优化加工节拍实现高效加工

优化工件加工工序，采用OEE对生产设备的实际产能和理论产能的比率进行监控，掌握生产过程的瓶颈，是一种实现高效、低成本零部件加工的有益探索。

缸体是发动机的重要部件，基础形状比较复杂：壁薄、呈箱型、多空腔和孔系。通常情况下，缸体生产线的加工特点是：先面后孔；先进行易发现零件内部缺陷的工序；先完成深孔加工，避免较大的内应力影响后序精加工；正确合理的安排密封试验、压装、清洗等辅助工序。

在国内某汽车企业的缸体生产线优化中，技术人员采用了节拍优化的方法，并利用OEE管理手段，提高了产能，降低了生产成本。

优化缸体加工节拍

以 L4汽油机缸体生产线为例，生产线由国产的4台卧式加工中心和4台立式加工中心组成，工件采用手工装夹，传送采用无动力辊道；辅机（清洗、试漏、压装）采用专机；位置尺寸采用三坐标测量机检测，孔径、孔深、螺纹孔等采用专用量具；刀具以国产硬质合金刀具为主，关键刀具采用国外知名品牌；设计产能80台／日。

首先分析一下该生产线的线体平衡率，即构成生产线体的作业者在作业要素中时间上的平衡状态。

线体平衡率=（所有工序节拍之和×100%）/（瓶颈工序节拍×人员）

假设每台加工中心配置1名操作者，可以计算出该线线体平衡率为43.4%，损失56.6％。

通常生产线的生产节拍是由整线中生产时间最长的设备决定。通过对缸体的工艺流程和节拍进行分析（表1），可以看出OP60的加工节拍最长，其次是OP30、OP100。

优化过程可以分为单工序优化和整线节拍平衡。

1、单工序优化

（1）优化工件夹具

该生产线是加工中心组成的柔性加工线，因此选择合适的设备参数是非常重要的。目前，高速加工中心的快速移动速度可达80m/min，各移动轴加速度保持10m/s2，换刀时间（刀-刀）3s，主轴转速16000r/min。

对于加工中心，节约辅助加工时间的常用方法是采用双工作台和双工位进行加工。图1所示为加工某缸盖进气面的双工位夹具，采用双交换工作台立式结构的加工中心，加工内容为粗、精铣进气面以及进气面螺栓安装孔，该工序共有5种刀具，每只刀具的换刀时间为9s，交换工作台时间为8s。当采用常规的单夹具加工时，整个加工节拍为161s；当采用双工位夹具加工时，加工节拍为135s。该方法受设备的加工范围、刀具长度，特别是工作台的最大承重的约束，在设计时需要进行认真的校核，另外，当采用手工装夹时必须考虑装夹时间，使用双交换工作台加工中心时必须保证加工时间大于人工装夹工件的时间。

图1  双夹具示意图

（2）刀具使用的优化

□ 优化加工路径

采用优化设计为面加工刀具选择合理的刀具运动轨迹；对于孔加工刀具，应减小刀具逼近距离。

□ 优化工艺方法

在铣削加工中，将多刀加工改为一刀加工，多使用复合刀具，如复合钻、台阶钻等；镗孔和铣削平面时多采用多刃加工。

□ 采用高速加工刀具

采用高速加工刀具，可有效地减少纯加工时间。

例如，在CICINNATI四轴立式加工中心上粗镗某发动机缸孔，采用的硬质合金镗刀片，切深为1.5mm，v=180 m/min，fz=0.17mm/r时，分别采用单刃镗削和4刃镗削，加工节拍相差169s（表2）。

2、整线节拍平衡

整线节拍平衡是提高缸体柔性加工生产线效率的一个必要措施。在具体的工艺编制过程中，由于采用了工艺集中的原则，因此工艺设计人员可以将每个工序加工的内容分为两类：一类是依据产品精度要求和工艺次序，必须在同一道工序中完成的内容，例如，精镗缸体曲轴孔和精加工前后端面，因为需要保证前后端面和曲轴孔的垂直度，所以该内容在同一道工序中完成是合理的。除此之外的其他加工内容属第2类，例如，前后端面的水泵螺栓孔、油泵螺栓孔的钻孔和攻丝，并没有固定在某道工序中一定要完成，而是具有一定的可调整性。因此，在第2类加工内容中适合节拍平衡。

金属加工的成本分为刀具成本、原材料成本、人员成本、设备成本以及其他成本，它们在总成本中分别占有的比例大约为刀具占3%，原材料占22%，人员成本、设备成本以及其他成本总共占75%。

（1）刀具成本下降20%，总成本只能下降0.6%。

总成本＝3%×(1-20%)＋22%＋75%＝99.4%

（2）刀具寿命增加2倍，总成本只能下降1.5%。

总成本＝3%/2＝22%＋75%＝98.5%

（3）生产效率提高20%，总成本下降15%。

总成本＝3%＋22%＋75%×(1－20%)＝85%

从以上3种降低生产成本的方案中可以清楚地看到，提高生产效率对降低加工成本是非常有效的。

因此，以表1所示OP10工序优化为例，当改变加工刀具参数后，加工节拍时间从1446s（24.1min）变为750s，如表3所示。

本道工序优化的整体思路有2点，第一是将粗铣底面分解到毛坯供应商处粗加工，第二是合理地提高刀具参数和优化刀具逼近距离。在本道工序使用的钻头采用的是国产硬质合金（v=60～90m/min，fz=0.18～0.22mm/r），铣刀采用的是涂层硬质合金（v=150～220m /min，fz=0.10～0.22mm/r），铰刀（v=40m/min，f=0.10mm/r），丝锥（v=6～12m/min）。

通过对其他各工序的优化和节拍平衡后，该生产线不仅加工节拍缩短，同时减少了2名操作人员，线体平衡率达到82.6%，产能也达到日产80台缸体。

利用OEE管理工具提高产能

由于各种各样的原因，整线生产节拍经优化后，产能通常不能立即达到理论值。OEE是一个独立的测量工具，用来测量实际产能和理论产能的比率、可用率、表现指数以及质量指数是OEE的3个关键要素。

 OEE=可用率×表现指数×质量指数

例如：OP100设备工作时间为24h，班前计划停机20min，实际故障停台180min，生产节拍为14.1min，当班生产了83件，无废品，其OEE为82％。

可用率=操作时间/计划工作时间，用于评价停工所带来的损失。

可用率=（24×60－180）÷（24×60－20）= 89%

表现指数=生产节拍/（总操作时间/总产量），用于评价生产速度上的损失。

表现指数=14.1×83÷（24×60－180）= 93%

质量指数=合格产品/总产量，用于评价质量的损失。

质量指数=100%

通过对该生产线进行分析，从生产组织、物流配送、质量保证、设备维修、刀具管理多方面进行分析和制定了整改和预防措施，经过一个月的提升，该生产线的产能顺利实现80台／日以上，设备OEE值也稳定达到80％以上。

结束语

降本增效是企业努力追求的目标，提高生产效率不仅仅是提高刀具参数，应根据加工条件的变化及时调整工艺参数和工艺方案，使工艺方案更加合理。

在实际生产中长期使用OEE工具，企业可以轻松地找到影响生产效率的瓶颈，并进行改进和跟踪，以提高生产效率。