基于精益制造与企业资源计划的材料定额方法研究

孔宪伟，马自勤，程 强

(1.大连瓦轴精密电机汽车轴承有限公司，辽宁 大连 116102;2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁大连 116028)

0 引言

材料定额是指在一定的生产和技术条件下，生产单位产品或完成单位工作量所必须消耗材料的数量和质量标准。材料消耗定额是直接为生产和经营管理服务的。实现任何生产过程，都要以原料、产品结构材料、工艺材料以及各种辅料等为首要条件，产品的材料成本一直是产品成本结构的主要因素之一，大约占50%左右［1］。作为对材料消耗进行有效的控制与管理，是企业经营降低成本提高经济效益的不可或缺的任务。而材料定额是对材料消耗进行控制与管理的依据，材料消耗定额的正确制订、管理、使用对企业的经营具有重要意义［2］。经过多年的实践，我国材料定额的估算已经形成了比较规范的材料定额体系，但是在现代制造环境中仍存在材料定额与实际下料消耗吻合度较差的情况，一直困扰着企业的经营管理与工艺管理。本文在对传统材料定额方法与流程及存在的问题进行分析的基础上，提出了基于精益制造与企业资源计划的材料定额方法与流程的解决方案。

1 传统材料定额方法

传统制订材料消耗工艺定额的基本方法主要包括技术计算法、实际测定法、经验统计法等。实际测定法是用实际称量的方法确定每个零件的材料消耗工艺定额，这种方法不能事先确定材料定额。经验统计法是根据相似零件材料实际消耗统计资料，经过统计分析对比，确定零件的材料消耗工艺定额。

技术计算法是根据产品图样、加工工艺以及有关的技术资料，根据零件的加工工艺方案中的加工余量，通过理论分析，计算出来出的毛坯尺寸，选择材料的型号、规格、尺寸，计算各种工艺性损耗，核算零件净重和毛重，确定材料消耗定额。材料定额的技术计算方法主要包括选料法、下料利用率法、材料综合利用率法等［2-3］。

选料法是根据材料目录中给定的材料范围，结合具体产品情况，选定一个最经济合理的材料尺寸，然后根据零件毛坯和下料切口尺寸，在选定尺寸的材料上排列，将最后剩余的残料(不能再利用的)分摊到零件的材料消耗工艺定额中。如式(1)所示。

式中:W— 零件材料消耗工艺定额;W1— 毛坯重;W2—下料切口重;W3—残料重;N1—每料件数。

下料利用率法是先按材料规格，定出组距，经过综合套裁［4］下料的实际测定，分别求出各种材料规格组距的下料利用率，然后用下料利用率计算零件材料消耗工艺定额。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—获得该批毛坯的材料消耗总量。

材料综合利用率法是当同一规格的某种材料可用一种产品的多种零件或用于多种产品的零件上时，可采用更广泛的套裁，在这种情况下利用综合利用率法计算零件材料消耗工艺定额较合理。如式(4)、(5)所示。

式中:Cz—材料综合利用率;∑W5— 一批零件净重之和;W6—该批零件消耗材料总重量。

式中:W5—零件净重。

经过多年的实践，我国材料定额的技术计算法，针对不同的加工工艺方式(机械加工、铸造、冲压、锻造、焊接、热处理、铆焊、表面处理等)，已经形成了比较科学、比较规范的材料定额体系。

2 材料定额的制订与生产中原材料的规格和下料组合

传统材料定额的制订与生产中原材料的采购和下料流程是，企业由工艺部门提供的材料消耗定额，由供应部门根据工艺部门提供的定额资料及生产计划，向有关供应商进行采购。对于大批量采购，可以根据材料定额，向供应商协商定尺供料或者按工艺参数的要求组织供货。原材料到货检验合格后，按照材料定额进行原材料下料和限额发料［2］。但是在现代制造环境中企业往往存在材料定额与实际下料消耗吻合度较差的情况，一直困扰着企业的经营管理与工艺管理。通过调研分析，发现其主要原因，一是采购或库存原材料与工艺材料定额所选择原材料规格不一致;二是生产过程的原材料排料与下料依据与工艺材料定额的依据不一致［5］。

2.1 原材料的规格优化

工艺部门在制订材料定额的时候，一般是根据零件毛坯尺寸，根据工艺手册中材料目录中给定的材料范围，结合具体产品情况，选定一个比较经济合理的材料规格。而在现代制造和市场经济条件下，企业由于产品的批量，对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;供应商提供的原材料尺寸规格，往往并不一定符合工艺手册中材料目录中给定的材料范围，从而造成供应部门采购或库存原材料规格可能与工艺部门材料定额所选原材料规格并不一致，是导致材料定额与实际材料消耗吻合度较差主要因素之一。

针对这一问题，本文提出一个基本假设，对于一个企业来说，产品以及供应商是相对稳定的，企业供应部门采购原材料的规格有必要也能够做到相对稳定。基于这一假设提出原材料的规格问题优化方案，使企业工艺部门提出的对于原材料规格的需求与供应部门提供的实际原材料规格保持基本一致。企业供应部门与工艺部门信息共享，提供的历年采购原材料规格统计资料;工艺部门制订材料定额的时候，根据材料目录中给定的材料范围及供应部门提供的相关资料，作为选择原材料规格的依据;遇到特殊需求或者特殊供应情况，工艺部门与供应部门要及时互相沟通信息、咨询协商，选择科学合理实际的原材料规格，最大限度的保证需求与供应的一致性，保证材料定额与材料消耗的一致性，保证材料定额的有效性与严肃性。

2.2 原材料的下料组合优化

工艺部门在制订型材或者板材材料定额的时候，一般是基于单位产品的，根据产品BOM(Bill of Materials 物料清单)，把原材料的需求按照原材料及规格归类，综合考虑排料问题，以此为依据确定相关材料定额，工艺部门制订材料定额时的综合排料问题与产品种类无关，相同产品的数量与材料定额只是单位产品材料定额与产品数量的简单乘积关系。而企业的生产组织是以零部件为中心，并且是基于任务和提前期的，以ERP(企业资源计划)的MRP(物料需求计划)或者精益生产的JIT(准时制造)来指导实际排料下料。制订材料定额时参与排料的物料和数量，与实际生产时参与排料下料的物料和数量几乎是不同的，是导致材料定额与实际材料消耗吻合度较差主要因素之一。

ERP(企业资源计划)的MRP(物料需求计划)的生产模式称为推式作业方式，是根据主生产计划MPS和MRP 下达生产加工订单(生产工票)，根据生产工票将物料配套发往各个工作中心。上工序完工后生产工票与加工完成的在制品向下工序传递，物料是从上工序向下推动传递的;在上工序未完工前，下工序只是等待物料、组件加工。原材料采用型材或者板材的产品零部件的排料下料数量和时间是MRP 所计划的产品零部件投料的数量和时间［6］，如图1 所示。

精益生产的JIT(准时制造)的生产模式称为拉式作业方式。拉式作业的物料移动是来自下道工序，作业安排实行适时、适量、适地安排生产，主生产计划MPS 和总装计划FAS 下达后，从产品总装开始，后工序向上工序领取本工序所要的零部件进行加工或者组装。当上工序的加工零部件数量不能满足下工序的加工或者组装要求时，产生物料需求信息，由后工序向前工序传递加工需求指令。原材料采用型材或者板材的产品零部件的排料下料数量和时间是JIT 由后工序向前工序传递加工需求指令所规定的产品零部件投料的数量和时间［6］，如图2 所示。

图1 ERP—MRP 生产模式

图2 精益生产—JIT 生产模式

综上所述，对于原材料采用型材或者板材的产品零部件来说，工艺过程一定，对应的毛坯尺寸就是确定的;根据3.1 节，假设原材料的型号、规格、尺寸也是确定的。而由于实际下料时参与套裁的产品零部件的品种数量可能是不确定的，套裁的排料可能不同，工艺性损耗的均摊可能是不确定的，导致材料定额和材料实际耗费的不确定性。

针对这一问题，本文提出通过材料综合下料利用率的方式来解决。本文定义材料综合下料利用率如式(6)、(7)所示。

式中:Czx—材料综合下料利用率。

当同一规格的某种材料可用一种产品的多种零件或用于多种产品的零件上时，可采用更广泛的套裁。现代制造系统提倡面向制造的设计DFM［7］工艺设计也应该遵循这一法则，为产品制造过程提供充分的技术支持。供应部门是按照工艺部门提供的零件毛坯尺寸下料的，采用综合下料利用率法计算零件材料消耗工艺定额，有利于工艺部门与供应部门协同进行材料定额的控制与管理。

本文提出生产下料时应该按照既定生产模式给出的产品零部件的投料时间、规格和数量等数据进行归集，然后排料套裁。下料时间不同，参与套裁的物料规格、数量不同，影响下料利用率。排料除了物料本身的几何特征与数量、毛料规格外，增加了下料时间的维度，使下料套裁问题既具有计划性又具有随机性。需要对下料现场实际数据进行详细记录，保证记录的实时性和准确性，按照产品零部件的相似性［8］进行分类统计，根据统计规律确定材料综合下料利用率。

3 材料定额的控制与管理流程优化

根据精益制造的思想，制造工艺过程中的材料消耗包括有效消耗和无效消耗。有效消耗是指在产品的制造过程中，材料有效利用的部分。无效消耗是指在产品制造过程中损失的部分。无效消耗又分为无效但不可避免的消耗(工艺性损耗)和无效而且必须避免的消耗(非工艺性损耗)。工艺性损耗是指在产品零件的制造过程中，按照工艺要求，制成零件实体所必须的材料损耗，包括从下料开始，到制成产品为止，整个生产过程中诸如下料的料头，切口损耗，加工余量以及热加工工艺的各种损耗等。非工艺性损耗是在产品制造过程中，所发生的与工艺过程没有直接关系的损耗，非工艺性损耗主要包括:由于废品而产生的材料损耗;由于材料没有按材料定额所规定的规格尺寸供应，用其它材料代用所增加的材料损耗;材料检验用料等。

进行材料定额的控制与管理流程优化，必须实现材料定额的闭环控制，必须实现企业材料定额控制与管理的协同。

材料定额的闭环控制包括材料定额控制与管理的事先计划、事中监控、事后考核分析改善。事先计划包括根据企业采购进料规格确定毛料规格;根据统计规律确定综合下料利用率，综合下料利用率因物料的属性不同而不同;按毛坯尺寸、原材料规格、综合下料利用率制订材料定额。事中监控包括按生产组织下料;及时反馈下料情况，控制下料利用率;结合任务号领料(考核依据)，杜绝不良品的发生。事后考核分析改善，包括指导材料定额;考核控制现场材料消耗;定期或不定期根据实际情况调整综合下料利用率和原材料规格标准。不断提升工艺材料定额管理水平，使其保持在一个较高水平的稳定状态。材料定额的原材料的规格优化流程、原材料的下料组合优化流程如图3、4 所示。

图3 原材料的规格优化流程

图4 原材料的下料组合优化流程

企业材料定额控制与管理的协同包括外部协同和内部协同。外部协同是指企业与供应商的协同。供应商是企业长期运营的宝贵财富，是企业的外部合伙人。如果制造商希望供应商提供任何优质的支持和服务，就必须担当起领导者的角色，整合出一条精益供应链，使物流供应链的每个环节的企业都受益，制造商与他们信息共享，风险与利益共担。要确保供应商能够提供满足企业产品所需规格的高质量的原材料，避免因为供应商提供的原材料规格或者质量问题而导致的无效材料消耗。内部协同是指企业包括工艺部门、供应部门、制造部门等内部相关部门的协同。必须在企业的经营战略思想指导下，企业一盘棋，实现企业材料定额控制与管理的系统工程，各部门也要信息共享，风险与利益共担。要确保各部门之间的无缝连接，工艺部门能够制定出符合企业实际情况的材料定额，供应部门能够提供满足企业产品所需规格的高质量的原材料，制造部门能够确保制造零缺陷零废品，避免因为企业内部原因导致的无效材料消耗，实现企业材料定额控制与管理的良性循环。

4 材料定额控制优化示例

企业某产品需求100 件，在每件产品的原材料中有某规格的棒料毛坯长29mm、21mm、15mm 的各1根。设下料切口5mm。根据企业标准，该棒料原料长2200mm。采用套裁下料可以节省原材料。

工艺部门通过研究已知有几种较好的方案可供选择，如表1 所示。采用线性规划［4］，混合使用表中方案，使所用原材料最省。得到套裁方案最优结果如表2 所示。材料定额用料31 根。材料综合下料利用率为95.31%。

表1 套裁下料初始方案一览表-工艺部门

表2 套裁下料优化方案一览表-工艺部门

企业实施物料需求计划MRP，物料供应部门按时段MRP 组织生产下料，对该棒料的需求计划如表3 所示。可见每个实际下料时参与套裁的产品零部件的品种数量是根据时段MRP 确定的，套裁的排料会不同，必然导致材料定额和材料实际耗费的不一致性。实际套裁材料综合下料利用率如表3 所示。加权材料综合下料利用率为93.56%。

表3 时段套裁下料情况一览表-供应部门

根据相似制造论原理［8］，经过对供应部门下料现场记录的阶段性分类统计，考虑安全系数，工艺部门对该类棒料材料定额按照材料综合下料利用率92%进行制定。据不完全统计，材料定额与实际耗费的差异控制在95%左右。取得了较好的效果。企业产品在市场经济状态下是不断变化的，对于原材料的需求也是变化的，材料定额的材料综合下料利用率需要根据企业产品变化、供应部门实际下料的材料综合下料利用率的分类统计规律不定期进行调整。

5 结束语

对材料消耗进行有效的控制与管理，对企业经营降低成本提高经济效益具有重要意义。本文在对传统材料定额方法与流程及存在的问题进行充分调查分析研究的基础上，提出了基于精益制造与企业资源计划的材料定额方法与流程的解决方案。需要结合不同企业的不同情况进行运用和不断完善。

［1］欧阳清，杨雄胜. 成本会计学［M］. 北京:首都经济贸易大学出版社，2003.

［2］王秀伦. 现代工艺管理技术［M］. 北京:中国铁道出版社，2004.

［3］陈宏钧，马素敏. 机械制造工艺技术管理手册［M］. 北京:机械工业出版社，1997.

［4］吴亚丽，张俊敏. 运筹学［M］. 北京:北京大学出版社，2011.

［5］马自勤. 现代工艺管理及若干关键技术研究［D］. 大连:大连交通大学，2008.

［6］罗鸿，王忠民. ERP 原理·设计·实施［M］. 北京:电子工业出版社，2003.

［7］戴庆辉. 先进制造系统［M］. 北京:机械工业出版社，2005.

［8］王秀伦，于晓洋，黄永生. 相似制造论及其应用研究［J］.大连:大连铁道学院学报，2005(1):60－64.