汽车制造中的机床及刀具选择与分析

    在选择哪种生产系统时，整体寿命周期费用可以作为生产企业的重要依据。在MAG动力总成公司的设备开发工作表上，创建了一个整体寿命周期费用计算模型，将产品的变化分为3大类：变化较少、变化中等、变化较大。变化较少的一类只需对发动机上的附加孔进行重新配置，以使其适应新的模型。根据锪孔、钻孔、铰孔和攻丝操作的变换，在专机生产线上添加多轴加工头，增加刀具，以适应产品的设计变化。对此，敏捷制造系统则只需修改工件加工程序、更换刀具即可满足这些变化。
   
    日益激烈的市场竞争，令汽车制造企业不得不认真考虑一下自己未来的发展问题。为此，他们提出了整体寿命周期费用的研究要求，希望能够帮助自己做出正确的决策。

    对于汽车动力总成制造企业来讲，合理规划生产是非常重要的。因为，正确的选择可以进一步提高生产系统的使用价值，提高生产效率，让生产流程更加合理化，为企业节省大量的开支。

    就发动机生产所采用的自动化生产系统而言，其整体寿命周期费用的计算并非是件简单的事情。首先，企业要在先期投入大量资金购置生产设备。然后，还需要考虑在后期的使用过程中，这套能够将铸件加工成成品（缸体）的生产系统需要花费多少操作费用和维护费用？打个更好的比方，如果以10年为期限计算，在这一系统上生产400万件这样的缸体需要投入多少运营成本？

    我们的答案是：该项花费将在1.10～1.60亿美元之间。这5 000万美元的差额不但与动力总成制造企业所选用的生产设备机型有着密切的关系，而且与该零件（缸体）在未来10年内的改型也有着密切的关系。为适应这些设计上的变化，动力总成制造企业就必须对其生产系统进行相应的改造。此外，选用的设备型号对日常消耗的刀具、备品备件（如主轴）、公用设施及劳务操作和维修费用等因素也都会有很大的影响。

制造技术的发展

    过去，能够年产成千上万件大型动力总成零件的惟一切实可行和具有较高成本效益的方法是，建造采用顺序加工工艺的专机生产线。加工内容按工序分配给不同的单独工位顺序完成，并由一条刚性的输送带连接起来。毛坯从生产线的一端上料，成品（缸体或缸盖）从另一端下线，然后进入装配工序。

    这种生产系统适合对生产线柔性要求不高的、设计变化较小的系列零件的生产，而对于设计变化较大的零件则需设计新的工位。改造采用顺序加工工艺的专机生产线成本很高，动力总成制造企业需要投入大量的时间和金钱。

    随着制造技术的发展，敏捷制造系统和混合型生产系统的出现给生产带来了改变。

    敏捷制造系统由装配有机械手的数控机床和机床间的自动化输送设备组成，采用并联加工工艺，可以实现连续生产，一台机床发生故障并不会导致整条生产线停工。此外，这种采用并联加工工艺的生产系统具有很好的柔性，很容易根据生产需要做进一步扩展。

    对于大批量生产，传统的专机生产线的购置成本较低。如果生产零件的预期变化很少，专机生产线将是最佳的选择。随着制造技术的发展，相对前几代的自动生产线，如今的生产线改造成本已有所降低。

    混合型生产系统是前两种生产方式的组合，兼有专机生产线和柔性制造单元的特点。

如何进行选择

    发动机缸体就是设计变化中等的一个实例。其新的特点将给生产带来一定的影响，需要增加必要的加工量。在这种情况下，专机生产线需要增添多轴加工头和2～3个新工位，需要更改夹具。安装新设备及改造旧设备将会导致生产线停机，因此在更换前需要调整成品的库存。

    在人们考虑选用何种生产方案应对产品的中等变化时，敏捷制造系统的柔性就得到了充分体现。因为敏捷制造系统更容易进行扩展，设备的安装调试并不会影响到线上其他数控机床的正常工作。

    对于产品变化较大的方案，如果使用的是专机生产线，那么就必须考虑设计和制造几个全新的加工工位，以代替现有的工位。这必将涉及到多台机床，还有相当数量的新型多头加工头、夹具，大量更新机械、电气、液压系统和PLC设计、刀具总图、工艺表、相关说明书。而在敏捷制造系统上，我们可能只需增添两台新型数控机床。此外，由于生产工艺的变化，还需更改数控机床的加工程序。

    在一条发动机生产线10～20年的寿命周期中，产品发生2次较大变化、4～5次中等变化及10～20次较小变化的情况是罕见的。这样看来，敏捷制造系统是动力总成制造企业的最佳选择。但是当产量很大时，专机生产线的初始投资成本则相对于敏捷制造系统更低。当产量达到每年60万件时，专机生产线的成本要比敏捷制造系统的成本低40%，后期的运行及维护成本也较低。

    目前的专机生产线属于高标准化的加工系统，这类系统非常适合于零件的大批量生产。如果生产零件的预期变化很少或设计变化不频繁，其投资成本是相对较低的。各个工序可分为几个工位，按顺序安排在一条生产线上，并由刚性传送系统连接起来。

    然而在许多应用领域中，对专机生产线的重新安装改造所花费的高昂费用可能会抵消其初始投资及操作运行成本较低的优势。因为，较小的产品变化可能需要花费几百万美元，中等变化的花费约需1 000万美元，而较大变化的花费通常可能会超过2 000万美元。

    在未来，产品变化的频率和可能性还会进一步提高。与缸体相比，这一系列的变化将会更多地体现在缸盖产品上，从而使一些动力总成制造企业更倾向于采用敏捷制造系统来生产缸盖。

    此外，生产系统的比较还包括机床利用率等因素，预测这些操作变量是判断生产系统整体寿命周期费用的一个重要组成部分。我们可以根据生产企业的劳动率来计算这两种生产方式的劳务成本。运行敏捷制造系统所需要的操作人员和维护人员，其数量相当于专机生产线所需人员的2～3倍。事实上，无论采用哪一种生产方式，其公用设施的费用（供电和供气）以及冷却液和油耗也都是可以计算出来的。

    设备维护及备品备件的费用评估也包含在内。主轴的更换，包括库存备件，占了相当大的比重。通常，并列加工工艺采用的数控机床拥有更多的主轴。在整个规划好的系统寿命周期中，如果将系统中的主轴数量乘以所需的预计更换件数量，再乘以每根主轴3～5万美元的购买费用，所得的金额是十分可观的。此外，平均无故障时间（MTBF）以及确定故障和排除故障所需的可变劳动力技术水平，也需纳入自动生产线维修项目的输入值进行计算。

    除此之外，还有一些因素对生产系统寿命周期费用也具有很大的影响。刀具的消耗是必须考虑的。随着机床主轴转速和进给率的不断提高，刀具的消耗也随之提高。在传统加工方式中，冷却液费用约占操作费用的15%左右。由于提取系统的不断更新，微量润滑变得更加切实可行。其关键是重新设计机床的底座，利用重力帮助排除切屑，而不是采用冲洗的方法排除切屑。事实上，一旦采用了这种特殊设计的机床底座，所需冷却液要比湿加工减少很多。

    对生产系统整体寿命周期费用的研究表明，在许多应用领域中采用柔性加工单元与专机生产线相结合的混合生产方式更为理想。专机用于进行特点稳定的粗加工和精加工，数控机床用于设计特色易于发生变化的工位。

    现在，动力总成制造企业又有了一种新的选择——采用专机式加工中心。专机式加工中心是以加工中心和专机的组合形式来加工工件的一种新工艺，将机床转化为一个独立的加工单元。专机式加工中心更加简单、可靠，主轴比专机要少，换刀时间短，加工效率高。此外，它的初期投资和运转周期都要低一些。

结束语

    根据最近的一项研究，我们对这三种生产方式的整体寿命周期费用进行了比较。生产期限为20年，产品和工具改造转换的较大变化为3次、中等变化为5次、较小变化为10次，系统的整体寿命周期费用见表。系统的整体寿命周期费用是由产量决定的：当年产30～40万件时，敏捷制造系统的整体寿命周期费用最低；当年产60万件时，专机生产线的整体寿命周期费用最低。如果按同样的设备投资和生产规模，以10年（代替20年）生产期限进行计算，尽管产量降低了，但在生产系统的选择上仍采用同样的推荐数字。

    根据寿命周期费用分析，以上三种生产系统方案均占有一定的优势。如果产量较低，敏捷制造系统占有优势；如果产量属于中等水平，则采用混合型生产系统或敏捷制造系统最为理想。当产品发展变化达到最低预测水平时，专机生产线在大批量生产规模中非常具有优势。面对大批量生产，敏捷制造系统初期投资较高，但其柔性和易扩展性不但能满足当时的市场需要，同时还能适应未来的发展变化。专机生产线的初期费用较低，如果产品在一定时期内不会发生大的变化，选择这种生产方案是切实可行的。
 
 
 

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