谈谈汽车线束工装模具成本分析与控制方法

2021年12月16日线束生产评论2,818字数 6667阅读模式

为了控制汽车制造的投资成本, 以汽车线束类零件为研究对象, 对其生产工艺展开研究, 分析制造线束的工装模具的成本组成, 运用合理的计算方法核算成本, 并提出成本控制意见, 形成适合线束工装模具的成本分析方法及控制思路, 可为线束工装模具的成本核算提供参考。

关键词:线束;工装;模具;成本分析

1 引言

线束是汽车等现代交通工具非常重要的组成部件, 是连接汽车各个电器零部件的重要载体, 车辆电力分配和信号传输的神经系统。随着汽车和电子工业的发展与进步, 人们对汽车的安全性、 操控性、 舒适性、 娱乐性等方面的期望越来越高, 特别是近些年来新能源汽车势力的加入, 大大促进汽车工业朝着电控化、 舒适化、 智能化、 自动化方向迅速发展。随着大量的电子电控产品应用在汽车上, 线束连接越来越复杂, 回路数量急剧增加, 线束在汽车成本占比不断上升, 在某些车型中成本甚至仅次于发动机和变速箱等重要部件。整车线束物料数量上万项, 制造工艺繁琐, 成本核算工作量大, 但仍有依据和规律可循。而线束工装模具动辄需要成百上千万的投资, 若采购方缺乏评估其数量与真实成本的能力, 难以评估供应商报价信息的合理性, 在价格谈判和定价决策时缺乏有效的评估依据, 进而可能会给公司带来不必要的经济损失。本文将基于线束制造工艺和物料清单, 对工装模具的成本分析展开讨论, 并给出了成本控制的建议。

2 汽车线束的分类

图1是乘用车的整车线束实车模拟图, 图中每根线束都是由多根导电线捆绑成束, 故称线束, 是实现汽车信号传输与电力分配的系统组合。汽车线束主要由以下部分组成:①导电线 (线束的主材, 是传输数据信号和电力动力的导体, 根据不同要求采用不同的颜色、 线径、 线种) ;②金属端子 (线束和电器之间金属连接件, 压接在导电线的两端, 传输电流或信号, 具备快速插拔功能, 一般基材为铜, 表面镀金、 锌、 银等) ;③塑胶连接器 (固定端子的塑料成型件, 保持端子在正确位置接触导通及相互间的绝缘作用) ;④定位扎带/卡钉 (将线束固定在车身正确的位置) ;⑤护套 (保护线束, 防止线束磨损、 断裂) ;⑥胶带 (将多根导电线捆绑束缚成形, 并保护线束) ;⑦橡胶圈 (防止线束在穿过钣金件的孔时被划伤割断) 以及其他零部件, 是汽车信号传输的载体。

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图1 整车线束实车模拟图

图2所示为汽车线束分布的简要示意图, 分别以所处汽车区域的零部件为分类家族。按结构组成复杂程度可以分为主线束和小线束。主线束结构复杂,由很多物料组成, 一根主线上存在很多分支, 并且有装配方向要求, 主要是指发动机舱线束、 仪表板线束、车身线束等。小线束结构简单, 分支线较少或根本就没有, 如空调线束、 座椅线束、 门板线束、 保险杠线束、顶棚线束、 行李箱线束等。

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图2 汽车线束分布示意图

3 线束的制造工艺及工装模具的种类

线束的主要成本是原材料成本和制造费用, 以及工装模具费用。原材料成本可以根据线束物料清单,各项费用逐项核算累加。线束装配制造是劳动高度密集型, 整车线束的物料数量繁多, 导致其制造工艺复杂繁琐, 机械化和自动化的程度相对较低, 虽然个别单工序可以实现自动化或半自动化生产, 但整体工艺很难实现自动化制造, 主要还是依赖工人手工作业完成, 如果管理不到位, 现场很容易发生混料错装漏装现象, 导致整套线束报废或返工。图3是线束的简要制造工艺流程, 依据线束2D图纸合理设计制造工艺, 主要包括开线、 端子压接、 线束装配、 导通测试等几大工艺。线束复杂程度不同, 装配线和制造工艺是不一样的, 并且线束在装配制造中会不断调整优化工艺, 成本在较小的范围内动态变化, 相比于总成本波动值很小, 完全按照制造工艺核算成本是非常繁琐耗时并且要不断更新, 意义不大。行业的通常作法是核算出原材料的成本, 参照一定的比例反算线束制造成本和总成本;这个比例值依据线束厂除原材料之外的耗费和线束产出量, 折算出每套线束非原材料的消耗成本。

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图3 线束简要制造工艺流程图

开线是线束生产的第一步工艺:将各类整卷的导电线按长度要求切断, 并将导线两端头的绝缘皮按技术规范剥掉露出金属导线, 开线工艺常用设备为送线器、 剪剥机等通用类设备。护管、 护套类零件有两种供货方式:整卷购买, 在厂内按所需长度进行裁切, 裁切机按通用设备折旧费计算;定长购买, 按外购件核算费用, 无需重复计算裁切制造费用。

开线之后是端子压接:将导电线与金属端子压接在一起, 确保导通与压接力, 方便后续快速插接装配进塑胶连接器内。有些导线有特殊护套要求, 应先穿护套再压接端子, 工序颠倒将无法装配;有些端子有防水防渗漏要求, 应将导线先穿上密封圈再与端子压接在一起。压接端子所使用的送线机和压接机属于通用设备, 端子压接模具是根据不同的端子专门设计制造的, 属于专用模具。

第三步工艺是绞线:各种线束有不同的功能, 有些导线有屏蔽性要求, 需进行双股绞合处理, 绞线机按通用设备折旧计算制造费用。

线束原材料准备妥当以后, 接下来是将一根根导线按照装车要求进行缠绕束缚捆扎成线束状态。工装板作为线束装配作业工具, 是一本立体直观的作业指导书, 表面有走线排版布局和装配零件图示信息,确保员工在众多类似相像的零件中不会装错装漏。线束工装板有流水线和单板两种形式。主线束装配物料太多, 装配周期长, 采用多块主板组成流水线形式同时装配。为了平衡主板生产制造节拍, 有些分支线束需提前预装配。分支线预装配和小线束装配工艺简单、 生产周期短, 工装板为单板形式。有时为了降低成本, 节约工厂排布空间, 会在同一工位采用双面板回转、 翻转来生产不同线束, 或一块工装板的正背面分别装配不同的线束。工装板是根据不同车型、不同线束而专门定制, 属于专用工装。

一些特殊功能的小线束, 技术要求采用同款同色导线, 手工装配效率非常低, 并且很容易插错连接器端口, 且此类线束要求一次性装配成功, 装错不能返工只能报废。采用诱导台装配插接此类线束可以大大提高准确性和生产效率。首先将线束两端连接器插在诱导台对应位置, 将所有导线插入非诱导端连接器。诱导装配时, 随机拿起一根导线, 插入诱导端连接器前先触碰一下台面测试柱, 诱导台检测出导线对应的连接器端口, 给予亮灯显示, 将导线端子按提示插入正确的连接器端口, 防止导线两端对应的连接器信号串口或错口。诱导台是根据导线和连接器专门定制, 属于专用工装设备。

小线束上卡钉数量少, 可以工人手工装配检查。但主线束上有数量庞大的定位扎带和卡钉, 且有定位、 定向、 定型号要求, 为了防止漏装错装误装, 通常采用专用的卡钉台进行装配和检测, 只有线束上所有对应位置的卡钉安装正确, 并通过卡钉台的所有检测才算完成。不同车型不同线束的卡钉和扎带的数量和位置不同, 卡钉台属于专用工装设备。

线束全部装配完成以后, 装箱入库之前, 需检测其所有导线回路是否正确, 电信号导通是否正常, 防止不合格品被错误的装上汽车造成巨大的损失。发动机舱、 仪表、 车身等主线束有成百上千条回路, 在批产前会经常更改优化设计, 样品阶段可采用传统的万用表点对点测试线束回路的导通与阻抗等电性能, 这种方法无需额外投资节省成本, 但用人工检测费时费力, 且容易错检、 漏检。批产后, 为了提升生产效率并确保准确性, 主线束须采用专用电测台进行线束导通测试。目前主流线束厂基本采用气动式导通电测台检测线束, 其优点是设计与制作工艺简便, 使用维护及更改容易。整条线束的所有接插点在电测台上都有对应的检测点, 线束插上电测台, 测试立即启动并迅速获得测试结果, 高效完成线束的电性能测试。小线束回路少, 可采用万用表点对点检测, 手工测试方便快捷, 无需投入专用电测台, 减少投资成本。电测台是根据线束定制, 属于专用工装设备。

线束电检合格后, 质量人员检查外观, 合格后入库待发货。

4 线束工装模具的成本分析方法

线束的制造会使用到很多设备和工装模具, 通用类设备和工装是将成本折旧进制造费用中。专用设备和工装模具应作为固定资产投资, 核算其成本。通过制造工艺的介绍, 应视作固定资产的线束工装模具有:①端子压接模具;②工装板;③诱导台、 卡钉台、 电测台。整车线束的固定资产投资成本与线束的结构复杂性密切相关。

4.1 端子压接模具

线束端子压接模具如图4所示, 属于典型的精密模具, 结构标准, 成本近似。端子模的外形尺寸为标准的200×150×100mm, 不同端子模的区别在于压接刀口不同, 根据端子模成本=材料费+加工费+其他费用,挑选部分端子模拆分成本明细, 核算出端子模成本均价在几千元左右。

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图4 端子模具实物图

对整车线束项目来说, 端子模具投资成本除了知道单价, 更需理清整车线束到底需要多少副端子模。一辆汽车的线束会用到数千个端子, 但很多是同款端子, 采用Excel透视表功能, 从物料清单中导出, 如表1所示端子信息清单。假定不同端子之间差异较大, 每种规格的端子都需要一副全新端子模, 统计出端子规格型号数量, 就是端子模具的数量。同型号端子, 对应不同压接工艺要求的导线, 端子模的压接刀口不能共用, 因此每增加一种导线, 应新增一套压接刀口零件, 费用约为整套端子模的10%~20%。

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假定端子模成本为7,000元, 一套刀口费用为整副模具 20%=1,400 元, 根据表 1 得到:端子模数量 5套, 新增导线对应刀口5套;因此, 端子模总成本=端子模成本×数量+刀口费用×新制刀口数量=7,000×5+1,400×5=42,000元。

实际上由于整车线束的端子模数量多, 投资费用大。如果项目时间允许, 为了加强控制端子模投资成本, 可以进一步采取以下措施:①根据清单, 分析端子工程图纸, 不同规格端子的差异点在哪里, 分析完全共用端子模的可行性, 或通过新制刀口共用模具;②分析导线的规格差异点, 是否一定需要新制端子压接模具刀口。通过这两点的加深分析, 可以有效减少非必要的端子模具数量, 从而降低投资成本。

4.2 工装板

工装板是线束装配的主要工具, 3大主线束采用流水板形式装配, 小线束和主线束预装配采用单板形式。如图5所示, 线束工装板主要是由木材基板和各种治具组成。治具分为两类, 一类是各种固定叉杆,引导固定导线走向及限位作用;另一类是各种固定保持夹具, 与线束上的连接器配对, 定位保护固定连接器。基板由标准板裁切拼接而成, 标准板尺寸是1,200×2,400mm。

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图5 线束工装板

考虑到人机工程学和充分利用标准板尺寸规格,主线束的流水板宽度为1,200mm;依据2D图纸上线束长度和排样, 设计分析定义流水板长度, 沿标准板长度方向裁切或拼接;单板一般尺寸比较小, 直接从标准板套裁切而得到。因此每块工装板基板的成本与其面积有关, 单位面积基价 P A =标准板价格/ (1.2×2.4) 。各类叉杆在细节上有少许差异, 但总体结构类似, 单价近似, 近乎标准品, 可直接从市场竞标获取最优的均值单价PC及服务。叉杆的使用量需结合物料清单和2D图纸进行分析计算, 统计叉杆数量的依据:①固定各类小型连接器;②各线束岔开的分支点;③各分支线束单位长度距离上 (如 10cm) 设置一个叉杆。因此叉杆数量=小型连接器数量+线束分支点数量+线束总长/叉杆间距。保持夹具属于半标准件, 底部安插部分与叉杆一样, 采用金属杆与木材基板连接固定;头部为仿形块, 采用POM或PTFE塑料制造, 根据对应连接器的形状配对仿形加工而成, 并带自锁固定结构。因此保持夹具的成本主要是头部仿形块的设计加工费用, 取市场平均定制费用, 再加上底部金属杆的费用。取各类保持夹具的费用均值作为单件成本, 数量就是线束上对应的大型连接器的数量。

线束是按家族系列分类分开装配制造, 工装板需根据实际情况核算数量和成本。如三大主线束家族,通常采取的是10块相同的工装板组成流水线装配, 核算出每块流水板的价格, 总成本应乘以板的数量。如表2所示, 线束工装板的材料费用=木材基板成本+叉杆成本+保持夹具成本=1.2×4.0×P A +80×P C +30×P B ;考虑到还有设计组装以及辅材的费用, 材料费用乘以一定的系数作为一块工装板的总成本。主线束流水板成本一般单价几万元;小线束单板和主线预装版比较便宜, 一般单价几百元至1~2千元。

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控制工装板的投资成本, 可从以下三点采取措施:①同一位置的连接器, 考虑共用叉杆, 减少叉杆的数量;②叉杆间距适当加大, 减少叉杆数量;③优化线束装配的排布设计, 减小工装板的尺寸。

4.3 诱导台、 卡钉台与电测台

诱导台、 卡钉台与电测台结构组成逻辑一样, 按设计方案从市场采购标准品或半标准品再依需求简单裁剪, 组装成具备特定设计功能的专用设备, 核心技术在设计装配调试, 主要成本是外购原材料, 成本核算逻辑相同。下面以电测台为例介绍此类专用工装设备的成本组成与核算。图6所示为线束市场主流的气动式导通电测台的实物照片。

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图6 线束气动式导通电测台

电测台成本=材料成本+装配成本+设计成本, 电测台主要成本是材料, 设计、 装配成本可按工时核算人工成本, 通常不超过总成本的20%, 或算出材料成本按比例反推总成本。电测台的材料成本按计算逻辑不同, 分为3类, 如表3所示。

(1) 台架是由框架、 台面模块、 外侧挡板以及螺钉、 脚轮等辅助零件组成。框架是由标准型的铝挤出型材搭建而成, 按长度购买, 每段按设计规格裁切拼接而成, 根据电测台外形尺寸及结构计算出整套台架所需型材总长, 乘以市场单价, 即可得到型材耗用成本。台面模块为标准品, 每块长宽尺寸100×100mm,电测台的长除以100得到模块的列数, 宽除以100得到模块的行数, 行列相乘得到模块的总数量, 乘以单价就是模块的总价。挡板是指安装在台架四周和底部的板, 底板起支撑固定电器电控件作用, 四侧挡板是为了保护内部电器, 防尘防灰, 以及台架整洁美观,根据台架的尺寸可以计算出挡板的耗用面积, 以单位面积价格为基准计算成本。螺钉、 脚轮等辅助零件价值低, 数量多, 占电测台总成本的比例低到可以忽略不计。由此可以得出台架的成本与外形尺寸成正比。根据技术信息知道主线束的长度、 形状以及分支数量, 分析计算台架的长宽尺寸, 目前主线束的电测台长度一般在4~6m, 宽度一般在1.2m左右;基于人机工程学, 测试操作台面高度在800~900mm左右, 悬挂操作手册、 看板、 显示器的总高在2m左右。

(2) 电测台的核心部分是电子电控部分, 包括电源、 工控机、 显示器、 标签打印机、 线缆、 IO模块、 扫描枪等, 这些是市场标准品。价格因品牌、 型号、 获取渠道的不同而有差异, 同时IO模块在选型时, 应根据目前计算出的端口数量增加20%的冗余, 预留后续改进的空间。选型定稿后, 对照物料清单, 市场竞价并逐项累加成本, 电控部分的费用基本是定值。

(3) 检测口安装在电测台操作台面, 每块大小与台面模块相同, 整个台面就如拼图一样方便维护更改。检测口连接被测线束与电控器件, 每个检测口对应线束上一个连接器, 主要功能:①方便插入连接器以及防错;②检测连接器上各零部件的在位状况;③测试线束电气连接状况;④自动完成测试以及显示结果。一套完整的线束连接器检测口机构包括:接插块、 测试探针、 自动锁定装置、 自动退出系统、 测试指示灯、 在位检测传感器等组成。工作顺序是:线束连接器插入对应的接插块, 锁紧块自动扣紧连接器防止脱落, 测试探针在弹簧压力下紧密接触线束端子, 导通线束电路开始测试电性能, 各类传感器检测零件在位情况, 测试通过则绿色指示灯亮起, 高压气体驱动气缸推动锁紧块, 解除对连接器的锁定, 弹簧推针复位, 从检测口中自动顶出连接器, 避免手工拔线造成对已检测合格线束的损伤;若测试不通过, 则红灯亮起, 气缸不工作, 工人手工复位锁紧块, 取出连接器进行标记复查。根据检测口的结构组成, 分析计算检测口的平均成本约为几千元, 再根据线束连接器的数量, 即可算出一台电测台检测口的总成本。

综合以上3部分的材料成本, 加上设计装配调试成本, 一台电测台的成本约为几十万元。

对于电测台, 成本优化的空间很大:①选用性价比高的型材、 电控器件, 满足功能需求就好, 不用市场最贵的产品;②监控市场价格变化, 及时更新成本数据库, 特别是电控器件, 性能提升和价格下降的频率很快, 需及时更新这些信息;③尽可能提升检测口的标准化率, 降低非标费用。

5 结束语

汽车行业的竞争日趋激烈, 整个供应链都在深挖成本控制。本文介绍了汽车线束制造中常见的几类工装模具的构成特点, 以及成本分析与控制。商务谈判中能有理有据的说清楚成本构成, 对汽车厂和线束供应商都有积极意义。本文论述的方法, 可供行业内相关人士参考。

作者:严智勇(奇瑞捷豹路虎汽车有限公司 )

文章已刊载在《模具制造》月刊,版权归作者所有,转载请注明出处,谢谢!

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