趙文波，李英杰

(山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101 )

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基于價值工程的零件加工工序改進(jìn)與應(yīng)用

趙文波，李英杰

(山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101 )

在生產(chǎn)中，部分產(chǎn)品存在著量大面廣、工序繁瑣、工藝復(fù)雜、原材料和能源消耗高、質(zhì)量難于保證等問題，可運(yùn)用價值工程進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)及技術(shù)改造。文章基于價值工程理論對汽車傳動軸萬向節(jié)叉的質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行工藝論證及改進(jìn)，針對傳動軸產(chǎn)品質(zhì)量和整車性能問題，采用強(qiáng)制確定法對影響萬向節(jié)叉質(zhì)量的因素進(jìn)行了改進(jìn)對象的選擇，萬向節(jié)功能分析及評價，提出了三種工藝改進(jìn)方案，對方案用優(yōu)缺點比較法進(jìn)行概略評價及可行性詳細(xì)評價，確定最終可行方案；基于價值工程的選定方案在生產(chǎn)中實施后使萬向節(jié)叉成為穩(wěn)定的合格品，在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)管理及經(jīng)濟(jì)效益等方面都取得了較好的效果。

價值工程；萬向節(jié)叉；工序改進(jìn)；方案評價

0　引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，特別是前輪驅(qū)動轎車大量生產(chǎn)以來，傳動軸萬向節(jié)的設(shè)計理論和制造技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。當(dāng)今國際上，傳動軸和萬向節(jié)生產(chǎn)廠家的競爭日趨激烈：把一種新產(chǎn)品投放市場，不僅要求其強(qiáng)度和壽命用滿足各種使用要求的規(guī)定，而且還要求產(chǎn)品的價格更具有競爭性和輕量化。被國家列為重點扶持的關(guān)鍵零部件項目之一萬向節(jié)，與國外相比，無論從產(chǎn)品的設(shè)計、還是制造技術(shù)都存在一定的差距。有鑒于此，文中是在制造過程中基于價值工程的萬向節(jié)叉加工工序的改進(jìn)與應(yīng)用[1]。

萬向節(jié)是汽車傳動軸上的關(guān)鍵部件。在前置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動的車輛上，萬向節(jié)傳動軸安裝在變速器輸出軸與驅(qū)動橋主減速器輸入軸之間；而前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動的車輛省略了傳動軸，萬向節(jié)安裝在既負(fù)責(zé)驅(qū)動又負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的前橋半軸與車輪之間。車輛在運(yùn)行中路面不平產(chǎn)生跳動，負(fù)荷變化或者兩個總成安裝位置差異，都會使得變速器輸出軸與驅(qū)動橋主減速器輸入軸之間的夾角和距離發(fā)生變化，需要要用一個“以變應(yīng)變”的裝置來解決這一個問題，因此就有了萬向節(jié)。一般萬向節(jié)由十字軸、十字軸承和萬向節(jié)叉等零件組成(如圖1所示)[2]。

圖1　十字軸萬向節(jié)構(gòu)造圖

萬向節(jié)裝配中，叉頭上與相關(guān)零件直接配合、連接或關(guān)系密切的結(jié)構(gòu)表面(又稱為功能面)，其尺寸和位置精度直接影響萬向節(jié)的性能。功能面包括法蘭、軸承孔、法蘭孔以及法蘭端面齒槽或鍵槽等[3]。各功能面相互間位置度要求高，如軸承孔與法蘭止口對稱度、與法蘭端面的平行度、兩軸承孔的同軸度，軸承孔內(nèi)擋圈槽與法蘭止口的對稱度及對軸承孔的跳動度，法蘭端面齒槽中心與法蘭止口中心的同軸度或端面鍵槽與法蘭止口的對稱度、法蘭孔與法蘭止口及軸承孔的位置度等8個位置公差一般要求都在7級或8級，有些場合要求會更高，而加工時如果工件即萬向節(jié)叉頭經(jīng)多次裝夾，這些精度難以同時保證[4]。

在萬向節(jié)叉零件生產(chǎn)中存在的問題：萬向節(jié)叉零件的圓柱面表面尺寸為Φ，加工后經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)該圓柱表面的圓度誤差最大為0.07 mm，嚴(yán)重超過內(nèi)控圓度為0.02 mm的形位誤差工藝要求。在批量生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)有大批零件(約占50%)在精車成形工序中報廢，如果回用則影響兩耳軸線的位置精度、對稱度或兩項都受影響：當(dāng)高點在兩耳一側(cè)時，則影響對稱性；高點在兩耳中間時則影響位置精度；高點在與兩耳成45 °角位置時，則影響對稱性和位置精度(如圖2所示)[5]。

圖2　萬向節(jié)零件工序圖/mm

生產(chǎn)中，承擔(dān)該產(chǎn)品加工的CA6140車床工時緊張，車間中CE7120機(jī)床尚負(fù)荷不滿；在CA6140車床上用頂尖夾緊力不夠，加工后造成圓度超差；同時需要經(jīng)常更換活頂尖、工具費(fèi)用高；生產(chǎn)效率低、廢品率高。

1　價值工程的理論依據(jù)和實施

1.1價值工程的內(nèi)涵

價值工程(Value Engineering)又稱價值分析，是一門技術(shù)與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的現(xiàn)代化管理科學(xué)[6]。價值工程是以提高產(chǎn)品或作業(yè)價值為目的，通過有組織的創(chuàng)造性工作，尋求用最低的壽命周期成本，可靠地實現(xiàn)使用者所需功能的一種管理技術(shù)。價值工程中所述的“價值”，是指作為某種產(chǎn)品(或作業(yè))所具有的功能與獲得該功能的全部費(fèi)用的比值。從價值工程的定義中，涉及到價值、功能和壽命周期成本這三個基本概念。

(1) 價值

價值工程中所述的“價值”是一個相對概念，是指價值工程分析對象所具有的功能與形成功能的費(fèi)用之比[7]。它是衡量一個研究對象經(jīng)濟(jì)效益高低的尺度，可以表示為：

V=F/C

式中：V為價值；F為研究對象的功能；廣義是指產(chǎn)品或作業(yè)的功用和用途；C為獲得相應(yīng)功能的壽命周期成本，即從研發(fā)、設(shè)計、試驗、試制、生產(chǎn)、銷售、使用、維修直到報廢所花費(fèi)費(fèi)用的總和。

價值工程中的價值是一種比較價值或相對價值的概念，對象的效用或功能越大，成本越低，價值就越大。

(2) 功能

功能是指價值工程分析對象能夠滿足人們某種需要的一種屬性[8]。比如對產(chǎn)品而言，功能就是指它的用途。任何產(chǎn)品的存在是由于它們具有能滿足用戶所需求的功能。人們購買產(chǎn)品的實質(zhì)是為了獲得產(chǎn)品的功能。價值工程通過分辨確定各種功能的性質(zhì)和重要程度，對產(chǎn)品功能進(jìn)行分析研究，正確、合理地確定產(chǎn)品的必要功能、消除不必要功能，加強(qiáng)不足功能、削弱過剩功能，改進(jìn)設(shè)計，降低產(chǎn)品成本。

價值工程是以功能為中心，在可靠地實現(xiàn)必要功能基礎(chǔ)上來考慮降低產(chǎn)品成本的。

(3) 壽命周期成本

壽命周期是指從價值工程分析對象被研究開發(fā)、設(shè)計制造、用戶使用直到報廢為止的整個時期[7]。對象的壽命周期一般可分為自然壽命和經(jīng)濟(jì)壽命。價值工程一般以經(jīng)濟(jì)壽命來計算和確定對象的壽命周期。壽命周期成本是指從分析對象被研究開發(fā)、設(shè)計制造、銷售使用直到報廢所發(fā)生的各項費(fèi)用之和。壽命周期成本主要由生產(chǎn)成本及維護(hù)成本組成。

價值工程就是要通過著重于功能分析的一系列有組織的創(chuàng)造性活動，提高所研究對象的價值。

1.2價值工程的實施步驟

價值工程有自己獨(dú)特的一套工作程序[9]，其工作步驟及具體內(nèi)容見表1。

表1　價值工程的實施步驟

2　萬向節(jié)叉零件加工工序改進(jìn)與應(yīng)用

在生產(chǎn)中，對量大面廣、工序繁瑣、工藝復(fù)雜、原材料和能源消耗高、質(zhì)量難于保證的產(chǎn)品，我們可以運(yùn)用價值工程進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)及技術(shù)改造[10]。我們依據(jù)價值工程理論(以最低的總成本，來切實可靠地達(dá)到產(chǎn)品或作業(yè)的必要功能)進(jìn)行對萬向節(jié)叉的功能分析和有組織的改進(jìn)活動。

2.1改進(jìn)對象的選擇

價值工程對象選擇的方法有很多種，根據(jù)不同價值工程對象的特點及企業(yè)自身條件選用適宜的方法。常用的方法有經(jīng)驗分析法、ABC分析法、強(qiáng)制確定法、百分比分析法、價值指數(shù)法等，我們選擇強(qiáng)制確定法(Forced Decision)。

強(qiáng)制確定法是以功能重要程度作為選擇價值工程對象的一種分析方法[11]。具體步驟是：首先進(jìn)行功能評分，求出功能系數(shù)和成本系數(shù)，依據(jù)價值系數(shù)的計算結(jié)果分析對象的功能與成本是否相稱，若不相稱，應(yīng)選為價值工程的研究對象。此方法是從功能與成本兩方面來考慮問題的，所以比較全面而且方法簡便易行，能夠?qū)⒐δ苡啥ㄐ员磉_(dá)提升到定量分析。

按照影響萬向節(jié)叉質(zhì)量的六大因素(人、機(jī)、料、法、環(huán)、檢)用一對一比較法作出評價，明確其重要性次序。比較結(jié)果表明機(jī)械加工方法(即加工工藝)是最大影響因素，人與機(jī)床兩項次之，因此機(jī)械加工方法應(yīng)為選擇對象。

2.2傳動軸萬向節(jié)功能分析

功能分析是用簡明的語言對價值工程對象的每一項功能做一個確切的描述，通過這種描述，把功能的本質(zhì)、內(nèi)容及其水平準(zhǔn)確地表達(dá)出來，再用系統(tǒng)的觀點將已經(jīng)定義了的功能加以系統(tǒng)化，找出各局部功能相互之間的邏輯關(guān)系，并用圖表形式表達(dá)，以明確產(chǎn)品的功能系統(tǒng)，從而為功能評價和方案構(gòu)思提供依據(jù)[12]。

我們對汽車傳動軸產(chǎn)品的質(zhì)量功能下的定義：總功能為提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量，重要的是提高在精車成形工序中的定位精度。由此可得出如下功能系統(tǒng)圖：

圖3　傳動軸產(chǎn)品功能系統(tǒng)圖

2.3萬向節(jié)功能評價

經(jīng)過功能定義與整理后明確了價值工程對象所具有的功能，還要定量確定功能的目標(biāo)成本是多少，功能的現(xiàn)實成本是多少，改進(jìn)目標(biāo)是多少，這些問題都要通過功能評價來解決。

功能評價就是找出實現(xiàn)功能的最低費(fèi)用作為功能的目標(biāo)成本(功能評價值)，以功能目標(biāo)成本為基準(zhǔn)，通過與功能現(xiàn)實成本的比較，求出兩者的比值(功能價值)和兩者的差異值(改善期望值)，然后選擇功能價值低、改善期望值大的功能作為價值工程活動的重點改進(jìn)對象。

2.3.1功能評價系數(shù)

功能評價系數(shù)是評價對象的某項功能在總功能所占的比重。功能評價系數(shù)越大說明功能越重要[13]。選四名對此萬向節(jié)叉零件加工工藝較為熟悉的人員分別對五項質(zhì)量功能進(jìn)行打分，然后計算得出功能評價系數(shù)(見表2)。

表2　功能評價系數(shù)

表中“功能”欄的A為兩耳孔軸線與外圓軸線位置度0.5； B為兩耳端面對中心對稱表面的對稱度0.1； C為基準(zhǔn)端面與外圓軸線垂直度及外圓橢圓度；D為兩耳端面及孔的粗糙度； E為兩耳寬135，孔徑Φ50。表3、4中的A、B、C、D、E所示功能與前述相同。

2.3.2功能成本系數(shù)

功能成本系數(shù)是將評價對象的功能評價值與功能的現(xiàn)實成本進(jìn)行比較，求得評價對象的價值系數(shù)和成本降低期望值，進(jìn)而確定價值工程改進(jìn)對象。按五項質(zhì)量功能，依各工序進(jìn)行功能成本系數(shù)分配(見表3)。

表3　各功能的成本系數(shù)

2.3.3目標(biāo)成本分配

根據(jù)上述表2、表3數(shù)據(jù)作出“目標(biāo)成本分配表”(見表4)。

表4　目標(biāo)成本和成本降低期望值

由表4可以看出功能價值系數(shù)小于1(功能價值系數(shù)等于1，表示功能與成本達(dá)到了合理匹配，一般無需改進(jìn)；功能價值系數(shù)大于1，說明該功能比較重要，但分配的成本較少；功能價值系數(shù)小于1，此時成本對于所實現(xiàn)的功能來說偏高。一種可能是存在著過剩功能，另一種可能是功能雖無過剩，但實現(xiàn)功能的條件或方法不佳，致使實現(xiàn)功能的成本過高。這種情形就應(yīng)列為改進(jìn)范圍。確定價值工程對象的改進(jìn)范圍，應(yīng)綜合考慮功能價值系數(shù)偏離1的程度以及成本降低的幅度，優(yōu)先選擇功能價值系數(shù)遠(yuǎn)小于1，而且成本改進(jìn)幅度大的功能。)的三項中以C種(即精車成形后的基準(zhǔn)端面與外圓垂直度及外圓橢圓度)為功能最低(功能價值系數(shù)為0.647)，應(yīng)首先選為改進(jìn)對象，其他兩項也應(yīng)該提高質(zhì)量功能[12]。

2.4改進(jìn)方案的選定與評價

我們對改進(jìn)對象萬向節(jié)叉在進(jìn)行功能分析評價基礎(chǔ)上，尋找和構(gòu)思實現(xiàn)功能的新方案，這是價值工程能否取得成效的關(guān)鍵步驟[14]。方案評價是對新構(gòu)思的方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會三個方面的評價，包括方案的概略評價和方案的詳細(xì)評價。本著有利于管理、效益高、可行性大的原則，對選定的功能改進(jìn)對象進(jìn)行廣泛的論證，對提出的三種工藝改進(jìn)方案進(jìn)行概略評價及可行性詳細(xì)評價。

2.4.1方案的概略評價

概略評價是對新構(gòu)思方案進(jìn)行初步研究，其目的是從眾多的方案中進(jìn)行粗略的篩選，以

減少詳細(xì)評價的改進(jìn)量(見表5)[15]。表5中，×為舍，○為取，△為留。

從工藝改進(jìn)方案概略評價表可以看出：改變加工工藝、改進(jìn)定位基準(zhǔn)方案具有高質(zhì)(產(chǎn)品質(zhì)量高)、高產(chǎn)(生產(chǎn)效率高)、低成本(投資費(fèi)用低)，并且對工人的技術(shù)水平要求也不高，可以作為優(yōu)選的方案。

表5　工藝改進(jìn)方案概略評價表

2.4.2方案的詳細(xì)評價

詳細(xì)評價是在概略評價所得的比較抽象的方案中，評選出準(zhǔn)備實施的最佳方案。其評價結(jié)論是方案審批的依據(jù)。

技術(shù)評價圍繞功能進(jìn)行，內(nèi)容是方案能否實現(xiàn)所需功能以及實現(xiàn)程度；經(jīng)濟(jì)評價圍繞經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行，內(nèi)容是以成本為代表的經(jīng)濟(jì)可行性；社會評價圍繞社會效果進(jìn)行，內(nèi)容是方案對社會的利弊；最后進(jìn)行綜合評價，選出最佳方案[16]。

方案一 原加工工藝不變，將專機(jī)加工改為加工中心加工。若不改進(jìn)定位基準(zhǔn)，即使使用加工中心，位置精度及對稱度的要求都因基準(zhǔn)誤差而受到影響。這種方法加工精度只高在加工中心機(jī)器本身，宏觀地看，整個零件質(zhì)量不高。另外，加工中心與專機(jī)相比不如專機(jī)效率高，故此方案不可取。

方案二 使用原有加工工藝，而經(jīng)常更換活頂尖的方法雖可保證質(zhì)量，但廢品率高，有時廢品率高達(dá)50%。因此，此方案采用價值不大。

方案三 改變原有加工工藝，將定位基準(zhǔn)由下端面改為焊接坡口處平面，在加工兩耳端面、兩耳內(nèi)孔后再車坡口(如圖4所示)。

這種方案可用菊花頂尖，夾緊力比活頂尖增大，在加工定位圓柱表面時及端面垂直度得到保證，可使定位精度(對稱度、位置度)提高幅度為28.6%。

圖4　改進(jìn)后工序圖/mm

此方案定位基準(zhǔn)的加工可由CA6140普通車床轉(zhuǎn)為CE7120機(jī)床加工，這樣既可緩解車間CA6140機(jī)床工時緊張的狀況，又消除了CE7120機(jī)床的窩工現(xiàn)象，使管理趨向合理、零件的廢品率下降、加工工時下降，并擴(kuò)大了生產(chǎn)能力。此方案還可使鉆、擴(kuò)專用機(jī)床清理鐵屑方便，節(jié)約輔助工時，改善了工人勞動條件，克服了工具(活頂尖)消耗高的弊端。[17]此方案僅增添一套夾具零件及一件菊花頂尖，投資成本不高，會產(chǎn)生是事半功倍的效果。故將該方案定為可行方案。

基于價值工程的選定方案，在生產(chǎn)中實施后可取得了較好的的綜合效益。

(1) 在社會效益方面該件在裝車后萬向節(jié)質(zhì)量提高，成為信得過產(chǎn)品。即使傳動軸總成在裝配后的動平衡工序中發(fā)現(xiàn)不平衡等異常，也無需考慮該件的原因。

(2) 在經(jīng)濟(jì)效益方面采用工藝成本的效用計算經(jīng)濟(jì)效益的高低可知，由于夾具、刀具費(fèi)用的降低、工時的下降、廢品的大幅度減少等，致使單件產(chǎn)品成本下降了14.5%。

(3) 在技術(shù)效益方面由于定位精度的改善，使工藝安排更加合理，提高了工藝科學(xué)管理水平，也是技術(shù)進(jìn)步工作中的一項成果。

3　結(jié)語

價值工程以提高產(chǎn)品(或作業(yè))價值和有效利用資源為目的，通過有組織的創(chuàng)造性工作，尋求用最

低的壽命周期成本，可靠地實現(xiàn)使用者所需功能，以獲得最佳綜合效益。在基于價值工程的萬向節(jié)叉加工工序創(chuàng)新方案：是以提高價值為目標(biāo)，以功能分析為核心，以經(jīng)濟(jì)效益為出發(fā)點，對選定的對象進(jìn)行分析，從而在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)管理及經(jīng)濟(jì)效益等方面都取得了較好的效果，在方案實施后使萬向節(jié)叉成為穩(wěn)定的合格品，廢品率降為千分之一，取得了較好的的綜合效益。

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(學(xué)科責(zé)編：吳芹)

Improvement and application of part machining process based on VE (value engineering)

Zhao Wenbo，Li Yingjie

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The article, based on the theory of value engineering (i.e. the total cost, the lowest in order to reliably achieve product or operation necessary function), demonstrates on the status quo of the automobile drive shaft universal joint fork and improve. Quality status of automobile drive shaft universal joint fork is demonstrated and improved based on value engineering theory in the article. By using the forced decision method, the factors of affecting the quality of universal joint fork in improving object selection, universal joint function analysis and functional evaluation for transmission shaft product quality and vehicle performance issues are explored. The selected functions improve extensive argumentation, put forward three kinds of process improvement scheme, the scheme with the advantages and disadvantages of the comparative method of outline evaluation and detailed feasibility evaluation and determine the final feasible scheme. Through the research on the application of value engineering in the production practice, the paper explores the production in large quantity and wide, process cumbersome, complex process, difficult to guarantee the quality of the parts, the use of value engineering technology research and technological transformation. The results show that the selected scheme based on the value engineering in the production makes the implementation of the universal joint become stable qualified product, in terms of the quality of the products, technology management and economic benefits have achieved good results.

VE; universal joint; innovation of process; scheme evaluation

2015-10-26

趙文波(1968-)，男，副教授，學(xué)士，主要從事機(jī)械制造等方面研究．E-mail：zwb@sdjzu.edu.cn

1673-7644(2016)03-0270-06

TH186

A