Преимущества станков с ЧПУ: за счет чего возникает эффект

И. Л. Волчкевич (МГТУ им. Н. Э. Баумана) выделяет три группы причин внедрения, и только одна из них экономическая.

• Социальные. Практически прекратилось воспроизводство станочников-универсалов при росте требований к качеству. Для сложной продукции ЧПУ становится единственным вариантом независимо от цены станка.
• Технические. Сокращение числа операций и установов дает более стабильные параметры качества — прежде всего по отклонениям формы и взаимного расположения поверхностей.
• Технико-экономические. Сокращение длительности партионной обработки, рост производительности, удешевление производства.

Именно в третьей группе результаты чаще всего расходятся с ожиданиями — на это Волчкевич указывает прямо.

Величина эффекта зависит от геометрии детали. Э. М. Берлинер приводит градацию для фрезерных операций.

 

Показатели относятся только к самим фрезерным операциям, а не ко всему маршруту. Большой разброс означает, что перенос на ЧПУ простых прямолинейных резов почти не дает преимуществ.

Концентрация операций и обработка за один установ

Основной источник экономии — выполнение нескольких разнородных операций за один установ. Б. Э. Шлишевский и Н. К. Соснова относят концентрацию операций к главному условию рационального использования многоцелевых станков: возрастает непрерывность процесса, кратно сокращается длительность цикла обработки и объем незавершенного производства.

Эффект не сводится к сокращшению времени. Каждый установ — это новое базирование с собственной погрешностью, поэтому сокращение числа установов улучшает стабильность размеров. По данным Волчкевича, производственный цикл порой сокращается от недель до нескольких часов — деталь перестает перемещаться между рабочими местами.

Вспомогательное время и межоперационные пролеживания

Вспомогательное время сокращается заметнее машинного. Шлишевский и Соснова перечисляют статьи, которые исчезают при переходе на ЧПУ: ликвидируются операции разметки, многократно сокращаются потери на межоперационное пролеживание заготовок, их учет и складывание, достигается экономия на межоперационном транспорте и площадях складских помещений.

Отдельный эффект дает работа без постоянного присутствия оператора. В обрабатывающих центрах около 9/10 времени проходит без непосредственного участия человека. При станкоемкости обработки свыше 0,25–0,35 ч это создает предпосылки для многостаночного обслуживания 2–4 станков одним оператором.

В технологическом процессе обработки на ЧПУ вспомогательное время не исчезает, а перераспределяется: часть его переходит в подготовку управляющей программы и отладку.

Расход оснастки и брак при обработке на ЧПУ

Берлинер приводит данные Минстанкопрома: объем специальной оснастки при использовании станков с ЧПУ снижается вдвое, брак — на 50 %. Показатели опубликованы в 2012 году со ссылкой на ведомственный источник и задают порядок величины, а не действующий норматив — для расчета берите фактический процент брака своего участка.

Брак при фрезеровании снижается по двум независимым причинам. Первая — конструктивная: станки с ЧПУ выполняются по повышенному, высокому и особо высокому классам точности, а жесткость шпиндельного узла, точные шариковинтовые пары и датчики обратной связи обеспечивают повторяемость, при традиционных методах практически недостижимую. Вторая — организационная: устранение брака из-за утомляемости станочников, исключение неточностей приспособлений, многократных установок и базирований, ликвидация разметки.

Вторая группа факторов работает на любой номенклатуре, первая проявляется тем сильнее, чем жестче допуски. На заготовках с широкими допусками выигрыш по браку будет небольшим.

Нормы времени: сколько экономит обработка деталей на станках с ЧПУ

Общие рассуждения о производительности мало что дают при подготовке инвестиционного решения. Ниже — три опубликованных расчета, выполненных на действующих предприятиях по фактическим нормам времени. Детали разные, годы разные, предприятия не связаны между собой, но результат по полному маршруту сходится в узком коридоре.

Корпусная деталь: 18 операций против 13

А. С. Сметанина и А. В. Анцев (Тульский государственный университет) разобрали изготовление детали корпусного типа «Колодка» из стали 30ХГСА. Заготовка — полоса 25×70×250 мм, из которой получают 5 деталей.

Исходный маршрут включал 18 операций на четырех универсальных станках: вертикально-консольном ВМ127М, плоскошлифовальном ПШ-30540, координатно-расточном 2А430 и вертикально-фрезерном 654. Новый вариант построен на обрабатывающем центре Tongtai TMV-1050 QII с автоматической сменой инструмента и поворотным устройством. Число операций сократилось до 13.

 

Экономия на партии 1000 деталей при стоимости нормо-часа 300 рублей составила 126 000 рублей.

Как читать таблицу норм времени. Интерес представляют не итоги, а то, какие строки изменились. Координатно-расточная операция длительностью 39,6 мин — самая тяжелая во всем маршруте — исчезла полностью. Пять фрезерных операций общей длительностью 20,88 мин свелись к трем операциям на ЧПУ. При этом плоскошлифовальная операция (5,4 мин), термообработка, слесарная (3,6 мин) и все контрольные операции остались без изменений. Обрабатывающий центр сжал фрезерно-расточную часть маршрута и не затронул остальное.

Тонкостенная деталь: сокращение маршрута на восемь операций

Е. А. Даниленко (филиал АО «КБП» — «ЦКИБ СОО», Тула) описал изготовление тонкостенной детали «Снижатель» из листа 1,5 мм, сталь 30ХГСА по ГОСТ 11268-76.

Автор прямо называет проблемы исходного техпроцесса: нестабильность получения размеров, большая трудоемкость, необходимость привлекать рабочих высокого профиля. Маршрут из 17 операций включал шесть фрезерных на станке УФ-250, координатно-расточную, две слесарные и операцию разметки контура с двух сторон. После перевода на вертикальный фрезерный обрабатывающий центр ОЦ1И22 с поворотным устройством осталось 9 операций.

 

При годовом выпуске 1000 штук экономия составляет 724 нормо-часа. При стоимости нормо-часа 250 рублей годовой экономический эффект достигает 181 000 рублей.

Показателен состав замены. Девять операций исходного маршрута — фрезерная обработка радиусов, полок и контура по разметке, координатно-расточная, разметка и слесарные — суммарно занимали 1,674 нормо-часа. Их заменила одна операция на обрабатывающем центре из пятнадцати переходов с одним перезакреплением заготовки, длительностью 0,95 нормо-часа. Оставшиеся без изменений операции — фрезеровка базовых поверхностей, правка заготовки, окончательная фрезеровка пазов, слесарная и контрольные — занимают 0,517 нормо-часа в обоих вариантах.

Обе приведенные суммы экономии — это только трудоемкость. Стоимость самого станка, оснастки и подготовки управляющих программ в них не входит. Ставки 250 и 300 рублей за нормо-час относятся к конкретным предприятиям и к 2020 году: для собственного расчета подставляйте действующую ставку своего цеха.

Что считать при оценке эффекта: операции или весь маршрут

В литературе встречаются оценки эффекта, различающиеся на порядок. Волчкевич по результатам производственных исследований указывает, что сокращение штучных времен обработки на станках с ЧПУ по сравнению с суммой штучных времен замещаемых операций составляет 3–4 раза — как для токарных станков, так и для фрезерных. Заводские расчеты выше дают 33–38 %. Противоречия здесь нет: это разные базы сравнения.

Считать можно двумя способами.

• По замещаемым операциям. Берутся только те операции, которые физически перешли на ЧПУ, и их суммарное время сравнивается с временем новой операции. Остальной маршрут не учитывается.
• По полному маршруту. Сравнивается общее время изготовления детали до и после.

Разница между способами хорошо видна на разобранных примерах. У детали «Колодка» замещаемые операции занимали 63,84 мин, заменившие их три операции на обрабатывающем центре — 38,64 мин: сокращение в 1,65 раза. По полному маршруту — 33,76 %. У детали «Снижатель» соотношение составляет 1,76 раза против 33,0 % по маршруту.

 

Множитель 3–4 получен на предприятиях ракетно-космического производства, атомной промышленности и тяжелой энергетики, где детали конструктивно сложнее среднего уровня. Переносить его на обычную корпусную деталь нельзя — расхождение с реальностью составит примерно вдвое.

Практический вывод: перед расчетом окупаемости разделите маршрут своей детали на две части — что действительно уйдет на станок с ЧПУ и что останется как есть. Экономия возникает только в первой части. Если термообработка, шлифование, гальваника, слесарные и контрольные операции занимают в вашем маршруте половину времени, эффект по детали в целом будет примерно вдвое меньше эффекта по фрезерным операциям.

Как рассчитать время обработки детали на своей номенклатуре

Расчет времени обработки детали для сравнения вариантов выполняется по штучному времени. В. М. и С. В. Борисовы приводят его состав: штучное время складывается из основного (машинного) и вспомогательного времени с надбавкой на обслуживание рабочего места и перерывы, которая принимается равной 10 % оперативного времени.

Порядок действий для собственной номенклатуры:

1. Выберите представительную деталь — ту, которая формирует основную долю загрузки участка, а не самую сложную из имеющихся.
2. Выпишите действующий маршрут с нормами штучного времени по каждой операции.
3. Отметьте операции, которые можно выполнить за один или два установа на обрабатывающем центре. Ориентир — фрезерные, сверлильные, расточные переходы и предшествующая им разметка.
4. Получите время новой операции из CAM-системы или у поставщика оборудования по вашей 3D-модели. В обоих разобранных кейсах временные показатели для станка с ЧПУ получены именно из CAM-системы: SprutCAM у Сметаниной и Анцева, Creo Parametric у Даниленко.
5. Сложите новый маршрут целиком, включая неизменившиеся операции, и сравните с исходным итогом.
6. Умножьте разницу на годовую программу выпуска и на действующую ставку нормо-часа.

Полученная сумма — верхняя граница годовой экономии по трудоемкости. Она еще не учитывает простои, отладку и разницу в стоимости машино-часа, о которых речь ниже.

Коэффициент загрузки станков с ЧПУ: почему оборудование простаивает

Расчет по нормам времени дает верхнюю границу эффекта. На практике она достигается редко — из-за доли фонда времени, которую станок реально проводит за обработкой.

Реальный коэффициент загрузки оборудования

Под загрузкой понимают долю общего фонда времени, в течение которой станок занят непосредственно обработкой деталей. Волчкевич отмечает характерное расхождение: программы выпуска не выполняются, а загрузка при этом остается низкой. Обследование ряда ведущих предприятий дало следующие значения.

 

Первые две строки — фактические значения на действующих производствах, третья — расчетный предел при укрупнении партий. Разрыв между 0,25 и 0,8 больше, чем разница в производительности между любыми двумя станками одного класса.

Практическое следствие: если делить годовую программу на производительность станка, потребность в оборудовании выйдет заниженной. Волчкевич указывает, что использование номинальных значений фонда времени ведет к существенным ошибкам и что существующие методики этого не учитывают.

Отладка новой детали как основная статья потерь

Главный поглотитель фонда времени — отладка управляющих программ на новые детали. По данным Волчкевича, она занимает 10–12 времен цикла обработки для фрезерных станков и 20–22 для токарных.

В структуре фонда времени участка фрезерных станков с ЧПУ работа оборудования составляет 39 %, отладка новых деталей — 38 %. Остальное приходится на вспомогательные действия, наладку и простои.

Эти соотношения получены там, где отладку выполняли на станке: покадровой отработкой, холостыми проходами, пробными деталями. Оффлайн-программирование с моделированием съема металла в CAM-системе переносит значительную часть проверок на рабочее место технолога — в обоих разобранных кейсах программы готовились именно так, в SprutCAM и Creo Parametric. Долю 38 % следует читать как верхнюю границу потерь, а не как норму.

Автор оговаривает границы применения данных: соотношение характерно для уникальных, сложных и высокоточных деталей с небольшими программами выпуска. Снизить потери можно организационно — Шлишевский и Соснова отмечают, что коэффициент, учитывающий отладку, обращается в ноль при выполнении этих работ вне оборудования или вне рабочей смены.

Фонд времени участка и сменность работы оборудования

Второй рычаг — сменность работы оборудования: амортизация распределяется на выпуск тем лучше, чем больше часов станок работает за год.

 

Астрономический год содержит 8760 ч; 8400 ч — фонд за вычетом нерабочих и ремонтных дней. Значения приведены по зарубежным источникам и относятся к 2006 году: подставляйте фактический фонд своего участка.

Повышение коэффициента сменности авторы называют радикальным путем повышения эффективности — условно-постоянные расходы на единицу продукции снижаются пропорционально росту эффективного фонда, растет фондоотдача, падает удельная доля амортизации.

По данным немецких фирм, срок окупаемости обрабатывающих центров при работе в одну, две и три смены — при годовом эффективном фонде 1700, 3200 и 4500 ч — составлял 10, 7 и 5 лет. Разница двукратная при одном и том же станке.

Совокупное действие организационных факторов обеспечивает, по оценке авторов, до двух третей всей экономической эффективности автоматической обработки. Выбор между двумя станками одного класса влияет на итог меньше, чем решение о сменности.

Порог окупаемости станка с ЧПУ: при каком объеме внедрение оправдано

Универсального порога не существует: он зависит от размера партии, сложности детали и от того, с чем именно сравнивается обрабатывающий центр. Ниже — расчетные границы, полученные сравнением времени цикла изготовления партии на трех типах оборудования.

Размер партии

Волчкевич выполнил сравнительный расчет для трех вариантов: обработка на станке с ЧПУ, на автоматической линии из пяти последовательных позиций и на участке универсальных станков из пяти операций. Варьировались размер партии (от 1 до 150 штук) и основное время обработки детали (0,1; 1 и 10 часов).

 

Первая и вторая строки отвечают на разные вопросы. По чистой производительности станок с ЧПУ выигрывает у участка универсальных станков уже на малых партиях — даже с учетом значительного времени на отладку. Но минута работы обрабатывающего центра стоит дороже минуты работы универсального станка, и с учетом этой разницы область рационального применения начинается примерно со ста деталей в программе выпуска.

Расчет выполнен по математической модели с конкретным набором эмпирических коэффициентов: коэффициент использования времени межналадочных периодов принят 0,8 для ЧПУ и 0,85 для универсальных станков, подготовительно-заключительное время — 0,3 часа, коэффициент пропорциональности между временем цикла и временем первичной отладки — 14 для ЧПУ. Это не отраслевой норматив, а результат для заданных условий. При другой структуре участка или другом соотношении стоимости машино-часа пороги сместятся.

Отдельный вывод расчета касается загрузки: коэффициент экстенсивного использования станка с ЧПУ приближается к 0,8 уже при партиях около 200 штук. Для автоматической линии в тех же пределах он не превышает 0,3, а чтобы превысить 0,8, нужны партии свыше 2000 деталей. Гибкость обрабатывающего центра выражается именно в этом — он выходит на приемлемую загрузку на партиях в десять раз меньших.

Многономенклатурное и мелкосерийное производство

Для мелкосерийного производства с ЧПУ характерна ситуация, в которой выигрыш дает не производительность, а сокращение цикла подготовки.

В. М. и С. В. Борисовы по результатам анализа производства компрессоров на Московском, Пензенском и Казанском компрессорных заводах указывают, что в мелкосерийном и серийном производстве эксплуатация станков с ЧПУ наиболее эффективна. Экономия достигается за счет сокращения затрат на технологическую оснастку, сокращения цикла производства и цикла его подготовки. Применение автоматизированного оборудования позволяет без дополнительных затрат на дорогостоящую оснастку производить его частую переналадку.

Там же сформулирован критерий, который стоит держать в голове при сравнении вариантов: эффективность операции обработки на автоматизированном оборудовании во многом зависит от оптимальности состава и последовательности переходов и в меньшей степени — от оптимизации режимов резания. Иными словами, на этапе выбора оборудования важнее правильно спроектировать маршрут, чем выжимать подачи и скорости.

Шлишевский и Соснова добавляют организационную сторону: повышение гибкости производства за счет быстрой переналадки, сокращение цикла подготовки производства новых деталей, сокращение времени между принятием заказа и выдачей готовых деталей. Для предприятия, работающего под заказ, эти позиции часто весомее экономии нормо-часов.

Волчкевич приводит и обратную сторону гибкости. В многономенклатурном производстве именно отладка на новые детали и возвратные переналадки становятся ключевыми вопросами, а простои для наладок оказываются сопоставимы с длительностью межналадочных периодов. Гибкость не бесплатна: она оплачивается временем, которое станок тратит не на резание.

Когда ЧПУ не окупается

Сокращение трудоемкости не гарантирует снижения себестоимости. Наглядный пример — расчет Н. В. Ларина и А. Н. Селиванова для детали «Корпус» с годовой программой 2500 штук. Авторы сопоставили заводской техпроцесс с двумя перспективными вариантами.

 

Как читать таблицу. ТП № 2 сокращает время выпуска детали на 37,8 % и одновременно снижает цеховую себестоимость на 5,24 %. ТП № 3 сокращает время почти так же — на 35,87 %, — но себестоимость при этом вырастает на 55,27 % относительно базового варианта. Причина в строке справа: замена трехосевого фрезерного станка на пятиосевой увеличила стоимость парка в два с половиной раза, и амортизация этой разницы легла на каждую деталь.

Вывод авторов: использование станков с ЧПУ позволяет повысить производительность труда более чем на 30 %, но экономический эффект, выраженный в цеховой себестоимости, может быть как положительным, так и отрицательным, и существенно зависит от стоимости применяемого оборудования.

Стоимость оборудования и ставки оплаты труда в расчете относятся к 2019 году, поэтому абсолютные суммы приводятся здесь только как иллюстрация соотношений. Практический смысл сохраняется: пятиосевой станок оправдан там, где он избавляет от дорогой оснастки и дополнительных установов на действительно сложной детали. Авторы прямо отмечают, что вложение в дорогостоящее оборудование имеет смысл, если требуется производство высокотехнологичных и ответственных деталей сложного конструктивного исполнения, для изготовления которых иначе понадобилась бы сложная оснастка.

Вторая типичная причина неудачного внедрения — ошибка в составе парка. Волчкевич формулирует ее так: причина одновременного невыполнения плана и низкой загрузки станков кроется в неправильном выборе состава оборудования, его типа и количества, а корень этой ошибки — в отсутствии знаний о фактической работоспособности оборудования и факторах, на нее влияющих.

Точность обработки на станках с ЧПУ как экономический фактор

Точность влияет на себестоимость не только через процент брака. Основная экономия возникает дальше по маршруту — на доводке, контроле и сборке.

Берлинер приводит данные Минстанкопрома, по которым при использовании станков с ЧПУ на 50 % снижаются расходы на хранение деталей и затраты, связанные с доводкой, контролем и сборкой крупногабаритных копиров, шаблонов и штампов. Шлишевский и Соснова описывают тот же эффект со стороны сборочного производства: стабильная повторяемая точность сокращает трудоемкость доделочных и пригоночных работ кратно числу операций на эти виды работ для сопрягаемых деталей.

Экономический механизм здесь такой. Разброс размеров в партии, изготовленной на универсальном оборудовании, вынуждает подгонять детали по месту при сборке. Каждая такая подгонка — это слесарные нормо-часы, не заложенные в основной маршрут, плюс риск повторной разборки узла. Обработка с предсказуемым допуском переводит детали в разряд взаимозаменяемых, и статья пригоночных работ исчезает целиком.

Для расчета это означает, что эффект от точности нужно искать не только в цехе механообработки. Если на вашей сборке есть операции подгонки по месту, слесарной доводки сопрягаемых поверхностей или селективного подбора деталей — их трудоемкость входит в потенциальную экономию наравне с фрезерными нормо-часами.

Обратная сторона: эффект пропорционален жесткости допусков. На деталях с широкими допусками пригоночных работ нет изначально, и эта статья экономии не сработает.

Что учесть в расчете помимо цены станка

Цена оборудования — не единственная и часто не главная составляющая. Борисовы приводят состав технологической себестоимости операции при обработке металла на ЧПУ:

• стоимость часа работы станка с учетом амортизации, ремонта и межремонтного обслуживания;
• стоимость часа работы станочника;
• стоимость дополнительной оснастки;
• стоимость подготовки управляющей программы.

Последний пункт при переходе с универсального оборудования новый: раньше этих затрат не было вообще. Он включает рабочее время технолога-программиста, лицензии на CAM-систему и время отладки. Обратите внимание, что в этой структуре затраты на программиста вынесены из стоимости часа работы станочника: полная стоимость труда при обработке на ЧПУ складывается из работы оператора и работы технолога-программиста, тогда как на универсальном станке обе функции выполнял один человек.

Штучное время для расчета определяется как сумма основного и вспомогательного времени с надбавкой на обслуживание рабочего места и перерывы, которая принимается равной 10 % оперативного времени.

Ларин и Селиванов используют для сравнения вариантов маршрута простую формулу стоимости часа работы оборудования:

X = F / k + f / t

где F — стоимость оборудования, k — срок возврата инвестиций в часах, f — оплата труда в месяц, t — среднемесячный фонд рабочего времени. В их расчете k принят равным 42 000 ч, что соответствует сроку окупаемости 7 лет при трехсменном графике и годовом фонде 6000 ч, t — 172 ч.

Как пользоваться формулой. По составу это прямые технологические затраты: возврат вложений в станок плюс оплата труда. Для сравнения вариантов маршрута между собой этого достаточно — именно так авторы и сопоставили три техпроцесса. Для расчета полной себестоимости часа к результату нужно добавить то, чего в формуле нет: начисления на фонд оплаты труда, электроэнергию, СОЖ и расходные материалы, плановое техобслуживание и ремонт, а также цеховые накладные расходы. Без этих статей стоимость часа окажется существенно заниженной, причем для дорогого энергоемкого оборудования сильнее, чем для универсального.

Формула объясняет результат ТП № 3 из предыдущего раздела: при росте стоимости станочного парка в два с половиной раза первое слагаемое вытесняет всю экономию по времени.

Разницу в оплате труда закладывать в расчет нужно обязательно. В расчете 2019 года фрезеровщик ЧПУ получал 50 000 рублей в месяц против 35 000 у фрезеровщика-универсала. Абсолютные суммы устарели, но само наличие разрыва в ставках, к которому добавляется работа программиста, на итог влияет заметно.

Шлишевский и Соснова указывают на статьи, которые работают в обратную сторону и обычно не попадают в расчет: экономия производственных и складских площадей, сокращение потребности в квалифицированных рабочих, контролерах и вспомогательном персонале, снижение затрат на межоперационный транспорт. При замене нескольких универсальных станков одним обрабатывающим центром высвобождается площадь цеха, и на арендуемых площадях это заметная сумма.

Чек-лист оценки целесообразности внедрения

Пройдите по пунктам до обращения к поставщику. Каждый опирается на данные из разделов выше.

1. Геометрия детали. Прямолинейные контуры дают 20–30 % экономии, фасонные — в 2–3 раза. Если резы простые, ищите обоснование в других пунктах.
2. Доля замещаемых операций. Выпишите маршрут и отметьте, что реально уйдет на ЧПУ. Если это меньше половины времени, эффект по детали будет вдвое ниже эффекта по операциям.
3. Размер партии. До 25 штук выигрыш только по времени цикла, с учетом стоимости машино-часа — от 100 штук.
4. Число установов. Чем больше переустановов убирается, тем выше выигрыш по времени и стабильности размеров.
5. Планируемая сменность. При односменной работе окупаемость растягивается вдвое против трехсменной.
6. Частота смены номенклатуры. Отладка новой детали занимает 10–12 времен цикла обработки. Чем чаще меняются объекты производства, тем больше фонда уходит на переналадки.
7. Подготовка программ. Есть ли технолог-программист и CAM-система, или это новая статья затрат.
8. Пригоночные работы на сборке. Если детали подгоняют по месту, добавьте эту трудоемкость в потенциальную экономию.
9. Полная стоимость часа. Посчитайте с начислениями на ФОТ, энергией, ТО и накладными, а не только амортизацию и оклад.
10. Число управляемых осей. Пятая ось оправдана, если избавляет от дорогой оснастки на сложной детали. Иначе она увеличивает себестоимость при том же выигрыше по времени.

Часто задаваемые вопросы