通過分析工序過程的時間組成元素提高生產效率
發表時間:2009-04-27 08:58:39; 來源:
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機械零件的加工往往需要通過多道工序，逐漸改變其形狀、尺寸，提高其精度，所以要在單位時間內通過機械加工生產出更多的合格零件，必須縮短每道工序的時間。尋求提高工序生產效率的途徑是提高被加工件生產效率的基礎和出發點。
工序過程的時間元素分析
1．單件工序時間
被加工零件在某一道工序內所經歷的時間被稱為該零件的單件工序時間，主要由以下時間元素組成：
（1）基本時間Tb：機床切削零件所需的時間，如鉆削、銑削、鏜削和磨削等切削過程所消耗的時間。
（2）輔助時間Ta：包括工件上下料時間、刀具進退時間、改變切削形式的換刀時間、開動和停止機床的時間、改變加工規范的時間以及測量時間等。
（3）技術服務時間Tc：包括更換用鈍刀具的時間，生產過程中校正、調整設備/工具/夾具/模具的時間，潤滑設備時間，加工中斷續清理設備和夾具上的切屑及廢料時間等，一般是將整個工作時段（如每班）的這些時間累積起來再分攤到每個被加工零件上。
（4）組織服務時間Tg：包括班前班后領、換及收拾工（刀）具的時間，檢查及試運行設備時間，增添更換切削液及下班前打掃工件場地、清理設備的時間等。這項時間也是在一個工作班次中累計后再分攤。
（5）生理需要與休息時間Tn，該時間也需在一個班次累計后再分攤。
單件工序時間是上述各時間之和，即：T0=Tb+Ta+Tc+Tg+Tn。在計算實際單件工序時間時，為了簡化計算，往往把需要分攤到每個零件的Tc、Tg和Tn用占基本時間和輔助時間之和的百分比（β）來計算，即：T0=（Tb+Ta）（1+β）。β值的大小與設備及生產規模有關，一般在大量流水生產中取0.05～0.1，成批生產中取0.1～0.2，在單件小批生產中取0.2～0.25。
單件工序時間T0不包括：該工序設備更換品種或變更工序所需的設備調整時間；由于生產組織、技術狀態不良和工作偶然造成的時間損失，如設備、工裝臨時出現故障，生產組織臨時出現不協調（如停工待料、人員調度不到位等），工人臨時生病、遲到和早退等；為返修次品或制造替代廢品的零件所花費的時間。
除調整時間外，其他隨機發生的時間均不計入單件工序時間，而是通過設備負荷率將這部分時間損失考慮進去。
2．調整時間Tj與計價時間Tp
在成批生產時，一臺設備承擔多個品種零件加工或承擔同一種零件的多道工序時，每當更換品種或工序時，需要對設備的運行參數、程序、所使用的刀具、夾具和輔具進行更換和改變，需對該設備所形成的工藝系統進行調整，對新品種、新工序零件進行試切，以達到新品種零件或新工序的加工要求，這是設備調整時間所包含的內容。
調整時間只在加工新一批零件前產生，這個時間也應分攤到該批每個零件上。分攤時間除了與調整時間的長短有直接關系外，與每批零件的數量和批次多少也有直接關系。合理確定投入的批量（N）是很重要的，投入的批次過多，每批零件過少，會使每個零件所分攤的調整時間過多；若投入的批次過少，批量過大，會造成在制品積壓過多，使制造成本增加。
零件的單件工序時間與該零件所分攤的調整時間之和就是零件在此工序的計價時間，即Tp=T0+Tj/N。計價時間表示的是被加工零件在此工序的設備上所占有的時間。由此可計算出該工序為完成預定綱領應配備的設備數量。
如前所述，對于單一流水生產線或混合品種流水生產線，Tp=T0，即計價時間與單件時間相同。
由上述分析可知，要提高加工工序生產效率，就應設法縮短組成單件工序時間和計價時間的各組成元素。以下重點探討縮短基本時間、輔助時間、技術服務和組織服務時間。
縮短基本時間
減少加工零件在某工序的基本時間有以下途徑：縮短純切削時間，采用多刀對不同表面同時進行加工。
1. 采用高速高效切削，縮短切削時間
要提高切削效率，縮短切削時間，就要提高單位時間內材料的切除量Q，它與切削三要素都有關系，且最活躍、影響最大的要素是切削速度，這就是為什么把采用高速切削作為提高切削效率重要途徑的原因。
在常規切削中，隨著切削速度的增加，切削溫度也同時升高，但當切削速度超過某一個臨界速度后（該速度值隨被加工材料不同而不同），切削溫度不再隨切削速度的提高而上升，反而會下降，因為此時絕大部分切削熱被切屑帶走了。切削速度與單位切削力也有類似的關系。高速切削的這些機理研究成果為其應用提供了理論依據，加之刀具技術的進步，包括刀具材料及刀具結構的發展和應用，高剛性、高動力性、高轉速和高進給速度的機床的出現，使高速切削的實際應用成為現實。
此外，粉末鍛造高速鋼、超細晶粒硬質合金、多涂層/復合涂層高速鋼以及硬質合金的廣泛應用，Al2O3、Si3N4為基體的陶瓷刀片，以TiCN及TiC為基體的金屬陶瓷以及PCBN、PCD等超硬刀具材料在汽車行業的普遍采用，使汽車零件機械加工的切削速度和生產效率成倍提高。如采用陶瓷刀片粗鏜汽缸孔，切削速度可達800m/min，每分鐘走刀量達2 400mm，粗鏜一個汽缸孔只需4s，而若用PCBN刀片精鏜缸孔，切削速度為750m/min，工序時間大為增加。在汽車制造業機械加工中，高速切削實際應用所達到的參數如表所示。
高速切削應用中的參數
 制造經濟學的研究成果表明，刀具費用一般只占零件制造成本的3%～5%，但由于采用先進刀具材料和刀具結構所帶來的整體生產效率的提高可達20%～30%，因此采用高速高效切削是提高生產率最經濟的途徑之一。當然，機床的性能參數、剛性和動力性均應適應高速切削的要求。
2. 采用多刀加工縮短基本時間
縮短工序基本時間的另一個途徑是采用多刀同時對不同表面進行加工。組合機床及自動線至今仍是生產效率最高的一種加工方式，其原因之一就是采用了多面多刀對零件的多個表面同時進行加工的緣故。目前采用組合機床自動線加工鋁合金殼體零件，節拍可達到16s，加工鑄鐵殼體零件節拍可達27s。在產量足夠大而產品品種單一（或少）、相對固定的情況下，組合機床自動線仍然是獲得高效率的最佳選擇。此外，還有多砂輪磨削、多軸加工中心等，都是實現多刀同時加工的優選設備。
在發動機的曲軸加工中，車－車拉和高速外銑機床及刀具（見圖1、圖2）的發明給曲軸加工帶來了革命性的進步。利用一臺外銑機床就可以加工曲軸的主軸頸、連桿頸、平衡塊外圓及曲柄側面，采用多刀盤車－車拉機床可以一次加工所有的主軸頸或同一相位的連桿軸頸，數十倍地提高加工效率和產品質量。
圖1 曲軸車－車拉刀具
圖2 曲軸外銑刀盤
縮短輔助時間
以往，輔助時間占單件工序時間的70%以上，雖然隨著各種縮短輔助時間方法的采用以及自動控制技術的提高，輔助時間至今仍占工序時間的50%左右。縮短輔助時間的具體措施主要有：
1. 機床采用回轉式、往復式工作臺，一個工位進行切削加工的同時，另一個工位同時進行零件裝卸。
2. 提高機床的快速移動速度和回轉速度。現代數控加工中心越來越多地采用直線電機，X、Y、Z軸的移動速度都在60m/min以上，不少設備已超過100m/min，而加速度一般在1g左右，高檔加工中心已達1.5～2.0g，甚至更高。
3. 采用各種快換刀柄及換刀機械手實現快速換刀。HSK快換刀柄的廣泛應用不但提高了高速加工中刀具的安裝精度，而且它與快速換刀機械手配合，可使加工中心的換刀時間縮短到1～2s。
4. 采用機外調刀、機上自動對刀等裝置，縮短用鈍刀具更換的調刀時間。
5. 采用復合刀具，如復合鉆擴刀、復合鉆鉸刀、組合鏜刀和復合擴鉸刀等，使零件在一次裝夾、一次換刀中完成多個加工表面的或同一加工表面的不同加工內容。圖3所示的復合刀具上同時具有鉆孔、鏜削和倒角的功能，可大大減少換刀次數和時間。
圖3 復合鉆、鏜刀
6. 數控復合加工機床是近年來機床發展的方向之一。各種多主軸、多刀架不同工藝和工序組合的復合機床發展迅速，各種車削中心、磨削中心、銑車中心和多軸聯動加工中心（見圖4）應運而生。一個工件在一臺機床一次裝夾中就能完成車、銑、鉆、鉸、攻絲、磨削以及鏜等多種工藝，甚至可以完成一個工件的全部加工內容，減少了工件上下料和多次裝夾的時間。
圖4 工作中的五軸聯動加工中心
7. 采用液壓、氣動快速夾緊的夾具，采用各種加工過程中自動檢測的量儀，縮短裝夾及測量等輔助性時間。
8. 采用各種形式的自動、半自動上下料裝置及機械手。
縮短技術服務和組織服務時間
技術服務和組織服務時間雖然不是在生產每一個零件時都會產生，但它的長短也會對工序生產效率產生一定的影響。這部分時間與生產管理有關，縮短這兩部分時間的途徑主要有：
1. 合理安排刀具換刀時間，在選擇刀具與確定切削參數時，應考慮所采用刀具的壽命與所確定的換刀時間相適應。一般盡量將換刀時間安排在交班或休息時間，盡量使所有的刀具壽命與所確定的換刀時間相同或為它的倍數，這樣可避免在零件加工過程中頻繁停機換刀。
2. 采用標準的刀柄，盡量采用線外調刀，以最大限度地減少換刀時的機床調速時間。
3. 配備排屑裝置和防護裝置，使切屑有序地排入切屑箱中，防止切屑及冷卻液四處飛濺。采用大流量冷卻與沖屑，實現冷卻液集中供排，切屑集中收集。
結論
提高生產效率不僅是工藝理念的更新，也是管理理念的提升。在采用先進刀具、機床實現高速高效切削的同時，還要應用相關技術和管理手段，優化整個加工過程，采用多樣化的途徑實現加工效率的提高，實現從高速切削到高效切削再到高效加工的最終目標。 |
