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山高：通過十（shí）個簡單的步驟實現最（zuì）高的性能和生產率

2017-1-5 來源：山（shān）高（gāo）作者：山高刀具集團技術培訓經理 Patrick

上海（hǎi）, 2017 年 01 月 - 所（suǒ）有加工車間（jiān）都（dōu）麵臨著同（tóng）一項（xiàng）任務，那就是將原材料轉化為成品工件。加工出來的（de）產品必須具備指定（dìng）的質（zhì）量水平、達到所需的數量並在所要求的期限內交貨。與此同時，還（hái）必須解決可持續性問（wèn）題和環境問題。為了保持競爭力和盈利，車（chē）間在不斷尋求以最經濟、高效的方式完成自己的任務。

時至今日，為了追求工藝改進而（ér）付出的這些努力的最佳範例是一場（chǎng）在歐洲被稱為“工業 4.0”的運動，這場運動利用戰略和策略將先進的數據采集、存儲和共享技（jì）術整合到製造流程中。工業 4.0 目前處於這場製造業革命（mìng）的頂端，並需要管理層的（de）強力支持、專業人員的參與以及巨大的投資才能得以實現。

圖 1：後（hòu）續步驟 - 全麵（miàn）一體化的生產模型

不幸的是，如果車間缺少像通用電氣（qì）或通用（yòng）汽車這樣的全球性工業巨人的（de）廣泛資源，在提高（gāo）生產率方麵可能就會（huì）欲（yù）振乏力。不過，一些極具成本效益的（de）簡單分析和舉措能（néng）夠對中（zhōng）小型企（qǐ）業（yè）的生產率產生相當大的（de）積極影響（xiǎng）。事實上，在投資於新的計算（suàn）機、機械手或員工之前，任何車間（jiān）無論其規模如何，都應執行基本的工藝分（fèn）析並組織好現有的設備和實踐方法。事實是（shì），組織混亂的車間即（jí）使實現了計算機化，最終也隻會陷入計算機化了的混（hún）亂局麵。

三個階段和十個（gè）簡單步驟

要對車間的實踐方法進行組（zǔ）織（zhī），首先需要分三階段對生產過（guò）程執行審查。第一階段（duàn）是選擇階段，需要選擇切削策略、刀具和切削條（tiáo）件。下一（yī）個階段是整合階段，也就是將所選的刀具和策（cè）略全部整合（hé）到（dào）加工工藝中。第三階段是實現，用於將工（gōng）藝付諸實施。

在大多數情況下，第（dì）三階段的結果達不到預期，而且（qiě）需要采用某些措施，從而根據實際（jì）情況進行削足適履，獲得可接受的成（chéng）果（guǒ）。這些措施可能（néng）是技術性質的，例如設法減小切削力，也可能是經濟層麵的，包括旨在降（jiàng）低成本的那些舉措。幸運的是，車間可以通過十個簡單的步驟分析和改進自己的金屬（shǔ）加工工藝。這些步驟如下所示。

智能（néng）化預（yù）算控製

金屬加工的常用預算方法是以盡可能低的價格采購所（suǒ）有加工要素，但（dàn）在選擇刀具時最好不要僅僅著眼於價格。在討價還價之前，車（chē）間應當（dāng）考（kǎo）慮需要取得什麽樣的（de）最終結果（guǒ）。如果目的是獲得公差嚴密、質量一流的工件，則需要使用價格更高的精（jīng）密刀（dāo）具來進（jìn）行加工。

圖 2：不同的刀具選擇標準

寄希望於利用廉價刀具加工出優質的零件時，往往會得到不合格的（de）零件，而且其花費還要（yào）超過高價（jià）刀具的（de）費用。另一方麵，當質量要求不太嚴格時，高精度刀具的一些功能會（huì）得不到用武之地。了解流程的最終目標是做（zuò）出極（jí）具經（jīng）濟效益的采購決策的第一步。

智能化約束處理

與（yǔ）所探討的金（jīn）屬加工理論形成（chéng）對（duì）照（zhào）的真實金屬加工會受到一些實際約束，包括機床功率和穩定性以及客戶對於尺寸和（hé）表麵粗糙度質（zhì）量的需求。切削條件千差萬別，而參數的各種組合對切削（xuē）力和表麵（miàn）粗糙度產生的影響可能會導致用戶無法作出某些（xiē）選擇。

圖 3：用於（yú）選擇切削條件的兩步模型

盡管如此，為了突破工藝約束，僅僅全麵減小切削參數並非是（shì）明智（zhì）之舉。例如，與更改進給量相比，更改切深對機床功耗產生的影響更大。在減小切（qiē）深的同時增大進給量可以在機床功率有限的約束條件下提高（gāo）生產率。

刀具應用合理（lǐ）化（huà）

鑒於可用的刀具槽型、尺寸和材料浩如煙海，因（yīn）此可以選擇的金屬加（jiā）工刀具配置（zhì）實際上也是數不勝數。機床車間通常每次隻為一種加工選擇刀具應用，也就是（shì）選擇一種特定的刀具（jù）在零件上加工出一種（zhǒng）特定的特征，然後再選擇另一種刀具以加工出另一種不同的特征。

圖 4：全部刀具產品浩如煙海（hǎi） - 合理化（huà）是關鍵所（suǒ）在

例如（rú），使用兩個單獨的刀具（jù）來車削軸（zhóu）並加（jiā）工出一個具有兩個方肩的寬槽。具體而言，使（shǐ）用其中一個刀具將軸（zhóu）車削到（dào）所需的（de）直徑並切削一個方肩（jiān）以及槽的寬度，然後使用第二個刀具切削（xuē）另一（yī）個方肩。每個刀具都經過單（dān）獨編（biān）程和優化，因此產生了各自的編程和管理（lǐ）成本。

另一個（gè）形成鮮明對比的刀具（jù）選擇策略（luè）是開發高度（dù）專業化的能夠在一次加工中產生多個特征的定製（zhì）刀具。這種策略非常便捷，但設計和製（zhì）造專用刀（dāo）具需要付出不菲的代價。

介（jiè）於這兩種極端情況之間的方法是利用（yòng）能夠執行一種以上的加工的標（biāo）準刀具（多向刀（dāo）具）。山高的 MDT刀具就是這種（zhǒng）方法的（de）一個完美範例。

這款刀具的特性使它能夠車（chē）削直徑、通過插銑（xǐ）加工出一個方（fāng）肩（jiān）、在軸上移（yí）動以進行切槽，然後撤刀以加工出第（dì）二個方肩。即使這樣的（de）多向刀具（jù）並不使用兩個單獨（dú）刀具的最佳切削參數（shù）進行加（jiā）工，在刀具（jù）、編程（chéng）、換刀時間和庫存成本方麵（miàn）實現的節約也（yě）會（huì）使其成為首選的刀具。

複雜的（de）工件加工方（fāng）法（組合技術）

與使（shǐ）用可執行兩種（zhǒng）或（huò）更多（duō）加工的刀（dāo）具相比，車（chē）間可以采用的另一種不相（xiàng）上下的方法是選擇能夠在多種工件上加工出相似特征的刀具。車間可以加工各（gè）種不同的工件，但（dàn）這些工件具有相（xiàng）同的特征，例如孔、槽和銑削表（biǎo）麵。為了加快複雜零（líng）件的加工速度，車間可以將相似的特征視為一組特征，然後選擇一種針對在不同的零件上重複進行的特定加工（例如孔加工）進行了優（yōu）化的刀具。這種經過優化的刀具（jù）不但能夠實現最高的效（xiào）率（lǜ），還由於無需為每個單獨零件的刀具進行重複性編程而節約（yuē）了工程時（shí）間並因此降（jiàng）低了（le）成本。這種組合技術方法還有助於減少刀具庫存。

獲得質（zhì）量最低但功能合格的工件

盡管這一概念乍看之下（xià）非常奇怪（guài），但車間必須認識到，工件質量（liàng）應在滿足（zú）客戶規格和功能要求的（de）情況（kuàng）下盡可能得低，並不需要超額滿足（zú）這些要求。如（rú）果某個零件的公差為 5 微（wēi）米，那麽實（shí）現 3 微米的公差就是在浪費時（shí）間和金錢。要實現更緊密的公差，需要使用質量更高的刀具和更加（jiā）精密的加工工藝。但（dàn）客戶不會為他們要求之外的這些更高（gāo）質量慷慨解囊，因此這項工作對於車間來說就是一筆賠錢（qián）買（mǎi）賣。

圖 5：成（chéng）品工件的整體質量會受多（duō）種因素的影響（xiǎng）

很明顯，有些質量問題（例如毛刺）是必須解決的問題。但在某（mǒu）些情況下，少量的支出並（bìng）不值得計較 - 與刀具將要加工（gōng）的大型鈦合金航空航天（tiān）部件的高昂價值相（xiàng）比，區區幾歐元或幾歐分的刀具成本（běn）差異（yì）是微不足道的（de）。為了實現最高的（de）成本效益，車（chē）間應當根據工件的功能和質量要求定製生產質量。

預測性刀具維護

傳統的刀具維護是按兵來將擋、水來土掩的思路（lù）進行的。出現磨損或發生斷裂的刀具將被更換。但除了刀具（jù）自身的成本以（yǐ）外，這種方法還會產生其他成（chéng）本，包括製造（zào）工藝的停機時間和可能的工件損壞。而預防性刀具維護是一種超越了被動式維護（hù）的措施（shī）。

圖（tú） 6：切削刀具由於遇到（dào）不同（tóng）的現象（xiàng）而出現磨損（sǔn）

即使（shǐ）是相同的刀具，其有效壽（shòu）命通常也會比平均使用壽命（mìng）或長或短。預防性刀具維護基於這樣一種理念（niàn）：在刀具達到（dào）其最短預期使用壽命之前（qián）將其更換，以確保在刀具磨損過多甚至斷裂之前（qián）予（yǔ）以更換。但這（zhè）種方法會導致使用壽命能（néng）夠達到甚（shèn）至超過（guò）平均（jun1）壽命的刀具無法物盡其用（yòng）。

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一種相對（duì）較（jiào）新的基於刀具壽命建模的方法借助計算機計算和模擬來提（tí）供預測性（xìng）的刀具損耗（hào）數據並指（zhǐ）出應當何時更換刀具（jù）。盡管花費要更高一些，但可以利用傳感器來實時跟蹤刀具的磨損情況，從而進一步完（wán）善結果。通（tōng）過利用預測性刀具維護（hù），有望將刀具成本降低 15%、20% 甚至更多。

刀具庫存控製

當進行金屬加工的第二個階段“整（zhěng）合”時，一定要注意，刀具庫存控製不同（tóng）於刀具管理。刀具管理是指整理現（xiàn）有的刀具庫存並使刀具能夠投入到生產環節。為此，可以使用多種自動化的（de）刀（dāo）具管理係統。而另一方麵，刀具庫存控製是指設法合理（lǐ）確定（dìng）和統計車間為了側重於真正需要進行的加工而擁有（yǒu）的刀具數量。如果在將刀具裝（zhuāng）載到自動化的刀具分配裝置中之前沒（méi）有（yǒu）合（hé）理確定刀具數量，最終隻會陷入自動化的混亂（luàn）局（jú）麵。

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實際工作分析

美國工程（chéng）師兼工作分析先鋒 Fredrick Winslow Taylor 在其於 1907 年出版的《金屬切削藝術》(On the Art ofCutting Metals) 一書中指出，在車間中（zhōng）進行的某些活動，例如表麵銑削，確（què）實為工件創造了價值。但他也（yě）指出，另一方麵，生產成（chéng）品工件時需要開展的很（hěn）多活（huó）動並不會直接創造價值（zhí）。這些活（huó）動包括將工件固定在機床（chuáng）上（shàng）、編（biān）寫加工程序等等。

Taylor 稱，不創造價值的任務應當盡快完成（chéng），而且應當最大限度減小這些任務對總生產成本的影響。通過自動化，可以（yǐ）完成零件裝載和固定等任務並節省時間和金錢。

圖 7：可以通過不同的方式實現生產率和成本效益

製造商（shāng）通常認為（wéi）縮短加工時間的最佳（jiā）方法是提高加（jiā）工參數。大多數車間都沒有充分認識到（dào）工程設計等活動所消耗的時間。在零件從圖紙到交（jiāo）付的這一過程中，工程（chéng）設計這項任務可能占（zhàn）據了總耗時的 40% 之多。刀具故障、質量問題（tí）或切屑控製問（wèn）題所產（chǎn）生的意外停機時間也可能被忽視了。當分（fèn）析工作活（huó）動和成本時，必須考慮到零件生產時（shí）間所涉及（jí）的全部因素（sù）。（參見附注）

優化的實際應用

零件金屬加工的第三階段是實現階段，在此階段會將在第一階段選擇並在第二階段整合的刀具和策略（luè）付諸實施。流程幾（jǐ）乎從不嚴格按計劃的方式運轉，因此就需要在這（zhè）一階段對（duì）加（jiā）工的速度、可靠性和其他因素進行優化（huà）。此外，大多數車間還會尋求改進現有的流程。執行了第一階段和第二階段的（de）組織和（hé）合理化步驟之後，通過進行實際優化，進給（gěi）量、速度和切深組合會產生（shēng）所需的結（jié）果（guǒ），車間因此而獲得技（jì）術和經濟效益。

明（míng）智地引進新（xīn）技術

如今（jīn）的製造商麵臨著很多相對較新的（de）挑戰，包（bāo）括對於可持續性和環（huán）境保護的強製（zhì）要（yào）求。通過明智地引進新的技術和工藝，車間能（néng）夠戰勝這些挑戰。例如，工廠可以利用幹式加工來減少冷卻劑的使用量，從而減少油液可能對（duì）環境產生的影響以及（jí）為了安全（quán）處理油液而產生的費用。增加無鉛工件材料的使用量旨在清除環境中的有害金屬。改善工藝（yì）參數和生產刀具性能可以顯著降低能耗。

圖 8：加工工藝（yì）的發展

結論：第 4 階段和 STEP 培訓

當各種規（guī）模的製造商利用這十個簡單的步驟改進自身的加工時，生產工藝的第四階段（duàn）需要持續開展內部培訓。

這一培訓的目標是確保車間的工作人員認識到，用（yòng）於解決生產率問題的解決方案不（bú）一定都需要投入大量的資金、高科技和更多的人（rén）力。

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可以反複運用在改（gǎi）進個別加工或（huò）多種加工時獲得的經驗教訓，也可以擴充（chōng）這些經驗教訓以涵蓋整（zhěng）個（gè）車間的（de）類似情況。可以使用係統性（xìng）的培訓（例（lì）如山高技術培訓計劃 [STEP]，它（tā）是一（yī）個成熟且實用（yòng）的用於幫助（zhù）用戶熟悉最新刀具（jù）係統和技術的課程）對這些經驗教訓進行補充。通（tōng）過與工藝分析和改進方麵的實踐經驗相結合（hé），培訓可對客戶產（chǎn）生重（chóng）大的影響，幫（bāng）助（zhù）打造（zào）一種能（néng）夠解決（jué）問題和改（gǎi）進工（gōng）藝以使製造業務（wù）持續取得成功的文化。

圖 9：全（quán）部 STEP 培訓

跟蹤隱性成本

當執行（háng）實際工作分析時，成本可能是顯而易見的，也可能非常（cháng）隱蔽或者被忽視。在將原材料（liào）轉化成成品工件期間，影響（xiǎng）總（zǒng）成本的因素通常（cháng）可以（yǐ）分為八個類別。這些類別包括刀具和刀具（jù）係統、工件材料、工藝和工（gōng）藝數據、人（rén）員和組織、維護工作、特殊（shū）因素、周邊設備以及各種隨機因素。

加工時間是最明顯的成本因素，它包括加工時間以及在設置機床和刀具、搬運工件和執行（háng）質量檢（jiǎn）查時花費的時間。很明顯，設置（zhì）和搬運工件（jiàn）時（shí）花費的時間需要算在計劃的停機時間內，但加工時間中的一個不太明顯的部分是由於刀（dāo）具意外損耗（hào）、切屑問題和質（zhì）量不穩定而造成的工作意外停止。

那些生產（chǎn）出質量欠佳或不合格零件（jiàn）的不可靠的加工工藝、破損的刀（dāo）具、損壞的工件以及（jí）係統問題都會無謂地（dì）導致（zhì）加工時間變長、成本增加。與操作員犯下的錯誤和係統發生的異（yì）常所貢獻的時間相比，常見因素（例如加工時間和計劃內的刀具更換）在總加工時間中所占的比例（lì）較低。

在計算總生產時（shí）間中，通常會忽視工程設計—包括常規活動、幾何（hé）活（huó）動（dòng）（編程）和技術活動（選擇刀具和加工參（cān）數）—所貢獻（xiàn）的時間。零件編程在工程設計時（shí）間中占（zhàn）據（jù）了（le）很大一部分，但技術問題（例如選擇刀具和選擇加工參數（shù））也（yě）涉及了大量的工程設計活動。

此圖（PDF 中的幻燈片 3）顯示了加工時間和成（chéng）本之間的關聯，垂直軸顯示的是成本，水平軸顯示的（de）是使用的時間。八個因素（sù）組使用（yòng）不同的顏色，淺藍色（sè）代（dài）表刀具係統，淺黃色代表工件材（cái）料（liào），淺橙色代表工藝和工藝時間，依此類推（tuī）。在這個簡化（huà）的一般性示例（lì）中，單個（gè）工件的（de）預計生產成本被（bèi）設置為 1.0，基準時間為零。此圖表明（míng），刀具（jù）成本的八個因素所消耗的總時間比計劃的時間多出了80%，並導致最終（zhōng）的成本達到（dào）了預期成本的 3.5 倍。

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