成功的加工需要富有成效的平衡

作者：山高刀具集团技术培训经理 Patrick de Vos

欢迎访问e展厅 展厅 3 铣刀展厅 钨钢铣刀, 立铣刀, 整体铣刀, 盘铣刀, 螺纹铣刀, ... 当使用千差万别的工件材料生产各种部件时，制造商会采用多种加工工艺。 不管什么工艺，但制造商们都有一个共同的目标，那就是在指定的时间内，以适当的成本，生产出一定数 量的、满足质量要求的工件。 为了实现这一目标，很多制造商采用了一个片面的模型，这种模型首先着眼于选择和应用刀具，然后按照兵来将挡、水来土掩的思路解决问题。但如果将这种方法反其道而行之，则可以降低成本、提高效率。制造商不能等到问题出现之后再对个别加工操作进行调整，而应致力于首先制定旨在消除不合格零件和意外停机时间的前瞻性预案。建立了稳定可靠的工艺之后，通过运用生产经济学的理念，可以帮助制造商在生产速度和制造成本之间找到平衡。随后，在可靠、经济、高效加工的基础上，制造商可以选择能够全面优化加工工艺的刀具和切削条件。 生产经济学 在着手优化金属切削之前，必须确保工艺安全、可靠并能减少残次零件数量、缩短意外停机时间。要实现工艺安全性，需要创造一个稳定的生产环境。制造商必须分析的领域包括机床维护、CAM 编程、刀柄系统以及冷却液的应用。工作处理自动化，例如托盘或机械化零件装载/卸载系统，也可以是评估的一部分。 生产经济学的艺术与科学侧重于确保实现制造工艺的最高安全性和可预测性，同时保持最高的生产率和最低的生产成本。当金属切削工艺和环境安全且可预测时，生产经济学将只关注两个方面：在适合制造商具体情况的产量与制造成本之间找到平衡。例如，批量生产简单零件时，需要重点考虑的可能是以最低的成本实现最高的产量。相反，在品类杂、批量小的制造环境中生产贵重的复杂零件时，必须重点关注整体的可靠性和准确性，其次才是设法降低制造成本。 最大限度缩短意外停机时间 要实现最高的制造资源利用率，需要最大限度缩短停机时间，简而言之就是减少机床不切屑时的时间长度。有些停机时间是必要的和计划内的。这包括用于编程和维护机床、安装夹具、装载和卸载工件以及更换刀具的时间。 制造商会在他们的生产计划中考虑停机时间。然而，不合格品的产生会造成计划外停机。如果必须重新加工不合格品，那么初始加工该零件所用的时间就是计划外的停机时间，被浪费掉了。 传统上，生产车间采取被动的方法来缩短计划外停机时间。当一个问题导致生产中断时，便开始寻找解决方案。更好的方法是积极主动地进行规划，从一开始就确定加工的关键目标，并控制工艺流程以实现目标，而不是等待出现问题后再做出反应。大多数生产车间用 20% 的时间进行准备工作，然后用 80% 的时间实施和测试。理想的做法是 用 80% 的时间进行准备，其余 20% 的时间用来实施和调整（如有必要）。 在准备加工操作时，生产车间应分析自身的目标并制定可靠的流程来实现它。主要目标并非总是提高生产速度。尽管某些制造场合（例如汽车部件的生产）确实需要进行大批量生产，但制造业普遍呈现出向品类杂、小批量生产模式发展的趋势。 在大规模生产中，当开发一个加工工艺时，如果在较长的一段时间内有 50 或 100 个零件报废，这对在该期间生产的成千上万个零件来说微不足道，因此很容易被忽略。然而，在品类杂、小批量的生产中，这个工艺必须在生产零件前，甚至从一开始就必须精心地开发。品类杂、小批量生产可能涉及小批量的零件生产、一批只有数个零件的生产，甚至只定制一个零件。在这种情况下，几件不合格品就会造成利润和亏损的差异。 微观和宏观 为了实现最佳金属切削结果，传统方法会采用一个片面的微观模型，该模型对个别加工中使用的个别刀具进行了优化。相反，宏观模型从更广的视角来考虑制造工艺。这些模型侧重于生产指定的工件时所需的总计工序时间。 可以从艺术家在作画时的视角来比较微观经济模型与宏观经济模型之间的关系。微观模型专注于个别细节，就像艺术家全神贯注于画笔的个别笔触。而宏观模型则后退一步审视整个的零件生产流程，就像艺术家从整体观赏自己的绘画作品。很明显，虽然需要关注细节，但不能以忽略工作的整体目标为代价。 隐性成本 过于关注细节会导致无法集中精力取得最终的加工成果。例如，借助一个额外的刀具将切削时间缩短了 10 秒钟，但其设置和转位时间却增加了 10 分钟，这当然不是明智之举。同样，想方设法实现超过客户要求的产品质量也会增加成本和生产时间。在这种情况下，人们难免会提出一个近乎严肃的问题：“需要花费多长时间、多少成本才能生产出质量欠佳但其功能依然满足要求的工件呢？” 运营成本 用于计算加工成本的模型也可以采用微观视角和宏观视角。微观模型会从狭隘的视角考虑切削成本，并将切削条件直接与切削成本相关联。而宏观经济模型则从更广的视角切入，侧重于生产指定的工件时所需的总计时间。 制造商通过多种方式来测量生产速度，包括一段时间内完成的工件数量乃至完成加工所需的总计时间。很多因素会影响生产速度，包括工件形状要求和材料特性、整个工厂的产品流、人员的投入、维护、周边设备以及环保、回收和安全问题（请参见附注）。 制造成本中的某些要素是固定的。工件的复杂程度和材料通常决定了制造零件时所需的加工操作的类型和数量。工厂机床的采购成本、维护成本和电力成本基本上是固定成本。人工成本虽然比较灵活，但至少在短期内能够有效地固定下来。这些成本必须由所加工的零件换取的销售收入来抵消。提高生产速度 — 也就是工件转换为成品的速度 — 可以抵消固定成本。 个别优化 从宏观角度平衡和优化工艺的整体生产率和成本效益之后，制造商即可通过精心优化个别的加工来实现进一步的改进。切削条件 — 也就是切削深度、进给量和切削速度 — 在平衡生产率和成本方面扮演着重要的角色。任何或所有这三个因素虽然都有助于缩短加工时间，但每个因素对加工可靠性的影响却大相径庭。切削深度对于刀具寿命几乎没有任何影响。进给量会对刀具寿命产生轻微的影响。相比之下，切削速度对刀具寿命和切削工艺可靠性的影响就非常显著。 很多车间经理坚信只需提高切削速度就能够在一段时间内生产出更多的零件，并因此降低制造成本。这通常是正确的，但也需要付出代价。加工速度越快，通常越不稳定。高速度会产生更多的热量，对刀具和工件都会产生影响。刀具磨损会更快，也更加不可预测，刀具磨损或振动还会导致零件尺寸不一致和表面粗糙度下降。 刀具可能会断裂并导致工件受到损伤。此外，当工艺要求超越极限的操作可靠性时，通常无法在无人值守或半无人值守的情况下稳定地运行，因此消除了一个节省人力的潜在来源。极高的切削速度和较高的加工参数可能会增加机床的维护成本，甚至会由于机床出现故障而停机。 在认识到这些问题之后，美国的一名机械工程师 F.W. Taylor 在 20 世纪初开发了一个用于确定刀具寿命的模型。该模型显示，对于给定的切削深度和进给量组合，在特定的切削速度范围内，刀具的损耗是安全、可预测、可控制的。Taylor 的模型不仅能够量化切削速度、刀具磨损和刀具寿命之间的关系，还可以在成本效益与生产率之间取得平衡，并清楚地说明了加工时的最佳切削速度。 制造商通常应当在保证刀具夹紧、工件夹具和机床以及机床电力的稳定性的前提下选择每种加工允许使用的最大切削深度和最高进给量。还必须考虑与切屑的形成和排除以及振动和工件变形相关的加工安全性。平衡的方法是适当降低切削速度，同时相应地增大进给量和切削深度。采用尽可能大的切削深度可减少所需的走刀次数，并因此缩短了加工时间。进给量也应最大化，尽管过大的进给量可能会影响工件质量和表面粗糙度要求。某些情况下，在降低切削速度的同时增大进给量和切削深度可以实现与单纯提高切削速度一样的金属移除率水平。 生产成本是刀具成本与机床成本之和。当提高切削速度时，加工时间会缩短，机床成本将下降。但从某个时刻开始，总成本将会上升，这是因为更短的刀具寿命会增加刀具成本和换刀次数，在这两方面付出的代价会超过在机床方面节约的成本。 当达到稳定、可靠的进给量和切削深度组合时，可以使用切削速度对加工进行最终校准。目标是提高切削速度以降低加工时间成本，但加快的刀具磨损并不会过度增加切削刀具成本。 与切削无关的问题 环保问题和安全问题代表着生产经济学中越来越重要的因素。制造商面临着节能压力。冷却液和切削油的使用和处理受到越来越多的监管且代价越来越高。对切削条件而言，平衡的方法可以帮助制造商应对这些问题和类似的顾虑。更低的切削速度以及更大的进给量和更小的切削深度可减少切除金属时所需的能源。平衡的条件还能够延长刀具寿命、减少刀具消耗和处置问题。更低的能耗可以减少热量的产生，因此可以最大限度减少加工时使用的冷却液甚至不使用任何冷却液。 结论 要采用生产经济学理念，需要对加工环境进行整体分析并采用与很多现有的金属切削方法相反的思维方式。然而，一旦将这些建议的策略付诸实施，不仅可以节省成本、提高工件质量和实现更环保的生产，还能够在稳定、可靠的整体制造工艺中保持生产率和盈利能力。 附注：全厂视角 从宏观角度审视加工工艺的好处在于可以突破个别金属切削操作的限制。广阔的视角会考虑生产中的所有环节的相互关系。一个简单的示例是在流水生产线中利用两台机床生产零件。如果机床 A 经过优化实现了更高的产量，但机床 B 的结果无法改进，则第一台机床生产出的零件只能作为半成品库存等待第二台机床完成加工，这样就增加了成本。在这种情况下，只需降低第一台机床的切削成本（而不是产量）即可在保持产量的同时降低整体的加工成本。 另一方面，当机床 B 闲置下来等待加工来自机床 A 的零件时，提高第一台机床的产量即可提高总产量。这在很大程度上取决于车间生产流程的组织方式：是采用生产线加工、按批次加工，还是并行加工。 此外，还可以根据制造商的整体业务来评估机床的采购成本。在一种典型的情形中，车间让铣床每周 40 小时满负荷运行，并决定将其更换为更昂贵、更精密、更快速的机床。但当新机床投入使用之后，一半的时间都处于闲置状态。 该车间面临着挑战并需要增加支出以便寻找更多的业务，从而保持新机床持续运行并证明对其进行的投资物超所值。此外，能够充分利用新机床加工能力的那些作业可能并不适合车间内其余的加工工序或市场。更好的方法是首先从宏观角度来审视全局，并预计新机床的更大产量会带来什么样的结果。价格较低且不太先进的机床可能更适合目前和预期的零件要求和产量。与旧机床配合使用时，精心选择的机床还能够提供更高的灵活性和冗余度，从而应对计划内或计划外的机床停机时间。 从全局的角度进行工艺优化并不一定很复杂，它也涉及一些非常基本和简单的操作及分析。通过研究废旧的刀具，可以从广阔的视角了解车间的现状。例如，如果车间一般采用切削刃为 12 mm 长的刀片，而刀具上的磨损形式仅达到 2 mm 或 2½ mm，那么该车间所使用的刀片对于所进行的工作来说可能过大。具有 6 mm 切削刃的刀具可能绰绰有余，但具有 6 mm 切削刃的刀具要比具有 12 mm 切削刃的刀具便宜很多。通过执行这样的简单观察即可将刀具成本降低 50% 且不会降低生产率。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/16/2015)