山高刀具:可持续性如何应用于制造业

国际金属加工网 2020年05月22日

上海, 2020 年 05 月 -年 5 月——如今,从渔业、家具到能源消耗和建筑,各行各业都将“可持续”一词与其产品和活动联系起来。这些行业声明要保护自然资源和地球环境。事实上,从更狭义的角度来讲,制造业的机械加工一直在追求某种形式的可持续性。加工价格具有竞争力的高质量产品可使制造商获利,从而维持企业的持续经营。
 纵观历史,制造商一直在努力寻求使加工过程更高效、更具成本效益的方法,包括不断开发先进和精密的生产机械,改进切削刀具以及优化整个切削系统。具体策略包括高速加工、高进给加工、高性能加工和数字加工。

最近提出的一项可持续机械加工的计划,旨在于整个产品生命周期中减少原材料的消耗、能源的使用和废物的产生,使之至少达到与地球承载能力相平衡的水平。通常,关于可持续性的一般性讨论都集中在宏观的全球环境问题上,而忽略了价格、成本、客户满意度、工艺知识和可靠性等基本要素。谈到机械加工的可持续性,真正的成功始于简单、直接的步骤和分析。

可持续定价
每个企业都面临着为其商品或服务设定可持续价格的挑战。价格必须足以弥补成本并产生利润,但又必须在市场竞争中吸引客户。如果客户认为产品物有所值,制造商便有设定更高价格的空间。

另一方面,如果来自客户和竞争对手的压力导致定价过低,利润率就会受到影响。当价格低于生产成本时,就会造成损失。如果竞争压力使得价格过低,那么产品设计和加工人员就必须找到更便宜、更快、更好的生产方法,以削减生产成本,维持可持续的利润率。

不可见成本
在许多企业中,盈亏临界点其实并不明确。这是因为真实成本本身也不清晰。有一些隐藏的、被忽略的或未知的因素未被计入成本。典型的不可见成本包括计划外停工、不合格工和破损刀具。这些成本被认为不具有代表性或不够“真实”。这种对某些成本要素视而不见的态度或思维方式不仅限于生产人员,也可能存在于整个公司。

要实现可持续的成本结构,就必须让不可见成本可视化。制造人员必须从整体上检查和评估加工过程以及组织内活动的结构和流程,以发现隐藏的成本。

客户满意度
客户满意度是经济可持续发展的关键要素。客户关心的是订单何时能够交付。在客户心目中,“交货期”从下达订单后就开始计算。并且交货期不单单只是生产时间。如果加工一个零件需要三周,但是管理活动前前后后需要两周时间,那么车间必须坦诚告知客户交货期为五周。包括山高刀具在内的金属加工设备供应商提供刀具库存管理、刀具识别和机床监控系统,使车间人员能够跟踪客户作业,并最大限度地提高车间能力以满足交货期目标并保持客户满意度。(请参阅附注)

浪费和度量
高效的制造可最大限度地减少时间、能源和原材料的浪费。加工过程产生的废品(如切屑、切削油和冷却剂等)所涉及的问题较为复杂。制造商习惯将废品视为生产过程中不可避免的产物,并认为这种状况难以改变,因此在这方面投入甚少。

要想有效减少浪费并节约资源,就需要全面了解工件材料的特性和加工工艺。这意味着我们需要精确度量加工工艺的关键参数,明确加工结果。要做到真正意义上的精确,就应当尽量避免使用舍入的数字,例如整数通常代表估值,不能完全呈现实际情况,并且会在我们作出调整时妨碍对结果的有效确定。如果一个车间声称其生产效率“高于 60%”,那究竟是 61% 还是 95%?毕竟这两个数字都高于 60%。同样的,例如“切削速度约 200 米/分钟”这样的信息也不够可靠。实际数值有可能是 195 米/分钟或 206 米/分钟,而不是一个整数估值。

在一个案例中,某车间老板确信其工厂的时间利用率为 70%(整数)。然而,仔细测算后发现实际利用率只有 34%,原因在于工厂内每三台机器中只有一台在工作,另外两台处于闲置状态。因此,车间负责人的估算并无意义。

薪酬与可持续性
在分析与全球劳动力成本相关的可持续性时,对劳动生产率的评估应排除工资成本。劳动生产率等于生产周转率,减去购买商品和服务的成本,除以员工人数,再除以时间单位。

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这一公式可在不考虑劳动力成本影响的情况下衡量劳动生产率,并对不同工资等级的国家或企业的劳动生产率进行有效比较。例如,西方国家一个熟练的机器操作员的工资可能是一个低薪国家操作员工资的十倍,但这种差异并不代表实际的生产力差异。低薪国家 10 名操作员生产的零件数量可能比西方国家 1 名操作员生产的要少,质量也更低。

然而,如果低薪国家的实际劳动生产率(按上述方法衡量)与西方国家处于同一水平,那么要在西方国家实现经济上可持续的生产力,就必须投资于创新的技术和生产方法以及对制造业工作人员的持续教育。

高劳动生产率表明,制造人员对自己的工作有十足的把握,并具备综合知识和技能。因此他们能够更快地工作、充分发挥自身能力并获得更高的工作满意度。如今,在多品种、小批量的生产环境下经常会发生意料之外的事情,打乱生产计划。然而,经验丰富、训练有素的操作人员可以快速调整操作,灵活应对生产瓶颈和其他破坏性事件。

可靠的加工工艺
可持续的加工过程是可靠且可预测的,并且能够最大程度地减少能源浪费。不可靠的工艺会导致工件返工或报废,以及因产品不合格而导致原材料、能源和劳动力的浪费。

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同样,从可持续性的角度来看,在制品 (WIP) 本质上也是一种浪费。从经济角度来看,在制品代表金钱、时间和占地空间的浪费。此外,储存的半成品在物流系统中移动时可能会损坏。因此,车间的在制品应尽可能减少。

降低能耗
纵观历史,制造业总能用更少能源消耗获得更大成果。例如,在上世纪 80 年代初,许多车间的机床功率都在 70 千瓦或以上。如今,功率为 7 千瓦的铣床所提供的生产率可以比那些十倍功率的铣床还要高。可持续的加工过程可将每立方毫米或立方英寸材料的能耗降至最低。最大限度地降低能耗,自然而然可减少能源浪费,使加工过程更加环保。

效率最大化
图 3 显示了一个五轴加工中心在一个工作日内的电能消耗(这些数据收集自一台机器,可供一般性参考)。令人惊讶的是,这台机器使用的大部分能量并不是被主轴消耗的。主轴和轴驱动电机通常只消耗 30% 的能量,而各种冷却系统消耗 44%,其余的则由泵、变压器、机器控制和其他系统所消耗。因此,当机床不在进行切削作业时,机床的大多数其他系统仍会继续消耗能量。

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高效利用能源可以在整体能源使用量小幅增加的情况下,显著提高产品产量。假设在第一个场景里,一个工件的实际加工需要一个小时。通过编程,设置和等待时间需要 6 个小时,机床将在 8 小时内生产两个工件。当机床进行切削时,能耗可视为 100% 或一个名义单位。切削操作消耗 20% 的能量,而机床不在切削时消耗 80% 的能量单位。因此,机床一天的总能耗为 6.8 个单位,产出为两个工件。

第二个场景,对过程进行了分析并着重考虑了如何削减浪费的时间。通过分析,可将闲置时间缩短至 5 个小时,减少了 16.5%。现在有三个小时的切削时间,可生产三个工件。每天的总能耗为 7 个单位,比第一个场景高出 3%。

在第一个场景中,生产一个工件需要 3.4 个能量单位,而在第二个场景中,每个工件的生产需要 2.2 个能量单位。第二个场景中每个工件的能耗减少 36%,而每日能耗仅增加 3%。在第一个场景中生产三个工件需要机器运行更长时间并消耗更多能量。由此可见,可持续加工不一定旨在消耗更少的能量,而是要用所耗能量做更多工作。

总结
长期以来,制造商通过加工价格具有竞争力的高质量产品来追求经济可持续性,从而支持和维持其业务发展。经济的可持续性包含多个方面,但总的来说,这些组成部分都是基础性且直接了当的。最重要的是,经济的可持续性意味着制造商需要切实、准确地评估生产过程中各方面的浪费情况,并采取合理的应对措施。

制造商在实现经济可持续性过程中所解决的问题,也使得他们得以应对和降低其业务对环境的影响,并实现全球意义上的可持续性。

(附注)
度量和可持续性
对加工工艺和设备的组织和测量,是消除浪费和实现可持续加工的重要步骤。为准确了解时间和能源浪费发生在哪个环节,车间人员需要使用确切的数字和事实,而不是依靠猜测和整数估值。

最基本的一个层面就是制造人员必须知道车间中有哪些可用刀具以及刀具的位置。如果对这些信息不够了解,就会存在“车间游猎”的现象,也就是工作人员知道刀具在车间里,但不知道其确切位置,需要花费很多时间去找刀。

山高刀具提供了一系列刀具识别和管理系统,旨在消除车间游猎。例如,山高库存管理系统是一个多功能的工业级自动分发系统,可以与工厂的生产流程完全联网。在配置了工厂特定的刀具需求后,这一库存管理系统会自动提供全面的报告,以跟踪刀具使用情况并发现可能表明存在问题的异常情况。

在生产过程中正确识别刀具也至关重要。很多刀具外观相似,仅靠视觉和触觉识别可能是不够的。山高刀具与 IDEM 合作推出了一个数字刀具识别系统,该系统采用了射频识别 (RFID) 标签和蓝牙标签读取器,允许操作人员通过本地 IOS 或 Android 应用程序实时连接到一个包含 900,000 多个刀具的数据库。全面的信息包括刀具规格和刀具历史记录管理以及其他功能,如用于在多个参与者之间共享评论和项目详细信息的群组通信功能。车间人员也可以使用相同的 RFID 技术来识别量具和其他车间物品。

实时机床监控可支持经济的可持续性,因为它能够持续跟踪加工过程。采取实时监控后,车间人员将能够即时告知客户其订单的生产进度和交付时间,从而提高客户满意度。

山高刀具已与工业物联网 (IIoT) 机器平台提供商 MachineMetrics 就山高机床监控系统开展合作。机床监控系统可在直连机床 PLC 和控件的同时,促进以太网、WiFi 和蜂窝通信。可通过 Web 界面对数字和模拟 I/O 进行配置和管理。这一基于云的系统易于使用、可完全自定义且安装迅速。该系统可捕获加工数据并提供制造分析,帮助用户了解其操作并提高机床的利用率和产能。它还支持与山高刀具信息数据库和经验的交互,以便用户改进流程,并充分利用有关刀具寿命、速度和进给优化以及刀具破损的数据。

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山高刀具总部设在瑞典法格斯塔市,在超过 75 个国家和地区开展业务,是为铣削、非转位刀具、孔加工刀柄系统提供全面金属切削解决方案的全球领先供应商。80 多年来,山高一直致力于为制造商提供最新的技术、先进的工艺和贴心的支持服务,确保他们获得最高的生产率和利润。山高的创新产品和专家服务将帮助各行各业的制造商取得成功,更多详情,欢迎访问 www.secotools.com。

(Patrick de Vos,山高咨询部门业务开发经理兼技术培训经理)

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