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制造业控制浪费的实用方法
作者:山高刀具(上海)有限公司
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制造商们一直在追求生产力最大化和效率最大化。如今,制造商们往往会借助 于云计算、数据驱动的制造、信息物理系统、工业 4.0 等新一代信息技术。这些先进的理念无疑将会拉动制造业的转型发展。然而,与之相悖的是制造业的现状,制造环节中存在不少浪费现象,亟需加以控制。 在讨论数字化和优化之前,制造商们有必要仔细检查自身的操作流程,确定存在浪费的领域,并制定行之有效的方法来减少或消除浪费。控制浪费是制造企业准备采用先进智能制造战略的第一步。

生产经济性基础

制造由一系列转化过程构成。车间通过一系列单独的转化工序(例如锻造、焊接或加工),将原材料加工成成品或半成品。每个工序包括许多单独的要素。加工的基本要素包括刀具机床夹具、冷却液供应等。这些要素共同构成了一个从生产系统中的相关设备和组件获得支持的加工系统。

规划、编程和经济管理职能部门以生产系统为中心,构成生产环境。生产环境的核心要素是人。尽管今天的制造业广泛采用计算机、机器人和其他先进技术,但控制整体环境的决策者是人。

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图 1 - 制造工厂中各种要素及其相互关系的汇总图(NEXT STEP 模型和概念)。

加工工艺以一系列涉及刀具选择、切削工况、编程、工件材料和工装夹具的技术应用细节为基础。其他关键细节包括产量要求和成品工件的规定质量等级。

这些技术应用细节与经济效应之间的关系及其发展变化规律,称为生产经济性。生产经济性的目标是平衡所有涉及的因素。技术要素旨在工件质量、数量和及时交货方面产生令人满意的结果,但同时,为了企业的可持续发展,必须控制运营成本。

加工工艺中产量与成本之间的平衡可以通过三个阶段实现。第一阶段是制定可靠的加工工艺流程。这对尽量减少意外事件(例如刀具断裂、切屑不受控制以及由此产生的工件损坏)至关重要。通过选择有能力满足或超过加工工艺中产生的机械负荷、热负荷、化学负荷和摩擦负荷的刀具,可确保车间操作的可靠性。

图 2 - STEP 中开发的整体可加工性模型。

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实现平衡生产经济性的第二阶段涉及选择切削工况,反映了现实情况对加工工艺的限制。理论上,切削刀具的适用性非常广泛。然而,车间的特定现实情况限制了有效应用参数的范围。

例如,刀具的能力和性能会受以下因素影响:装配该刀具的机床的功率大小、工件材料的加工特性、以及零件配置是否容易引起振动或变形。尽管在理论上可以选择广泛的切削工况,但事实上,刀具的选择范围是受现实限制的。

图 3 显示,结合特定切削应用场合的现实情况,适用的切削速度、切削深度和进给量选择已缩减。

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图 3 - 三维示图显示了可在切削环境限制下使用的所有切削工况组合。

应用特定场合的应用限制范围之外的切削工况将会产生负面经济效应,导致成本增加、生产率降低。加工工艺中大约 90% 的问题都源于未重视车间现实情况对切削工艺的限制。

当切削工况未超出车间应用限制范围时,从技术层面上来说,操作是安全的。然而,技术性安全的切削工况组合并不会产生相同的经济效益。切削工况改变时,加工工艺成本也会随之变化。移向更激进但技术上仍安全的切削工况时,成品工件的产量会增加,但在到达某一点后,生产率便会下降,因为激进的切削参数会导致刀具寿命缩短。随着时间的推移,由于换刀会花费更多的时间,零件产量也会下降。

切削工况组合在某一点可以实现产量和制造成本的平衡。图 4 显示了切削工况、生产率以及刀具和机床成本之间的关系。(图形仅关注受切削工况影响的要素 - 不包括材料成本、间接成本以及管理和工程成本。)轴的右侧是更为激进的切削工况,并在顶点获得更高的生产率。图形中间的淡蓝色区域标志着能够实现生产率(最高产量)和经济性(最低成本)平衡的切削工况组合。

图 4 – 切削工况、生产率和加工成本之间的关系。这是一个简化的模型,未考虑浪费因素。

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因此,实现平衡生产经济性的第三阶段涉及在给定条件下确定切削工况的最佳组合。需要考虑加工操作中的所有因素,采用可以实现所需生产率和经济性的切削参数。

浪费对生产经济性的影响

然而,制造系统中的浪费会干扰平衡生产经济性的作用机制。制造系统中存在各种形式的浪费,这种浪费会破坏平衡。例如,在一个仅需 15kW 的连续切削应用场合中使用 60kW 的机床就是一种能源和电力浪费。再比如,当成品工件未达到要求的质量等级时,由于产品不合格,加工工艺中投入的时间、金钱和资源就是种浪费。同样,当制造工件非必要地高出所需的质量等级时,也是种浪费,因为更高的质量意味着更多的成本投入。

不充分利用或滥用智力资源也是种浪费,这种浪费往往未受到重视。公司某些员工可能拥有能够帮助公司发展的知识或技能,但由于缺乏沟通、公司内部政治等原因,其知识和技能未得到充分利用,因此浪费掉了。

减少浪费的工具

在确定浪费行为并进行分类后,车间应制定一个减少或消除浪费的计划。制造商可以借助于很多工具来查明、量化并尽量减少浪费行为。例如,对刀具使用、操作和性能下降的分析将有助于找出存在问题的环节。

这类分析已表明,在某些情况下,多达 20% 至 30% 的刀具被工作人员错误地判定为报废,而实际上它们仍然可以使用 - 剩余的刀具寿命就被浪费掉了。通过制定明确的刀具报废标准并将标准传达给车间工作人员,可以大大减少刀具寿命的浪费。

同样,机床停机时间分析可以量化刀具装夹、编程和换刀等活动所花费的时间。这些分析往往表明,通过更好地理解、执行和协调这些必要但耗时的活动,可以避免多达 50% 至 60% 的停机时间。

借助采访、调查和培训计划,可以在处理那些导致智力资源和知识技能被浪费的人事问题时,发现很多有用的信息。由此,员工可以更好地开展工作,并培养自身的能力,从而最大限度地提高生产率。

管理增值活动、价值支持活动和非必要活动

20世纪初,美国机械工程师 Fredrick Taylor 对车间操作进行了大量研究,提出通过消除生产环节中不会为最终产品增加价值的活动来推动生产率的提高。现代“精益生产”原则遵循了同样的理念。

在加工操作中,只有当刀具实际切削金属并生成切屑时,才会发生真正的增值活动。其他例如零件装载和固定等行为,称为“价值支持活动”,这些活动不会直接增加产品的价值,但却是实现增值所必须的活动。

加工系统中的第三种活动是非必要活动。这些活动既不创造价值,也不支持创造价值,相反消耗资源,不会带来任何效益。纯粹属于浪费行为。解决问题就是一种非必要活动。如果起初就合理地设计并控制加工工艺,那么就不会产生问题,也无需浪费时间来解决。

图 5 - 加工车间以及所有相关要素的示意图。

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结论

过去,非必要活动往往被视为制造工艺的一部分,而非干扰生产经济性平衡的主要因素。如今,人们开始关注消除或尽可能减少非必要活动。生产率和产能规划的重点在于消除非必要活动,尽可能减少价值支持活动,并优化增值活动。(参见图 6)

图6 - 增值活动(橙色)、价值支持活动(蓝色)和浪费活动(红色)概览。人力(灰色)是实现最佳制造绩效的关键因素。

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消除浪费后,理论上的生产经济性就能得以实现。在这一点上,生产经济性的进步可以直接应用于公司。然而,在努力消除每种浪费时,必须小心谨慎。关键是要量化浪费减少活动的投资回报。彻底消除浪费可能会涉及非常大的投资,从经济的角度来看,接受浪费或部分浪费并与之共存可能是更妥善的选择。在做出此类决策时,需要遵从适当的定量分析,公司内部也需要平衡利弊。

附注: 山高咨询服务

随着产品制造变得越来越复杂,用户需要更多应用协助,从而从新技术中获得最大利益。在加工中,初级协助是指导用户为某一操作选择合适的刀具。选择刀具后,在选择最佳切削工况、冷却液的使用和其他考虑因素时,用户需要进一步的指导建议。然后,如果刀具在该操作中不能发挥预期性能,刀具供应商可以提供故障排除帮助。这三种协助模式构成了传统的刀具服务。

当刀具服务从单一应用扩展到涵盖一台或多台机床对工件进行多项加工的工艺时,最终用户需要获得有关安排工序、工件操作和其他方面的指导,从而最大限度地提高效率和生产率。这种协助等级被称为“工程服务”。

制造商们越来越频繁地寻求有关改善整个车间或企业的职能、产量和成本控制方面的指导。在这种情况下,一些独立的咨询公司开始开展所谓的“管理或制造咨询”业务。然而,要对一家制造企业进行真正的评估,就必须全
面理解该企业的核心业务。

数十年来,凭借长期积累且广泛的加工工艺及刀具知识,山高一直致力于提供传统的刀具服务、工程服务,并在某种程度上还提供了更大规模的咨询服务。这些都是在特定情况下为客户提供的协助性服务,但在 2016 年,山高组建了自己的咨询服务部门,从而为客户提供一系列更精简、更快速的制造服务。

山高咨询服务包括广泛的专业资源和交付方法。刀具选择和应用协助通过在线方式全天候为客户提供,以满足车间希望快速提高生产率的需求。

工程服务可以通过电子通讯提供,并在必要时进行现场查看。山高咨询服务还包括对车间各职能部门的操作进行综合全面的分析和指导,以及有关机床维护、车间布局、物流和组织职能的咨询。此外,还可就以下方面提供咨询:人员技能和知识问题,以及企业生产战略中制造技术与成本之间的关系。

所有山高咨询关系都基于 NEXT STEP 概念,并且根据企业客户的具体需求进行定制。此外,这也是山高和客户的对话平台,旨在实现共同目标。
文章内容仅供参考 (投稿) (2017-7-6)
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