山高: 通過十個簡單的步驟實現最高的性能和生產率
上海, 2017 年 01 月 - 所有加工車間都面臨著同一項任務，那就是將原材料轉化為成品工件。加工出來的產品必須具備指定的質量水平、達到所需的數量并在所要求的期限內交貨。與此同時，還必須解決可持續性問題和環境問題。為了保持競爭力和盈利，車間在不斷尋求以最經濟、高效的方式完成自己的任務。
時至今日，為了追求工藝改進而付出的這些努力的最佳范例是一場在歐洲被稱為?工業 4.0?的運動，這場運動利用戰略和策略將先進的數據采集、存儲和共享技術整合到制造流程中。工業 4.0 目前處于這場制造業革命的頂端，并需要管理層的強力支持、專業人員的參與以及巨大的投資才能得以實現。
1：后續步驟 - 全面一體化的生產模型
不幸的是，如果車間缺少像通用電氣或通用汽車這樣的全球性工業巨人的廣泛資源，在提高生產率方面可能就會欲振乏力。不過，一些極具成本效益的簡單分析和舉措能夠對中小型企業的生產率產生相當大的積極影響。事實上，在投資于新的計算機、機械手或員工之前，任何車間無論其規模如何，都應執行基本的工藝分析并組織好現有的設備和實踐方法。事實是，組織混亂的車間即使實現了計算機化，最終也只會陷入計算機化了的混亂局面。
三個階段和十個簡單步驟
要對車間的實踐方法進行組織，首先需要分三階段對生產過程執行審查。第一階段是選擇階段，需要選擇切削策略、刀具和切削條件。下一個階段是整合階段，也就是將所選的刀具和策略全部整合到加工工藝中。第三階段是實現，用于將工藝付諸實施。
在大多數情況下，第三階段的結果達不到預期，而且需要采用某些措施，從而根據實際情況進行削足適履，獲得可接受的成果。這些措施可能是技術性質的，例如設法減小切削力，也可能是經濟層面的，包括旨在降低成本的那些舉措。幸運的是，車間可以通過十個簡單的步驟分析和改進自己的金屬加工工藝。這些步驟如下所示。
智能化預算控制
金屬加工的常用預算方法是以盡可能低的價格采購所有加工要素，但在選擇刀具時最好不要僅僅著眼于價格。在討價還價之前，車間應當考慮需要取得什么樣的最終結果。如果目的是獲得公差嚴密、質量一流的工件，則需要使用價格更高的精密刀具來進行加工。
2：不同的刀具選擇標準
寄希望于利用廉價刀具加工出優質的零件時，往往會得到不合格的零件，而且其花費還要超過高價刀具的費用。另一方面，當質量要求不太嚴格時，高精度刀具的一些功能會得不到用武之地。了解流程的最終目標是做出極具經濟效益的采購決策的第一步。
智能化約束處理
與所探討的金屬加工理論形成對照的真實金屬加工會受到一些實際約束，包括機床功率和穩定性以及客戶對于尺寸和表面粗糙度質量的需求。切削條件千差萬別，而參數的各種組合對切削力和表面粗糙度產生的影響可能會導致用戶無法作出某些選擇。
3：用于選擇切削條件的兩步模型
盡管如此，為了突破工藝約束，僅僅全面減小切削參數并非是明智之舉。例如，與更改進給量相比，更改切深對機床功耗產生的影響更大。在減小切深的同時增大進給量可以在機床功率有限的約束條件下提高生產率。
刀具應用合理化
鑒于可用的刀具槽型、尺寸和材料浩如煙海，因此可以選擇的金屬加工刀具配置實際上也是數不勝數。機床車間通常每次只為一種加工選擇刀具應用，也就是選擇一種特定的刀具在零件上加工出一種特定的特征，然后再選擇另一種刀具以加工出另一種不同的特征。
4：全部刀具產品浩如煙海 - 合理化是關鍵所在
例如，使用兩個單獨的刀具來車削軸并加工出一個具有兩個方肩的寬槽。具體而言，使用其中一個刀具將軸車削到所需的直徑并切削一個方肩以及槽的寬度，然后使用第二個刀具切削另一個方肩。每個刀具都經過單獨編程和優化，因此產生了各自的編程和管理成本。
另一個形成鮮明對比的刀具選擇策略是開發高度專業化的能夠在一次加工中產生多個特征的定制刀具。這種策略非常便捷，但設計和制造專用刀具需要付出不菲的代價。
介于這兩種極端情況之間的方法是利用能夠執行一種以上的加工的標準刀具（多向刀具）。山高的 MDT 刀具就是這種方法的一個完美范例。
這款刀具的特性使它能夠車削直徑、通過插銑加工出一個方肩、在軸上移動以進行切槽，然后撤刀以加工出第二個方肩。即使這樣的多向刀具并不使用兩個單獨刀具的最佳切削參數進行加工，在刀具、編程、換刀時間和庫存成本方面實現的節約也會使其成為首選的刀具。
復雜的工件加工方法（組合技術）
與使用可執行兩種或更多加工的刀具相比，車間可以采用的另一種不相上下的方法是選擇能夠在多種工件上加工出相似特征的刀具。車間可以加工各種不同的工件，但這些工件具有相同的特征，例如孔、槽和銑削表面。
為了加快復雜零件的加工速度，車間可以將相似的特征視為一組特征，然后選擇一種針對在不同的零件上重復進行的特定加工（例如孔加工）進行了優化的刀具。這種經過優化的刀具不但能夠實現最高的效率，還由于無需為每個單獨零件的刀具進行重復性編程而節約了工程時間并因此降低了成本。這種組合技術方法還有助于減少刀具庫存。
獲得質量最低但功能合格的工件
盡管這一概念乍看之下非常奇怪，但車間必須認識到，工件質量應在滿足客戶規格和功能要求的情況下盡可能得低，并不需要超額滿足這些要求。如果某個零件的公差為 5 微米，那么實現 3 微米的公差就是在浪費時間和金錢。要實現更緊密的公差，需要使用質量更高的刀具和更加精密的加工工藝。但客戶不會為他們要求之外的這些更高質量慷慨解囊，因此這項工作對于車間來說就是一筆賠錢買賣。
5：成品工件的整體質量會受多種因素的影響
很明顯，有些質量問題（例如毛刺）是必須解決的問題。但在某些情況下，少量的支出并不值得計較 - 與刀具將要加工的大型鈦合金航空航天部件的高昂價值相比，區區幾歐元或幾歐分的刀具成本差異是微不足道的。為了實現最高的成本效益，車間應當根據工件的功能和質量要求定制生產質量。
預測性刀具維護
傳統的刀具維護是按兵來將擋、水來土掩的思路進行的。出現磨損或發生斷裂的刀具將被更換。但除了刀具自身的成本以外，這種方法還會產生其他成本，包括制造工藝的停機時間和可能的工件損壞。而預防性刀具維護是一種超越了被動式維護的措施。
6：切削刀具由于遇到不同的現象而出現磨損
即使是相同的刀具，其有效壽命通常也會比平均使用壽命或長或短。預防性刀具維護基于這樣一種理念：在刀具達到其最短預期使用壽命之前將其更換，以確保在刀具磨損過多甚至斷裂之前予以更換。但這種方法會導致使用壽命能夠達到甚至超過平均壽命的刀具無法物盡其用。
一種相對較新的基于刀具壽命建模的方法借助計算機計算和模擬來提供預測性的刀具損耗數據并指出應當何時更換刀具。盡管花費要更高一些，但可以利用傳感器來實時跟蹤刀具的磨損情況，從而進一步完善結果。通過利用預測性刀具維護，有望將刀具成本降低 15%、20% 甚至更多。
刀具庫存控制
當進行金屬加工的第二個階段?整合?時，一定要注意，刀具庫存控制不同于刀具管理。刀具管理是指整
理現有的刀具庫存并使刀具能夠投入到生產環節。為此，可以使用多種自動化的刀具管理系統。而另一方面，刀具庫存控制是指設法合理確定和統計車間為了側重于真正需要進行的加工而擁有的刀具數量。如果在將刀具裝載到自動化的刀具分配裝置中之前沒有合理確定刀具數量，最終只會陷入自動化的混亂局面。
實際工作分析
美國工程師兼工作分析先鋒 Fredrick Winslow Taylor 在其于 1907 年出版的《金屬切削藝術》(On the Art of Cutting Metals) 一書中指出，在車間中進行的某些活動，例如表面銑削，確實為工件創造了價值。但他也指出，另一方面，生產成品工件時需要開展的很多活動并不會直接創造價值。這些活動包括將工件固定在機床上、編寫加工程序等等。
Taylor 稱，不創造價值的任務應當盡快完成，而且應當最大限度減小這些任務對總生產成本的影響。通過自動化，可以完成零件裝載和固定等任務并節省時間和金錢。
7：可以通過不同的方式實現生產率和成本效益
制造商通常認為縮短加工時間的最佳方法是提高加工參數。大多數車間都沒有充分認識到工程設計等活動所消耗的時間。在零件從圖紙到交付的這一過程中，工程設計這項任務可能占據了總耗時的 40% 之
多。刀具故障、質量問題或切屑控制問題所產生的意外停機時間也可能被忽視了。當分析工作活動和成本時，必須考慮到零件生產時間所涉及的全部因素。
（參見附注）
優化的實際應用
零件金屬加工的第三階段是實現階段，在此階段會將在第一階段選擇并在第二階段整合的刀具和策略付諸實
施。流程幾乎從不嚴格按計劃的方式運轉，因此就需要在這一階段對加工的速度、可靠性和其他因素進
行優化。此外，大多數車間還會尋求改進現有的流程。執行了第一階段和第二階段的組織和合理化步驟之后，通過進行實際優化，進給量、速度和切深組合會產生所需的結果，車間因此而獲得技術和經濟效益。
明智地引進新技術
如今的制造商面臨著很多相對較新的挑戰，包括對于可持續性和環境保護的強制要求。通過明智地引進新的技術和工藝，車間能夠戰勝這些挑戰。例如，工廠可以利用干式加工來減少冷卻劑的使用量，從而減少油液可能對環境產生的影響以及為了安全處理油液而產生的費用。增加無鉛工件材料的使用量旨在清除環境中的有害金屬。改善工藝參數和生產刀具性能可以顯著降低能耗。
8：加工工藝的發展
結論：第 4 階段和 STEP 培訓
當各種規模的制造商利用這十個簡單的步驟改進自身的加工時，生產工藝的第四階段需要持續開展內部培訓。這一培訓的目標是確保車間的工作人員認識到，用于解決生產率問題的解決方案不一定都需要投入大量的資金、高科技和更多的人力。
可以反復運用在改進個別加工或多種加工時獲得的經驗教訓，也可以擴充這些經驗教訓以涵蓋整個車間的類似情況。可以使用系統性的培訓（例如山高技術培訓計劃 [STEP]，它是一個成熟且實用的用于幫助用戶熟悉最新刀具系統和技術的課程）對這些經驗教訓進行補充。通過與工藝分析和改進方面的實踐經驗相結合，培訓可對客戶產生重大的影響，幫助打造一種能夠解決問題和改進工藝以使制造業務持續取得成功的文化。
9：全部 STEP 培訓
（附注）
跟蹤隱性成本
當執行實際工作分析時，成本可能是顯而易見的，也可能非常隱蔽或者被忽視。在將原材料轉化成成品工件期間，影響總成本的因素通?？梢苑譃榘藗€類別。這些類別包括刀具和刀具系統、工件材料、工藝和工藝數據、人員和組織、維護工作、特殊因素、周邊設備以及各種隨機因素。
加工時間是最明顯的成本因素，它包括加工時間以及在設置機床和刀具、搬運工件和執行質量檢查時花費的時間。很明顯，設置和搬運工件時花費的時間需要算在計劃的停機時間內，但加工時間中的一個不太明顯的部分是由于刀具意外損耗、切屑問題和質量不穩定而造成的工作意外停止。
那些生產出質量欠佳或不合格零件的不可靠的加工工藝、破損的刀具、損壞的工件以及系統問題都會無謂地導致加工時間變長、成本增加。與操作員犯下的錯誤和系統發生的異常所貢獻的時間相比，常見因素（例如加工時間和計劃內的刀具更換）在總加工時間中所占的比例較低。
在計算總生產時間中，通常會忽視工程設計—包括常規活動、幾何活動（編程）和技術活動（選擇刀具和加工參數）—所貢獻的時間。零件編程在工程設計時間中占據了很大一部分，但技術問題（例如選擇刀具和選擇加工參數）也涉及了大量的工程設計活動。
此圖（PDF 中的幻燈片 3）顯示了加工時間和成本之間的關聯，垂直軸顯示的是成本，水平軸顯示的是使用的時間。八個因素組使用不同的顏色，淺藍色代表刀具系統，淺黃色代表工件材料，淺橙色代表工藝和工藝時間，依此類推。在這個簡化的一般性示例中，單個工件的預計生產成本被設置為 1.0，基準時間為零。此圖表明，刀具成本的八個因素所消耗的總時間比計劃的時間多出了 80%，并導致最終的成本達到了預期成本的 3.5 倍。
