上海, 2015 年 12 月 - 當(dāng)使用千差萬(wàn)別的工件材料生產(chǎn)各種部件時(shí)，制造商會(huì)采用多種加工工藝。不管什么工藝，但制造商們都有一個(gè)共同的目標(biāo)，那就是在指定的時(shí)間內(nèi)，以適當(dāng)?shù)某杀荆a(chǎn)出一定數(shù)量的、滿足質(zhì)量要求的工件。

      為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，很多制造商采用了一個(gè)片面的模型，這種模型首先著眼于選擇和應(yīng)用刀具，然后按照兵來(lái)將擋、水來(lái)土掩的思路解決問題。但如果將這種方法反其道而行之，則可以降低成本、提高效率。制造商不能等到問題出現(xiàn)之后再對(duì)個(gè)別加工操作進(jìn)行調(diào)整，而應(yīng)致力于首先制定旨在消除不合格零件和意外停機(jī)時(shí)間的前瞻性預(yù)案。建立了穩(wěn)定可靠的工藝之后，通過運(yùn)用生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的理念，可以幫助制造商在生產(chǎn)速度和制造成本之間找到平衡。隨后，在可靠、經(jīng)濟(jì)、高效加工的基礎(chǔ)上，制造商可以選擇能夠全面優(yōu)化加工工藝的刀具和切削條件。

      生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)

      在著手優(yōu)化金屬切削之前，必須確保工藝安全、可靠并能減少殘次零件數(shù)量、縮短意外停機(jī)時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)工藝安全性，需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境。制造商必須分析的領(lǐng)域包括機(jī)床維護(hù)、CAM 編程、刀柄系統(tǒng)以及冷卻液的應(yīng)用。工作處理自動(dòng)化，例如托盤或機(jī)械化零件裝載/卸載系統(tǒng)，也可以是評(píng)估的一部分。

     生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的藝術(shù)與科學(xué)側(cè)重于確保實(shí)現(xiàn)制造工藝的最高安全性和可預(yù)測(cè)性，同時(shí)保持最高的生產(chǎn)率和最低的生產(chǎn)成本。當(dāng)金屬切削工藝和環(huán)境安全且可預(yù)測(cè)時(shí)，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)將只關(guān)注兩個(gè)方面：在適合制造商具體情況的產(chǎn)量與制造成本之間找到平衡。例如，批量生產(chǎn)簡(jiǎn)單零件時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的可能是以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高的產(chǎn)量。相反，在品類雜、批量小的制造環(huán)境中生產(chǎn)貴重的復(fù)雜零件時(shí)，必須重點(diǎn)關(guān)注整體的可靠性和準(zhǔn)確性，其次才是設(shè)法降低制造成本。

     
  
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     最大限度縮短意外停機(jī)時(shí)間

     要實(shí)現(xiàn)最高的制造資源利用率，需要最大限度縮短停機(jī)時(shí)間，簡(jiǎn)而言之就是減少機(jī)床不切屑時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度。有些停機(jī)時(shí)間是必要的和計(jì)劃內(nèi)的。這包括用于編程和維護(hù)機(jī)床、安裝夾具、裝載和卸載工件以及更換刀具的時(shí)間。

     在準(zhǔn)備加工操作時(shí)，生產(chǎn)車間應(yīng)分析自身的目標(biāo)并制定可靠的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)它。主要目標(biāo)并非總是提高生產(chǎn)速度。盡管某些制造場(chǎng)合（例如汽車部件的生產(chǎn)）確實(shí)需要進(jìn)行大批量生產(chǎn)，但制造業(yè)普遍呈現(xiàn)出向品類雜、小批量生產(chǎn)模式發(fā)展的趨勢(shì)。

     在大規(guī)模生產(chǎn)中，當(dāng)開發(fā)一個(gè)加工工藝時(shí)，如果在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)有 50 或 100 個(gè)零件報(bào)廢，這對(duì)在該期間生產(chǎn)的成千上萬(wàn)個(gè)零件來(lái)說微不足道，因此很容易被忽略。然而，在品類雜、小批量的生產(chǎn)中，這個(gè)工藝必須在生產(chǎn)零件前，甚至從一開始就必須精心地開發(fā)。品類雜、小批量生產(chǎn)可能涉及小批量的零件生產(chǎn)、一批只有數(shù)個(gè)零件的生產(chǎn)，甚至只定制一個(gè)零件。在這種情況下，幾件不合格品就會(huì)造成利潤(rùn)和虧損的差異。

     制造商會(huì)在他們的生產(chǎn)計(jì)劃中考慮停機(jī)時(shí)間。然而，不合格品的產(chǎn)生會(huì)造成計(jì)劃外停機(jī)。如果必須重新加工不合格品，那么初始加工該零件所用的時(shí)間就是計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間，被浪費(fèi)掉了。

     傳統(tǒng)上，生產(chǎn)車間采取被動(dòng)的方法來(lái)縮短計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間。當(dāng)一個(gè)問題導(dǎo)致生產(chǎn)中斷時(shí)，便開始尋找解決方案。更好的方法是積極主動(dòng)地進(jìn)行規(guī)劃，從一開始就確定加工的關(guān)鍵目標(biāo)，并控制工藝流程以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而不是等待出現(xiàn)問題后再做出反應(yīng)。大多數(shù)生產(chǎn)車間用 20% 的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備工作，然后用 80% 的時(shí)間實(shí)施和測(cè)試。理想的做法是用 80% 的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備，其余 20% 的時(shí)間用來(lái)實(shí)施和調(diào)整（如有必要）。

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     微觀和宏觀

     為了實(shí)現(xiàn)最佳金屬切削結(jié)果，傳統(tǒng)方法會(huì)采用一個(gè)片面的微觀模型，該模型對(duì)個(gè)別加工中使用的個(gè)別刀具進(jìn)行了優(yōu)化。相反，宏觀模型從更廣的視角來(lái)考慮制造工藝。這些模型側(cè)重于生產(chǎn)指定的工件時(shí)所需的總計(jì)工序時(shí)間。

     可以從藝術(shù)家在作畫時(shí)的視角來(lái)比較微觀經(jīng)濟(jì)模型與宏觀經(jīng)濟(jì)模型之間的關(guān)系。微觀模型專注于個(gè)別細(xì)節(jié)，就像藝術(shù)家全神貫注于畫筆的個(gè)別筆觸。而宏觀模型則后退一步審視整個(gè)的零件生產(chǎn)流程，就像藝術(shù)家從整體觀賞自己的繪畫作品。很明顯，雖然需要關(guān)注細(xì)節(jié)，但不能以忽略工作的整體目標(biāo)為代價(jià)。

    隱性成本

    過于關(guān)注細(xì)節(jié)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法集中精力取得最終的加工成果。例如，借助一個(gè)額外的刀具將切削時(shí)間縮短了 10秒鐘，但其設(shè)置和轉(zhuǎn)位時(shí)間卻增加了 10 分鐘，這當(dāng)然不是明智之舉。同樣，想方設(shè)法實(shí)現(xiàn)超過客戶要求的產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)增加成本和生產(chǎn)時(shí)間。在這種情況下，人們難免會(huì)提出一個(gè)近乎嚴(yán)肅的問題：“需要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間、多少成本才能生產(chǎn)出質(zhì)量欠佳但其功能依然滿足要求的工件呢？”

     運(yùn)營(yíng)成本

    用于計(jì)算加工成本的模型也可以采用微觀視角和宏觀視角。微觀模型會(huì)從狹隘的視角考慮切削成本，并將切削條件直接與切削成本相關(guān)聯(lián)。而宏觀經(jīng)濟(jì)模型則從更廣的視角切入，側(cè)重于生產(chǎn)指定的工件時(shí)所需的總計(jì)時(shí)間。制造商通過多種方式來(lái)測(cè)量生產(chǎn)速度，包括一段時(shí)間內(nèi)完成的工件數(shù)量乃至完成加工所需的總計(jì)時(shí)間。很多因素會(huì)影響生產(chǎn)速度，包括工件形狀要求和材料特性、整個(gè)工廠的產(chǎn)品流、人員的投入、維護(hù)、周邊設(shè)備以及環(huán)保、回收和安全問題（請(qǐng)參見附注）。

     制造成本中的某些要素是固定的。工件的復(fù)雜程度和材料通常決定了制造零件時(shí)所需的加工操作的類型和數(shù)量。工廠機(jī)床的采購(gòu)成本、維護(hù)成本和電力成本基本上是固定成本。人工成本雖然比較靈活，但至少在短期內(nèi)能夠有效地固定下來(lái)。這些成本必須由所加工的零件換取的銷售收入來(lái)抵消。提高生產(chǎn)速度 — 也就是工件轉(zhuǎn)換為成品的速度 —可以抵消固定成本。

     個(gè)別優(yōu)化

     從宏觀角度平衡和優(yōu)化工藝的整體生產(chǎn)率和成本效益之后，制造商即可通過精心優(yōu)化個(gè)別的加工來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。切削條件 — 也就是切削深度、進(jìn)給量和切削速度 — 在平衡生產(chǎn)率和成本方面扮演著重要的角色。任何或所有這三個(gè)因素雖然都有助于縮短加工時(shí)間，但每個(gè)因素對(duì)加工可靠性的影響卻大相徑庭。切削深度對(duì)于刀具壽命幾乎沒有任何影響。進(jìn)給量會(huì)對(duì)刀具壽命產(chǎn)生輕微的影響。相比之下，切削速度對(duì)刀具壽命和切削工藝可靠性的影響就非常顯著。

     很多車間經(jīng)理堅(jiān)信只需提高切削速度就能夠在一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出更多的零件，并因此降低制造成本。這通常是正確的，但也需要付出代價(jià)。加工速度越快，通常越不穩(wěn)定。高速度會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，對(duì)刀具和工件都會(huì)產(chǎn)生影響。刀具磨損會(huì)更快，也更加不可預(yù)測(cè)，刀具磨損或振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致零件尺寸不一致和表面粗糙度下降。刀具可能會(huì)斷裂并導(dǎo)致工件受到損傷。此外，當(dāng)工藝要求超越極限的操作可靠性時(shí)，通常無(wú)法在無(wú)人值守或半無(wú)人值守的情況下穩(wěn)定地運(yùn)行，因此消除了一個(gè)節(jié)省人力的潛在來(lái)源。極高的切削速度和較高的加工參數(shù)可能會(huì)增加機(jī)床的維護(hù)成本，甚至?xí)捎跈C(jī)床出現(xiàn)故障而停機(jī)。

     在認(rèn)識(shí)到這些問題之后，美國(guó)的一名機(jī)械工程師 F.W. Taylor 在 20 世紀(jì)初開發(fā)了一個(gè)用于確定刀具壽命的模型。該模型顯示，對(duì)于給定的切削深度和進(jìn)給量組合，在特定的切削速度范圍內(nèi)，刀具的損耗是安全、可預(yù)測(cè)、可控制的。Taylor 的模型不僅能夠量化切削速度、刀具磨損和刀具壽命之間的關(guān)系，還可以在成本效益與生產(chǎn)率之間取得平衡，并清楚地說明了加工時(shí)的最佳切削速度。

     制造商通常應(yīng)當(dāng)在保證刀具夾緊、工件夾具和機(jī)床以及機(jī)床電力的穩(wěn)定性的前提下選擇每種加工允許使用的最大切削深度和最高進(jìn)給量。還必須考慮與切屑的形成和排除以及振動(dòng)和工件變形相關(guān)的加工安全性。平衡的方法是適當(dāng)降低切削速度，同時(shí)相應(yīng)地增大進(jìn)給量和切削深度。采用盡可能大的切削深度可減少所需的走刀次數(shù)，并因此縮短了加工時(shí)間。進(jìn)給量也應(yīng)最大化，盡管過大的進(jìn)給量可能會(huì)影響工件質(zhì)量和表面粗糙度要求。某些情況下，在降低切削速度的同時(shí)增大進(jìn)給量和切削深度可以實(shí)現(xiàn)與單純提高切削速度一樣的金屬移除率水平。

     生產(chǎn)成本是刀具成本與機(jī)床成本之和。當(dāng)提高切削速度時(shí)，加工時(shí)間會(huì)縮短，機(jī)床成本將下降。但從某個(gè)時(shí)刻開始，總成本將會(huì)上升，這是因?yàn)楦痰牡毒邏勖鼤?huì)增加刀具成本和換刀次數(shù)，在這兩方面付出的代價(jià)會(huì)超過在機(jī)床方面節(jié)約的成本。

     當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定、可靠的進(jìn)給量和切削深度組合時(shí)，可以使用切削速度對(duì)加工進(jìn)行最終校準(zhǔn)。目標(biāo)是提高切削速度以降低加工時(shí)間成本，但加快的刀具磨損并不會(huì)過度增加切削刀具成本。

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    與切削無(wú)關(guān)的問題

    環(huán)保問題和安全問題代表著生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)中越來(lái)越重要的因素。制造商面臨著節(jié)能壓力。冷卻液和切削油的使用和處理受到越來(lái)越多的監(jiān)管且代價(jià)越來(lái)越高。對(duì)切削條件而言，平衡的方法可以幫助制造商應(yīng)對(duì)這些問題和類似的顧慮。更低的切削速度以及更大的進(jìn)給量和更小的切削深度可減少切除金屬時(shí)所需的能源。平衡的條件還能夠延長(zhǎng)刀具壽命、減少刀具消耗和處置問題。更低的能耗可以減少熱量的產(chǎn)生，因此可以最大限度減少加工時(shí)使用的冷卻液甚至不使用任何冷卻液。
 
 
     結(jié)論

    要采用生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)理念，需要對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行整體分析并采用與很多現(xiàn)有的金屬切削方法相反的思維方式。然而，一旦將這些建議的策略付諸實(shí)施，不僅可以節(jié)省成本、提高工件質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的生產(chǎn)，還能夠在穩(wěn)定、可靠的整體制造工藝中保持生產(chǎn)率和盈利能力。

     附注

     全廠視角

    從宏觀角度審視加工工藝的好處在于可以突破個(gè)別金屬切削操作的限制。廣闊的視角會(huì)考慮生產(chǎn)中的所有環(huán)節(jié)的相互關(guān)系。一個(gè)簡(jiǎn)單的示例是在流水生產(chǎn)線中利用兩臺(tái)機(jī)床生產(chǎn)零件。如果機(jī)床 A 經(jīng)過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了更高的產(chǎn)量，但機(jī)床 B 的結(jié)果無(wú)法改進(jìn)，則第一臺(tái)機(jī)床生產(chǎn)出的零件只能作為半成品庫(kù)存等待第二臺(tái)機(jī)床完成加工，這樣就增加了成本。在這種情況下，只需降低第一臺(tái)機(jī)床的切削成本（而不是產(chǎn)量）即可在保持產(chǎn)量的同時(shí)降低整體的加工成本。

    另一方面，當(dāng)機(jī)床 B 閑置下來(lái)等待加工來(lái)自機(jī)床 A 的零件時(shí)，提高第一臺(tái)機(jī)床的產(chǎn)量即可提高總產(chǎn)量。這在很大程度上取決于車間生產(chǎn)流程的組織方式：是采用生產(chǎn)線加工、按批次加工，還是并行加工。

    此外，還可以根據(jù)制造商的整體業(yè)務(wù)來(lái)評(píng)估機(jī)床的采購(gòu)成本。在一種典型的情形中，車間讓銑床每周 40 小時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行，并決定將其更換為更昂貴、更精密、更快速的機(jī)床。但當(dāng)新機(jī)床投入使用之后，一半的時(shí)間都處于閑置狀態(tài)。

     該車間面臨著挑戰(zhàn)并需要增加支出以便尋找更多的業(yè)務(wù)，從而保持新機(jī)床持續(xù)運(yùn)行并證明對(duì)其進(jìn)行的投資物超所值。此外，能夠充分利用新機(jī)床加工能力的那些作業(yè)可能并不適合車間內(nèi)其余的加工工序或市場(chǎng)。更好的方法是首先從宏觀角度來(lái)審視全局，并預(yù)計(jì)新機(jī)床的更大產(chǎn)量會(huì)帶來(lái)什么樣的結(jié)果。價(jià)格較低且不太先進(jìn)的機(jī)床可能更適合目前和預(yù)期的零件要求和產(chǎn)量。與舊機(jī)床配合使用時(shí)，精心選擇的機(jī)床還能夠提供更高的靈活性和冗余度，從而應(yīng)對(duì)計(jì)劃內(nèi)或計(jì)劃外的機(jī)床停機(jī)時(shí)間。

     從全局的角度進(jìn)行工藝優(yōu)化并不一定很復(fù)雜，它也涉及一些非常基本和簡(jiǎn)單的操作及分析。通過研究廢舊的刀具，可以從廣闊的視角了解車間的現(xiàn)狀。例如，如果車間一般采用切削刃為 12 mm 長(zhǎng)的刀片，而刀具上的磨損形式僅達(dá)到 2 mm 或 2½ mm，那么該車間所使用的刀片對(duì)于所進(jìn)行的工作來(lái)說可能過大。具有 6 mm切削刃的刀具可能綽綽有余，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。通過執(zhí)行這樣的簡(jiǎn)單觀察即可將刀具成本降低 50% 且不會(huì)降低生產(chǎn)率。

    
  
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