超越加工的综合刀具损耗分析

切削刀具是金属切削工艺流程的基本组成部分。在合理选择并正确应用的情况下，刀具能够最大限度地提高生产率；但在另一方面，也可能会造成生产瓶颈。这很大程度上取决于如何根据整体制造工艺流程来管理刀具的使用。

刀具损耗分析
图 1

从本质上说，切削刀具是一种耗材；它们会不断磨损，直到不再能有效地工作。传统的金属切削刀具管理方法仅采用磨损分析，并且关注的重点是控制刀具材料、槽型和应用参数，从而在选定的加工操作中实现更高的零件产量和更长的刀具寿命。然而，要最大程度地提高工厂整个制造工艺流程的效率，除了刀具磨损外，还需要考虑其他众多因素。关键是要根据整体或“综合”的制造工艺流程来全面检查切削刀具的磨损，或者更广泛地说，刀具损耗。

综合刀具损耗分析 (GTDA) 不再局限于刀具磨损的基本测量，它还考虑了其他与刀具相关的问题，例如花费在刀具装夹上的时间、磨损以外的问题、生产经济性、车间组织、员工态度和责任感、价值流管理和总制造成本。GTDA 基于对大量随机选择的车间切削刀具进行定期评估，构勒出一个综合全面的图形来反映刀具对工厂整体制造业务的贡献。

综合制造工艺流程
对刀具磨损的研究通常仅限于特定加工操作中使用的单个刀具。但是，为了使收益最大化，需要根据工厂制造加工流程中的所有加工全面考虑刀具磨损或损耗。制造工艺流程（图 2）始于原材料采购和规划，其中涉及整合人力资源、技术资源和资本投资。随后会开展一些增值和价值支持活动，但这些活动可能会受到废物产生事件的限制而造成资金、时间和人力资源的损失，进而会降低零件质量和产量。输出按照以下方面进行测量：零件质量、所需的零件数量以及所需的生产时间和成本。



制造工艺流程
图 2

制造工艺流程的演变
分析和预测刀具寿命的方法取决于刀具的使用方式。几个世纪以来，制造业从个别产品的工艺级生产发展到标准化零件的批量生产。随后，制造方法的改善带来了第二代批量生产，人们能够对类似零件进行更大规模的生产 – 大批量、低产品混合 (HVLM) 方案。近年来，随着数字技术开始广泛应用于编程、机床控制和工件处理系统，第三代批量生产应运而生，它实现了经济高效的高产品混合、小批量 (HMLV) 生产。



制造工艺流程的演变
图 3

尽管关键的性能问题（即实现成本和时间效率、最低程度的质量以及一定程度的产量）没有改变，但第二代和第三代批量生产技术采用了不同的刀具寿命分析方法。在第二代 HVLM 方案中，人们在可能持续数天、数月或数年的生产运行中使用相同的工件材料、相同的设备和同一种切削刀具来加工相同的零件。在这种情况下，刀具寿命的管理相对简单。车间人员使用原型和试运行来确定最佳的平均刀具寿命，然后将所需的零件数量除以各个刀具的预期寿命。

一致的刀具寿命预期数据使车间能够有效制定刀具更换计划，从而最大限度地提高刀具利用率并支持连续生产。然而，随着时间的推移，制造商逐渐发现了 HVLM 生产方法的劣势。为了平衡零件库存和需求并适应持续不断的工程变化，制造商在长期不变的生产运行中加工的零件越来越少。

与此同时，第三代 HMLV 批量生产策略越来越受制造商青睐。快速可调的 HMLV 工艺流程非常适合当前的库存和工程目标，但规划过程复杂得多。在完成数量为十个零件的加工批次后，接下来可能需要完成数量为两个、五个甚至一个零件的加工批次。工件材料可能从钢变为铝，再变为钛，并且零件的几何形状也可能从简单变为复杂。因此，没有足够的试验时间来确定刀具寿命。

在这种情况下，车间通常会对刀具的预期使用寿命做出一个保守的猜测，而且为了安全起见，每一次运行都要使用新刀具，并在刀具远未达到实际生产寿命之前就扔掉它。通过采用更全面的刀具磨损分析和预测方法，可以帮助减少切削刀具能力的浪费。

二元产出率的可能性
快速变化的 HMLV 制造方法增加了在加工操作中实现高产出率的难度。在长期运行的 HVLM 生产环境中，试验和调整可以实现 90% 以上的高产出率。另一方面，HMLV 生产环境中的产出率可能是二元的。成功的单件运行可以实现 100% 的产出率，而当零件不合格或工件损坏时，产出率为零。

人们对质量、成本效率和时间效率的要求不变，但首次产出率成为首要要求。在这种情况下，避免刀具破损可能是最重要的考虑因素。一项好处是刀具磨损在短期运行场合中影响极小，因此车间可以在合理的范围内应用更强大、更高产的切削参数。

工艺和人员贡献
长期不变的 HVLM 生产运行一般会显著消弱人员对制造工艺流程的贡献。在启动长期运行后，操作基本上会自动进行。即使在需要操作人员参与零件转换的场合，这些情况的重复性质也会使操作员和编程人员的影响显得微不足道。这种制造方案不需要（甚至可能制止）灵活性。

相反，快速变化的 HMLV 方案再次强调了人在制造工艺流程中的作用，指出传统工艺形式需要结合人的创造性和灵活性，从而高效地适应不断变化的零件和切削工况 - HMLV 加工的特征。

关注结果之前的工艺流程
许多制造工艺流程分析工作仅专注于审查与刀具寿命和零件产量有关的最终结果，而不全面检查工艺流程本身。这可能会遗漏一些与切削刀具有关但不直接影响刀具寿命的问题，并造成生产瓶颈。例如，毛刺通常与刀具寿命无关，但会中断制造工艺流程，因为必须开发并实施额外的加工操作来去除毛刺。

然而，毛刺的形成与刀具槽型和应用参数有关，因此必须在刀具损耗分析中加以考虑。另一个通常与刀具磨损无关的问题是刀具破损，这涉及刀具材料、槽型、应用参数以及机床因素。

卓越运营的要素
制造效率的基本内容是消除浪费、灵活性缺乏问题和易变性。综合刀具损耗分析考虑五种卓越运营要素。

首先，必须全面了解整个加工流程和加工操作与工件材料的关系。第二，必须注意通过精益制造策略和其他举措来减少浪费。第三，需要运用生产经济学的概念来保证盈利能力。第四，应根据制造数量和零件种类来考虑产出率目标；必须将最大限度地提高灵活性作为最小化生产瓶颈的方法，但必须控制易变性，以确保一致的零件公差。最后，必须强调制造人员的价值，从而充分利用这一独特的、不可替代的资源。

不仅仅考虑刀具磨损
综合刀具分析在刀片切削刃初始测量的基础上，补充了刀具在总货物销售成本 (COGS) 中所占比例的分析、一分钟换模 (SMED) 分析、价值流管理 (VSM) 结果和整体设备效率 (OEE) 百分比。

与刀具相关的最基本的经济考虑因素无疑是刀具成本。图 4 显示了加工流程中各个要素的成本，并将它们合计为 COGS。这些数据使车间能够比较各种生产成本要素，从而找出可降低成本并提高业务盈利能力的方法。



刀具成本
图 4

另一个与刀具相关的经济要素是刀具花费时间 – 在实际加工操作之外用于操纵刀具的时间。刀具转换和装夹时间通过 SMED 分析技术进行分析，该技术还显示了刀具磨损和更换成本之外的费用。其中的部分费用用于采购和组织刀具、安装刀具和将程序加载到机床中。

OEE 决定有多少可用的制造时间得到高效利用。OEE 分析可以指出损失、设定改进基准并通过消除浪费提高生产率。OEE 分析首先确定用于生产的总时间，然后减去计划停机时间、计划外停机时间、转换时间、轻微停止和损失速度时间以及废品和返工时间，从而得出有效加工时间（以占总可用时间的百分比表示）。100% OEE 是一个理想但几乎无法实现的目标，它表示以尽可能快的速度生产出规定质量的零件，且没有浪费时间。

VSM 分析旨在说明在制造工艺流程的所有要素之间均衡进行性能改进的必要性。图 5 显示了在改进系统中某个要素的性能而不改进其他要素时所取得的效果。就像众人划船一样，只有一位划船者表现优异反而会伤害到船的整体性能。

在改进工艺的各个部分时，必须同时考虑它们与以下各项的关系：生产数量和种类、工件材料特性、零件几何形状、机床和夹具要求以及其他因素，从而实现并保持整体平衡的生产操作。



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图 5

综合刀具损耗分析
基本上，综合刀具损耗分析 (GTDA) 是一个相对简单的流程。它从整个车间中随机选取大量刀具并逐个检查它们的切削刃，以确定哪些切削刃发生了磨损。磨损按其类型和数量进行分类。传统的刀具磨损分析专注于一项加工操作中的一种刀具；而 GTDA 从整个车间中收集有关刀具磨损与其他刀具相关问题的信息，然后应用 COGS、SMED、VSM、OEE 和其他分析工具来编译额外的数据，从而指导有关改进方案的规划和实施。

要获得成功，车间必须制定相关纪律才能开始实施 GTDA 方案，并且同样重要的是，还必须继续定期进行刀具检查和数据分析。另一种纪律 - 诚实也是必需的。车间必须诚实、客观地接受分析结果，并愿意根据所发现的情况采取行动，而不是牵制于车间传统和政治或有关刀具应用参数的反对意见。

结论
刀具磨损是不可避免的，有效管理磨损是成功进行加工操作的关键。然而，刀具磨损仅仅是切削刀具对工厂整体制造工艺流程的效率产生影响的一个示例。GTDA 不再局限于单一刀具磨损分析，它包括了车间中的所有刀具以及切削工艺之外的一系列与刀具相关的重要影响。

备注：
GTDA：原因和工作原理
在大批量生产个别零件的高峰期，刀具磨损只是进行简单的测量、操纵和平衡，从而最大限度地延长刀具寿命和提高零件产量。随着制造策略逐渐发展成为随时生产接近定制的零件，刀具磨损本身已成为整个制造工艺中不那么重要的组成部分。

山高咨询服务持续分析制造工艺的不断演变，并开发了自身的 NEXT STEP生产模型，以应对不断变化的制造业（图 6）。NEXT STEP 模型基于四个关键的加工标准，即成本效率、时间效率、质量和产量。NEXT STEP 模型可使制造商通过分析废物生产、加工工艺技术、刀具和工件材料科学、生产经济性和产量，以及员工和领导层在加工操作中的关键作用，来设定并满足自身的加工标准。



NEXT STEP 生产模型
图 6

综合刀具损耗分析（图 7）是整个制造工艺流程评估和改进的关键组成部分。通过全面检查随机选择的、涵盖工厂所有加工领域的刀具，然后应用各种生产测量，制造商可以全面了解刀具在整个加工流程中发挥的作用。GTDA 能够帮助车间了解需要改善哪些刀具性能才能提高生产率，以及与刀具相关的问题可能在制造的哪个环节造成浪费时间和金钱的瓶颈。



综合刀具损耗分析
图 7

针对 GTDA 的特定主题，山高咨询服务编写了一本名为“刀具失效实际应用模型”的书籍（图 8）。这本书将刀具损耗作为可加工性模型的平衡点，指出加工工艺流程中的大多数问题均可归类为与刀具损耗相关的事件。它讨论了金属切削不同的应用，深入介绍了引起刀具损耗的现象，同时还概述了有关如何识别、处理和控制刀具损耗过程的“最佳实践”。



刀具失效实际应用模型_2014
图 8

作者：
山高刀具集团技术培训经理 Patrick de Vos

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