总体刀具失效分析法—— 一种宏观刀具寿命评估方法

刀具是材料切削过程中不可或缺的重要一环。刀具的选择和应用，关系到切削过程的整体效率，如果运用得不好，很可能成为生产力提升的瓶颈。刀具管理工作是否做到位，会直接影响整个生产制造过程。本文讨论了作为一种刀具寿命的分析评估方法的总体刀具失效分析法（Global Tool Deterioration Analysis，GTDA）的重要意义。

刀具就自身特性而言是一种消耗品，磨损到一定程度之后就无法使用。传统的金属切削管理方法仅仅引入了磨损分析，重点放在刀具材料的修整、几何形状优化和机加参数的设定上，目的是提高刀具的寿命，进而增加单件刀具产出工件的数量。要提高制造过程的整体效率，并不是经过一步刀具磨损分析就可以轻松达成的，还要考虑方方面面的因素。刀具磨损检验固然重要，但是更全面的“总体”刀具失效分析法在整个制造过程中更为重要。

总体刀具失效分析法（GTDA）超越了基本的刀具磨损检验范畴，包括了影响刀具寿命的多种因素，比如，刀具修整所花费的时间、磨损以外的问题、生产经济学问题、车间的组织架构、操作人员的工作态度和预期、数据流的管理和制造总成本控制。GTDA通过分析对车间中大量的、随机选择的、使用过的刀具的定期评估数据，总结出每一把刀具对于整体生产效率的贡献和影响。

整体制造过程

刀具磨损研究，通常只局限于某个特定加工过程中的单一刀具。但是，要使生产效率最大化，就必须考虑到整个车间中的所有切削过程所涉及到的所有刀具。制造过程起始于获取原材料和设定生产计划，要完成这一步骤，需要充分利用工人的技术和能力，也需要一定的资本投入。这一过程运作得好，就会是一个价值增加、价值固化过程，运作得不好，就会造成资金、时间和智力资源的浪费等一系列的生产损失，进而导致产品质量和产量的双重下滑。产能的高低，要从产品质量、产量，以及生产时间和成本等多方面因素综合考量。

制造过程升级

使用什么样的方法来分析和评估刀具寿命，取决于刀具的应用场合。几个世纪过去了，生产制造的主要方式已经从最早的手工单件生产方式进化为大批量标准化生产方式。之后，制造领域的新工艺新技术带来了第二阶段的产能升级，大批量单一品种生产场合（High Volume Low Mix，HVLM）成为主流。最近几年，数字化科技已逐步深入到生产流程中，机床的工具管理和工件处理能力的不断进步，使产能升级步入第三阶段，现在小批量多品种混杂生产场合（High Mix Low Volume，HMLV）逐渐增多。

尽管第二阶段和第三阶段生产技术所要解决的核心问题是一致的，即以最低的生产成本和最高的生产效率达到既定的质量和产量目标，但是它们所应用的刀具寿命分析方法却是不同的。在第二阶段的HVLM生产场景中，相同的工件由相同的毛坯件通过相同的设备使用相同的机加工艺来完成，这样的生产方式会持续几天、几个月、甚至几年时间。在这种情况下，刀具的寿命管理也相对比较简单。机床操作人员会用刀具试加工几次原型工件，经过简单计算就能估出刀具的平均寿命，之后还可以计算出完成预定的产量目标所需要的刀具数量。

这样估算出的刀具寿命数值是一个常量，使用这一常量作刀具的更换计划可以让刀具的利用率最大化，同时也可以保证生产进程的可靠性和持续性。但是，HVLM生产方式会逐步退出工业制造的主流舞台。按照客户需要平衡成品库存，适应不断发生的工程变更的生产方式，会逐渐取代一成不变、按部就班地加工同一种工件的生产操作方式。

现在，第三阶段的HMLV生产战略正被越来越多的制造企业所采纳，并逐步登上工业制造的主流舞台。HMLV生产流程具有很高的灵活性和快速响应性，可以很好得适应同步库存和工程变更的需要，但是它的规划流程也更加复杂。比如有一批共10件的待加工工件，其中可能包含了2种或者5种零件，甚至可能每一个零件都不一样。工件的材料也可能发生变化，从钢材到铝材再到钛合金都有可能，几何特征从简单到复杂都涵盖。在这种生产方式下，对每一种工件都进行试加工，再估算刀具寿命，显然会浪费很多时间。

在这种情况下，只能根据典型的加工工艺对刀具寿命作粗略估计，为保险起见，有时甚至会在每轮加工完成后，就更换一把新的刀具，被弃之不用的刀具此时很可能还没有到达它的寿命极限。若应用一种更加全面的刀具磨损分析方法来估算刀具寿命，就能将这种成本浪费降到最低。

两种极端的可能性

HMLV生产模式的特点就是工件种类的快速切换，这给机加产能的提高带来了很大困难。比如，在HVLM生产模式下，经过了很长时间的运转，产品质量趋于稳定，产能和成品合格率也都能达到很高的水平。但是，HMLV模式下却存在两种极端的可能性：一个单件工件的成功加工就代表产能和合格率都达到了100%，相应的，一个单件工件成为废品就意味着产能和合格率双双为零。

HMLV和HVLM生产方式，对于产品质量、生产成本和产能高效的要求是一样的，但是HMLV模式下，单件工件的加工合格率就会对产能起压倒性的影响。因此，避免刀具崩刃就显得尤为重要。在小批量生产模式下，无需过多地考虑刀具的磨损，车间可以选择更严苛的加工参数来完成生产任务。

工人技艺对生产的影响

在HVLM生产模式下，产品和工艺都是一成不变的，工人技艺对制造过程的影响会非常小。经过长时间的持续运作，所有的流程趋于固化，所有的操作也趋向自动化。即使在每两个工艺流程的中间，有手动操作介入，这些操作也只是简单的重复性劳动，很难对生产结果产生影响。在这种情形下，工人技艺的灵活性是不被需要的，甚至是应该尽可能避免的，因为它会成为生产的不确定因素。

而HMLV生产模式与此正相反，非常强调工人技艺的重要性，从这一点上来看，这一生产模式和传统的手工艺制造有一些相似，都要求工人具有一定的灵活性和技术创新性，能够适应不断变化的产品和工艺需求。

重视过程大于重视结果

以往很多制造过程分析的重点都会放在结果的评估上，用此方法得到的刀具寿命和工件产量数值，而不是审核整个加工过程得出结论。这样一来，一些与刀具寿命不直接相关，但是会影响加工过程的问题就很容易被忽视，这些问题很可能成为提高生产力的阻碍。比如，去除飞边毛刺的步骤和刀具寿命没有直接关系，但是它作为一个必不可少的中间过程，肯定会影响制造过程的顺畅度。

去除飞边毛刺的步骤是与刀具的几何特征和应用参数相关的，因此必须在刀具的失效分析法中加以考虑。刀具崩刃是另一个人们通常忽略的和刀具磨损有关的问题，它与刀具的材料、几何特征、应用参数以及机床类型都有关系。

生产运营优化的五大要素

提高生产效率的关键点就在于减少浪费，增加制造工艺的灵活性和多样性。在总体刀具失效分析法中要考虑生产运营优化的五大要素。

首先，要对整个机加过程有深入的理解，充分了解每一个机加步骤对毛坯件做了哪种减材操作。第二，必须对减少浪费给于足够的重视，具体的措施可以通过精益制造策略来制订。第三，要运用生产经济学理念来提高生产过程经济性，保障经营利润。第四，产品产能和合格率目标的制订，必须考虑生产批量和产品多样性的影响，要把加大生产灵活性作为解决瓶颈问题的最有力武器，但是产品的多样性必须控制的合理范围内，只有这样才能保证工件公差的一致性。最后，有必要重新强调工人技艺的价值，这是一种独特的和不可替代的资源，可以从中获得很大的收益。

刀具磨损以外的考虑因素

总体刀具分析法是售出商品成本（Cost of Goods Sold, COGS）、快速换模法（Single-Minute Exchange of Die, SMED）、价值流管理（Value Stream Management, VSM）、整体设备效能（Overall Equipment Effectiveness, OEE）等研究方法的良好补充。

刀具对生产的影响第一步当然是：刀具的购置费用。图二显示了机加过程中的所有成本要素，它们的总合称之为COGS。这些数据可以用来做车间的生产成本比较分析，并且可以从中找出降低成本的有效途径，达到提高盈利的目的。

刀具对于生产影响还体现在时间成本方面，其中包括机加过程中修正刀具外轮廓所需要的时间。刀具的更换和初始设定所需要的时间会通过SMED分析来研究，该技术提供了除刀具磨损和失效以外的成本分析方法。部分的时间成本来自于获取和整理刀具，以及运行刀具的安装和加载程序所损耗的时间。

OEE可以分析出总的制造时间成本中究竟有多少是真正有效时间。通过OEE分析可以找出浪费源以及标准流程，从而可以减少浪费，提高生产力。具体来说，在OEE分析中，总的生产时间成本被计算出来以后，会扣除其中的计划停机时间、不可预测的故障时间、更换配件时间、非计划的小停顿和减速时间、废料返工时间，剩余的时间就是真正有效的生产时间，会按百分比来表示。OEE达到100% —— 一个不可企及的目标——就意味着整个生产过程的流畅度达到完美程度，所有产品都达到质量要求，生产效率非常高，时间浪费为零。

VSM可以分析出整个制造过程中有哪些性能平衡改进的工作要完成。图三，展示了当系统中一个环节的性能表现特别突出，以致不能与其它环节相匹配时，会导致怎样的后果。这就好比赛艇比赛，如果其中一个桨手的能力远远高于其他桨手，并不会使赛艇行进地更快，相反还会对整个团队带来一定的伤害。

生产过程中针对每一个环节所做的改善，都必须综合考虑产量、工件的多样性、材料特性、几何特征、机床、夹具等因素，只有这样才能让整个制造过程的性能平衡度和协调度达到更高的水平。

总体刀具失效分析法

GTDA基于一个简单的流程。在整个车间使用过的刀具中随机抽取大量样本，再对每一个样本做刀刃磨损检验。按照磨损类型对检验结果做整理分析。传统的刀具磨损分析只关注一个加工步骤所使用的一种刀具；GTDA关注的则是整个车间范围内的整条制造生产链，收集的信息包括刀具磨损，以及除此以外的一切和刀具相关的问题，之后的计算过程会用到COGS、SMED、VSM、OEE以及其它的一些分析工具，最终的分析结果将用于指导生产计划的制定和生产流程的优化。

为了GTDA的成功实施，车间必须提前制定好相关的原则和规则，并定期进行刀具磨损检验和数据分析的工作。数据的真实是非常关键的。车间必须做到诚实和客观地接受分析结果，对于暴露出的问题，要积极探索解决之道，敢于打破刀具管理和操作中存在的陈旧规则和观念。