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當今製造業生產經濟學的現實

2019-4-1 來源：山高刀具集團技術培訓經理作者：Patrick de Vos

上海, 2018 年 11月 -機床（chuáng）車間（jiān）希（xī）望能夠將零件生產控製在一定時間和成本（běn）內（nèi）。實現這一目標需要平衡很多因素，包括切削參（cān）數、刀（dāo）具成本（běn）和更換時間、機床利用率、工件裝卸費用以及材料和（hé）人工成本。

生產經濟（jì）學是兼顧各種工藝因素以獲（huò）得理想結果的藝術和科學。在（zài）兩個多世紀的加工曆（lì）史中，生（shēng）產經濟學的要素數量成倍增加（jiā）。首先，製（zhì）造業從工藝級單項產品的（de）生產，發展到使用機床（chuáng）大規模生產標準化零件。製造方法的改（gǎi）進帶來了第二代批量（liàng）生產，其中包括生產線的運（yùn）用以及相同零件的產量日益提高，這（zhè）就是“大批量低混合”(HVLM) 產品方（fāng）案。然後，數（shù）控機床和機器人造（zào）就了第（dì）三代批量生產效率。最近，應用於編程、機床控製和工件（jiàn）裝（zhuāng）卸係統的數字技術正（zhèng）在促進第四代製造生產（稱為“工業4.0”）的發展（zhǎn），它能實現經濟高效的“高混合小批量”(HMLV) 生產。

製造工藝演變

為了有（yǒu）效地實現從 HVLM 向 HMLV 生產的轉（zhuǎn）變，製（zhì）造商必（bì）須清楚（chǔ）認識到生產經濟學正（zhèng）在不（bú）斷（duàn）地變化和增長，然後利用可用的信息和技術來分析運營狀況並實現運營目標（biāo）。一個關鍵轉型因（yīn）素（sù）是拋（pāo）棄過於簡單的（de）理念（niàn）和（hé）做法，確認（rèn）哪些（xiē）隱性成本可能（néng）會阻礙生產率的提高。

大批量、低混合，簡單經濟學？標準化加工工藝起源於 19 世紀，用於加（jiā）快生產具有可互換零件的相同產品。汽車製造業將這種 HVLM方法改進到了極致（zhì），發展出傳送生產線和其他工藝方（fāng）法，多年來製造了數十萬（wàn）甚至數百萬相同的零部件。

HVLM 生產周期長（zhǎng），這使得製造商能夠微調多個工藝因素，以實現最大產量、保持（chí）質量（liàng）一致以及降低成本。包括（kuò）換刀係統、托盤交換（huàn）係統及機器人在內的輔助技術進一步降低（dī）了生產變動性。可以說操作過程完美運行，能以可（kě）預測的成本實現 100% 產量，而（ér）且能消除（chú）計劃外閑置時間，杜絕次（cì）品和返工，也無需去毛刺等二次（cì）操作。

有個說法（fǎ）是刀具成本通常約占總生產成本的 3%。3% 可以作為一個基準，但往（wǎng）往實際情（qíng）況下並不能直接以此衡量。例如，工件材料的（de）加工特性影響很大，加工（gōng）材質從鋼材（cái）切換到鈦材（cái）可（kě）能會使刀具使（shǐ）用率增（zēng）加五倍。在其他條件相同的情況下，3% 將變為 15%。

僅關注刀具齧合時間會導致（zhì）其他因素被忽略，例如因換刀而產生的閑置時（shí）間。這種方法實際上掩蓋（gài）了現實。製（zhì）造商應該了解加工時間、裝（zhuāng）夾時間、換刀時間、裝（zhuāng）載和卸載以及其他因素會相互影響和幹擾。

在關於工藝（yì）因素之間意（yì）外作用的簡化示例中，車間加工一（yī）個零件需要 2 分（fèn）鍾的切削時間和 2

分鍾的工件裝卸（xiè）時間。刀具轉位花掉 1 分鍾，刀具在（zài）使用壽命內可加工 5個工件，因此每個（gè）零（líng）件所需的刀具轉位時（shí）間為 0.20 分鍾。由於每個零件需要 4.2分鍾的加工時間，所以（yǐ）每小（xiǎo）時產量略高（gāo）於 14 個工件。每（měi）個刀具（jù）的成本為 15 歐元，5個工件所需的刀具壽命（mìng）決定了生產 14 個工件（jiàn）需（xū）要 2.8 個刀具（42 歐（ōu）元）。機床成本（běn）為每小時 50歐元。這樣，每小時生產 14 個工件的總成本為 92 歐元。

然後，為了提升產量和生產率（lǜ），車間（jiān）將切削（xuē）速度提高 10%。這樣可將切削時間（jiān）縮短 10%（達到

1.8分鍾），但也使刀具壽命縮短（duǎn）大約一半，這意味著在需要轉位之前，一個切（qiē）削刃隻能生產2.5

個工件。刀具轉位時間仍為一分鍾，工件裝卸兩分鍾。一個（gè）工件的生產時間為（wéi） 4.2 分（fèn）鍾（切削 1.8分鍾，工件操控 2 分（fèn）鍾，刀具轉位 0.4 分鍾），換算一下也就是每小時生產 14個工件。機床和刀具的（de）成本是相同（tóng）的（de），但（dàn）現在每小時（shí）需要耗費 5.6 個刀具（84歐元刀具成本）。盡管努力提高產量，但 14 個工件（jiàn）的生產時間是相同的，而成本則從 92 歐元上升到了（le） 134歐元（yuán）。

在這種情況（kuàng）下，提高切削速度不會（huì）使操作更加高效。更改切削時間會影響加（jiā）工係統中的（de）其他因素，在本例中影響的是刀具壽（shòu）命和（hé）刀（dāo）具（jù）轉位時間。因此，車間必須仔（zǎi）細權衡流程變更的各種後果。

隱性成本的另（lìng）一（yī）種形式涉及工藝步驟的執行情況。例如，在許多加工車間中，最典型的隱性成本就是刀片轉位所花費的時間（jiān）。指定的刀片轉位時間可能是一分鍾。然而在車（chē）間實際測量時發現它可能是兩分鍾、三分鍾甚（shèn）至（zhì）十（shí）分鍾，時間相差（chà） 60 到 600 秒。

刀具成本隨閑置時間的變化圖 2

高混合、小批（pī）量，全麵的考慮如今，全球競爭促使製造商生產不同類（lèi）型的產品，以滿足較小用戶群的需求。先進的計算技術可以快（kuài）速更改零件的設計和加工程序，還可以輕鬆（sōng）跟蹤（zōng）產品的變（biàn）化和庫存。結（jié）果是製造商轉而采用“高混合、小批量”(HMLV)生產方案。如今，這種方法已經（jīng）發展到足以高效地製造個位數產品，甚至是大量生產單項產品。

HVLM 的更長生產周期允許製造（zào）商從容地規劃和微調工（gōng）藝因素。在 HMLV生產方案中，生產計劃（huá）是不同（tóng）的。計算機化的工程和庫存技術支持快（kuài）速變換產品類型和（hé）產量，但 HMLV 規劃過程（chéng）變得複雜且（qiě）反應靈敏。客戶訂購（gòu）十個零件後，可能會接著訂購兩個、五個零件（jiàn）甚至是單一產品多（duō）個批次的不同零件。工件（jiàn）材料可能（néng）從鋼材換成鋁材再換成鈦材，零（líng）件幾何形狀可能從簡（jiǎn）單變得複雜。但是沒有足夠的試運行時間來確定刀具壽命。

為了管理 HMLV 生產方案中（zhōng）的刀具壽命，車間通常會對（duì）刀具的預期壽命做出保守猜測；為了安全起見，每（měi）次加工都會使用新刀具，並在（zài）刀具達到（dào）其完整的（de）生產壽（shòu）命之前將其（qí）丟棄。切削時間隻是整個加工中的因素之一（yī）。在 HMLV 生產中，操控不同工件和夾具以及更換刀具和轉（zhuǎn）位刀片所需的時間通常比實際（jì）切削時間更長。刀具、機床、閑置時間、直接的人工（gōng）和（hé）工件材料因素（sù）中可能包含隱性成本。最（zuì）新的生產經濟學方法考慮了刀具（jù）和（hé）工件材（cái）料成本（běn）、設備和生產成本、停（tíng）機期間的設備成（chéng）本（běn）以及人員工（gōng）資和（hé）維護成本（běn）。

生（shēng）產經濟學圖 3

快速變化的 HMLV 產品需求增加了實現高百分比合格率的難度。在生產周（zhōu）期較長的 HVLM生產中（zhōng），經過（guò）試驗和（hé）調整可以獲得高達 90% 的合格率。另（lìng）一方麵，HMLV合格率可能是二元的。成功（gōng）的（de）單（dān）件生產代（dài）表 100% 的（de）合格率，但是當零（líng）件不合格（gé）或工件毀壞時，合格率變為零.。由於對質量、成本和時間效（xiào）率的要求保持不變，一次合格率成為首要要（yào）求（qiú）。在這種情況下，避免刀（dāo）具破（pò）損可能是（shì）最重要的考慮因素。一個有利方（fāng）麵是刀具磨損在短期加工中影（yǐng）響極小，並且車間可（kě）以在合（hé）理範圍內應用更強勁（jìn）、更高產的切削參數（shù）。

一個相關變量是確定何時轉位刀具（jù）最合適（shì）。如果等待時間過長，即使沒有損壞工件，也（yě）可能導致刀具破裂，至少會中斷生產。另一方麵，過（guò）於頻繁的換刀會增加刀具成本，並會因停止加工和（hé）轉位刀具而耗費更多時間。確定何時更換刀具（jù）需要審視換刀時機與整個加工係統的關係，以便製定換刀協議並（bìng）遵循（xún）相（xiàng）關規則。

結論

金屬切削係統中的加工因素之間不是一對一（yī）的關係。改變切削工況、工件材料或產品產量將影響刀具（jù）壽命以及（jí）加工係統的許多其他方麵。在製造工廠，生產經濟學麵臨的挑戰是要了解這些關係，並製定相應策略以務實的方式（shì）平衡這些因素。然而，並（bìng）非車間中的每位工人都能成為數學教（jiāo）授，而且他們（men）沒有時間深入了解這些加工背（bèi）後的（de）關聯。因此，供應商可以提（tí）供（gòng）工（gōng）藝分析和管理服務，幫助（zhù）製造商全麵了解其特定運營（yíng）情況，並就如何最大（dà）限度地（dì）提高生產率和（hé）經濟實力提（tí）供有力指導。

令人惋惜（xī）的是，許多車間所有者（zhě）擁有大（dà）量的業務和付費客戶（hù），但企業仍然麵臨虧損。解決之道是認清當前生產（chǎn）經濟學揭示的許多影響因（yīn）素，發現和消除被忽視（shì）和隱藏的成本，以使（shǐ）他們的製造業務能夠獲得最大回報。

附注

Duratomic 切屑.jpg 圖 4

自動化分析

從批（pī）量生產初期開始，影響製造生產率和成本的因素數量已經成（chéng）倍增加。隨著加工操作和設備變得越來越複雜，製造（zào）係統的各種要素之間的關係也變得（dé）日益複雜。這些要（yào）素都不是孤立（lì）存在的，例如，改變產量要求將會影響刀具、設備、維護、人（rén）工和其（qí）他成本。

確定（dìng）影響因素的數量及其相（xiàng）互關係本身就是一項重大挑（tiāo）戰。由於這（zhè）種複雜性，我們（men）必須借助係統（tǒng）性方法來衡量、控製和管理製造過程。

山（shān）高（gāo）的“生產（chǎn）率成（chéng）本分析（xī）”(PCA) 係統可以檢查整個製造過程，以確定降（jiàng）低成本和提高生產率的方法。該係統（tǒng）依托山高長達數十年的全球（qiú）製造經驗和技術底蘊。山高將這些知識與先進的（de）計（jì）算機分析和（hé）算法結合在一起，包括采用蒙特卡羅模擬方法（fǎ）實（shí）現成本建模的自動化。

山高技術專家能為客戶執行（háng） PCA，評估其（qí）製造過程中所使用的刀具和技術，從而生成包含工藝（yì）信息（比如刀具（jù）和切削參數）和成本信息（包括每件成本、每小時產出和投資成本）的綜合報告。PCA

可以評（píng）估從單個機床操作到整個製造流程（chéng）。做這項分析的目的在於提高生產率，這對成本的影響最大。該係（xì）統考慮了瓶頸問題及操作限製，可以識別哪些方（fāng）麵需要進行更深（shēn）入的研究（jiū）。

通過對操作或設施進行時間（jiān）和成本方麵（miàn）的基準研究，PCA 軟件將在（zài）初始階段檢查（chá）刀具因素，包括工藝參數、循環時間和產量要求。第二階段會進行類似的刀具檢查，但會對切削工況（kuàng）和刀具進（jìn）行調（diào）整。第三（sān）階段（duàn）可能考慮工藝（yì）、運營因（yīn）素以及其他方麵的改（gǎi）進，比如機床升級。

無論製造商服務於什麽行業，使用（yòng）山高（gāo） PCA 係（xì）統後通常可以節約 30% 的總成本、生產率提高約 40% 。

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