機(jī)加工工廠設(shè)計(jì)中的加工設(shè)備選擇與布局設(shè)計(jì)

1、今天的市場(chǎng)已成為買方市場(chǎng)。 隨著市場(chǎng)的全球化， 企業(yè)問競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。 如果我們?cè)诠S設(shè)計(jì)初期只著眼于制造出一流的產(chǎn)品，那么即使如愿， 最終也未必能贏得市場(chǎng)。 前期加工設(shè)備選型的錯(cuò)誤及布局的不合理往往 會(huì)導(dǎo)致后期生產(chǎn)成本的上升，而改變這些錯(cuò)誤的代價(jià)往往是巨大的。因 此，在工廠設(shè)計(jì)前期，產(chǎn)品的制造成本、設(shè)備的使用效率不應(yīng)成為設(shè)計(jì) 人員的思考盲點(diǎn)，合理選擇加工設(shè)備，精益規(guī)劃設(shè)備布局，高效組織并 協(xié)調(diào)各生產(chǎn)要素，是降低產(chǎn)品的制造成本、提高生產(chǎn)率、贏在起跑線上 的關(guān)鍵。Ill 加工設(shè)備的選擇 加工設(shè)備是根據(jù)產(chǎn)品類型、生產(chǎn)綱領(lǐng)、工藝規(guī)程等參數(shù)來(lái)選擇的。如果 設(shè)備的類型和數(shù)量選擇得當(dāng)。不僅可減少投資，提高設(shè)

2、備利用率，降低 設(shè)備維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用。還對(duì)完善設(shè)備布局、簡(jiǎn)化在制品周轉(zhuǎn)、縮短生產(chǎn) 鏈等起著至關(guān)重要的作用。(1) 加工設(shè)備選擇指標(biāo) 工藝可能性工藝可能性是指加工設(shè)備在不同生產(chǎn)要求下實(shí)現(xiàn)加工工 藝過(guò)程的能力。工藝可能性主要包括：加工設(shè)備可完成的工序種類；加 工對(duì)象的類型和尺寸范圍；能加工的材料和毛坯種類；切削用量的可 能范圍等。通常，在大批量生產(chǎn)中，因工序分散，可選用工藝可能性較 窄的加工設(shè)備。如各種專機(jī)、組合機(jī)床等；在單件、小批生產(chǎn)中，由于 工序集中，一臺(tái)加工設(shè)備要完成盡可能多的工序，宜選用通用機(jī)床或數(shù) 控機(jī)床，且工藝可能性要選得寬一些，以適應(yīng)加工對(duì)象多變的需要。 加工精度和表面質(zhì)量加工精度是指

3、加工設(shè)備所能達(dá)到的尺寸精度、 形狀精度和位置精度，它受制于加工設(shè)備本身的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度、 剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、精度保持性和誤差補(bǔ)償策略等。設(shè)備加工精 度過(guò)高或過(guò)低都是不可取的，我們需要的是經(jīng)濟(jì)加工精度，即加工設(shè)備 在其正常使用條件下能經(jīng)濟(jì)合理地達(dá)到的加工精度。 表面質(zhì)量主要指被 加工工件表面幾何學(xué)特性及表面層物理品質(zhì)。 要注意其中的表面粗糙度 等指標(biāo)除與加工設(shè)備本身的抗振性有關(guān)外， 還與影響切削穩(wěn)定性的設(shè)備 外因索有關(guān)，諸如：所采用的切削用量、切削液、工件材料、刀具 (或磨 具)的幾何形狀及材料特性等， 若選擇設(shè)備時(shí)僅注意設(shè)備本身而忽視上述 設(shè)備外因素將是片面的，其效果可能事倍功半。一

4、般來(lái)說(shuō)，采用自動(dòng)化 程度高的加工設(shè)備，避免人為因素干擾，是保證加工精度和表面質(zhì)量穩(wěn) 定性的有效途徑。 生產(chǎn)率生產(chǎn)率通常是通過(guò)加工設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)所能加工的工件數(shù)量 或所能切除的材料量來(lái)衡量的。生產(chǎn)率主要取決于加工設(shè)備的切削時(shí) 間、輔助時(shí)間以及分?jǐn)偟矫總€(gè)工件上的調(diào)整、準(zhǔn)備和結(jié)束時(shí)間。通常， 選擇高速、大功率、高剛度的加工設(shè)備是提高生產(chǎn)率的有效保證。 可靠性 可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間和條件下， 加工設(shè)備保持其應(yīng)有工 作性能的能力。它主要與設(shè)備中關(guān)鍵零部件的精度保持性、耐磨性、耐 用性、精度穩(wěn)定性和抗干擾性有關(guān)，因此，要注意設(shè)備中一些關(guān)鍵零部 件的選擇，必要時(shí)可對(duì)欲購(gòu)設(shè)備提出附加要求，對(duì)一些關(guān)鍵零部件質(zhì)

5、量 或材質(zhì)作出規(guī)定， 還要注意設(shè)備可靠性與設(shè)備合理的使用期限及合理的 精度儲(chǔ)備有關(guān)。 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性是指加工設(shè)備質(zhì)量、功能、成本的合理配合。在滿足 功能要求的前提下，設(shè)備結(jié)構(gòu)要盡可能簡(jiǎn)單，技術(shù)采用合理，并遵循加 工設(shè)備的系列化、 零部件的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的要求， 這對(duì)降低設(shè)備設(shè)計(jì)、 制造及日后的維修、改造成本很重要。另外，選擇節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng) 的設(shè)備也是相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的，這可有效降低其使用成本。加工設(shè)備選擇程序 第一步：對(duì)被加工零件進(jìn)行分類并初選加工設(shè)備，零件分類細(xì)化程度取 決于生產(chǎn)類型，批量愈大，分類 （或分組 ）應(yīng)愈細(xì)。 按加工工藝性對(duì)零件進(jìn)行分類，把加工性質(zhì)相同或相似的零件分在 同一類； 對(duì)已分

6、類零件按加工尺寸和重量分組，并注意區(qū)分毛坯材料種類， 以便加工設(shè)備的合理使用及切屑的分類管理； 將精度要求高的同類件分在一組，以便合理使用精密加工設(shè)備來(lái)保 證零件加工質(zhì)量。第二步：編制工藝路線，根據(jù)工藝規(guī)程和生產(chǎn)綱領(lǐng)對(duì)零件進(jìn)行工藝分析， 參考國(guó)內(nèi)外同類零件的先進(jìn)加工工藝，編制各零件加工工序及工藝路 線。第三步：選擇設(shè)備及其數(shù)量，測(cè)算各設(shè)備工作節(jié)拍 （或單機(jī)工時(shí) ），通過(guò) 平衡各設(shè)備的生產(chǎn)能力，估算出整個(gè)生產(chǎn)線中所需要的設(shè)備及其數(shù)量。 第四步：優(yōu)化，包括加工工序的優(yōu)化和設(shè)備選型的 優(yōu)化，本文僅討論后者的優(yōu)化問題，主要可從以下兩方面著手： 設(shè)備利用率，從設(shè)備等待時(shí)間、設(shè)備負(fù)荷率、設(shè)備功能是否冗余來(lái)

7、分析。大批量生產(chǎn)因采用專機(jī)和流水線較多，設(shè)備平均負(fù)荷率可在0.60. 7之間；成批生產(chǎn)的設(shè)備負(fù)荷率為 0. 70. 85;單件、小批生產(chǎn) 因通用萬(wàn)能設(shè)備較多，負(fù)荷率可在 o. 85 以上。 資金利用率，從設(shè)備投資的資金占用、財(cái)務(wù)成本、投資回收期等技 術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)分析。優(yōu)化要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)全體設(shè)備作統(tǒng)籌考慮，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備利用率和資金利用率都較高的方案為最佳方案。加工設(shè)備布局設(shè)計(jì) 布局設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單地說(shuō)就是系統(tǒng)中單元的選擇及單元的排列組合。在完 成設(shè)備選擇后就要結(jié)合車間場(chǎng)地、 空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝約束對(duì)設(shè)備進(jìn)行 合理布局。要充分考慮設(shè)備之間在空間位置上的協(xié)調(diào)性，以確保生產(chǎn)系 統(tǒng)物流暢通及設(shè)備的充分使用， 加工

8、設(shè)備的合理布局對(duì)加工系統(tǒng)中物流 的合理性起到關(guān)鍵性作用。(1)加工設(shè)備布局原則 工藝性原則 要求生產(chǎn)工藝過(guò)程合理并連續(xù)， 生產(chǎn)各環(huán)節(jié)加工能力相 匹配。工藝合理不僅可以避免某些配置的不平衡，減少生產(chǎn)過(guò)程中的中 斷、等待，還可以簡(jiǎn)化加工過(guò)程，減少不必要的作業(yè)，消除生產(chǎn)能力的 冗余，縮短生產(chǎn)周期，從而充分有效地利用人員、設(shè)備、空間和能源。設(shè)備的布置和使用高效、合理；要使加工系統(tǒng)體現(xiàn)最大的靈活性和 為今后的可持續(xù)性發(fā)展留出空間。 經(jīng)濟(jì)性原則 必須使系統(tǒng)的配置和布局確保產(chǎn)品綜合成本的最低化 和企業(yè)最終效益的最大化。 加工系統(tǒng)的購(gòu)入成本和使用成本將最終反映 到產(chǎn)品成本上，要力求設(shè)備投資最低； 物流經(jīng)濟(jì)、暢

9、通。 可持續(xù)性原則 在多變的市場(chǎng)中， 柔性，以適應(yīng)產(chǎn)品品種及產(chǎn)能的變動(dòng)， 安全性原則設(shè)備布置要嚴(yán)格遵循“安全第一”的原則，切實(shí)保證工 人的操作安全，為職工提供方便、舒適、安全、符合職業(yè)衛(wèi)生的工作環(huán) 境。(2) 加工設(shè)備的常用布局廈比較 流水線布局 常見于自動(dòng)化生產(chǎn)線， 設(shè)備為特定的產(chǎn)品而專門設(shè)計(jì)布 局，以獲得最大的效率，生產(chǎn)過(guò)程分得很細(xì)，工位布置成一條或幾條相 連的線段。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、 產(chǎn)品質(zhì)量有保證； 缺點(diǎn)是系統(tǒng)柔性較低， 僅局限于很少一類產(chǎn)品，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、物料處理難度大、調(diào)度復(fù)雜 性高。 機(jī)群式布局 加工設(shè)備按其工種和功能進(jìn)行分群布置， 把相同的操作 和工藝過(guò)程集中在一起，形成各具

10、功能的機(jī)群或功能塊。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)柔 性較大，同組設(shè)備的負(fù)荷較易平衡，制造過(guò)程中物料運(yùn)輸?shù)某杀据^低； 缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、周期長(zhǎng)。 單元布局將某一類零件作為一個(gè)加工單元，把加工這一單元所需的 各種設(shè)備集中在一起。優(yōu)點(diǎn)是物流路線短，生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)管理簡(jiǎn) 單，加工質(zhì)量可靠；缺點(diǎn)是系統(tǒng)柔性取決于設(shè)備本身的柔性，當(dāng)系統(tǒng)柔 性要求較高時(shí)，成本提升較快。它比較適合多品種、小批量的制造企業(yè)中大量相似零件的加工制造。 定點(diǎn)布局產(chǎn)品在加工過(guò)程中固定不動(dòng)或很少移動(dòng)，工人和制造設(shè)備 圍著產(chǎn)品移動(dòng)，多見于大型產(chǎn)品（船體、飛機(jī)等）的建造和裝配。上述常 用布局之比較如附表所示。附袤加工設(shè)備累用布局的憂較毗枚項(xiàng)疏水線柏屈機(jī)祥

11、我布詞單元布定點(diǎn)布局投資很大小屮等（帕大很小很大大小ft事ffl申物甌成本中低低楚合的生產(chǎn)摸式大批fit嘰小批娥中，小批論41件產(chǎn)品也產(chǎn)周期較知典熨加工零件或產(chǎn)晶&睢常IS!件，汽弔零件一零件和似件，如軸類件齡體（3）布局設(shè)計(jì)程序第一步：劃分生產(chǎn)塊（流）根據(jù)產(chǎn)品工藝資料（可按前述“加工設(shè)備選擇 程序”的“第一、二步”建立），把具有相似加工工藝的產(chǎn)品或零部件歸 為一類，形成一個(gè)塊（流），對(duì)沒有共性但需求量較大的產(chǎn)品可單獨(dú)劃分 為一個(gè)生產(chǎn)塊（流）;對(duì)需批量生產(chǎn)的工序也可單獨(dú)作為 個(gè)生產(chǎn)塊（流）。 第二步：平面布置 根據(jù)上述生產(chǎn)塊（流）的劃分情況進(jìn)行生產(chǎn)區(qū)域設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意將 物流量大的區(qū)域盡量安

12、排得靠近些，并使各生產(chǎn)區(qū)域間通道寬敞，物流 順暢。 在相應(yīng)的生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)配置的設(shè)計(jì)。若生產(chǎn)塊（流）是連續(xù)工藝 流程，可布置為U型生產(chǎn)線或u型生產(chǎn)線組合。另外，應(yīng)將進(jìn)行批量生 產(chǎn)的生產(chǎn)塊（流）與其聯(lián)系緊密的生產(chǎn)塊（流）布置在一起，以便建立類似的 連續(xù)工藝流程。 根據(jù)車間空間、工藝約束、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)，結(jié)合物流設(shè) 計(jì)，合理確定選定的加工設(shè)備所在位置以及設(shè)備緩沖區(qū)和倉(cāng)庫(kù)等位置， 給出幾個(gè)不同的初步布局方案。第三步：物流考察 本文所述的物流特指工序物流，即各加工工序之間 的物料流動(dòng)。主要應(yīng)注意以下三點(diǎn)： 應(yīng)確保物料能暢通無(wú)阻并沿最短路線流動(dòng)， 避免無(wú)謂的交叉和往返。 建立一個(gè)前后連貫的工

13、序或總體連續(xù)的工藝路線是滿足本要求的關(guān)鍵。 應(yīng)有利于崗位設(shè)置及員工之間的交流與協(xié)作。物流設(shè)計(jì)要為崗位設(shè)置提供最大的靈活性，以確保在不同的需求下，實(shí)行不同的一崗多機(jī)配置中人員的流動(dòng)和參與。 物流路線的安排應(yīng)確保人員的安全，避免可能發(fā)生的物損，應(yīng)符合 消防、勞動(dòng)衛(wèi)生等有關(guān)法規(guī)或條例。第四步：瓶頸辨識(shí)一方面，要平衡生產(chǎn)能力，盡量避免瓶頸的產(chǎn)生；另 一方面，我們要充分利用瓶頸資源，平衡物流，極小化在制品的庫(kù)存。 瓶頸可從工序負(fù)荷比較表中考察每道工序的負(fù)荷來(lái)獲得，也可通過(guò)實(shí) 地考察類似系統(tǒng)的運(yùn)行得到。第五步：方案優(yōu)化根據(jù)零件的加工節(jié)拍， 計(jì)算出加工設(shè)備、小車（或行車 ）、 緩沖區(qū)以及倉(cāng)庫(kù)的負(fù)荷率，確定各

14、個(gè)初步方案的生產(chǎn)能力，通過(guò)綜合比 較，選擇工藝過(guò)程合理、負(fù)荷平衡、加工效率較優(yōu)、生產(chǎn)能力較大的為 最佳方案。在布局方案優(yōu)化過(guò)程中，進(jìn)行物流效率的分析和評(píng)判至關(guān)重 要，這是布局方案優(yōu)化所必不可少的。日設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)一個(gè)較好的布局設(shè)計(jì)方案應(yīng)符合以下四個(gè)要點(diǎn)： 滿足產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)和加工工藝要求，工藝可靠，質(zhì)量穩(wěn)定。同時(shí)， 對(duì)可能發(fā)生的生產(chǎn)綱領(lǐng)變化 （如擴(kuò)能 ）或產(chǎn)品的變化 （轉(zhuǎn)產(chǎn) ）作了充分的考 慮，在控制預(yù)算的前提下，系統(tǒng)加工柔性較高，發(fā)展?jié)摿^大。 一方面，設(shè)備布局合理，工藝路線流暢。中間環(huán)節(jié)少，系統(tǒng)生產(chǎn)率 和物流效率均較高；另一方面，設(shè)備利用率高，運(yùn)行費(fèi)用低，人員配置 少，投資省。 采用當(dāng)今較為成熟可

15、靠的新技術(shù)、新工藝，迎合了技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。 所采用的工藝、 技術(shù)在相當(dāng)一段時(shí)問內(nèi)不落伍， 有一定的技術(shù)改造空問。 綠色環(huán)保。除了遵循現(xiàn)行的中央及地方主管部門制定的法律、法規(guī)、 規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以外， 還要對(duì)中央及地方主管部門制定的各種指導(dǎo)性文件及 國(guó)外較為先進(jìn) （嚴(yán)格 ）的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有所響應(yīng)，這是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要 保證。日示例 某公司委托設(shè)計(jì)一個(gè)船用半組合曲軸生產(chǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目要建一精加工車 間，承擔(dān)曲軸的散件加工、單套 （散件紅套成曲拐 ）、復(fù)套 （曲拐紅套成曲 軸）、精加工等，生產(chǎn)綱領(lǐng)為年產(chǎn) 160 根曲軸。其制造工藝由曲拐制 造（流程一）和曲軸成形 （流程二）兩部分組成： 流程一：毛坯一機(jī)械性能試

16、驗(yàn)和探傷一精車兩平面、外圓一鏜紅套孔一 精車開檔、曲柄肩一鏜兩側(cè)缺口一探傷一船檢一分組紅套成曲拐； 流程二：多組曲拐整體紅套成曲軸一車曲軸主軸頸、自由端軸、輸出端 法蘭面一車曲柄銷一船檢一鏜自由端、輸出端法蘭孔、鏈輪螺孔一車外 圓、拋光一磁粉探傷一船檢一包裝、發(fā)運(yùn)。（1）設(shè)備選擇針對(duì)流程一， 通過(guò)對(duì)其加工工藝分析 基本采用國(guó)產(chǎn)通用設(shè) 備，其中的曲拐3nq-機(jī)床可通過(guò)普通立車改造來(lái)替代，成本是國(guó)外同類 專用機(jī)床的 1 4。在這部分國(guó)產(chǎn)設(shè)備的選擇上有意識(shí)地額外提高了工藝 可能性要求，以增加設(shè)備適應(yīng)性。這樣，除滿足本項(xiàng)目曲拐加工外，還 可對(duì)外承攬其它加工業(yè)務(wù)，由于國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低，故所增加的投

17、資并不多。 針對(duì)流程二，因要滿足曲軸成形后大量苛刻的技術(shù)要求，決定引進(jìn)國(guó)外 曲軸專用加工設(shè)備，以確保曲軸的最后加工質(zhì)量。受這部分設(shè)備專用性 強(qiáng)、投資極大（單臺(tái)5o0萬(wàn)美金以上）的限制，所選設(shè)備的適應(yīng)性未作拓 寬，僅以滿足本項(xiàng)目綱領(lǐng)產(chǎn)量、規(guī)格要求為選擇原則。但考慮到今后的 發(fā)展，在這些曲軸專用加工設(shè)備旁預(yù)留了一塊面積 （目前暫為堆場(chǎng) ），用 于今后可能的設(shè)備添加。（2）布局 由于單個(gè)曲拐最重近40 t,組裝成曲軸后最大重量約287 t,最 大長(zhǎng)度近15 m，故合理分配起重能力對(duì)精益組織生產(chǎn)、降低廠房造價(jià)意 義重大。經(jīng)優(yōu)化分析，設(shè)備采用機(jī)群式布局，把起重能力需求僅40 t的曲拐加工（流程一）布置在

18、一跨，把起重能力需300 t的曲軸加工（流程二） 布置在另一跨。機(jī)床布置與跨間平行。長(zhǎng)加工設(shè)備盡量靠近各跨軸線并 與之平行布置,以便在這些設(shè)備前留出半成品堆場(chǎng)。又因大規(guī)格產(chǎn)品相 對(duì)較少,故把使用頻率低的大型 3n-v 設(shè)備布置在車間末端, 這樣可使大 噸位行車靠邊,同時(shí)也減少了小噸位行車的運(yùn)行距離,還方便了超大件 的駁運(yùn)（離門近 ） ?？紤]到今后的發(fā)展,在負(fù)荷高的設(shè)備 （也是關(guān)鍵設(shè)備 ） 附近預(yù)留了設(shè)備添置場(chǎng)地。此外,在布局中有意識(shí)地把車間分成機(jī)加工區(qū)域和鉗工區(qū)域兩塊,使車 間條塊清晰、功能劃分明確,其好處如下： 曲軸紅套和曲拐紅套區(qū)域 （燃燒天然氣加熱 ）間距最短并沿墻布置, 以 利集中供氣加熱，散熱容易且安全； 通過(guò)中間平車通道的分隔，機(jī) 加工區(qū)域可避開紅套后打磨、修整所產(chǎn)生的粉塵和噪聲；鉗工區(qū)行車使用頻繁,集中靠門設(shè)置可避免影響其它共用軌道的行車