刀具的一体化管理
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一般来说,刀具费用在总的制造成本中所占比例约为3%~5%。在规模较大的制造企业中,刀具费用的水平可能还不足以引起企业高层管理者的重视。但是,基于整个生产活动的成本分析表明,与刀具采购、供应、管理、使用等流程相关的间接成本可能远远超过刀具本身的购置费用。这一认识促使许多制造商开始采用刀具全面服务供货(full-service supply)方式。此外,另一个令人棘手的问题是:即便刀具本身的价值只有5万美元,但却可能影响到企业的每一条生产线或每一个柔性制造单元,刀具备货不全是制造企业经常碰到的老问题。许多企业指望通过车间刀具管理(shopfloor tool management)来解决这些问题。
但是,仅仅在车间管理层面上解决问题的努力其效果十分有限。显然,指望通过车间刀具管理来解决问题的观念将刀具管理与工艺设计(process engineering)割裂开来,理所当然地将刀具管理问题仅仅当作后勤供应问题来处理。考察一下车间经常面临的生产效率低下的原因,就可以发现上述观念的错误。影响车间生产效率的主要因素包括:
  1. 车间必须管理大量不同类型的刀具组件;
  2. 车间所用刀具来自多种供货渠道,刀具的品种规格存在明显的重复冗余;
  3. 刀具配置方案不一致;
  4. 将刀具数据输入车间管理系统的方式极易出错。
由此可见,造成车间刀具管理困难的许多因素早在刀具进入车间使用阶段之前即已存在。事实上,将近70%的车间刀具管理问题均源于工艺设计。由于刀具配置方案、刀具供货商、刀具技术规格等均在工艺设计阶段即已确定,因此刀具整个寿命周期成本的70%取决于前期的工艺设计。
基于制造企业将刀具应用(包括刀具寿命周期的全过程)从工艺设计问题变为了后勤供应问题这一现实,提出了一种全新的概念——刀具一体化管理(integrated tool management)。在工艺设计阶段,刀具应用属于工艺创新的范畴。而在加工制造阶段,刀具应用则变为提高机床加工效率的驱动力。
设计和制造分属两个相对独立的领域,虽然可对它们各自的信息流进行优化,但一般来说,这两个领域彼此之间并不将对方视为自己的消费对象。设计环节难以为制造环节提供附加价值服务;反之,制造环节也缺乏将其经验与需求反馈回设计环节的渠道。刀具一体化管理的任务就是要为这两个相互分离的环节提供沟通手段,使其实现集成化,从而实现刀具的最优化配置。

一、刀具一体化管理的内容

刀具配置方案通常是以工艺文件的形式从设计部门移交到生产车间。刀具配置方案是以工程语言(包括图纸、材料清单、参数表等)来表达刀具信息的。一份特定的刀具配置方案要针对某一特定机床的某一特定主轴给出完成某一特定加工操作所需的配套刀具,还需要详细说明组装刀具所用的各种组件(包括备用件)。在发动机制造行业,平均一台加工机床需要配置30~50套刀具,每一套刀具中又包括了约230~350个组件。为如此多的刀具组件编制工艺文件,刀具工程师需要付出大量的劳动,而这些付出对于下游生产活动常常并无太大价值。
机床操作人员和刀具采购人员(或刀具全面服务供应商)需要从刀具配置方案中为他们各自的下游系统提取出相关的刀具信息。由于这些系统所需的大部分信息都是以非数字化形式提供的,因此信息的获取及录入只能在各种不同的操作平台上进行。下面是某些操作步骤实例:
  1. 采购部门编制刀具采购包(tool packages)——即用于生成采购订单的刀具材料清单。
  2. 车间刀具管理部门为刀具分配存储编号(storage IDs),将其编入存货管理系统,并将刀具组件按易损件或耐用件、刀具按可返修刀具或不可返修刀具进行分类。
  3. 刀具准备站按照刀具配置方案组装刀具并进行加工预调(对刀),并将刀具尺寸修正值输入机床数控系统。
  4. 刀具准备站对返修刀具进行检测,并生成故障报告。
  5. 生产现场成本控制人员对加工过程进行优化完善——即改变切削速度和进给率,或要求更换刀具——由此需要改变刀具参数,或重新设计新刀具。


图1 刀具管理的范畴应包括工艺设计阶段。刀具寿命周期成本的70%在工艺设计阶段即已确定。
研究一下实现上述操作步骤需要完成的相关工作。耗时较多的工作主要有以下几项:
  1. 搜寻加工所需刀具并研究以往的加工实例及其效果(包括与刀具供应商进行交流):仅此项工作就可能耗费刀具部门50%的工作时间。
  2. 生成刀具采购包:每一个刀具采购包对应于加工机床的某一特定主轴。生成一个刀具采购包大约需要3天时间。
  3. 将刀具配置方案编入下游生产系统:按约每2分钟录入一个刀具条目的速度计算,将一个汽车传动器制造厂平均所需的15000种刀具编入生产系统大约需要500小时;对于一个汽车发动机制造厂,此项工作所需时间约为200小时。
由此可见,通过刀具一体化管理,在提高效率、节约时间方面所能实现的潜在效益相当可观。除此以外,通过刀具一体化管理,还可以提高工艺设计的质量,明显减少加工中使用的刀具种类。
既然刀具一体化管理与传统的刀具管理方法相比具有明显优势,为什么目前真正采用这种管理模式的公司(尤其是大规模制造企业)并不太多呢?最为常见的理由可归纳为以下几点:
  1. 刀具种类缺乏共通性。
  2. 不同系统的工艺文件相互隔离。
  3. 刀具图纸和技术数据未采用数字化形式。
  4. 缺少关于刀具性能的数字化信息。
  5. 缺少加工中实际在用刀具的相关信息。
对于大多数企业而言,由于没有建立与主要刀具供货商进行远程电子数据交换链接的供货商电子集成系统,加上企业本身存在的上述管理障碍,导致与外部刀具供货商的协作相当困难。此外,制造企业的工艺设计部门普遍缺少与技术合作伙伴(如刀具、机床制造商)进行技术协作所必需的适用通讯标准。
即使在已经采用电子数据管理系统和车间刀具管理系统分别为工艺设计部门和刀具供应部门提供有效技术支持的少数企业中,实施刀具一体化管理仍然存在许多困难。这是因为工艺设计部门综合了加工过程的所有相关信息,并将其集成到完整的刀具配置方案中。但在刀具供应部门,为了生成订货用的刀具采购包并将刀具数据编入下游生产系统中,又不得不对完整的刀具配置方案进行分解。此外,即使同属于一家公司,其设在各地的制造工厂对车间刀具管理的要求可能也不尽相同。

二、案例研究

某大型汽车制造公司下属的各个驱动总成制造厂的刀具管理现状可以很好地说明刀具管理涉及的范围与问题。该公司刀具管理的主要特点如下:
  1. 5个发动机制造厂和2个传动器制造厂平均每年要消耗价值2亿美元的刀具,这些刀具由约150家刀具供应商长期供货(临时采购的刀具除外)。
  2. 车间刀具管理由各个生产厂自行负责。每个工厂需要管理约5000~18000种刀具。
  3. 每个生产厂由不同的刀具全面服务供货商负责刀具的及时补给和刀具刃磨。刀具全面服务供货商的收益在很大程度上取决于为生产厂提供服务所取得的节省成本效益。
  4. 工艺设计采用统一的集中化设计,但各个工厂的生产过程由本厂的刀具工程师提供技术支持。
  5. 采用先进制造工艺是公司技术中心的职责。
通过初步分析,可以确定该公司刀具管理的问题所在。虽然刀具工程师将60%的工作时间都耗费在与编制工艺文件相关的工作上,但车间刀具管理员和刀具全面服务供货商均认为这些工艺文件对刀具的应用并未提供有用的信息。此外,车间刀具管理人员在搜寻适用刀具上花费了25%的工作时间,主要用于建立从刀具供货商产品编号到公司刀具编号的各种对照表。对某一传动器制造厂进行的随机调查表明,有28%的刀具品种是已经过时的(在过去24个月未被使用)或重复多余的(有多种刀具可用于同一加工操作)。公司的其它生产厂也都证实,这种现象在他们的工厂也同样具有代表性。
公司管理层决定针对问题的根源采取措施——建立一个刀具一体化管理系统,使工艺人员可利用该系统减少在用刀具的种类;同时建立一个刀具知识库,作为今后研究最优加工方案和制定通用刀具设计标准的一个交流平台。对该刀具管理系统的另一个要求是必须能够反映该公司集中化工艺设计、刀具采购和各工厂分散化应用的管理结构;不硬性规定某个生产厂必须全盘采用其它生产厂采用的加工工艺。这一要求与基层生产部门关系极大。例如,某发动机制造厂加工某种工件时采用小型钻头(mini-drill),而另一家工厂加工同一种工件时则可以采用微型钻头(micro-drill),这就需要刀具一体化管理系统认可这两种刀具使用方式都是可行的。公司成立的刀具一体化管理系统项目组从一开始就得出结论,企图推行一种只允许采用统一加工模式的刀具管理体系必将导致来自各生产工厂的巨大阻力。
该公司建立的刀具一体化管理系统采用了Cimsource软件公司开发的CS-Enterprise企业管理软件。该软件的核心是一个通过访问界面与车间刀具管理和车间刀具需求相连接的数据库。该系统为工艺设计部门建立了与设计图管理系统的直接链接。系统采用了与每一个用户部门优先权相适应的、基于浏览器的交互式用户界面。系统的输入界面设计使用户可以访问各个不同刀具供货商的产品目录,并允许直接由供货商或通过Cimsource软件公司的ToolsUnited管理员服务器对数据库自动进行编辑修改。该数据库存储的数据包括了各个不同刀具供货商的产品目录。
以下两个重要技术特点保证了该刀具一体化管理系统的成功运行:
  1. 数据库内容与访问请求格式完全分离;
  2. 建立一套管理员刀具分类规则,以此作为不同类型用户访问系统不同页面内容的主要依据。
该刀具一体化管理系统是在现有的Oracle数据库基础上开发的,这就使针对系统不同页面内容的交叉查询成为可能(如利用内部产品代码交叉查询刀具供货商的产品目录)。通过访问请求页面,刀具工程师及工厂的相关人员可通过交叉查询方式对刀具数据库进行搜索,这一功能对于刀具的最优化配置(削减加工所用刀具的种类)十分关键。
过去,刀具的优化配置被比喻为去理发店理发——必须隔一段时间才能进行一次。现在利用刀具一体化管理系统可使该项工作成为一种动态过程。刀具工程师可以针对某个特定加工任务在系统的内部数据库中进行搜索,如果未能找到合适的匹配刀具,还可以转向外部的ToolsUnited服务器,搜寻可解决该加工问题的标准刀具,如果仍未发现合适的匹配刀具,此时才能考虑自行设计新刀具。这种管理方式可以显著减少自行设计新刀具的数量,而无节制地设计新刀具的首要缺点就是会导致刀具种类的大量增加。
刀具采购也是推动刀具优化配置的重要环节。由于可以通过访问请求来识别刀具,因此刀具采购人员可以通过系统实现过去很难办到的刀具智能化配置。采用刀具一体化管理后,重复冗余的刀具品种变得显而易见,刀具采购人员可以将这些刀具从数据库中屏蔽掉,然后等待是否有人对此提出异议。如果无人提出异议(通常情况如此),就可以将这些多余的刀具从数据库中删除。实际上,在刀具一体化管理系统投入运行的头四个月内,按照上述方式精简刀具,在一台典型加工设备所配刀具清单中即可删除掉近10%的刀具品种规格。
便于操作的页面访问也变得更为切实可行。工厂管理人员可以通过全厂生产布局页面访问数据库,确定某一特定生产线或柔性制造单元后,管理人员就能够详细查询其工艺计划和刀具使用方案,并可将某一种刀具的技术规格与其它任意一条类似生产线所用的刀具进行比较。此外,先进制造工艺技术中心可以在刀具一体化管理系统中发布加工检测结果,而生产车间也可将切削加工中实际采用的切削速度和进给率反馈回系统中。

三、采用参数化技术的管理员刀具分类

刀具一体化管理要达到的主要目标为:
  1. 为刀具整个寿命周期中不同阶段的各类管理人员提供不同的刀具访问页面,使他们可以通过这些页面对刀具的应用过程作出各自的判断及反应。
  2. 使刀具信息能在所有刀具管理人员的IT系统中方便、畅通地流动。
下面探讨一下这些目标是如何实现的。
为了实现“提供不同刀具访问页面”的目标,就意味着必须以不同形式的“语言”来表达加工信息和刀具技术规格。例如,刀具工程师使用的是“图形语言”(刀具设计图),而刀具采购人员则需要刀具的目录样本;数控加工编程人员习惯于使用CAD模式,而机床操作人员则需要打印出来的刀具使用方案。在刀具一体化管理系统中,每一类用户都可以按照不同的路径进入同一个主数据库,查找各自需要的信息。为了满足这种“多语言”管理系统的要求,其关键是针对不同的访问申请对系统内容进行分离。
利用参数化设计方法即可实现这种分离。在设计系统时,采用可满足刀具寿命周期中不同管理者的访问请求所需的全部参数来描述一种刀具。这样,每一个访问请求只能访问与其相关的参数,并将其编入各自预设的管理模块、模板或表格。这种参数化设计技术经常用于CAD系统中的标准零件管理。此外,任何管理信息系统(MIS)也都采用这种工作方式。
为了实现“信息流动方便、畅通”的目标,则需要涉及到信息转换的问题。为便于信息流动,要求不同的系统访问者采用相同的语言来进行访问请求的输入输出操作。利用基本数据标准(如ASCII或CSV)虽然可以部分解决这一问题,但使用上述标准的访问请求信息还必须具有一个标准结构。该结构既可以在各个相互连接的系统之间预先设定,也可以是调用数据的一部分,如采用可扩展标记语言(EML)。ARIBA公司和CommerceOne公司的电子采购(e-procurement)“标准”就采用了后一种方法,即使用带有一个预设结构的可扩展标记语言来构建他们各自的采购平台。
利用刀具分类规则可以实现结构寻址和参数化寻址。但使用这种方法存在一个问题,由于每个公司都有自己的刀具分类规则,因此必须建立刀具供货商及其用户的分类对照表。此外,大型公司或跨国公司在不同的国家或地区也可能采用不同的刀具分类规则。为了解决寻址差异问题,唯一可行的方式是采用一种能够对应不同访问页面的管理员刀具分类规则。
为了定义一套可囊括各种标准刀具必备参数的管理员刀具分类规则,金属切削行业的刀具制造商协会和刀具用户通过协同工作,制定了一个称为“StandardOpenBase”的刀具描述行业标准。该标准是由一个包括Kennametal、Sandvik、Widia、Plansee Tizit和Cimsource等知名公司在内的协作团队共同制订的。
目前,已有大量刀具公司开始使用StandardOpenBase标准。这意味着现在已有大量刀具供货商准备迅速构建适合刀具一体化管理的全新刀具供应体制,以尽快从中获得收益。

图2 某公司采用的刀具一体化管理版本反映了该公司集中化设计与分散化制造的特点。

图3 刀具使用人员利用系统的刀具浏览功能可以确定冗余刀具。
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2005年第3期
上载于:2006-5-28 22:10:51

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