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當(dāng)今制造業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的現(xiàn)實(shí)

2019-4-1 來源：山高刀具集團(tuán)技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理作者：Patrick de Vos

上海, 2018 年 11月 -機(jī)床車間希望能夠?qū)⒘慵a(chǎn)控制在一定時(shí)間和成本內(nèi)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要平衡很多因素，包括切削參數(shù)、刀具成本和更換時(shí)間、機(jī)床利用率、工件裝卸費(fèi)用以及材料和人工成本。

生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)是兼顧各種工藝因素以獲得理想結(jié)果的藝術(shù)和科學(xué)。在兩個(gè)多世紀(jì)的加工歷史中，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的要素?cái)?shù)量成倍增加。首先，制造業(yè)從工藝級(jí)單項(xiàng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，發(fā)展到使用機(jī)床大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化零件。制造方法的改進(jìn)帶來了第二代批量生產(chǎn)，其中包括生產(chǎn)線的運(yùn)用以及相同零件的產(chǎn)量日益提高，這就是“大批量低混合”(HVLM) 產(chǎn)品方案。然后，數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人造就了第三代批量生產(chǎn)效率。最近，應(yīng)用于編程、機(jī)床控制和工件裝卸系統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)正在促進(jìn)第四代制造生產(chǎn)（稱為“工業(yè)4.0”）的發(fā)展，它能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的“高混合小批量”(HMLV) 生產(chǎn)。

制造工藝演變

為了有效地實(shí)現(xiàn)從 HVLM 向 HMLV 生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，制造商必須清楚認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)正在不斷地變化和增長(zhǎng)，然后利用可用的信息和技術(shù)來分析運(yùn)營(yíng)狀況并實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)目標(biāo)。一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)型因素是拋棄過于簡(jiǎn)單的理念和做法，確認(rèn)哪些隱性成本可能會(huì)阻礙生產(chǎn)率的提高。

大批量、低混合，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)學(xué)？標(biāo)準(zhǔn)化加工工藝起源于 19 世紀(jì)，用于加快生產(chǎn)具有可互換零件的相同產(chǎn)品。汽車制造業(yè)將這種 HVLM方法改進(jìn)到了極致，發(fā)展出傳送生產(chǎn)線和其他工藝方法，多年來制造了數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)相同的零部件。

HVLM 生產(chǎn)周期長(zhǎng)，這使得制造商能夠微調(diào)多個(gè)工藝因素，以實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)量、保持質(zhì)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(jī)器人在內(nèi)的輔助技術(shù)進(jìn)一步降低了生產(chǎn)變動(dòng)性。可以說操作過程完美運(yùn)行，能以可預(yù)測(cè)的成本實(shí)現(xiàn) 100% 產(chǎn)量，而且能消除計(jì)劃外閑置時(shí)間，杜絕次品和返工，也無需去毛刺等二次操作。

有個(gè)說法是刀具成本通常約占總生產(chǎn)成本的 3%。3% 可以作為一個(gè)基準(zhǔn)，但往往實(shí)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(zhì)從鋼材切換到鈦材可能會(huì)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(guān)注刀具嚙合時(shí)間會(huì)導(dǎo)致其他因素被忽略，例如因換刀而產(chǎn)生的閑置時(shí)間。這種方法實(shí)際上掩蓋了現(xiàn)實(shí)。制造商應(yīng)該了解加工時(shí)間、裝夾時(shí)間、換刀時(shí)間、裝載和卸載以及其他因素會(huì)相互影響和干擾。

在關(guān)于工藝因素之間意外作用的簡(jiǎn)化示例中，車間加工一個(gè)零件需要 2 分鐘的切削時(shí)間和 2

分鐘的工件裝卸時(shí)間。刀具轉(zhuǎn)位花掉 1 分鐘，刀具在使用壽命內(nèi)可加工 5個(gè)工件，因此每個(gè)零件所需的刀具轉(zhuǎn)位時(shí)間為 0.20 分鐘。由于每個(gè)零件需要 4.2分鐘的加工時(shí)間，所以每小時(shí)產(chǎn)量略高于 14 個(gè)工件。每個(gè)刀具的成本為 15 歐元，5個(gè)工件所需的刀具壽命決定了生產(chǎn) 14 個(gè)工件需要 2.8 個(gè)刀具（42 歐元）。機(jī)床成本為每小時(shí) 50歐元。這樣，每小時(shí)生產(chǎn) 14 個(gè)工件的總成本為 92 歐元。

然后，為了提升產(chǎn)量和生產(chǎn)率，車間將切削速度提高 10%。這樣可將切削時(shí)間縮短 10%（達(dá)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(zhuǎn)位之前，一個(gè)切削刃只能生產(chǎn)2.5

個(gè)工件。刀具轉(zhuǎn)位時(shí)間仍為一分鐘，工件裝卸兩分鐘。一個(gè)工件的生產(chǎn)時(shí)間為 4.2 分鐘（切削 1.8分鐘，工件操控 2 分鐘，刀具轉(zhuǎn)位 0.4 分鐘），換算一下也就是每小時(shí)生產(chǎn) 14個(gè)工件。機(jī)床和刀具的成本是相同的，但現(xiàn)在每小時(shí)需要耗費(fèi) 5.6 個(gè)刀具（84歐元刀具成本）。盡管努力提高產(chǎn)量，但 14 個(gè)工件的生產(chǎn)時(shí)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(huì)使操作更加高效。更改切削時(shí)間會(huì)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(zhuǎn)位時(shí)間。因此，車間必須仔細(xì)權(quán)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(zhuǎn)位所花費(fèi)的時(shí)間。指定的刀片轉(zhuǎn)位時(shí)間可能是一分鐘。然而在車間實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)它可能是兩分鐘、三分鐘甚至十分鐘，時(shí)間相差 60 到 600 秒。

刀具成本隨閑置時(shí)間的變化圖 2

高混合、小批量，全面的考慮如今，全球競(jìng)爭(zhēng)促使制造商生產(chǎn)不同類型的產(chǎn)品，以滿足較小用戶群的需求。先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)可以快速更改零件的設(shè)計(jì)和加工程序，還可以輕松跟蹤產(chǎn)品的變化和庫(kù)存。結(jié)果是制造商轉(zhuǎn)而采用“高混合、小批量”(HMLV)生產(chǎn)方案。如今，這種方法已經(jīng)發(fā)展到足以高效地制造個(gè)位數(shù)產(chǎn)品，甚至是大量生產(chǎn)單項(xiàng)產(chǎn)品。

HVLM 的更長(zhǎng)生產(chǎn)周期允許制造商從容地規(guī)劃和微調(diào)工藝因素。在 HMLV生產(chǎn)方案中，生產(chǎn)計(jì)劃是不同的。計(jì)算機(jī)化的工程和庫(kù)存技術(shù)支持快速變換產(chǎn)品類型和產(chǎn)量，但 HMLV 規(guī)劃過程變得復(fù)雜且反應(yīng)靈敏。客戶訂購(gòu)十個(gè)零件后，可能會(huì)接著訂購(gòu)兩個(gè)、五個(gè)零件甚至是單一產(chǎn)品多個(gè)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(jiǎn)單變得復(fù)雜。但是沒有足夠的試運(yùn)行時(shí)間來確定刀具壽命。

為了管理 HMLV 生產(chǎn)方案中的刀具壽命，車間通常會(huì)對(duì)刀具的預(yù)期壽命做出保守猜測(cè)；為了安全起見，每次加工都會(huì)使用新刀具，并在刀具達(dá)到其完整的生產(chǎn)壽命之前將其丟棄。切削時(shí)間只是整個(gè)加工中的因素之一。在 HMLV 生產(chǎn)中，操控不同工件和夾具以及更換刀具和轉(zhuǎn)位刀片所需的時(shí)間通常比實(shí)際切削時(shí)間更長(zhǎng)。刀具、機(jī)床、閑置時(shí)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(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法考慮了刀具和工件材料成本、設(shè)備和生產(chǎn)成本、停機(jī)期間的設(shè)備成本以及人員工資和維護(hù)成本。

生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué) 圖 3

快速變化的 HMLV 產(chǎn)品需求增加了實(shí)現(xiàn)高百分比合格率的難度。在生產(chǎn)周期較長(zhǎng)的 HVLM生產(chǎn)中，經(jīng)過試驗(yàn)和調(diào)整可以獲得高達(dá) 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(chǎn)代表 100% 的合格率，但是當(dāng)零件不合格或工件毀壞時(shí)，合格率變?yōu)榱?。由于對(duì)質(zhì)量、成本和時(shí)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(gè)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(nèi)應(yīng)用更強(qiáng)勁、更高產(chǎn)的切削參數(shù)。

一個(gè)相關(guān)變量是確定何時(shí)轉(zhuǎn)位刀具最合適。如果等待時(shí)間過長(zhǎng)，即使沒有損壞工件，也可能導(dǎo)致刀具破裂，至少會(huì)中斷生產(chǎn)。另一方面，過于頻繁的換刀會(huì)增加刀具成本，并會(huì)因停止加工和轉(zhuǎn)位刀具而耗費(fèi)更多時(shí)間。確定何時(shí)更換刀具需要審視換刀時(shí)機(jī)與整個(gè)加工系統(tǒng)的關(guān)系，以便制定換刀協(xié)議并遵循相關(guān)規(guī)則。

結(jié)論

金屬切削系統(tǒng)中的加工因素之間不是一對(duì)一的關(guān)系。改變切削工況、工件材料或產(chǎn)品產(chǎn)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(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是要了解這些關(guān)系，并制定相應(yīng)策略以務(wù)實(shí)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(xué)教授，而且他們沒有時(shí)間深入了解這些加工背后的關(guān)聯(lián)。因此，供應(yīng)商可以提供工藝分析和管理服務(wù)，幫助制造商全面了解其特定運(yùn)營(yíng)情況，并就如何最大限度地提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)實(shí)力提供有力指導(dǎo)。

令人惋惜的是，許多車間所有者擁有大量的業(yè)務(wù)和付費(fèi)客戶，但企業(yè)仍然面臨虧損。解決之道是認(rèn)清當(dāng)前生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)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(wù)能夠獲得最大回報(bào)。

附注

Duratomic 切屑.jpg 圖 4

自動(dòng)化分析

從批量生產(chǎn)初期開始，影響制造生產(chǎn)率和成本的因素?cái)?shù)量已經(jīng)成倍增加。隨著加工操作和設(shè)備變得越來越復(fù)雜，制造系統(tǒng)的各種要素之間的關(guān)系也變得日益復(fù)雜。這些要素都不是孤立存在的，例如，改變產(chǎn)量要求將會(huì)影響刀具、設(shè)備、維護(hù)、人工和其他成本。

確定影響因素的數(shù)量及其相互關(guān)系本身就是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。由于這種復(fù)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(chǎn)率成本分析”(PCA) 系統(tǒng)可以檢查整個(gè)制造過程，以確定降低成本和提高生產(chǎn)率的方法。該系統(tǒng)依托山高長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的全球制造經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)底蘊(yùn)。山高將這些知識(shí)與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)分析和算法結(jié)合在一起，包括采用蒙特卡羅模擬方法實(shí)現(xiàn)成本建模的自動(dòng)化。

山高技術(shù)專家能為客戶執(zhí)行 PCA，評(píng)估其制造過程中所使用的刀具和技術(shù)，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(shí)產(chǎn)出和投資成本）的綜合報(bào)告。PCA

可以評(píng)估從單個(gè)機(jī)床操作到整個(gè)制造流程。做這項(xiàng)分析的目的在于提高生產(chǎn)率，這對(duì)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(shí)別哪些方面需要進(jìn)行更深入的研究。

通過對(duì)操作或設(shè)施進(jìn)行時(shí)間和成本方面的基準(zhǔn)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(shí)間和產(chǎn)量要求。第二階段會(huì)進(jìn)行類似的刀具檢查，但會(huì)對(duì)切削工況和刀具進(jìn)行調(diào)整。第三階段可能考慮工藝、運(yùn)營(yíng)因素以及其他方面的改進(jìn)，比如機(jī)床升級(jí)。

無論制造商服務(wù)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(chǎn)率提高約 40% 。

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