基于快速換模技術(shù)的沖壓設(shè)備利用率改善

唐啟成 周炳海

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院 上海 201804)

在全球化的市場競爭環(huán)境下，汽車主機廠的需求越來越多樣化、個性化，以顧客為中心的多品種、小批量生產(chǎn)訂單驅(qū)動生產(chǎn)模式已成為多數(shù)汽車零部件企業(yè)生產(chǎn)的主流[1]。在汽車及配套企業(yè)的日常生產(chǎn)中，縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量儼然成為生產(chǎn)管理的重點。隨著客戶小批量生產(chǎn)訂單的增加，導(dǎo)致汽車企業(yè)生產(chǎn)換模的次數(shù)增多，設(shè)備利用率減少。因此，提高小批量、多品種均衡化生產(chǎn)的沖壓設(shè)備快速換模能力刻不容緩，對企業(yè)競爭力的提升和促進企業(yè)的長遠發(fā)展具有重要意義。

本文的研究對象是一家行業(yè)內(nèi)具有代表性的A汽車零部件制造有限公司，主要生產(chǎn)應(yīng)用于無級變速器內(nèi)的核心部件傳動金屬鋼帶，金屬鋼帶由金屬鋼片和金屬鋼環(huán)組合而成。筆者對A公司生產(chǎn)不同種類鋼片的沖壓車間進行了快速換模研究，通過收集沖壓設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，對其中的換模流程進行了分析，包括盡量轉(zhuǎn)化內(nèi)部作業(yè)為外部作業(yè)，縮短內(nèi)外部作業(yè)時間，外部作業(yè)采用并行作業(yè)等步驟，在此基礎(chǔ)上進行改善，減少了更換過程中的浪費，制定了標(biāo)準(zhǔn)換模作業(yè)流程，最終達到提高沖壓設(shè)備綜合效率的目的。

1 快速換模技術(shù)

快速換模技術(shù)即SMED(Single Minute Exchange of Die）, 最初是由日本豐田汽車的工業(yè)工程師新鄉(xiāng)重夫于1969年提出，該技術(shù)幫助豐田起重機產(chǎn)品切換時間由4小時縮短為3分鐘[2]。當(dāng)一種產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，需要暫停生產(chǎn)線更換工具、原料、模具等操作，并重新設(shè)置成型參數(shù)，這種更換操作被稱為“切換”，如果切換的是模具，則被稱為“換?！薄？焖贀Q模技術(shù)指通過縮短產(chǎn)品換模時間和設(shè)備啟動與調(diào)整時間，達到有效縮短產(chǎn)品切換時間、提高設(shè)備利用率與人員作業(yè)效率的目的[3]。

快速換模一般分為五個階段：(1)區(qū)分內(nèi)部及外部作業(yè)；（2)將內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)化為外部作業(yè)；（3)優(yōu)化內(nèi)外部作業(yè)；（4)標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)外部作業(yè)流程；（5)持續(xù)改善?？焖贀Q模關(guān)鍵在于分離內(nèi)部作業(yè)和外部作業(yè)，并盡量將前者轉(zhuǎn)換為后者，以達到縮短內(nèi)部操作時間的目的。內(nèi)部作業(yè)是指必須在機器或生產(chǎn)線暫停運行時才能進行的操作，如模具或工具的拆裝及調(diào)試件檢查，從機器中移除工件等操作。外部作業(yè)是指機器或生產(chǎn)線在運轉(zhuǎn)時仍可進行的操作，如模具修理、工具和材料準(zhǔn)備等操作。區(qū)分了內(nèi)部作業(yè)和外部作業(yè)后，就可以分別針對內(nèi)部和外部作業(yè)采取不同的措施降低換模時間，實施快速換模,有效提高設(shè)備利用率[4-6]。

2 問題描述

A公司主要研發(fā)與生產(chǎn)無級變速器內(nèi)的核心部件傳動金屬鋼帶，金屬鋼帶由金屬鋼片和金屬鋼環(huán)組合而成。本文以不同種類的金屬鋼片生產(chǎn)狀況為研究對象，金屬鋼片外形如圖1所示。金屬鋼片生產(chǎn)工藝一般包括沖壓、硬化、淬火、去毛刺等，每個工藝步驟操控復(fù)雜，且鋼片生產(chǎn)設(shè)備非常昂貴，因此通過快速換模技術(shù)來提高鋼片生產(chǎn)設(shè)備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness, OEE）是非常必要的。

OEE 常用來衡量設(shè)備的整體運轉(zhuǎn)狀況[7]。OEE有三個重要影響因子：(1)時間開動率；(2)性能開動率；(3)產(chǎn)品合格品率。OEE計算公式為 OEE=時間開動率×性能開動率×產(chǎn)品合格品率×100%。通過收集鋼片產(chǎn)線2019年2、3、4月的原始數(shù)據(jù)，將分析發(fā)現(xiàn)鋼片的生產(chǎn)瓶頸設(shè)備。鋼片生產(chǎn)各工藝過程的設(shè)備綜合效率各因子的具體數(shù)據(jù)，如表1所示。鋼片產(chǎn)線各生產(chǎn)設(shè)備綜合效率，如圖2所示。

表1 鋼片生產(chǎn)各工藝過程的設(shè)備綜合效率匯總(單位：%)

接上表

從如圖2看出，沖壓設(shè)備綜合效率只有65%左右，而其他生產(chǎn)設(shè)備的綜合效率均在75%到85%之間。因此可以判定鋼片生產(chǎn)設(shè)備中的瓶頸設(shè)備就是沖壓設(shè)備，所以首先需要對沖壓設(shè)備整體利用率進行改善，最終達到提升沖壓設(shè)備利用率的目的。鋼片沖壓設(shè)備如圖3所示。

然而如何提高沖壓設(shè)備的綜合效率，要找到真正的原因就需要先對其影響因子進行分析。本次選取2019年2、3、4月的沖壓設(shè)備歷史數(shù)據(jù)為樣本進行分析，具體數(shù)據(jù)如表2所示。從表2的數(shù)據(jù)可以清晰的看出，沖壓設(shè)備的時間開動率只有73%左右，因此有著非常大的改善空間，是為提升沖壓設(shè)備綜合效率的改善重心。其次是沖壓設(shè)備的性能開動率和產(chǎn)品合格品率，從表2中數(shù)據(jù)可以看出，性能開動率在89%左右，產(chǎn)品合格品率在97%左右，所以這兩個影響因子也是有著一定的改善空間。

表2 2019年2、3、4月沖壓設(shè)備綜合效率統(tǒng)計(單位：%)

根據(jù)上面的分析，可以知道鋼片沖壓設(shè)備的時間開動率是影響沖壓設(shè)備綜合效率不高的主要因素，所以設(shè)備的時間開動率需要進行重點的分析和改善。針對沖壓設(shè)備在2019年2、3、4月的停機時間進行了詳細的數(shù)據(jù)收集，如表3所示。從表3的數(shù)據(jù)可以清晰的看出，設(shè)備換模時間總共11153分鐘。通過使用排列圖對沖壓設(shè)備的停機狀況進行分析，來找出影響設(shè)備時間開動率的主要因素。2019年2、3、4月的沖壓設(shè)備停機時間排列圖，如圖4所示。從圖4可以得知，設(shè)備換模時間占據(jù)了停機時間的61%，因此縮短設(shè)備換模時間是降低停機時間首要解決的關(guān)鍵問題。

表3 2019年2、3、4月沖壓設(shè)備停機時間統(tǒng)計

3 改善與實施

通過上述問題分析可知，目前A公司鋼片生產(chǎn)線中急需改善整體設(shè)備效率的是沖壓設(shè)備。首先觀測當(dāng)前的換模流程以收集有關(guān)數(shù)據(jù)，記錄的沖壓設(shè)備一次換模過程作業(yè)時間，如表4所示。從表4中可以看出，整個換模過程時間為33.2分鐘,其中內(nèi)部作業(yè)時間為29.2分鐘,外部作業(yè)時間為4分鐘,內(nèi)部作業(yè)時間占整個換模時間的比例為87.95%。

通過分析，表4中的步驟7(準(zhǔn)備新模具)、步驟8(運送新模具至機臺)、步驟11（取拿墊塊和螺栓）、步驟13（打開設(shè)備系統(tǒng)，選擇調(diào)用程序）、步驟18（通知檢驗 員進行首件檢驗及等待檢驗結(jié)果）的內(nèi)部作業(yè)可以轉(zhuǎn)換為外部作業(yè)。步驟7、8、11、13的內(nèi)部作業(yè)時間分別為0.5、2、1.5、0.5分鐘，通過轉(zhuǎn)換，使得內(nèi)部作業(yè)時間縮短了4.5分鐘。通過初步改善，使得沖壓設(shè)備內(nèi)部作業(yè)時間占整個換模時間的比例從87.95%下降到74.40%。

通過上述的初步改善，僅僅將沖壓設(shè)備的部分內(nèi)部作業(yè)轉(zhuǎn)換為外部作業(yè)，但遠遠沒有達到改善的預(yù)期目標(biāo)，為了進一步改善沖壓設(shè)備的整體效率，將繪制魚骨圖，以便找出影響整體設(shè)備效率的主要因素，影響沖壓設(shè)備整體效率原因的魚骨圖，如圖5所示。通過分析圖5中的各種因素，提出了以下解決方案來提升沖壓設(shè)備的整體效率。

(1)步驟6、8、11完成模具的裝卸搬運動作，當(dāng)前采用手動搬運，為了提升搬運效率，針對此3個步驟的搬運，可采用專用模具搬運小車。通過運用模具搬運小車提高了步驟6的搬運速度，節(jié)省了將舊模具手動搬入模具柜的時間，時間從3分鐘縮短為1.5分鐘。同時可以取消步驟8，節(jié)省了手動搬運新模具的2分鐘時間。可進一步取消步驟11，節(jié)省了手動搬運墊塊和螺栓的1.5分鐘時間。通過對步驟6、8、11的操作改善，總共節(jié)省了5分鐘的作業(yè)時間。

(2)步驟7完成新模具的準(zhǔn)備工作（包括尋找、清潔模具等），當(dāng)前模具沒有按規(guī)定放置，準(zhǔn)備工作比較混亂。為了縮短準(zhǔn)備工作時間，模具由專人負責(zé)管理，同時對模具進行ABC分類管理[8]，專門設(shè)立新舊模具周轉(zhuǎn)架,通過這些改善，可以節(jié)省新模具準(zhǔn)備工作時間，共計0.5分鐘。ABC分類如表5所示。

表5 模具ABC分類

(3)步驟9完成模具定位操作，當(dāng)前模具底座不標(biāo)準(zhǔn)和主要依賴于操作員經(jīng)驗定位，通過在模具底座上加一塊規(guī)則底板，根據(jù)底板快速定位模具，可以縮短模具定位的時間，從原先的3分鐘減少到1.5分鐘。

(4)步驟10完成模具緊固操作，當(dāng)前模具緊固費時和工具難以尋找，通過工具定制化改善，采用快速壓板進行緊固，同時沖床配備工具槽放入工具，可以縮短模具緊固的時間，從原先的4分鐘減少到1.5分鐘。

(5)步驟17完成模具的再調(diào)整操作，當(dāng)前模具調(diào)整未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，操作有隨意性。通過定期對員工進行培訓(xùn)，不斷提升員工操作技能，制定模具調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，可以縮短模具調(diào)整驗證時間，從原先的3分鐘減少到2分鐘。

實施改善方案后，鋼片沖壓設(shè)備的換模時間從原先的33.2分鐘減少到23.2分鐘。改善后的鋼片沖壓換模流程以及作業(yè)時間，如表6所示。

表6 改善后鋼片沖壓換模時間記錄表

4 改善效果評價

根據(jù)基于快速換模的改善方案，實施具體措施3個月后，鋼片沖壓換模的時間從原先的33.2分鐘減少到最終的23.2分鐘，換模時間節(jié)省了30.12%。通過縮短換模時間，鋼片沖壓設(shè)備綜合效率得到明顯提升。改善前后鋼片沖壓設(shè)備綜合效率的對比，如圖6所示。可以看出，2019年7、8、9月的鋼片設(shè)備綜合效率較2、3、4月提升了約13%。

5 結(jié)語

通過快速換模技術(shù)的應(yīng)用，A公司鋼片沖壓設(shè)備的換模時間從原先的33.2分鐘減少到最終的23.2分鐘，提高了設(shè)備整體綜合效率約13%，這極大程度提高了該沖壓設(shè)備的作業(yè)效率。較短的換模時間有助于實現(xiàn)生產(chǎn)更加柔性化、均衡化，提高企業(yè)對市場需求的響應(yīng)能力，降低運作成本從而使企業(yè)更具競爭力和戰(zhàn)斗力。在未來一段時期，還應(yīng)當(dāng)不斷加大對快速換模技術(shù)的研究力度，爭取在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進一步縮短換模時間。