工藝損耗

切削刀具是金屬切削工藝流程的基本組成部分。在合理選擇并正確應(yīng)用的情況下，刀具能夠最大限度地提高生產(chǎn)率；但在另一方面，也可能會(huì)造成生產(chǎn)瓶頸。這很大程度上取決于如何根據(jù)整體制造工藝流程來管理刀具的使用。

刀具損耗分析

從本質(zhì)上說，切削刀具是一種耗材；它們會(huì)不斷磨損，直到不再能有效地工作。傳統(tǒng)的金屬切削刀具管理方法僅采用磨損分析，并且關(guān)注的重點(diǎn)是控制刀具材料、槽型和應(yīng)用參數(shù)，從而在選定的加工操作中實(shí)現(xiàn)更高的零件產(chǎn)量和更長(zhǎng)的刀具壽命。然而，要最大程度地提高工廠整個(gè)制造工藝流程的效率，除了刀具磨損外，還需要考慮其他眾多因素。關(guān)鍵是要根據(jù)整體或“綜合”的制造工藝流程來全面檢查切削刀具的磨損，或者更廣泛地說，刀具損耗。

綜合刀具損耗分析 (GTDA) 不再局限于刀具磨損的基本測(cè)量，它還考慮了其他與刀具相關(guān)的問題，例如花費(fèi)在刀具裝夾上的時(shí)間、磨損以外的問題、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、車間組織、員工態(tài)度和責(zé)任感、價(jià)值流管理和總制造成本。GTDA 基于對(duì)大量隨機(jī)選擇的車間切削刀具進(jìn)行定期評(píng)估，構(gòu)勒出一個(gè)綜合全面的圖形來反映刀具對(duì)工廠整體制造業(yè)務(wù)的貢獻(xiàn)。

綜合制造工藝流程

對(duì)刀具磨損的研究通常僅限于特定加工操作中使用的單個(gè)刀具。但是，為了使收益最大化，需要根據(jù)工廠制造加工流程中的所有加工全面考慮刀具磨損或損耗。制造工藝流程始于原材料采購(gòu)和規(guī)劃，其中涉及整合人力資源、技術(shù)資源和資本投資。隨后會(huì)開展一些增值和價(jià)值支持活動(dòng)，但這些活動(dòng)可能會(huì)受到廢物產(chǎn)生事件的限制而造成資金、時(shí)間和人力資源的損失，進(jìn)而會(huì)降低零件質(zhì)量和產(chǎn)量。輸出按照以下方面進(jìn)行測(cè)量：零件質(zhì)量、所需的零件數(shù)量以及所需的生產(chǎn)時(shí)間和成本。

制造工藝流程

制造工藝流程的演變

分析和預(yù)測(cè)刀具壽命的方法取決于刀具的使用方式。幾個(gè)世紀(jì)以來，制造業(yè)從個(gè)別產(chǎn)品的工藝級(jí)生產(chǎn)發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)化零件的批量生產(chǎn)。隨后，制造方法的改善帶來了第二代批量生產(chǎn)，人們能夠?qū)︻愃屏慵M(jìn)行更大規(guī)模的生產(chǎn) – 大批量、低產(chǎn)品混合 (HVLM) 方案。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于編程、機(jī)床控制和工件處理系統(tǒng)，第三代批量生產(chǎn)應(yīng)運(yùn)而生，它實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的高產(chǎn)品混合、小批量 (HMLV) 生產(chǎn)。

制造工藝流程的演變

盡管關(guān)鍵的性能問題（即實(shí)現(xiàn)成本和時(shí)間效率、最低程度的質(zhì)量以及一定程度的產(chǎn)量）沒有改變，但第二代和第三代批量生產(chǎn)技術(shù)采用了不同的刀具壽命分析方法。在第二代 HVLM 方案中，人們?cè)诳赡艹掷m(xù)數(shù)天、數(shù)月或數(shù)年的生產(chǎn)運(yùn)行中使用相同的工件材料、相同的設(shè)備和同一種切削刀具來加工相同的零件。在這種情況下，刀具壽命的管理相對(duì)簡(jiǎn)單。車間人員使用原型和試運(yùn)行來確定最佳的平均刀具壽命，然后將所需的零件數(shù)量除以各個(gè)刀具的預(yù)期壽命。

一致的刀具壽命預(yù)期數(shù)據(jù)使車間能夠有效制定刀具更換計(jì)劃，從而最大限度地提高刀具利用率并支持連續(xù)生產(chǎn)。然而，隨著時(shí)間的推移，制造商逐漸發(fā)現(xiàn)了 HVLM 生產(chǎn)方法的劣勢(shì)。為了平衡零件庫存和需求并適應(yīng)持續(xù)不斷的工程變化，制造商在長(zhǎng)期不變的生產(chǎn)運(yùn)行中加工的零件越來越少。

與此同時(shí)，第三代 HMLV 批量生產(chǎn)策略越來越受制造商青睞?？焖倏烧{(diào)的 HMLV 工藝流程非常適合當(dāng)前的庫存和工程目標(biāo)，但規(guī)劃過程復(fù)雜得多。在完成數(shù)量為十個(gè)零件的加工批次后，接下來可能需要完成數(shù)量為兩個(gè)、五個(gè)甚至一個(gè)零件的加工批次。工件材料可能從鋼變?yōu)殇X，再變?yōu)殁仯⑶伊慵膸缀涡螤钜部赡軓暮?jiǎn)單變?yōu)閺?fù)雜。因此，沒有足夠的試驗(yàn)時(shí)間來確定刀具壽命。

在這種情況下，車間通常會(huì)對(duì)刀具的預(yù)期使用壽命做出一個(gè)保守的猜測(cè)，而且為了安全起見，每一次運(yùn)行都要使用新刀具，并在刀具遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)壽命之前就扔掉它。通過采用更全面的刀具磨損分析和預(yù)測(cè)方法，可以幫助減少切削刀具能力的浪費(fèi)。

二元產(chǎn)出率的可能性

快速變化的 HMLV 制造方法增加了在加工操作中實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出率的難度。在長(zhǎng)期運(yùn)行的 HVLM 生產(chǎn)環(huán)境中，試驗(yàn)和調(diào)整可以實(shí)現(xiàn) 90% 以上的高產(chǎn)出率。另一方面，HMLV 生產(chǎn)環(huán)境中的產(chǎn)出率可能是二元的。成功的單件運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn) 100% 的產(chǎn)出率，而當(dāng)零件不合格或工件損壞時(shí)，產(chǎn)出率為零。

人們對(duì)質(zhì)量、成本效率和時(shí)間效率的要求不變，但首次產(chǎn)出率成為首要要求。在這種情況下，避免刀具破損可能是最重要的考慮因素。一項(xiàng)好處是刀具磨損在短期運(yùn)行場(chǎng)合中影響極小，因此車間可以在合理的范圍內(nèi)應(yīng)用更強(qiáng)大、更高產(chǎn)的切削參數(shù)。

工藝和人員貢獻(xiàn)

長(zhǎng)期不變的 HVLM 生產(chǎn)運(yùn)行一般會(huì)顯著消弱人員對(duì)制造工藝流程的貢獻(xiàn)。在啟動(dòng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，操作基本上會(huì)自動(dòng)進(jìn)行。即使在需要操作人員參與零件轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，這些情況的重復(fù)性質(zhì)也會(huì)使操作員和編程人員的影響顯得微不足道。這種制造方案不需要（甚至可能制止）靈活性。

相反，快速變化的 HMLV 方案再次強(qiáng)調(diào)了人在制造工藝流程中的作用，指出傳統(tǒng)工藝形式需要結(jié)合人的創(chuàng)造性和靈活性，從而高效地適應(yīng)不斷變化的零件和切削工況 - HMLV 加工的特征。

關(guān)注結(jié)果之前的工藝流程

許多制造工藝流程分析工作僅專注于審查與刀具壽命和零件產(chǎn)量有關(guān)的最終結(jié)果，而不全面檢查工藝流程本身。這可能會(huì)遺漏一些與切削刀具有關(guān)但不直接影響刀具壽命的問題，并造成生產(chǎn)瓶頸。例如，毛刺通常與刀具壽命無關(guān)，但會(huì)中斷制造工藝流程，因?yàn)楸仨氶_發(fā)并實(shí)施額外的加工操作來去除毛刺。

然而，毛刺的形成與刀具槽型和應(yīng)用參數(shù)有關(guān)，因此必須在刀具損耗分析中加以考慮。另一個(gè)通常與刀具磨損無關(guān)的問題是刀具破損，這涉及刀具材料、槽型、應(yīng)用參數(shù)以及機(jī)床因素。

卓越運(yùn)營(yíng)的要素

制造效率的基本內(nèi)容是消除浪費(fèi)、靈活性缺乏問題和易變性。綜合刀具損耗分析考慮五種卓越運(yùn)營(yíng)要素。

首先，必須全面了解整個(gè)加工流程和加工操作與工件材料的關(guān)系。第二，必須注意通過精益制造策略和其他舉措來減少浪費(fèi)。第三，需要運(yùn)用生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念來保證盈利能力。第四，應(yīng)根據(jù)制造數(shù)量和零件種類來考慮產(chǎn)出率目標(biāo)；必須將最大限度地提高靈活性作為最小化生產(chǎn)瓶頸的方法，但必須控制易變性，以確保一致的零件公差。最后，必須強(qiáng)調(diào)制造人員的價(jià)值，從而充分利用這一獨(dú)特的、不可替代的資源。

不僅僅考慮刀具磨損

綜合刀具分析在刀片切削刃初始測(cè)量的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了刀具在總貨物銷售成本 (COGS) 中所占比例的分析、一分鐘換模 (SMED) 分析、價(jià)值流管理 (VSM) 結(jié)果和整體設(shè)備效率 (OEE) 百分比。

與刀具相關(guān)的最基本的經(jīng)濟(jì)考慮因素?zé)o疑是刀具成本。圖 4 顯示了加工流程中各個(gè)要素的成本，并將它們合計(jì)為 COGS。這些數(shù)據(jù)使車間能夠比較各種生產(chǎn)成本要素，從而找出可降低成本并提高業(yè)務(wù)盈利能力的方法。

刀具成本

另一個(gè)與刀具相關(guān)的經(jīng)濟(jì)要素是刀具花費(fèi)時(shí)間 – 在實(shí)際加工操作之外用于操縱刀具的時(shí)間。刀具轉(zhuǎn)換和裝夾時(shí)間通過 SMED 分析技術(shù)進(jìn)行分析，該技術(shù)還顯示了刀具磨損和更換成本之外的費(fèi)用。其中的部分費(fèi)用用于采購(gòu)和組織刀具、安裝刀具和將程序加載到機(jī)床中。

OEE 決定有多少可用的制造時(shí)間得到高效利用。OEE 分析可以指出損失、設(shè)定改進(jìn)基準(zhǔn)并通過消除浪費(fèi)提高生產(chǎn)率。OEE 分析首先確定用于生產(chǎn)的總時(shí)間，然后減去計(jì)劃停機(jī)時(shí)間、計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、輕微停止和損失速度時(shí)間以及廢品和返工時(shí)間，從而得出有效加工時(shí)間（以占總可用時(shí)間的百分比表示）。100% OEE 是一個(gè)理想但幾乎無法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，它表示以盡可能快的速度生產(chǎn)出規(guī)定質(zhì)量的零件，且沒有浪費(fèi)時(shí)間。

VSM 分析旨在說明在制造工藝流程的所有要素之間均衡進(jìn)行性能改進(jìn)的必要性。圖 5 顯示了在改進(jìn)系統(tǒng)中某個(gè)要素的性能而不改進(jìn)其他要素時(shí)所取得的效果。就像眾人劃船一樣，只有一位劃船者表現(xiàn)優(yōu)異反而會(huì)傷害到船的整體性能。

在改進(jìn)工藝的各個(gè)部分時(shí)，必須同時(shí)考慮它們與以下各項(xiàng)的關(guān)系：生產(chǎn)數(shù)量和種類、工件材料特性、零件幾何形狀、機(jī)床和夾具要求以及其他因素，從而實(shí)現(xiàn)并保持整體平衡的生產(chǎn)操作。

綜合刀具損耗分析

基本上，綜合刀具損耗分析 (GTDA) 是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的流程。它從整個(gè)車間中隨機(jī)選取大量刀具并逐個(gè)檢查它們的切削刃，以確定哪些切削刃發(fā)生了磨損。磨損按其類型和數(shù)量進(jìn)行分類。傳統(tǒng)的刀具磨損分析專注于一項(xiàng)加工操作中的一種刀具；而 GTDA 從整個(gè)車間中收集有關(guān)刀具磨損與其他刀具相關(guān)問題的信息，然后應(yīng)用 COGS、SMED、VSM、OEE 和其他分析工具來編譯額外的數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)有關(guān)改進(jìn)方案的規(guī)劃和實(shí)施。

要獲得成功，車間必須制定相關(guān)紀(jì)律才能開始實(shí)施 GTDA 方案，并且同樣重要的是，還必須繼續(xù)定期進(jìn)行刀具檢查和數(shù)據(jù)分析。另一種紀(jì)律 - 誠(chéng)實(shí)也是必需的。車間必須誠(chéng)實(shí)、客觀地接受分析結(jié)果，并愿意根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的情況采取行動(dòng)，而不是牽制于車間傳統(tǒng)和政治或有關(guān)刀具應(yīng)用參數(shù)的反對(duì)意見。

結(jié)論

刀具磨損是不可避免的，有效管理磨損是成功進(jìn)行加工操作的關(guān)鍵。然而，刀具磨損僅僅是切削刀具對(duì)工廠整體制造工藝流程的效率產(chǎn)生影響的一個(gè)示例。GTDA 不再局限于單一刀具磨損分析，它包括了車間中的所有刀具以及切削工藝之外的一系列與刀具相關(guān)的重要影響。