數控機床（chuáng）

      上海, 2015 年 12 月 - 當使用千差（chà）萬別的工件材料生產各種部件時，製造商會采用（yòng）多種（zhǒng）加工工藝。不管什麽工藝，但（dàn）製造（zào）商們都有一個（gè）共同（tóng）的目標，那就是在指定（dìng）的時間內，以適當的成本，生產（chǎn）出（chū）一（yī）定數量的、滿足質量要求的工件。

      為了實現這一目標，很多製（zhì）造（zào）商采用了一個片麵的模型，這（zhè）種模（mó）型首先著眼於選擇和應用刀具，然後按照兵來將擋、水來土掩的（de）思路解決問題。但如果將這種方法反其（qí）道而行之，則可以降（jiàng）低成本、提高效率。製造商不能等到問（wèn）題出現之後再（zài）對個別加工操作進行調整，而應（yīng）致（zhì）力於首先製定旨在消（xiāo）除不合格零件和意外停機時間的前瞻性預案。建立了穩定（dìng）可靠的工藝之後，通過運用生產（chǎn）經濟學的（de）理念（niàn），可以（yǐ）幫（bāng）助製造商在生產速度和製造成本（běn）之間找到平衡。隨後，在可靠、經濟、高效（xiào）加工的基礎上，製造商可以選擇能夠全（quán）麵優化加工工藝（yì）的刀（dāo）具（jù）和切削條件。

      生產經濟學

      在著手（shǒu）優化金屬切削之前，必須（xū）確保工藝安全、可靠並能減少殘次（cì）零（líng）件數量、縮短意（yì）外停機時間。要實現工藝安全性，需要創造一個穩定的生產環境。製造商（shāng）必須（xū）分析的領域（yù）包括機床維護、CAM 編程、刀柄係統以及冷卻液的（de）應用。工作處理自動化，例如（rú）托盤或機械化零件裝載/卸載係（xì）統，也可以是評估的一部分。

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      最大限度縮短意外停機時間

      要實現最高的製造資源利用率，需要最大限度縮短（duǎn）停機時間，簡而言之就是減少機床不切屑時的（de）時間長度。有些停機（jī）時間是必要的和（hé）計劃內的。這包括用（yòng）於編（biān）程和維護（hù）機床、安裝夾具、裝載和（hé）卸載工件以及更換刀具的時間。

      製造商會在他們的生產計劃（huá）中考慮停機時間。然而，不合格品的產生會造成計劃（huá）外停機。如果（guǒ）必須重新加工不合格品，那麽（me）初始加工該零件所用的（de）時間就是計（jì）劃外的停機時間，被（bèi）浪費掉了。

      傳統上，生產車間采取被動的方法來縮短（duǎn）計劃外停機時間。當一個問題（tí）導致生產中斷時，便開始尋找解決（jué）方案。更好的方法是積極主動地進行規劃，從一開始就確定加工的（de）關鍵目標，並控製工藝流程以實現目標，而不是等待出現（xiàn）問題後再做出反應。大多數生產車間用 20% 的時（shí）間進行準備工作，然後用 80% 的時間實施和（hé）測試。理想的做法是用 80% 的時間進行準備，其餘 20% 的時間用來實施和調整（如有（yǒu）必（bì）要）。

      在（zài）準備加（jiā）工操作時，生（shēng）產車間應分（fèn）析自身的目標並製定（dìng）可（kě）靠的流程來實現它。主要目標並非總（zǒng）是（shì）提高生產速度。盡管某些製造場合（例如汽車部件的生產）確實需要進行大批量生（shēng）產，但製造業普遍（biàn）呈現（xiàn）出向品（pǐn）類雜、小批量生產模式發展的趨勢。

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       微觀和宏觀

      為了（le）實現最佳金屬切削結（jié）果，傳統方法會采（cǎi）用一個（gè）片麵的微觀模型，該模型對個別加工中（zhōng）使用的個別刀具進（jìn）行了（le）優化。相反，宏觀模型從更廣（guǎng）的視角來考慮製造工藝。這些模型（xíng）側重於生產指（zhǐ）定的工件時（shí）所需的總計工序（xù）時間。

      可（kě）以從藝（yì）術家在作畫時的視角來比較微觀經（jīng）濟（jì）模型與宏觀經（jīng）濟模型之間的關係。微觀模型專（zhuān）注於個別細（xì）節，就像藝術家全神貫（guàn）注於畫筆的個別筆觸。而宏觀模型則後退一步（bù）審視（shì）整個的零件生產流程，就像藝術家從整體觀賞自己的繪畫（huà）作品。很明顯，雖（suī）然需要關注細節，但不能以忽略工作（zuò）的整體目（mù）標為代價（jià）。

      隱性成本

     過於（yú）關注細節會導（dǎo）致無法集中精力取得最終的加工成果。例如，借助（zhù）一個（gè）額外的刀具（jù）將切削時間縮短了 10秒鍾，但其設置和轉（zhuǎn）位時間卻（què）增加了 10 分鍾，這（zhè）當然不是明智之舉。同樣，想方設法實現超過客戶要求的（de）產品質量也會增加成本和生產時間（jiān）。在這種情況下，人們難免會提出一個近乎（hū）嚴肅的問題：“需要花費多長時間、多少成本才能生產出質量欠佳但其功能依然滿足要求的工件呢？”

      運營成本

      用於計算加工（gōng）成本的模型也可以采用微觀視角和宏（hóng）觀視角。微觀模型（xíng）會（huì）從狹隘的（de）視角考慮切削成本，並將切削條件直接與切削成本相關（guān）聯。而宏觀經濟模型則從更廣（guǎng）的視角切入，側重於生產指定的工件時所需的總計（jì）時間。製（zhì）造商通過多（duō）種方式來測（cè）量生產速（sù）度，包括一段時間內完成的工件數量乃至完成加工所需的總計時間。很多因素會影響生產速度，包括工件形狀要求和材料特性、整（zhěng）個（gè）工（gōng）廠的產品流、人員的投入、維護（hù）、周邊設備以及環保（bǎo）、回收和安（ān）全問（wèn）題（請（qǐng）參見附注）。

      製（zhì）造成本中的某些要素是固定的。工件的複雜程度和材料通常決定了製造（zào）零件時所需的加工操作（zuò）的類（lèi）型和數量（liàng）。工廠機床的采購成（chéng）本、維護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（dàn）至少在短期內能夠有效地固定下來（lái）。這些成本必須由（yóu）所加工的零（líng）件換取的銷售收入來抵消（xiāo）。提高（gāo）生產速度 — 也就是工件（jiàn）轉換為（wéi）成品的速度（dù） —可以抵消固定成本。

      個別優化

      從宏觀角度平衡和優化工藝的整體生產率和成本效益之後，製造商即可通過精心優化個別的（de）加工來實現進（jìn）一步的改進。切削條件 — 也就是切削深度、進給量和切削速度 — 在平（píng）衡生（shēng）產率和成本方麵（miàn）扮演（yǎn）著重要的角色。任何或所有這三個因素雖然都有助於縮短加工時間，但每個因（yīn）素對加工可靠性的影響卻大相徑庭。切削（xuē）深度對於（yú）刀具（jù）壽命幾乎沒有（yǒu）任何影響（xiǎng）。進給量會對刀具壽命產生輕微的影響。相（xiàng）比之下，切削速度對刀具壽命和切削（xuē）工（gōng）藝（yì）可靠性的影響就非常顯著。

      很多車間經理堅信隻需提高（gāo）切削速（sù）度就能夠在一段時間內生產出更多的零件，並因（yīn）此降（jiàng）低製造成本。這通常是正（zhèng）確的，但也需要（yào）付出代（dài）價。加工速度越快，通常越（yuè）不穩定。高速度會產（chǎn）生更多的熱量，對刀具和工件都會產生（shēng）影響。刀具磨損會更快，也更加不（bú）可預測，刀具磨損或振動還會導致零件尺寸（cùn）不一致和表麵粗糙度下降（jiàng）。刀（dāo）具可能會斷裂並導致工件受到損傷。此外，當工藝要（yào）求超越極限的操作可靠性時，通常（cháng）無法在無人值守或半無人值守的情況下穩定地運（yùn）行（háng），因此消除了一個節省人力的潛在（zài）來源。極高的切削速度和較高的加（jiā）工參數可能會增加機床的維護成本，甚至（zhì）會由於機床出現故障（zhàng）而停機。

      在認識到這（zhè）些（xiē）問題之後，美國的一名（míng）機（jī）械工程師 F.W. Taylor 在 20 世紀（jì）初開發了一個用於確定刀具壽命的模型。該模型顯（xiǎn）示，對於給定的切削深度和進給量組合，在特定的切削速度範圍內，刀具（jù）的損耗是安全（quán）、可（kě）預測、可控製的。Taylor 的模型不僅（jǐn）能夠量化切削速度、刀具磨損（sǔn）和（hé）刀具壽命之間的關係，還可以在成本效益與生產率之間取得平衡，並清楚地說明了加工時的最佳切削速度。

      製造商通常應當在保證刀具夾緊、工件夾具和機床以及機床電力的穩定性的（de）前提下選擇每種加工允許使用（yòng）的最大切削深度和最（zuì）高進給量。還必（bì）須考慮與切屑的形成和排除以及振動和工件變形相關的加工安全（quán）性（xìng）。平衡的方法是適當降（jiàng）低切（qiē）削速度，同時相（xiàng）應地增大進給量和切削深度。采用盡可能大的切削深度可減少所需的走刀（dāo）次數，並因此縮短了（le）加工時間。進給量也應最大化，盡管過大的進（jìn）給量可能會影響工件質（zhì）量和（hé）表麵粗糙度要求。某些情況下，在降低切（qiē）削速度的同時增大進（jìn）給量（liàng）和切削深度可以實現與單（dān）純提高（gāo）切削速（sù）度一樣的金屬移除率水平。

      生產成本是刀具成本與機床成本之和。當提（tí）高切削速度時，加工時間會縮短，機床（chuáng）成本將下降。但從某個時刻開始，總成本將會上升，這（zhè）是因為（wéi）更短的刀具壽命會增加刀具成本和換刀次數，在這兩方麵付出的代（dài）價會超過在機床方麵節（jiē）約的成（chéng）本。

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      與切削無（wú）關的問（wèn）題

     環保問題和安全問題代表（biǎo）著生產經濟學中越來越重要的因素。製（zhì）造（zào）商（shāng）麵臨著節能壓力。冷卻液和切削油的使用和處（chù）理受到越來越多的監管且（qiě）代價越來越高（gāo）。對切削條件而言，平衡的方法可以幫助製造商應對這（zhè）些問題和類似的顧慮（lǜ）。更低的切削速度以及更大的（de）進給（gěi）量和更小的切削深度可減少切除金屬時所需的能源。平衡的條件還能（néng）夠延長刀具壽命、減少刀具消耗和（hé）處置問（wèn）題。更低的能（néng）耗可以減少熱量的產生，因此可以最大限度減少加（jiā）工時使用的冷卻（què）液甚至不使用任（rèn）何（hé）冷卻（què）液。
 
 
      結論

       附注

      全廠視角

      從宏觀角度審視加工（gōng）工藝的好處在於可以突破個別金屬切削操（cāo）作的限（xiàn）製。廣闊的視角會考慮生產中的所有環（huán）節（jiē）的相互關係。一個簡單的（de）示（shì）例是在流水（shuǐ）生產線中利用兩台機床生產零件。如果機床 A 經過優化實現了更（gèng）高的產量，但機（jī）床 B 的結果無法改進（jìn），則（zé）第一台（tái）機床生產出的零件隻能作為半成品庫存等待（dài）第二台機床完成加工，這樣就增加了成本。在這種情況下，隻需降低第一台機床的切削成本（而不（bú）是（shì）產量）即可在（zài）保持產量的同（tóng）時降低整體的加工成本。

      另一方麵，當機床 B 閑置（zhì）下來等待加工來自機床 A 的零件時，提高第一台機床的（de）產量即可提高總產量。這在很大程度上（shàng）取決於車間生產流程的組（zǔ）織（zhī）方式：是采用生產線加工、按批次加工，還是並行加工。

      此外，還（hái）可以根據製造商的整體業（yè）務來評估機床的（de）采購成本。在一種典（diǎn）型的情形中，車間讓銑床每周 40 小時滿負荷運行，並決定將其更換（huàn）為更昂（áng）貴、更精密、更快速的（de）機（jī）床。但當新機床投入使（shǐ）用之（zhī）後（hòu），一半的時間都處於閑置狀態。

      該（gāi）車間（jiān）麵臨著挑戰並需要增加支出以便尋找更（gèng）多的業務，從而保持新機床持續運行並證明對其進行的投資物超所值。此外，能夠充分利用（yòng）新機床加工能力（lì）的那（nà）些作業可能（néng）並不適合車間內其餘的加工工序或市場。更好（hǎo）的方（fāng）法（fǎ）是首先（xiān）從宏觀角度來審視全局，並預計新機床（chuáng）的（de）更大產量會帶來什麽樣的結果。價格較低且（qiě）不太先進的機床可（kě）能更適合（hé）目前（qián）和預（yù）期（qī）的零件要求和產量（liàng）。與舊機床配合使（shǐ）用時，精心選擇的機床還能夠提（tí）供更（gèng）高（gāo）的靈活性和冗餘度，從而應對計劃內或（huò）計劃外的機床停機時間。
 

       從全局的角度進行工藝優化並不一（yī）定很複雜，它也涉及一些非常基（jī）本和簡單的操作及分析。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（guǒ）車間一般采（cǎi）用切削刃為 12 mm 長的刀片，而刀具上的磨損形式僅達到 2 mm 或 2½ mm，那麽該車間所使用的刀片對於所（suǒ）進行的工作來說（shuō）可能過大。具有 6 mm切削刃的刀具可能綽綽有餘，但具有 6 mm 切削刃的（de）刀具要（yào）比具有 12 mm 切削（xuē）刃的刀具便宜（yí）很多。通過執行這樣的簡單觀察即可將刀具成本降低 50% 且不（bú）會降低生產（chǎn）率。

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