精益3P工具應(yīng)用實(shí)踐探索

劉曉功

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司HCY研究院（以下簡(jiǎn)稱HCY）成立于1956年，隸屬于中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司，是我國(guó)唯一面向航空的綜合性材料研究院，也是我國(guó)最大的材料工程研究中心之一。為滿足國(guó)防武器裝備對(duì)單晶葉片日益增加的需求，2008年，HCY立項(xiàng)為單晶葉片新建1座目標(biāo)產(chǎn)能為5萬(wàn)件葉片的現(xiàn)代化廠房（A#廠房），于2012年4月封頂。由于國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)顯著增加了對(duì)單晶葉片的需求，原規(guī)劃的目標(biāo)產(chǎn)能已不能完全滿足重點(diǎn)型號(hào)任務(wù)的需要。此外，新廠房的原工藝布局設(shè)計(jì)是繼承了傳統(tǒng)的集群式工藝布局思路，而不是按照產(chǎn)品工藝流程的“流程型布局”，不利于精益生產(chǎn)的開展和生產(chǎn)效益的持續(xù)提升。

因此，HCY把A#廠房工藝布局改善和生產(chǎn)流程再梳理作為工作重點(diǎn)，要求結(jié)合先進(jìn)的生產(chǎn)管理方法，以提高單晶葉片產(chǎn)能及質(zhì)量穩(wěn)定性、降低制造成本、縮短生產(chǎn)周期為目的，對(duì)廠房的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 改善思路與流程

1.1 改善思路

整個(gè)改善流程可分為數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)狀分析、方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)審和現(xiàn)場(chǎng)施工等5個(gè)階段，如圖1所示。

1.2 項(xiàng)目所使用的精益管理工具

在本項(xiàng)目的實(shí)施過程中將用到以下工具：PQ分析、產(chǎn)品與工藝流程的矩陣分析、價(jià)值流圖分析、生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算、生產(chǎn)準(zhǔn)備流程(3P)。

圖1 項(xiàng)目改善流程圖

2 項(xiàng)目的實(shí)施過程

2.1 成立項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

本項(xiàng)目召開項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)，在啟動(dòng)會(huì)上組建了集管理、質(zhì)量、技術(shù)、設(shè)備、財(cái)務(wù)等跨專業(yè)跨部門的團(tuán)隊(duì)，并決定由HTM研究所牽頭整個(gè)項(xiàng)目的推進(jìn)。明確了各部門及各團(tuán)隊(duì)人員的職責(zé)，安排了具體的工作。

2.2 改善計(jì)劃

項(xiàng)目實(shí)施過程的每個(gè)階段都制定了詳細(xì)的工作計(jì)劃。各組人員每天進(jìn)行匯報(bào)，由總負(fù)責(zé)人匯總項(xiàng)目的進(jìn)展情況，并組織相關(guān)人員對(duì)存在的問題立即進(jìn)行頭腦風(fēng)暴予以解決。

2.3 數(shù)據(jù)收集

（1）PQ分析。我們用PQ分析工具對(duì)HTM研究所承擔(dān)的近百種產(chǎn)品的需求數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用博拉圖找出了關(guān)鍵的五種產(chǎn)品，這些產(chǎn)品無論在重要性、附加值和需求量上都應(yīng)該是首選的關(guān)注目標(biāo)。從PQ分析表（見表1）可以看出，目前A#廠房應(yīng)具有滿足年產(chǎn)至少5萬(wàn)件產(chǎn)品的產(chǎn)能，而且根據(jù)發(fā)展的需要還應(yīng)預(yù)留出年產(chǎn)20萬(wàn)件的產(chǎn)能空間。

表1 客戶需求統(tǒng)計(jì)分析表

（2）工藝流程分析。產(chǎn)品的工藝流程是劃分產(chǎn)品家族、建設(shè)流程型生產(chǎn)單元和設(shè)計(jì)物流線路的重要依據(jù)，對(duì)工藝流程進(jìn)行合理優(yōu)化是減少浪費(fèi)、降低成本、縮短生產(chǎn)周期及穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑。我們分別針對(duì)上述五種關(guān)鍵產(chǎn)品，梳理出每個(gè)工段的生產(chǎn)工藝流程，并細(xì)化到各工序工布。我們將工藝流程按照增值與非增值的原則進(jìn)行優(yōu)化，劃分成主流程和輔流程，所有輔流程都將設(shè)計(jì)成線外操作。

（3）產(chǎn)品與工藝流程的矩陣分析。不同產(chǎn)品按照生產(chǎn)工藝流程及使用的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行分類,這樣的類別就是產(chǎn)品族。產(chǎn)品族可以用來確定生產(chǎn)線的種類及數(shù)量。我們按照各工段的工藝流程對(duì)這五種產(chǎn)品劃分出產(chǎn)品家族，在制模工段劃分為空心鑄件家族和實(shí)心鑄件家族，而在制殼工段劃分為定向單晶鑄件家族和等軸晶鑄件家族。通過以上的分族矩陣可以看出，在制模、制殼工段這五種產(chǎn)品分別都可以被劃分為兩個(gè)家族，所以在這兩個(gè)工段考慮各建兩條生產(chǎn)線。特別應(yīng)注意的是，定向單晶鑄件家族與等軸晶鑄件家族的產(chǎn)品因工藝上要求，這兩條生產(chǎn)線須采用物理隔離。

（4）生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算。Takt Time生產(chǎn)節(jié)拍又稱客戶需求周期、產(chǎn)距時(shí)間，是指在一定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，總有效生產(chǎn)時(shí)間與客戶需求數(shù)量的比值，是客戶需求一件產(chǎn)品的市場(chǎng)必要時(shí)間。節(jié)拍平衡是實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的必要條件。首先根據(jù)產(chǎn)量需求確定生產(chǎn)節(jié)拍，然后根據(jù)節(jié)拍與各工序生產(chǎn)周期的差異分析，確定瓶頸環(huán)節(jié)的解決方向。然后，收集各工序的加工信息，掌握各個(gè)工序在有效時(shí)間下的生產(chǎn)能力、工作量大小和人員配置關(guān)系等管理資源的配置結(jié)構(gòu)。

按照生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算公式，考慮到人員休息時(shí)間和生產(chǎn)班次，分別計(jì)算出每種產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍，特別考慮存在合格率比值關(guān)系的工序。分別收集每種產(chǎn)品在各工段生產(chǎn)中各工序里每一操作步驟的時(shí)間，匯總為該工序的周期時(shí)間。把收集到的數(shù)據(jù)與計(jì)算得到的生產(chǎn)節(jié)拍相比較，得出工序生產(chǎn)周期與節(jié)拍時(shí)間的柱狀圖。

2.4 現(xiàn)狀分析

（1）廠房原布局設(shè)計(jì)分析。在得到產(chǎn)品的需求信息及生產(chǎn)節(jié)拍后，隨即對(duì)A#廠房原布局設(shè)計(jì)進(jìn)行分析評(píng)估。我們利用A#廠房原工藝布局方案圖紙，用精益的思想來找到原設(shè)計(jì)的問題點(diǎn)。原廠房的工藝布局屬于集群式的功能區(qū)布局，同種設(shè)備及相同的工位分別集中在幾個(gè)不同的區(qū)域里。從各工段物流線路圖可以看到上下游工序與工序之間、工位與工位之間相隔的距離較遠(yuǎn)，移動(dòng)距離長(zhǎng)（見表2），孤島工位較多，物流路線往復(fù)交叉。在制芯和制殼工段，對(duì)在原材料上有交叉污染的產(chǎn)品仍然是混線操作，沒有進(jìn)行物理隔離。通過對(duì)A#廠房原布局設(shè)計(jì)圖的分析結(jié)果顯示：一方面，這樣的布局無法滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求，勢(shì)必會(huì)造成產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)、質(zhì)量不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品交付。另一方面，集群式的功能區(qū)設(shè)計(jì)使得廠房面積不能合理、充分利用，空間使用率低，沒有預(yù)留發(fā)展空間，而且設(shè)備和人員一次性投入量大，將占用大量資金（見表3）。

表2 原廠房物流移動(dòng)距離

表3 原廠房工藝布局設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

因此，我們必須引入精益生產(chǎn)的理念，運(yùn)用精益3P工具對(duì)A#廠房布局重新設(shè)計(jì)，使其既能滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，同時(shí)又能降低成本，預(yù)留發(fā)展空間。

（2）價(jià)值流分析。按照做價(jià)值流分析的順序從最后一道工序開始向上游移動(dòng)，制作當(dāng)前價(jià)值流圖，通過價(jià)值流分析找出瓶頸點(diǎn)和改善點(diǎn)，繪制未來價(jià)值流圖。

（3）改善目標(biāo)。針對(duì)原廠房工藝設(shè)計(jì)的分析出的問題，設(shè)定該項(xiàng)目的改善目標(biāo)：①縮短移動(dòng)距離；②建立流程型生產(chǎn)單元；③提高設(shè)備使用率或減少設(shè)備投入；④減少人員投入；⑤為發(fā)展預(yù)留空間。

2.5 方案設(shè)計(jì)

（1）生產(chǎn)資源需求分析。根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍來計(jì)算生產(chǎn)該產(chǎn)品所需的生產(chǎn)資源，包括設(shè)備、人員、班次等。對(duì)于工序柱狀圖顯示的瓶頸工序，用生產(chǎn)周期/生產(chǎn)節(jié)拍得到為滿足該產(chǎn)品的生產(chǎn)需求而在該工序應(yīng)提供的設(shè)備及人員等生產(chǎn)資源的數(shù)量，在生產(chǎn)運(yùn)行中可通過均衡生產(chǎn)和建立超市等方法平衡節(jié)拍。

（2）布局方案設(shè)計(jì)。廠房的布局必須符合工藝要求，生產(chǎn)流程及物流方向合理，共享設(shè)施和廠房的布置協(xié)調(diào)一致，單位面積產(chǎn)出值高，人機(jī)關(guān)系和各設(shè)備之間配合協(xié)調(diào)，便于設(shè)備安裝維修和保養(yǎng)，還要考慮生產(chǎn)線進(jìn)一步發(fā)展以及節(jié)能、環(huán)保、安全、采光等。實(shí)現(xiàn)從材料進(jìn)廠直至成品出廠的生產(chǎn)過程中，人員、材料、機(jī)器、設(shè)備能安排在最適宜的位置上，使生產(chǎn)能以最短的流程、最少的操作、最快的周期、最低的成本實(shí)現(xiàn)。我們?cè)诓季衷O(shè)計(jì)時(shí)考慮了廠房的幾大部分：生產(chǎn)部分，包括各種生產(chǎn)設(shè)備和條件配套設(shè)備；輔助生產(chǎn)部分，如工裝模具與設(shè)備檢修等；倉(cāng)庫(kù)部分，如原材料、半成品、工具存放處；通道部分，包括各種主輔通道；管理部分，如工段辦公室、資料室等；生活部分，如休息室、更衣室、盥洗室等。各團(tuán)隊(duì)利用廠房平面圖和按比例縮小的設(shè)備、工裝、料架等模板設(shè)計(jì)出了5～7套實(shí)施方案（見圖2）。

圖2 布局方案圖例

2.6 方案評(píng)審

（1）平面設(shè)計(jì)評(píng)審。完成平面布局設(shè)計(jì)后，院戰(zhàn)略發(fā)展部牽頭組織相關(guān)專家對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)把關(guān)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)匯總各方面的意見和建議對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，最后拿出最佳方案。

（2）制作1:1模型。按照精益思想的“三現(xiàn)”原則，利用苯板制作1:1的工裝、設(shè)備及產(chǎn)品模型，用線棒制作周轉(zhuǎn)車，用膠帶做通道線和區(qū)域線，畫出區(qū)域標(biāo)識(shí)，對(duì)最優(yōu)布局方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬。

（3）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)模擬。我們按照最佳方案利用各種模型實(shí)地進(jìn)行生產(chǎn)及配送模擬，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可靠性，包括設(shè)備距離、操作空間、物流通道等方面，并在模擬過程中再度找到進(jìn)一步的改善點(diǎn)。模擬現(xiàn)場(chǎng)通過操作員的操作展示，講解員的過程講解把方案的設(shè)計(jì)思想和詳細(xì)的生產(chǎn)流程充分展示給評(píng)審專家。

（4）優(yōu)化后的廠房布局圖。在進(jìn)行廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行模擬后，經(jīng)過專家評(píng)審形成了優(yōu)化后的廠房布局圖。從新的制芯布局圖中可見，改善后制芯區(qū)的工藝布局屬于流程型布局，將設(shè)備和工位按照工藝流程的順序布置，同時(shí)在掃芯區(qū)實(shí)現(xiàn)了不同工藝產(chǎn)品的物理隔離，避免了交叉污染。制芯區(qū)物流配送通道清晰，減少了交叉往復(fù)運(yùn)輸，減少了移動(dòng)的浪費(fèi)，優(yōu)化后移動(dòng)距離為128m。

從新的制模布局圖中可見，改善后制模區(qū)的工藝布局屬于流程型布局，將設(shè)備和工位按照工藝流程的順序布置。改善后的制模區(qū)工藝布局使得工序及工位間距離減少，上下游工序連接緊密。建立了一條空心鑄件家族的U型生產(chǎn)單元、一條實(shí)心鑄件家族的直線型生產(chǎn)單元和一條制作澆注系統(tǒng)的直線型生產(chǎn)單元。

從新的制殼布局圖中可見在改善后的制殼區(qū)建立了定向單晶鑄件家族和等軸晶鑄件家族兩條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了物理隔離，避免了兩類產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中材料的交叉污染，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。同時(shí)，改善后的制殼區(qū)工藝布局屬于流程型布局，將設(shè)備和工位按照工藝流程的順序布置，移動(dòng)距離為268m。

從新的后處理工序布局圖中可見改善后的后工序工段的工藝布局屬于流程型布局，將設(shè)備和工位按照工藝流程的順序布置，移動(dòng)距離為520m。

2.7 布局施工

按照優(yōu)化后的廠房布局圖， HTM研究所組織施工隊(duì)伍進(jìn)行原廠房配套條件的更改和新建，按計(jì)劃完成了設(shè)備的搬遷與安裝調(diào)試工作。

3 項(xiàng)目成果

3.1 項(xiàng)目顯性成果

通過此次精益改善項(xiàng)目，完成了客戶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片需求的梳理，優(yōu)化了葉片制造的工藝流程；以生產(chǎn)節(jié)拍為依據(jù)，以精益理念為指導(dǎo)，A#廠房實(shí)現(xiàn)了的整體精益布局，減少移動(dòng)距離，減少設(shè)備和人員的投入，建立流程型生產(chǎn)單元，縮短生產(chǎn)周期，降低成本的目標(biāo)，為最終實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，在保證2013年產(chǎn)能目標(biāo)的前提下，與原規(guī)劃相比，廠房面積節(jié)省了3551m2（見表4），為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的產(chǎn)能預(yù)留出足夠的空間，可以滿足2020年前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的需求，從而確保了重點(diǎn)型號(hào)武器裝備的需求保障。

表4 項(xiàng)目改善前后指標(biāo)對(duì)比表

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）減少設(shè)備投入資金=減少設(shè)備投入數(shù)×單臺(tái)設(shè)備價(jià)值：總減少設(shè)備投入 117-68=49臺(tái)；價(jià)值約50萬(wàn)的設(shè)備5臺(tái)：5×50=250萬(wàn)；價(jià)值約10萬(wàn)的設(shè)備10臺(tái)：10×10=100萬(wàn)；價(jià)值約5萬(wàn)的設(shè)備18臺(tái)：18×5=90萬(wàn)；價(jià)值約1萬(wàn)的設(shè)備16臺(tái)：16×1=16萬(wàn)；減少設(shè)備投入資金=250+100+90+16=456萬(wàn)元。

（2）年減少人員成本=減少人員數(shù)×（人均年收入+人均年管理費(fèi)用）=（150-104）×（4+1.2）=239.2萬(wàn)元。

（3）對(duì)未來增加產(chǎn)能可節(jié)省的面積費(fèi)用=節(jié)省的廠房面積×廠房建筑成本=（7075-3524）×3500=1242.85萬(wàn)元。

3.3 無形效益

隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，近140名員工加入到精益活動(dòng)中來，建立了查找并消除浪費(fèi)的意識(shí)，增強(qiáng)了凝聚力。提高了生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)技術(shù)人員的精益管理水平，為A#廠房實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。目前已把節(jié)省下來的、短期未使用的部分作為員工的休息及活動(dòng)空間，增加了員工幸福指數(shù)，提高了士氣，為HCY其他生產(chǎn)單位的精益管理積累了經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過本項(xiàng)目的實(shí)施，我們認(rèn)識(shí)到精益布局的過程，不是簡(jiǎn)單的設(shè)備、工裝和人員的搬遷，而是建立在非常縝密的邏輯思維和大量的數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)之上，經(jīng)過一系列的認(rèn)證和模擬，最后才能實(shí)現(xiàn)理想的目標(biāo)，取得滿意的成果。而且我們還清楚地認(rèn)識(shí)到：實(shí)現(xiàn)精益布局僅僅是邁出精益生產(chǎn)的第一步，在實(shí)際的科研生產(chǎn)過程中由于眾多的產(chǎn)品訂單因素和內(nèi)部管理的原因，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能的不平衡性，也同時(shí)會(huì)帶來許多的不確定性。對(duì)此，我們要做的是堅(jiān)持持續(xù)精益改善的態(tài)度，不斷導(dǎo)入更多的精益生產(chǎn)理念和方式，這樣才能加大發(fā)展步伐，逐步適應(yīng)市場(chǎng)的瞬息變化。