機(jī)械加工如何做出正確決策

　　日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，令汽車制造企業(yè)不得不認(rèn)真考慮一下自己未來(lái)的發(fā)展問(wèn)題。為此，他們提出了整體壽命周期費(fèi)用的研究要求，希望能夠幫助自己做出正確的決策。

對(duì)于汽車動(dòng)力總成制造企業(yè)來(lái)講，合理規(guī)劃生產(chǎn)是非常重要的。因?yàn)?，正確的選擇可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)系統(tǒng)的使用價(jià)值，提高生產(chǎn)效率，讓生產(chǎn)流程更加合理化，為企業(yè)節(jié)省大量的開(kāi)支。

就發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)所采用的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)而言，其整體壽命周期費(fèi)用的計(jì)算并非是件簡(jiǎn)單的事情。首先，企業(yè)要在先期投入大量資金購(gòu)置生產(chǎn)設(shè)備。然后，還需要考慮在后期的使用過(guò)程中，這套能夠?qū)㈣T件加工成成品（缸體）的生產(chǎn)系統(tǒng)需要花費(fèi)多少操作費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用？打個(gè)更好的比方，如果以10年為期限計(jì)算，在這一系統(tǒng)上生產(chǎn)400萬(wàn)件這樣的缸體需要投入多少運(yùn)營(yíng)成本？

我們的答案是：該項(xiàng)花費(fèi)將在1.10～1.60億美元之間。這5 000萬(wàn)美元的差額不但與動(dòng)力總成制造企業(yè)所選用的生產(chǎn)設(shè)備機(jī)型有著密切的關(guān)系，而且與該零件（缸體）在未來(lái)10年內(nèi)的改型也有著密切的關(guān)系。為適應(yīng)這些設(shè)計(jì)上的變化，動(dòng)力總成制造企業(yè)就必須對(duì)其生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造。此外，選用的設(shè)備型號(hào)對(duì)日常消耗的刀具、備品備件（如主軸）、公用設(shè)施及勞務(wù)操作和維修費(fèi)用等因素也都會(huì)有很大的影響。

由并聯(lián)加工中心、程控加工中心分組組成的敏捷加工單元

制造技術(shù)的發(fā)展

過(guò)去，能夠年產(chǎn)成千上萬(wàn)件大型動(dòng)力總成零件的惟一切實(shí)可行和具有較高成本效益的方法是，建造采用順序加工工藝的專機(jī)生產(chǎn)線。加工內(nèi)容按工序分配給不同的單獨(dú)工位順序完成，并由一條剛性的輸送帶連接起來(lái)。毛坯從生產(chǎn)線的一端上料，成品（缸體或缸蓋）從另一端下線，然后進(jìn)入裝配工序。

這種生產(chǎn)系統(tǒng)適合對(duì)生產(chǎn)線柔性要求不高的、設(shè)計(jì)變化較小的系列零件的生產(chǎn)，而對(duì)于設(shè)計(jì)變化較大的零件則需設(shè)計(jì)新的工位。改造采用順序加工工藝的專機(jī)生產(chǎn)線成本很高，動(dòng)力總成制造企業(yè)需要投入大量的時(shí)間和金錢。

隨著制造技術(shù)的發(fā)展，敏捷制造系統(tǒng)和混合型生產(chǎn)系統(tǒng)的出現(xiàn)給生產(chǎn)帶來(lái)了改變。

敏捷制造系統(tǒng)由裝配有機(jī)械手的數(shù)控機(jī)床和機(jī)床間的自動(dòng)化輸送設(shè)備組成，采用并聯(lián)加工工藝，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，一臺(tái)機(jī)床發(fā)生故障并不會(huì)導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停工。此外，這種采用并聯(lián)加工工藝的生產(chǎn)系統(tǒng)具有很好的柔性，很容易根據(jù)生產(chǎn)需要做進(jìn)一步擴(kuò)展。

對(duì)于大批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)的專機(jī)生產(chǎn)線的購(gòu)置成本較低。如果生產(chǎn)零件的預(yù)期變化很少，專機(jī)生產(chǎn)線將是最佳的選擇。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，相對(duì)前幾代的自動(dòng)生產(chǎn)線，如今的生產(chǎn)線改造成本已有所降低。

混合型生產(chǎn)系統(tǒng)是前兩種生產(chǎn)方式的組合，兼有專機(jī)生產(chǎn)線和柔性制造單元的特點(diǎn)。

如何進(jìn)行選擇

在選擇哪種生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)，整體壽命周期費(fèi)用可以作為生產(chǎn)企業(yè)的重要依據(jù)。在MAG動(dòng)力總成公司的設(shè)備開(kāi)發(fā)工作表上，創(chuàng)建了一個(gè)整體壽命周期費(fèi)用計(jì)算模型，將產(chǎn)品的變化分為3大類：變化較少、變化中等、變化較大。變化較少的一類只需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上的附加孔進(jìn)行重新配置，以使其適應(yīng)新的模型。根據(jù)锪孔、鉆孔、鉸孔和攻絲操作的變換，在專機(jī)生產(chǎn)線上添加多軸加工頭，增加刀具，以適應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變化。對(duì)此，敏捷制造系統(tǒng)則只需修改工件加工程序、更換刀具即可滿足這些變化。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體就是設(shè)計(jì)變化中等的一個(gè)實(shí)例。其新的特點(diǎn)將給生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響，需要增加必要的加工量。在這種情況下，專機(jī)生產(chǎn)線需要增添多軸加工頭和2～3個(gè)新工位，需要更改夾具。安裝新設(shè)備及改造舊設(shè)備將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)，因此在更換前需要調(diào)整成品的庫(kù)存。

在人們考慮選用何種生產(chǎn)方案應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的中等變化時(shí)，敏捷制造系統(tǒng)的柔性就得到了充分體現(xiàn)。因?yàn)槊艚葜圃煜到y(tǒng)更容易進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)備的安裝調(diào)試并不會(huì)影響到線上其他數(shù)控機(jī)床的正常工作。

對(duì)于產(chǎn)品變化較大的方案，如果使用的是專機(jī)生產(chǎn)線，那么就必須考慮設(shè)計(jì)和制造幾個(gè)全新的加工工位，以代替現(xiàn)有的工位。這必將涉及到多臺(tái)機(jī)床，還有相當(dāng)數(shù)量的新型多頭加工頭、夾具，大量更新機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)和PLC設(shè)計(jì)、刀具總圖、工藝表、相關(guān)說(shuō)明書。而在敏捷制造系統(tǒng)上，我們可能只需增添兩臺(tái)新型數(shù)控機(jī)床。此外，由于生產(chǎn)工藝的變化，還需更改數(shù)控機(jī)床的加工程序。

在一條發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線10～20年的壽命周期中，產(chǎn)品發(fā)生2次較大變化、4～5次中等變化及10～20次較小變化的情況是罕見(jiàn)的。這樣看來(lái)，敏捷制造系統(tǒng)是動(dòng)力總成制造企業(yè)的最佳選擇。但是當(dāng)產(chǎn)量很大時(shí)，專機(jī)生產(chǎn)線的初始投資成本則相對(duì)于敏捷制造系統(tǒng)更低。當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到每年60萬(wàn)件時(shí)，專機(jī)生產(chǎn)線的成本要比敏捷制造系統(tǒng)的成本低40%，后期的運(yùn)行及維護(hù)成本也較低。

表  不同生產(chǎn)系統(tǒng)所需的整體壽命周期費(fèi)用

目前的專機(jī)生產(chǎn)線屬于高標(biāo)準(zhǔn)化的加工系統(tǒng)，這類系統(tǒng)非常適合于零件的大批量生產(chǎn)。如果生產(chǎn)零件的預(yù)期變化很少或設(shè)計(jì)變化不頻繁，其投資成本是相對(duì)較低的。各個(gè)工序可分為幾個(gè)工位，按順序安排在一條生產(chǎn)線上，并由剛性傳送系統(tǒng)連接起來(lái)。

然而在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)專機(jī)生產(chǎn)線的重新安裝改造所花費(fèi)的高昂費(fèi)用可能會(huì)抵消其初始投資及操作運(yùn)行成本較低的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)?，較小的產(chǎn)品變化可能需要花費(fèi)幾百萬(wàn)美元，中等變化的花費(fèi)約需1 000萬(wàn)美元，而較大變化的花費(fèi)通常可能會(huì)超過(guò)2 000萬(wàn)美元。

在未來(lái)，產(chǎn)品變化的頻率和可能性還會(huì)進(jìn)一步提高。與缸體相比，這一系列的變化將會(huì)更多地體現(xiàn)在缸蓋產(chǎn)品上，從而使一些動(dòng)力總成制造企業(yè)更傾向于采用敏捷制造系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)缸蓋。

此外，生產(chǎn)系統(tǒng)的比較還包括機(jī)床利用率等因素，預(yù)測(cè)這些操作變量是判斷生產(chǎn)系統(tǒng)整體壽命周期費(fèi)用的一個(gè)重要組成部分。我們可以根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的勞動(dòng)率來(lái)計(jì)算這兩種生產(chǎn)方式的勞務(wù)成本。運(yùn)行敏捷制造系統(tǒng)所需要的操作人員和維護(hù)人員，其數(shù)量相當(dāng)于專機(jī)生產(chǎn)線所需人員的2～3倍。事實(shí)上，無(wú)論采用哪一種生產(chǎn)方式，其公用設(shè)施的費(fèi)用（供電和供氣）以及冷卻液和油耗也都是可以計(jì)算出來(lái)的。

設(shè)備維護(hù)及備品備件的費(fèi)用評(píng)估也包含在內(nèi)。主軸的更換，包括庫(kù)存?zhèn)浼剂讼喈?dāng)大的比重。通常，并列加工工藝采用的數(shù)控機(jī)床擁有更多的主軸。在整個(gè)規(guī)劃好的系統(tǒng)壽命周期中，如果將系統(tǒng)中的主軸數(shù)量乘以所需的預(yù)計(jì)更換件數(shù)量，再乘以每根主軸3～5萬(wàn)美元的購(gòu)買費(fèi)用，所得的金額是十分可觀的。此外，平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）以及確定故障和排除故障所需的可變勞動(dòng)力技術(shù)水平，也需納入自動(dòng)生產(chǎn)線維修項(xiàng)目的輸入值進(jìn)行計(jì)算。

除此之外，還有一些因素對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用也具有很大的影響。刀具的消耗是必須考慮的。隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率的不斷提高，刀具的消耗也隨之提高。在傳統(tǒng)加工方式中，冷卻液費(fèi)用約占操作費(fèi)用的15%左右。由于提取系統(tǒng)的不斷更新，微量潤(rùn)滑變得更加切實(shí)可行。其關(guān)鍵是重新設(shè)計(jì)機(jī)床的底座，利用重力幫助排除切屑，而不是采用沖洗的方法排除切屑。事實(shí)上，一旦采用了這種特殊設(shè)計(jì)的機(jī)床底座，所需冷卻液要比濕加工減少很多。

對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)整體壽命周期費(fèi)用的研究表明，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中采用柔性加工單元與專機(jī)生產(chǎn)線相結(jié)合的混合生產(chǎn)方式更為理想。專機(jī)用于進(jìn)行特點(diǎn)穩(wěn)定的粗加工和精加工，數(shù)控機(jī)床用于設(shè)計(jì)特色易于發(fā)生變化的工位。

現(xiàn)在，動(dòng)力總成制造企業(yè)又有了一種新的選擇——采用專機(jī)式加工中心。專機(jī)式加工中心是以加工中心和專機(jī)的組合形式來(lái)加工工件的一種新工藝，將機(jī)床轉(zhuǎn)化為一個(gè)獨(dú)立的加工單元。專機(jī)式加工中心更加簡(jiǎn)單、可靠，主軸比專機(jī)要少，換刀時(shí)間短，加工效率高。此外，它的初期投資和運(yùn)轉(zhuǎn)周期都要低一些。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，我們對(duì)這三種生產(chǎn)方式的整體壽命周期費(fèi)用進(jìn)行了比較。生產(chǎn)期限為20年，產(chǎn)品和工具改造轉(zhuǎn)換的較大變化為3次、中等變化為5次、較小變化為10次，系統(tǒng)的整體壽命周期費(fèi)用見(jiàn)表。系統(tǒng)的整體壽命周期費(fèi)用是由產(chǎn)量決定的：當(dāng)年產(chǎn)30～40萬(wàn)件時(shí)，敏捷制造系統(tǒng)的整體壽命周期費(fèi)用最低；當(dāng)年產(chǎn)60萬(wàn)件時(shí)，專機(jī)生產(chǎn)線的整體壽命周期費(fèi)用最低。如果按同樣的設(shè)備投資和生產(chǎn)規(guī)模，以10年（代替20年）生產(chǎn)期限進(jìn)行計(jì)算，盡管產(chǎn)量降低了，但在生產(chǎn)系統(tǒng)的選擇上仍采用同樣的推薦數(shù)字。

根據(jù)壽命周期費(fèi)用分析，以上三種生產(chǎn)系統(tǒng)方案均占有一定的優(yōu)勢(shì)。如果產(chǎn)量較低，敏捷制造系統(tǒng)占有優(yōu)勢(shì)；如果產(chǎn)量屬于中等水平，則采用混合型生產(chǎn)系統(tǒng)或敏捷制造系統(tǒng)最為理想。當(dāng)產(chǎn)品發(fā)展變化達(dá)到最低預(yù)測(cè)水平時(shí)，專機(jī)生產(chǎn)線在大批量生產(chǎn)規(guī)模中非常具有優(yōu)勢(shì)。面對(duì)大批量生產(chǎn)，敏捷制造系統(tǒng)初期投資較高，但其柔性和易擴(kuò)展性不但能滿足當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)需要，同時(shí)還能適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展變化。專機(jī)生產(chǎn)線的初期費(fèi)用較低，如果產(chǎn)品在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化，選擇這種生產(chǎn)方案是切實(shí)可行的。