當今制造業(yè)生產經濟學的現(xiàn)實
2019-3-12 來源：山高刀具集團技術培訓 作者：Patrick de Vos
機床車間希望能夠將零件生產控制在一定時間和成本內。實現(xiàn)這一目標需要平衡很多因素，包括切削參數(shù)、刀具成本和更換時間、機床利用率、工件裝卸費用以及材料和人工成本。
生產經濟學是兼顧各種工藝因素以獲得理想結果的藝術和科學。在兩個多世紀的加工歷史中，生產經濟學的要數(shù)量成倍增加。首先，制造業(yè)從工藝級單項產品的生產，發(fā)展到使用機床大規(guī)模生產標準化零件。制造方法的改進帶來了第二代批量生產，其中包括生產線的運用以及相同零件的產量日益提高，這就是“大批量低混合”(HVLM) 產品方案。然后，數(shù)控機床和機器人造就了第三代批量生產效率。最近，應用于編程、機床控制和工件裝卸系統(tǒng)的數(shù)字技術正在促進第四代制造生產（稱為“工業(yè)4.0”）的發(fā)展，它能實現(xiàn)經濟高效的“高混合小批量”(HMLV) 生產。
制造工藝演變
為了有效地實現(xiàn)從 HVLM 向 HMLV 生產的轉變，制造商必須清楚認識到生產經濟學正在不斷地變化和增長，然后利用可用的信息和技術來分析運營狀況并實現(xiàn)運營目標。一個關鍵轉型因素是拋棄過于簡單的理念和做法，確認哪些隱性成本可能會阻礙生產率的提高。
大批量、低混合，簡單經濟學？
標準化加工工藝起源于 19 世紀，用于加快生產具有可互換零件的相同產品。汽車制造業(yè)將這種 HVLM方法改進到了極致，發(fā)展出傳送生產線和其他工藝方法，多年來制造了數(shù)十萬甚至數(shù)百萬相同的零部件。
HVLM 生產周期長，這使得制造商能夠微調多個工藝因素，以實現(xiàn)最大產量、保持質量一致以及降低成本。包括換刀系統(tǒng)、托盤交換系統(tǒng)及機器人在內的輔助技術進一步降低了生產變動性。可以說操作過程完美運行，能以可預測的成本實現(xiàn) 100% 產量，而且能消除計劃外閑置時間，杜絕次品和返工，也無需去毛刺等二次操作。
有個說法是刀具成本通常約占總生產成本的 3%。3% 可以作為一個基準，但往往實際情況下并不能直接以此衡量。例如，工件材料的加工特性影響很大，加工材質從鋼材切換到鈦材可能會使刀具使用率增加五倍。在其他條件相同的情況下，3% 將變?yōu)?15%。
僅關注刀具嚙合時間會導致其他因素被忽略，例如因換刀而產生的閑置時間。這種方法實際上掩蓋了現(xiàn)實。制造商應該了解加工時間、裝夾時間、換刀時間、裝載和卸載以及其他因素會相互影響和干擾。在關于工藝因素之間意外作用的簡化示例中，車間加工一個零件需要 2 分鐘的切削時間和 2分鐘的工件裝卸時間。刀具轉位花掉 1 分鐘，刀具在使用壽命內可加工 5個工件，因此每個零件所需的刀具轉位時間為 0.20 分鐘。由于每個零件需要 4.2分鐘的加工時間，所以每小時產量略高于 14 個工件。每個刀具的成本為 15 歐元，5個工件所需的刀具壽命決定了生產 14 個工件需要 2.8 個刀具（42 歐元）。機床成本為每小時 50歐元。這樣，每小時生產 14 個工件的總成本為 92 歐元。
然后，為了提升產量和生產率，車間將切削速度提高 10%。這樣可將切削時間縮短 10%（達到1.8分鐘），但也使刀具壽命縮短大約一半，這意味著在需要轉位之前，一個切削刃只能生產 2.5個工件。刀具轉位時間仍為一分鐘，工件裝卸兩分鐘。一個工件的生產時間為 4.2 分鐘（切削 1.8分鐘，工件操控 2 分鐘，刀具轉位 0.4 分鐘），換算一下也就是每小時生產 14個工件。機床和刀具的成本是相同的，但現(xiàn)在每小時需要耗費 5.6 個刀具（84歐元刀具成本）。 盡管努力提高產量，但 14 個工件的生產時間是相同的，而成本則從 92 歐元上升到了 134歐元。
在這種情況下，提高切削速度不會使操作更加高效。更改切削時間會影響加工系統(tǒng)中的其他因素，在本例中影響的是刀具壽命和刀具轉位時間。因此，車間必須仔細權衡流程變更的各種后果。
隱性成本的另一種形式涉及工藝步驟的執(zhí)行情況。例如，在許多加工車間中，最典型的隱性成本就是刀片轉位所花費的時間。指定的刀片轉位時間可能是一分鐘。然而在車間實際測量時發(fā)現(xiàn)，它可能是兩分鐘、三分鐘甚至十分鐘，時間相差 60 到 600 秒。
刀具成本隨閑置時間的變化
高混合、小批量，全面的考慮
如今，全球競爭促使制造商生產不同類型的產品，以滿足較小用戶群的需求。先進的計算技術可以快速更改零件的設計和加工程序，還可以輕松跟蹤產品的變化和庫存。結果是制造商轉而采用“高混合、小批量”(HMLV)生產方案。如今，這種方法已經發(fā)展到足以高效地制造個位數(shù)產品，甚至是大量生產單項產品。
HVLM 的更長生產周期允許制造商從容地規(guī)劃和微調工藝因素。在 HMLV生產方案中，生產計劃是不同的。計算機化的工程和庫存技術支持快速變換產品類型和產量，但 HMLV 規(guī)劃過程變得復雜且反應靈敏。客戶訂購十個零件后，可能會接著訂購兩個、五個零件甚至是單一產品多個批次的不同零件。工件材料可能從鋼材換成鋁材再換成鈦材，零件幾何形狀可能從簡單變得復雜。但是沒有足夠的試運行時間來確定刀具壽命。
為了管理 HMLV 生產方案中的刀具壽命，車間通常會對刀具的預期壽命做出保守猜測；為了安全起見，每次加工都會使用新刀具，并在刀具達到其完整的生產壽命之前將其丟棄。切削時間只是整個加工中的因素之一。在 HMLV 生產中，操控不同工件和夾具以及更換刀具和轉位刀片所需的時間通常比實際切削時間更長。刀具、機床、閑置時間、直接的人工和工件材料因素中可能包含隱性成本。最新的生產經濟學方法考慮了刀具和工件材料成本、設備和生產成本、停機期間的設備成本以及人員工資和維護成本。
生產經濟學
快速變化的 HMLV 產品需求增加了實現(xiàn)高百分比合格率的難度。在生產周期較長的 HVLM
生產中，經過試驗和調整可以獲得高達 90% 的合格率。另一方面，HMLV合格率可能是二元的。成功的單件生產代表 100% 的合格率，但是當零件不合格或工件毀壞時，合格率變?yōu)榱?/span>。由于對質量、成本和時間效率的要求保持不變，一次合格率成為首要要求。在這種情況下，避免刀具破損可能是最重要的考慮因素。一個有利方面是刀具磨損在短期加工中影響極小，并且車間可以在合理范圍內應用更強勁、更高產的切削參數(shù)。
一個相關變量是確定何時轉位刀具最合適。如果等待時間過長，即使沒有損壞工件，也可能導致刀具破裂，至少會中斷生產。另一方面，過于頻繁的換刀會增加刀具成本，并會因停止加工和轉位刀具而耗費更多時間。確定何時更換刀具需要審視換刀時機與整個加工系統(tǒng)的關系，以便制定換刀協(xié)議并遵循相關規(guī)則。
結論
金屬切削系統(tǒng)中的加工因素之間不是一對一的關系。改變切削工況、工件材料或產品產量將影響刀具壽命以及加工系統(tǒng)的許多其他方面。在制造工廠，生產經濟學面臨的挑戰(zhàn)是要了解這些關系，并制定相應策略以務實的方式平衡這些因素。然而，并非車間中的每位工人都能成為數(shù)學教授，而且他們沒有時間深入了解這些加工背后的關聯(lián)。因此，供應商可以提供工藝分析和管理服務，幫助制造商全面了解其特定運營情況，并就如何最大限度地提高生產率和經濟實力提供有力指導。
令人惋惜的是，許多車間所有者擁有大量的業(yè)務和付費客戶，但企業(yè)仍然面臨虧損。解決之道是認清當前生產經濟學揭示的許多影響因素，發(fā)現(xiàn)和消除被忽視和隱藏的成本，以使他們的制造業(yè)務能夠獲得最大回報。
附注
Duratomic 切屑
自動化分析
從批量生產初期開始，影響制造生產率和成本的因素數(shù)量已經成倍增加。隨著加工操作和設備變得越來越復雜，制造系統(tǒng)的各種要素之間的關系也變得日益復雜。這些要素都不是孤立存在的，例如，改變產量要求將會影響刀具、設備、維護、人工和其他成本。
確定影響因素的數(shù)量及其相互關系本身就是一項重大挑戰(zhàn)。由于這種復雜性，我們必須借助系統(tǒng)性方法來衡量、控制和管理制造過程。
山高的“生產率成本分析”(PCA) 系統(tǒng)可以檢查整個制造過程，以確定降低成本和提高生產率的方法。該系統(tǒng)依托山高長達數(shù)十年的全球制造經驗和技術底蘊。山高將這些知識與先進的計算機分析和算法結合在一起，包括采用蒙特卡羅模擬方法實現(xiàn)成本建模的自動化。
山高技術專家能為客戶執(zhí)行 PCA，評估其制造過程中所使用的刀具和技術，從而生成包含工藝信息（比如刀具和切削參數(shù)）和成本信息（包括每件成本、每小時產出和投資成本）的綜合報告。PCA可以評估從單個機床操作到整個制造流程。
做這項分析的目的在于提高生產率，這對成本的影響最大。該系統(tǒng)考慮了瓶頸問題及操作限制，可以識別哪些方面需要進行更深入的研究。
通過對操作或設施進行時間和成本方面的基準研究，PCA 軟件將在初始階段檢查刀具因素，包括工藝參數(shù)、循環(huán)時間和產量要求。第二階段會進行類似的刀具檢查，但會對切削工況和刀具進行調整。第三階段可能考慮工藝、運營因素以及其他方面的改進，比如機床升級。
無論制造商服務于什么行業(yè)，使用山高 PCA 系統(tǒng)后通常可以節(jié)約 30% 的總成本、生產率提高約 40% 。
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