額時(shí)的綜合排料問(wèn)題與產(chǎn)品種類無(wú)關(guān)，相同產(chǎn)品的數(shù)量與材料定額只是單位產(chǎn)品材料定額與產(chǎn)品數(shù)量的簡(jiǎn)單乘積關(guān)系。而企業(yè)的生產(chǎn)組織是以零部件為中心，并且是基于任務(wù)和提前期的，以ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)的MRP(物料需求計(jì)劃)或者精益生產(chǎn)的JIT(準(zhǔn)時(shí)制造)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際排料下料。制訂材料定額時(shí)參與排料的物料和數(shù)量，與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)參與排料下料的物料和數(shù)量幾乎是不同的，是導(dǎo)致材料定額與實(shí)際材料消耗吻合度較差主要因素之一。

ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)的MRP(物料需求計(jì)劃)的生產(chǎn)模式稱為推式作業(yè)方式，是根據(jù)主生產(chǎn)計(jì)劃MPS和MRP 下達(dá)生產(chǎn)加工訂單(生產(chǎn)工票)，根據(jù)生產(chǎn)工票將物料配套發(fā)往各個(gè)工作中心。上工序完工后生產(chǎn)工票與加工完成的在制品向下工序傳遞，物料是從上工序向下推動(dòng)傳遞的;在上工序未完工前，下工序只是等待物料、組件加工。原材料采用型材或者板材的產(chǎn)品零部件的排料下料數(shù)量和時(shí)間是MRP 所計(jì)劃的產(chǎn)品零部件投料的數(shù)量和時(shí)間［6］，如圖1 所示。

精益生產(chǎn)的JIT(準(zhǔn)時(shí)制造)的生產(chǎn)模式稱為拉式作業(yè)方式。拉式作業(yè)的物料移動(dòng)是來(lái)自下道工序，作業(yè)安排實(shí)行適時(shí)、適量、適地安排生產(chǎn)，主生產(chǎn)計(jì)劃MPS 和總裝計(jì)劃FAS 下達(dá)后，從產(chǎn)品總裝開(kāi)始，后工序向上工序領(lǐng)取本工序所要的零部件進(jìn)行加工或者組裝。當(dāng)上工序的加工零部件數(shù)量不能滿足下工序的加工或者組裝要求時(shí)，產(chǎn)生物料需求信息，由后工序向前工序傳遞加工需求指令。原材料采用型材或者板材的產(chǎn)品零部件的排料下料數(shù)量和時(shí)間是JIT 由后工序向前工序傳遞加工需求指令所規(guī)定的產(chǎn)品零部件投料的數(shù)量和時(shí)間［6］，如圖2 所示。

圖1 ERP—MRP 生產(chǎn)模式

圖2 精益生產(chǎn)—JIT 生產(chǎn)模式

綜上所述，對(duì)于原材料采用型材或者板材的產(chǎn)品零部件來(lái)說(shuō)，工藝過(guò)程一定，對(duì)應(yīng)的毛坯尺寸就是確定的;根據(jù)3.1 節(jié)，假設(shè)原材料的型號(hào)、規(guī)格、尺寸也是確定的。而由于實(shí)際下料時(shí)參與套裁的產(chǎn)品零部件的品種數(shù)量可能是不確定的，套裁的排料可能不同，工藝性損耗的均攤可能是不確定的，導(dǎo)致材料定額和材料實(shí)際耗費(fèi)的不確定性。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出通過(guò)材料綜合下料利用率的方式來(lái)解決。本文定義材料綜合下料利用率如式(6)、(7)所示。

式中:Czx—材料綜合下料利用率。

當(dāng)同一規(guī)格的某種材料可用一種產(chǎn)品的多種零件或用于多種產(chǎn)品的零件上時(shí)，可采用更廣泛的套裁?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)提倡面向制造的設(shè)計(jì)DFM［7］工藝設(shè)計(jì)也應(yīng)該遵循這一法則，為產(chǎn)品制造過(guò)程提供充分的技術(shù)支持。供應(yīng)部門是按照工藝部門提供的零件毛坯尺寸下料的，采用綜合下料利用率法計(jì)算零件材料消耗工藝定額，有利于工藝部門與供應(yīng)部門協(xié)同進(jìn)行材料定額的控制與管理。

本文提出生產(chǎn)下料時(shí)應(yīng)該按照既定生產(chǎn)模式給出的產(chǎn)品零部件的投料時(shí)間、規(guī)格和數(shù)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集，然后排料套裁。下料時(shí)間不同，參與套裁的物料規(guī)格、數(shù)量不同，影響下料利用率。排料除了物料本身的幾何特征與數(shù)量、毛料規(guī)格外，增加了下料時(shí)間的維度，使下料套裁問(wèn)題既具有計(jì)劃性又具有隨機(jī)性。需要對(duì)下料現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，保證記錄的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，按照產(chǎn)品零部件的相似性［8］進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定材料綜合下料利用率。

3 材料定額的控制與管理流程優(yōu)化

根據(jù)精益制造的思想，制造工藝過(guò)程中的材料消耗包括有效消耗和無(wú)效消耗。有效消耗是指在產(chǎn)品的制造過(guò)程中，材料有效利用的部分。無(wú)效消耗是指在產(chǎn)品制造過(guò)程中損失的部分。無(wú)效消耗又分為無(wú)效但不可避免的消耗(工藝性損耗)和無(wú)效而且必須避免的消耗(非工藝性損耗)。工藝性損耗是指在產(chǎn)品零件的制造過(guò)程中，按照工藝要求，制成零件實(shí)體所必須的材料損耗，包括從下料開(kāi)始，到制成產(chǎn)品為止，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中諸如下料的料頭，切口損耗，加工余量以及熱加工工藝的各種損耗等。非工藝性損耗是在產(chǎn)品制造過(guò)程中，所發(fā)生的與工藝過(guò)程沒(méi)有直接關(guān)系的損耗，非工藝性損耗主要包括:由于廢品而產(chǎn)生的材料損耗;由于材料沒(méi)有按材料定額所規(guī)定的規(guī)格尺寸供應(yīng)，用其它材料代用所增加的材料損耗;材料檢驗(yàn)用料等。

進(jìn)行材料定額的控制與管理流程優(yōu)化，必須實(shí)現(xiàn)材料定額的閉環(huán)控制，必須實(shí)現(xiàn)企業(yè)材料定額控制與管理的協(xié)同。

材料定額的閉環(huán)控制包括材料定額控制與管理的事先計(jì)劃、事中監(jiān)控、事后考核分析改善。事先計(jì)劃包括根據(jù)企業(yè)采購(gòu)進(jìn)料規(guī)格確定毛料規(guī)格;根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定綜合下料利用率，綜合下料利用率因物料的屬性不同而不同;按毛坯尺寸、原材料規(guī)格、綜合下料利用率制訂材料定額。事中監(jiān)控包括按生產(chǎn)組織下料;及時(shí)反饋下料情況，控制下料利用率;結(jié)合任務(wù)號(hào)領(lǐng)料(考核依據(jù))，杜絕不良品的發(fā)生。事后考核分析改善，包括指導(dǎo)材料定額;考核控制現(xiàn)場(chǎng)材料消耗;定期或不定期根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整綜合下料利用率和原材料規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。不斷提升工藝材料定額管理水平，使其保持在一個(gè)較高水平的穩(wěn)定狀態(tài)。材料定額的原材料的規(guī)格優(yōu)化流程、原材料的下料組合優(yōu)化流程如圖3、4 所示。

圖3 原材料的規(guī)格優(yōu)化流程

圖4 原材料的下料組合優(yōu)化流程

企業(yè)材料定額控制與管理的協(xié)同包括外部協(xié)同和內(nèi)部協(xié)同。外部協(xié)同是指企業(yè)與供應(yīng)商的協(xié)同。供應(yīng)商是企業(yè)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的寶貴財(cái)富，是企業(yè)的外部合伙人。如果制造商希望供應(yīng)商提供任何優(yōu)質(zhì)的支持和服務(wù)，就必須擔(dān)當(dāng)起領(lǐng)導(dǎo)者的角色，整合出一條精益供應(yīng)鏈，使物流供應(yīng)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)的企業(yè)都受益，制造商與他們信息共享，風(fēng)險(xiǎn)與利益共擔(dān)。要確保供應(yīng)商能夠提供滿足企業(yè)產(chǎn)品所需規(guī)格的高質(zhì)量的原材料，避免因?yàn)楣?yīng)商提供的原材料規(guī)格或者質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致的無(wú)效材料消耗。內(nèi)部協(xié)同是指企業(yè)包括工藝部門、供應(yīng)部門、制造部門等內(nèi)部相關(guān)部門的協(xié)同。必須在企業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略思想指導(dǎo)下，企業(yè)一盤棋，實(shí)現(xiàn)企業(yè)材料定額控制與管理的系統(tǒng)工程，各部門也要信息共享，風(fēng)險(xiǎn)與利益共擔(dān)。要確保各部門之間的無(wú)縫連接，工藝部門能夠制定出符合企業(yè)實(shí)際情況的材料定額，供應(yīng)部門能夠提供滿足企業(yè)產(chǎn)品所需規(guī)格的高質(zhì)量的原材料，制造部門能夠確保制造零缺陷零廢品，避免因?yàn)槠髽I(yè)內(nèi)部原因?qū)е碌臒o(wú)效材料消耗，實(shí)現(xiàn)企業(yè)材料定額控制與管理的良性循環(huán)。

4 材料定額控制優(yōu)化示例

企業(yè)某產(chǎn)品需求100 件，在每件產(chǎn)品的原材料中有某規(guī)格的棒料毛坯長(zhǎng)29mm、21mm、15mm 的各1根。設(shè)下料切口5mm。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該棒料原料長(zhǎng)2200mm。采用套裁下料可以節(jié)省原材料。

工藝部門通過(guò)研究已知有幾種較好的方案可供選擇，如表1 所示。采用線性規(guī)劃［4］，混合使用表中方案，使所用原材料最省。得到套裁方案最優(yōu)結(jié)果如表2 所示。材料定額用料31 根。材料綜合下料利用率為95.31%。

表1 套裁下料初始方案一覽表-工藝部門

表2 套裁下料優(yōu)化方案一覽表-工藝部門

企業(yè)實(shí)施物料需求計(jì)劃MRP，物料供應(yīng)部門按時(shí)段MRP 組織生產(chǎn)下料，對(duì)該棒料的需求計(jì)劃如表3 所示?？梢?jiàn)每個(gè)實(shí)際下料時(shí)參與套裁的產(chǎn)品零部件的品種數(shù)量是根據(jù)時(shí)段MRP 確定的，套裁的排料會(huì)不同，必然導(dǎo)致材料定額和材料實(shí)際耗費(fèi)的不一致性。實(shí)際套裁材料綜合下料利用率如表3 所示。加權(quán)材料綜合下料利用率為93.56%。

表3 時(shí)段套裁下料情況一覽表-供應(yīng)部門

根據(jù)相似制造論原理［8］，經(jīng)過(guò)對(duì)供應(yīng)部門下料現(xiàn)場(chǎng)記錄的階段性分類統(tǒng)計(jì)，考慮安全系數(shù)，工藝部門對(duì)該類棒料材料定額按照材料綜合下料利用率92%進(jìn)行制定。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，材料定額與實(shí)際耗費(fèi)的差異控制在95%左右。取得了較好的效果。企業(yè)產(chǎn)品在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下是不斷變化的，對(duì)于原材料的需求也是變化的，材料定額的材料綜合下料利用率需要根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品變化、供應(yīng)部門實(shí)際下料的材料綜合下料利用率的分類統(tǒng)計(jì)規(guī)律不定期進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)材料消耗進(jìn)行有效的控制與管理，對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。本文在對(duì)傳統(tǒng)材料定額方法與流程及存在的問(wèn)題進(jìn)行充分調(diào)查分析研究的基礎(chǔ)上，提出了基于精益制造與企業(yè)資源計(jì)劃的材料定額方法與流程的解決方案。需要結(jié)合不同企業(yè)的不同情況進(jìn)行運(yùn)用和不斷完善。

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