高效加工的技术经济分析
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我们已经到了必须重视加工效率,从而降低制造成本,提高竞争能力的时刻。如果我们提高20%的切削速度,总的加工成本反而下降将近15%。

1 引言

现在,中国制造业已发展成为国民经济的重要组成部分,制造业的工业增加值占GDP增加值的44.88%
世界的制造业已经或正在向中国转移,中国已经成为一个制造大国。但我要说,中国还不是一个制造强国。据报道,中国的劳动生产率只有德国的1/18,美国的1/23,日本的1/25。就拿刀具制造企业来说,中国全国2004年的劳动生产率为14.1万元人民币,而山特维克工具的劳动生产率折合人民币为130.8万元,瓦尔特为134.8万元,而肯纳金属的2005财年(从2004年7月1日至2005年6月30日)为136.6万元。这些数据说明,们可以看到我们劳动力的绝对价格是比较低,但由于劳动的效率有时极低,往往分摊到单个产品尤其是高附加值的产品的成本并不低。因此,我们经常看到我们一些产品只有在劳动力密集的行业中才有狭小的生存空间。
2006年2月,肯纳金属全球副总裁兼首席技术官许仰兴博士在分析中国低廉劳动力的竞争前景时说,依靠低廉的劳动力取得的竞争优势是不会持久的。因为无论政府或劳动者都在为改善人民生活努力,而人民生活水平的提高需要劳动者收入的提高,这种提高就意味着劳动力成本的上升。如果我们不加以改进,我们就会随着生活水平的提高而渐渐丧失低劳动力成本所带来的竞争优势。
的确,过去20年,中国的改革开放依靠增大投资、用市场换技术和低成本战略取得了一些成果,人民生活水平也获得了有目共睹的提高。但随之而来的,却已经出现中国大陆轿车的生产成本高于在美国底特律的生产成本,许多加工制造行业却因市场竞争或政府限价,造成利润下降甚至亏损。我们已经到了必须重视加工效率,从而降低制造成本,提高竞争能力的时刻。

图1
为什么我们要主要通过提高加工效率而不是其它方法来降低制造成本和提高竞争能力呢?资料表明,肯纳美国对组成加工成本的各种因素进行的分析表明:作为易耗品的刀具花费在产品制造总成本中仅占约4%,而主要的费用耗费在机床占用时间、企业管理和人工的成本(如图1所示)。《机电商报》最近的调查发现,有41.67%的中国制造企业的刀具成本在2%以下,这一结果与我们刀协高级顾问赵柄桢先生2%的数据大体相同。这就意味着,即使刀具制造者能够给零件制造者提供完全免费的刀具,中国大部分企业的制造成本也就降低2%,但刀具完全免费显然是不可能的。
那么,我们向效率要收益的结果会如何呢?如果我们提高20%的切削速度,虽然可能带来刀具成本增加50%,但由于占机时间的缩短,机床费用、管理费用、厂房折旧等都得到下降,总的加工成本反而下降将近15%。而“肯纳知识中心”的一份培训资料表明,如果采用加大进给、加大切深的同时辅以略微降低切削速度,我们可以在降低刀具成本的同时提高效率而降低成本,其成本的下降完全可以超过15%。不过由于刀具成本本身在加工费用中的比例较小,总体成本下降的变化率并不明显。
提高加工效率,实现高效加工,对于提高企业的竞争力将有极大的帮助。通过提高加工效率,我们可以因此而降低制造成本,从而增加利润、为自身的新品开发提供资金支持、为股东更多盈利、吸引优秀员工为企业服务、也可以为社会贡献更多,如增加就业机会,增加税收,更多地参与社会公益活动,从而回报社会;通过提高加工效率,我们还可以缩短制造周期,从而实现快速制造,为自己的客户创造价值,可以成为客户供应链中可信赖的环节,并且加快资金周转,降低财务费用。

2 不断创新,推动技术进步

金属切削技术的历史本身说明,我们技术进步,总是与创新和技术进步密切相关的。100年以来,经过切削专家的不断努力,主流刀具材料经过了从高碳钢、高速钢、硬质合金、涂层硬质合金刀具等几个阶段,切削效率得到了极大的提高。以一个直径65mm、长度1m的钢件车削为例,100年以前大约耗时100分钟,而现在的主流加工方法大约只需要1分钟。前不久肯纳金属加工集团负责研发和工程的副总裁伯纳·诺斯在接受《工具技术》和《机械工人》联合采访时就举例谈到近期肯纳自主知识产权的CVD涂层技术的发展为金属加工技术带来的收益。他说,现在我们在涂层与基体的结合力、涂层各层间的结合力、涂层的晶格取向、涂层晶粒的大小、涂层前后的处理等各个方面都在进行行之有效的突破并取得了成就。在10年之前,由于涂层结合力的原因,学术界公认的涂层厚度极限是不能超过20µm,而现在肯纳已经可以做到30µm而同时保持良好的结合力。由于这样的技术进步,客户的加工效率就得到了提高。他举肯纳的KC9110牌号为例,5年以前当这种加工钢件的刀具材料被开发出来后,客户的平均切削速度是250m/min,而现在由于肯纳技术的不断更新,涂层厚度由初始的18µm增加到现在的24µm,客户的平均切削速度已经达到320m/min,提高了将近30%。我本人手上的一个数据是,在美国某企业的加工实际中,由于切削速度和进给速度的同步提高,该工序的加工费用由原来的近3.7万美元锐减到不足0.9万美元,下降幅度超过75%。
刀具技术需要不断创新的另外一个原因是客户的要求在不断提高。例如新型工件材料的出现和改善,就对刀具提出了新的要求。大家所知道的波音公司和空中客车公司最近先后宣布延迟新机型的交货,原因之一就是对新型工件材料的加工技术没有过关。飞机发动机所使用的合金材料的屈服强度的不断提高,汽车制造业的蠕墨铸铁的快速发展,淬硬工件的直接铣削等等,都在不断对刀具提出新的课题。

a)KC9110

b) 赛龙陶瓷
图2 现代刀具材料

a)细颗粒硬质合金KC635M
刀具寿命: 25min

b)超细颗粒硬质合金KC637M
刀具寿命: 70min
图3 加工淬硬钢HRC62磨损对比
以加工镍基合金等高温合金为例,这些材料的加工对工业界一直是一个挑战。通常客户对镍基合金加工时应用的切削速度比较低,生产效率受到影响,从而使飞机制造厂难以满足航空业业务迅速增长的需要。刀具界研究开发的须晶增韧陶瓷在相当程度上改善了这一状况,使飞机制造业的加工效率得到提升。肯纳金属商品名称为“赛龙”的须晶增韧陶瓷材料的主要成分是Al2O3和ZrO2,而用长径比为20~200倍的SiC晶须进行增韧。这种须晶在陶瓷刀具受到扭距载荷和裂纹扩展时能有效地起到牵制和阻挠的作用,而在载荷集中时也能够起到均匀载荷的作用。在进行波音777发动机固定架的高温铣削时,面对硬度为28HRC的镍基合金,其切削速度高达1310m/min,进给速度在2000mm/min,帮助企业将加工周期从45小时减少到14小时,从而大幅度提高了加工效率,获得了很好的经济效益。
从图3中我们则可以看到颗粒度对刀具性能的影响。在铣削62HRC的淬硬材料时,细颗粒硬质合金KC635M加工25min的刀具磨损与超细颗粒硬质合金KC637M加工70min的刀具磨损相当,说明在加工硬材料方面,超细颗粒硬质合金KC637M的耐磨性比细颗粒硬质合金KC635M高将近3倍。
而新的涂层在硬材料加工方面的作用也是巨大的。现在的涂层已经远远不只是保护刀具。在硬材料加工方面,新的涂层常常会在减少摩擦发热、隔离切削热向刀具的传递等方面发挥效益,例如PLATIT的CBC碳基涂层就是涂覆于超硬材料表面以达到自润滑作用的涂层。而巴尔泽斯商品名称为 “ALCRONA”的AlCrN则在高的切削温度下的抗氧化能力达到了前所未有的水平。

图4 CBC涂层

图5 ALCRONA涂层

3 更新管理和加工理念

管理和加工理念的差别也许是我国平均制造水平落后的一个非常重要的方面。在这方面我们的工程技术人员缺乏加工经济性等现代加工理念基本概念的现象还十分普遍。每个商业化的企业都希望降低成本,但如何降低成本却在许多场合不被广大的工程技术人员所熟悉。因为我们的工程技术教育长期缺乏制造成本的基本概念,成本分析管理往往只有财务人员才被要求去学习和掌握。这就导致一提降低刀具成本,管理人员和工程技术人员就把目光集中在降低采购价格和延长刀具寿命两个方面,忽视了刀具使用对整体制造成本的作用,因此常常是节省了刀具采购费用却导致整体成本上升,企业竞争力下降,正所谓“拣了芝麻,丢了西瓜”。
更新管理和加工理念,是我们提高加工效率时必须要正视的一个问题,例如许多工厂对使用新型刀具和复合加工技术就不够了解。我们常常遇到一些工厂人员在选择刀具时对新型刀具和复合刀具的价格望而生畏,从而错失提高加工效率、增加经济效益、实现良性发展的一个又一个的良机。实际上,这些新型刀具和复合刀具的使用,通常会给客户带来莫大的好处。
在今年8月肯纳公司天津工厂开业典礼的新闻发布会上的一份资料中,我们看到一个肯纳为瑞典沃尔沃航空公司改善竞争力的一个案例。那个案例说沃尔沃航空公司为了赢得业务,要求降低空中客车A380的航空发动机的成本,他们希望同时进行车削、铣削和孔加工等多道工序,将加工时间和成本降低50%。肯纳金属提供了新型的切槽和车削系列刀具,高性能的专用阶梯钻以及新一代的立铣刀,并且与沃尔沃航空一起改进加工流程和加工参数,结果加工时间从原来的8小时降低到4小时,生产效率提高了50%,预计每年为沃尔沃航空节省15万美元。

图6 HTS钻头
《机电商报》也曾经用一个整版的篇幅报道过哈尔滨汽轮机厂改进钻孔工艺,节约的加工时间高达93%的案例。哈汽在加工国内首台60万千瓦超临界汽轮机组外缸中分面的那些最大直径140mm深度600mm的孔时,原来效率极低。他们开始使用国内常规的方法,先用60mm直径钻孔,然后每次扩孔15mm,直到完成。这样的一个孔的加工时间为约6.7个小时,加工一个工件的200个深孔的周期超过40天。后来他们选用了肯纳金属的HTS模块式装可转位刀片的钻头,140mm直径一次钻出,加工单个孔的时间缩短至0.5个小时,整个工件200个孔的加工周期也减少到5天。
干切削是改善加工经济性的又一个重要途径。在欧美等对环境保护高度重视的工业发达国家,切削液的成本约占制造总成本的17%左右。中国现在法律法规对此还没有提出非常清晰的要求,但我们从我们的社会责任出发应该重视这一问题,而且我个人认为,从国家对汽车尾气排放控制的不断加强的趋势,可以预见到国家对切削液的管理和排放控制也会越来越严格。因此,用户与刀具商、切削液提供商一起进行研究,探讨微量润滑技术MQL、液氮冷风切削等少无污染的技术,为推行绿色加工做好技术和管理的储备,也是我们切削界的一个重要任务。

4 结语

提高加工效率,实现高效加工的方法有许多。只要我们虚心学习,认真研究,用于实践,敢于创新,我们一定会掌握更多的高效加工的方法。中国成为制造强国需要我们努力提高加工效率和加工水平,提高我们的劳动生产率。实现刀协提出的提高切削效率20%的“20工程”,需要我们共同的努力。
本文作者:肯纳金属有限公司 杨晓
原载:中国刀协第二届先进切削技术高层论坛演讲稿
上载于:2006-11-16 10:34:23

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