數控機（jī）床

       上海, 2015 年 12 月 - 當使用千差萬別的工件（jiàn）材料生產各種部件時（shí），製造商會采用多種（zhǒng）加工工藝（yì）。不管什麽工藝，但製（zhì）造商們都有一（yī）個共同的目標，那就是在指定的時間內，以適當的成本，生產（chǎn）出一定數量的、滿足質量要求的工件。

      為了實現這（zhè）一目標，很多製造（zào）商采用了一個片麵的（de）模型，這種模型首（shǒu）先著眼於選擇和（hé）應用（yòng）刀具，然後按照兵來將擋、水來土掩的思路解決問題。但如果（guǒ）將（jiāng）這種方（fāng）法反其道而行之，則可以降低成本、提（tí）高效率（lǜ）。製造商不能等到問題出現之後再對個別加工操作進行調整（zhěng），而應致（zhì）力於首先製定旨在消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（de）工藝之後，通過運用生產經濟學的理念，可以幫助製造商在生產速度和製造成本之間（jiān）找（zhǎo）到（dào）平衡。隨（suí）後（hòu），在可靠、經濟、高（gāo）效加工的（de）基礎（chǔ）上，製造商可（kě）以選（xuǎn）擇能夠全麵優化加工工藝的（de）刀具和切削條件。

      生產經濟（jì）學

      在著手優化金屬切削之前，必須確保工藝（yì）安全、可（kě）靠並能減少殘次零件數量、縮短意外（wài）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。製造商必須分析的（de）領域（yù）包括機床維護（hù）、CAM 編程、刀柄係統以（yǐ）及（jí）冷卻液的應用（yòng）。工作處理自動化，例如托盤或機械化（huà）零件裝載/卸載係統，也可以（yǐ）是評估的一部（bù）分。

     生產經濟學（xué）的藝術與科學側重於確保實現製造工（gōng）藝的最高安全性和可預（yù）測性，同時保持最高的生產率和最低的生產成本。當金屬切削工藝和環境安全（quán）且可預測時，生產經濟學（xué）將隻關注兩個方麵：在適合（hé）製造商具體情（qíng）況的產量與製造（zào）成本之間找到平衡。例如，批量生產簡單（dān）零件時，需要重（chóng）點考（kǎo）慮（lǜ）的可能是以（yǐ）最（zuì）低的成本實現最高的產（chǎn）量。相（xiàng）反，在品類雜、批量小的（de）製造環境中生（shēng）產貴重（chóng）的複雜零件時，必須重點關注整體的可靠性（xìng）和準確（què）性，其次才是（shì）設法降低製（zhì）造成本（běn）。

     
  
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     最大限（xiàn）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（xiàn）度縮短停機時間，簡而言之就是減少機床不切屑時的時間長度。有些停機時間是必要的和計劃內的（de）。這包括用於（yú）編程和維護機床、安裝夾具、裝載和卸載工件以及更換刀具的時（shí）間（jiān）。

     在準備加工操作（zuò）時，生產車間應（yīng）分析自身的目（mù）標並製定可（kě）靠（kào）的流程（chéng）來實現它。主要目標並非總是提（tí）高生產（chǎn）速度。盡管某些製造場合（例如（rú）汽車部件的生（shēng）產（chǎn））確實需要進行大批量生（shēng）產，但製造（zào）業普遍呈（chéng）現出向品類雜、小批量生產模式發展的趨勢。

     在大規模生產（chǎn）中，當開發一個加工工藝（yì）時，如果在較長的一段時間內有 50 或 100 個零件報（bào）廢，這對在該期間生產的（de）成千上萬個零件來說微不足道，因此很容易被忽略。然而，在品類雜、小批量的生產中，這個工藝必（bì）須在生產零件前，甚至（zhì）從一開始就必須精心地開發。品類雜、小批量生產可（kě）能涉及（jí）小批量的零件生產（chǎn）、一批隻有數個零件的生產，甚至隻定製一個零件。在這種情（qíng）況下，幾（jǐ）件不合格品就會造（zào）成利（lì）潤和虧損的差異。

     製造商會在他們的生產計劃中考慮停機時間。然而，不合格品（pǐn）的產生會造（zào）成計劃外停機。如果（guǒ）必須重新加工不合格品（pǐn），那（nà）麽初始加工該零件所用的時（shí）間（jiān）就是計劃外的停機時間，被浪費掉了。

     傳統上（shàng），生產車間采取被動（dòng）的方法來縮短計（jì）劃外停機時間。當（dāng）一個問題導致生（shēng）產中斷時，便開始尋找（zhǎo）解決方案。更好（hǎo）的方法是積極主動地（dì）進行規劃，從一開始就確定加工的關（guān）鍵目標（biāo），並控製工藝流程以實現目標，而不（bú）是等待出現問題（tí）後再做出反應。大多（duō）數生（shēng）產車間用 20% 的時（shí）間進行準備工作，然（rán）後用 80% 的時間實施和測試。理想的做法是用 80% 的時間進行（háng）準備，其餘 20% 的時間用來（lái）實施（shī）和調整（如有必（bì）要）。

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     微觀和宏觀

     為（wéi）了實現最佳金屬切削結果，傳統方法會采用一個片麵的（de）微觀模型，該模型對（duì）個別加工中使用的個別刀（dāo）具（jù）進行了優化。相反，宏觀（guān）模型從更廣的視角來考（kǎo）慮製造工藝。這些模型側重於（yú）生產指定（dìng）的工件時所需的總計工序時間（jiān）。

     可以從藝術家在作（zuò）畫時的視角來（lái）比較微觀經（jīng）濟模型（xíng）與宏觀經濟模型之間的關係。微觀模（mó）型專注於個別細節（jiē），就像藝術家全神貫注於畫筆的個別筆觸。而宏觀模型則後退一步審視整個的零件生（shēng）產流程，就像藝術家從整體（tǐ）觀（guān）賞自己的繪畫作品。很明顯，雖然需要關注細節，但不能以忽略工作的整體目標為代價。

    隱性成本

    過於關注細節會導致無法（fǎ）集中精力取得（dé）最終的加工成果。例如，借助一個（gè）額外的刀具將切削時間縮短了 10秒鍾，但其設置（zhì）和轉位時間卻增加了 10 分鍾（zhōng），這當（dāng）然不是明智之舉。同樣，想方設（shè）法實現超過客戶要求的（de）產品質量也（yě）會增加成本和生（shēng）產時間。在這種情況下，人們難免會提出一個近乎嚴肅的問題：“需要花費多長時間、多少（shǎo）成本才能（néng）生產出質量（liàng）欠佳但其功能依然滿足要求的工件呢？”

     運營成本

    用於計算加工成本的模型也可以（yǐ）采用微觀視角和宏觀視角。微（wēi）觀模型會從狹隘的（de）視角考慮切削成本，並將切削條件直接與切削（xuē）成本相關聯。而宏觀經濟模型則從更廣的視角切入，側重於生（shēng）產指定的工件時所需的總（zǒng）計時（shí）間。製造商通過多種方式來測量生產速度，包（bāo）括一段時間內完成的工件數量乃至完成加工所（suǒ）需的總計時間。很多因素（sù）會影響生產速度，包括工件形狀要求和材（cái）料特性、整（zhěng）個工廠的產品流、人員的投入、維（wéi）護、周邊設備以及環保、回收和（hé）安全問題（請參（cān）見附（fù）注）。

     製造成本中的某些要素是固定的。工件的複（fù）雜程度和材料（liào）通常決定了製造零件時所需的加（jiā）工操作的類（lèi）型和數量。工廠機床的采購成本、維（wéi）護（hù）成本和電力成本（běn）基本上是固定成本。人工成本雖然比較靈活，但至少在短期內能夠有效地固定下來。這些成本必須由所加（jiā）工的零（líng）件（jiàn）換取的銷售收入來抵消。提高生（shēng）產速度 — 也就是工件（jiàn）轉換為成品的速度 —可以抵消固定成本。

     個別優化

     從宏觀角度平衡和優化（huà）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加工（gōng）來實現進一步的改進。切削條件 — 也就是切削深度、進給量和切削速（sù）度 — 在平衡生產率和成本方麵扮演著重要的角色。任何或所有這三個因素雖然都有助於縮短加工時間，但每個因素對加工可靠性的影響（xiǎng）卻大相徑庭。切削深（shēn）度對於刀具壽命幾乎沒有任何影響。進給量會對刀具壽命產生輕微的影（yǐng）響。相（xiàng）比之下，切削速度對刀具壽命和切削工藝可（kě）靠性的影響就非常顯著。

     很多（duō）車間經理堅信隻需提高切削速度就能夠（gòu）在一段時間（jiān）內生產出更多的零件，並因此降低（dī）製造成本。這（zhè）通常是正（zhèng）確的，但也需要付出代（dài）價（jià）。加工速度越快，通常越不穩定。高速度會產生更多的熱量，對刀（dāo）具和工件都會產生影響。刀具磨損（sǔn）會更快，也更加不可預測，刀具磨損（sǔn）或振動還會導致零件尺寸不（bú）一致和表麵粗糙度下（xià）降。刀具可能會斷裂並導致工件受到損傷。此外，當工藝（yì）要（yào）求超越極限（xiàn）的操作可靠性時，通常無（wú）法在無人值守（shǒu）或半無人值守的情況下穩定地運行，因此消（xiāo）除了一個節省人力的潛在來源。極高的切削速度和較高的加工參數可能會增加機床的維護成本，甚（shèn）至會（huì）由（yóu）於機床出現故障而停（tíng）機。

     在認識到這些問題之後，美國的一名機械工程師 F.W. Taylor 在 20 世紀初開發了一個（gè）用於確（què）定刀具壽命的模型。該（gāi）模（mó）型顯示，對於給定的切削深度和進給（gěi）量組合，在特定（dìng）的切削速度範圍內，刀具的損耗是安全（quán）、可預測、可控製的。Taylor 的模型不僅能（néng）夠量化切削（xuē）速度、刀具磨損和刀具壽命之間的關係，還（hái）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（qiē）削速度。

     製造商通常應當在保證（zhèng）刀具（jù）夾緊、工件夾具和機床以及機（jī）床電力的穩定性的（de）前提（tí）下選擇每種加工允許使用的最大切削深度和最高進給量。還（hái）必須考慮（lǜ）與切屑的形成和排除以及振動和（hé）工件變形相（xiàng）關的加工安全（quán）性。平衡的方法是適當降低切削速度（dù），同時相應地增大進給量和切削深度。采用盡可能（néng）大的切削深度可減少所需的走刀次數，並因此縮短了加（jiā）工時間。進給（gěi）量也應最大化，盡管過大的進給量可能會影響工（gōng）件質量和表麵粗糙度要求。某些（xiē）情況下，在降低（dī）切削速度的同時增大進（jìn）給量和切削深度可（kě）以實現（xiàn）與單純提高切削速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。當提高（gāo）切削速度時，加工時間（jiān）會縮短，機床成本將下降（jiàng）。但從某個時刻開始，總成本將會上升（shēng），這是因為更短的刀具（jù）壽命會增加刀具成本和換刀次數，在這兩方麵付（fù）出的代價會超（chāo）過在機床方麵節約的成本。

     當達到穩定、可靠的進給量和切削深度組合時，可以使用切削（xuē）速（sù）度對加（jiā）工進行最終校準。目標是提高切削速度（dù）以降（jiàng）低加工時間成本，但加快的（de）刀具磨損並（bìng）不會過度增加切削刀具成本。

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    與切削無關的問題

    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（sù）。製造商麵臨著節能壓力。冷卻液和切削油的使用（yòng）和處理受（shòu）到（dào）越來越多的監管（guǎn）且代價越來越高。對切削條件而（ér）言，平衡（héng）的方法可以幫助製造商應對這些問（wèn）題和類（lèi）似的顧慮。更低的切削速度以及更大的（de）進給量和更小的切削深度可減少切除（chú）金屬時所需的能源。平（píng）衡的（de）條件還能夠延長刀具壽命、減（jiǎn）少刀具消耗和處置問題。更低的能耗可以減少（shǎo）熱量的產生，因此可以最大（dà）限度減少加工時（shí）使用的冷卻（què）液（yè）甚至不使用任何冷卻液（yè）。
 
 
     結論

    要采用生產經濟學理念，需要對加工環（huán）境進（jìn）行整體分析並采用與很多（duō）現有的金（jīn）屬切削方（fāng）法相反的思維方式（shì）。然而，一旦將（jiāng）這些建議的策略（luè）付（fù）諸實施，不僅可以節省成本、提高工件質量（liàng）和實現更環保的生產，還（hái）能夠在穩定、可靠的整體製造工藝中保持生產率和盈利能力。

     附注

     全廠視角（jiǎo）

    從宏觀角度審視加工工藝（yì）的好處在於可以突破個別金屬切削操作的限製。廣闊的視角會（huì）考慮生產中的所有環節的相互關係。一個簡單的示例是在流水生產線中利用兩台（tái）機床（chuáng）生產零件。如果機床 A 經過優（yōu）化實現了更高的產量，但機床 B 的結果無法改進，則第一（yī）台（tái）機床生產出的零件隻（zhī）能作為半成品庫存等待第二台機床完成加工，這樣（yàng）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）是產量）即可在保持產量（liàng）的同時降低整體的加工成本。

    另一方麵（miàn），當機床 B 閑置下來等待加（jiā）工來自機床 A 的零件時，提高第一台機床的產量即可提高總（zǒng）產量。這在很大程度上取決（jué）於（yú）車間生（shēng）產流（liú）程的組織方式：是采用生（shēng）產線加工、按批次加工，還是並行加工。

    此外，還可以根據製造商的整體業務來評估機床的采購成本。在一種典型的情形（xíng）中（zhōng），車間讓銑床每周 40 小時滿負荷運（yùn）行，並決定將其更換為更昂貴（guì）、更（gèng）精密、更（gèng）快速的機床。但當（dāng）新機床投入使用之後（hòu），一半的時間都處於閑置狀態。

     該車間麵臨（lín）著挑戰並需要增加支出以便尋找更多的業務，從而保持新機床持續運行並證明（míng）對其進行的投資物超所（suǒ）值。此外，能夠充分（fèn）利用新機床加工能力的那（nà）些（xiē）作業可能並不適合車間內其餘（yú）的加工工序或（huò）市場（chǎng）。更好的方法是首先（xiān）從宏觀角度來審視全局，並預（yù）計新機床的更大產量會帶來什麽樣的結果。價格較低且不太（tài）先進的機床可能更適合目前（qián）和（hé）預期的零件要求和（hé）產量。與舊（jiù）機床配合（hé）使用時，精心選擇的機床還能夠提供更高的靈（líng）活性和冗餘度，從而應對計劃內或計劃外的機（jī）床停（tíng）機時間。

     從全局的（de）角度進行工藝優化並不一定很複雜，它也涉及一些非常基本和簡單的操作及分析。通過研（yán）究廢舊的刀具，可以從廣闊的視角了解車間的現狀。例（lì）如，如果（guǒ）車間一般（bān）采用切削刃為 12 mm 長的刀片（piàn），而刀具上的磨損形式僅達到（dào） 2 mm 或 2½ mm，那麽該車間所（suǒ）使用的刀片對於所進行的工作來說可能過大。具有 6 mm切削刃的刀具可能綽綽有餘，但具有 6 mm 切削刃的刀具要比具有 12 mm 切削刃的刀具便宜很多。通過執行這樣的簡單觀（guān）察（chá）即可將刀具成本降低 50% 且不會（huì）降低生產率。

    
  
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