基于快速換模技術的沖壓設備利用率改善

唐啟成 周炳海

(同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804)

在全球化的市場競爭環境下，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、小批量生產訂單驅動生產模式已成為多數汽車零部件企業生產的主流[1]。在汽車及配套企業的日常生產中，縮短生產周期、降低生產成本、提升產品質量儼然成為生產管理的重點。隨著客戶小批量生產訂單的增加，導致汽車企業生產換模的次數增多，設備利用率減少。因此，提高小批量、多品種均衡化生產的沖壓設備快速換模能力刻不容緩，對企業競爭力的提升和促進企業的長遠發展具有重要意義。

本文的研究對象是一家行業內具有代表性的A汽車零部件制造有限公司，主要生產應用于無級變速器內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組合而成。筆者對A公司生產不同種類鋼片的沖壓車間進行了快速換模研究，通過收集沖壓設備的歷史數據，對其中的換模流程進行了分析，包括盡量轉化內部作業為外部作業，縮短內外部作業時間，外部作業采用并行作業等步驟，在此基礎上進行改善，減少了更換過程中的浪費，制定了標準換模作業流程，最終達到提高沖壓設備綜合效率的目的。

1 快速換模技術

快速換模技術即SMED(Single Minute Exchange of Die）, 最初是由日本豐田汽車的工業工程師新鄉重夫于1969年提出，該技術幫助豐田起重機產品切換時間由4小時縮短為3分鐘[2]。當一種產品生產完成后，需要暫停生產線更換工具、原料、模具等操作，并重新設置成型參數，這種更換操作被稱為“切換”，如果切換的是模具，則被稱為“換模”。快速換模技術指通過縮短產品換模時間和設備啟動與調整時間，達到有效縮短產品切換時間、提高設備利用率與人員作業效率的目的[3]。

快速換模一般分為五個階段：(1)區分內部及外部作業；（2)將內部作業轉化為外部作業；（3)優化內外部作業；（4)標準化內外部作業流程；（5)持續改善。快速換模關鍵在于分離內部作業和外部作業，并盡量將前者轉換為后者，以達到縮短內部操作時間的目的。內部作業是指必須在機器或生產線暫停運行時才能進行的操作，如模具或工具的拆裝及調試件檢查，從機器中移除工件等操作。外部作業是指機器或生產線在運轉時仍可進行的操作，如模具修理、工具和材料準備等操作。區分了內部作業和外部作業后，就可以分別針對內部和外部作業采取不同的措施降低換模時間，實施快速換模,有效提高設備利用率[4-6]。

2 問題描述

A公司主要研發與生產無級變速器內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組合而成。本文以不同種類的金屬鋼片生產狀況為研究對象，金屬鋼片外形如圖1所示。金屬鋼片生產工藝一般包括沖壓、硬化、淬火、去毛刺等，每個工藝步驟操控復雜，且鋼片生產設備非常昂貴，因此通過快速換模技術來提高鋼片生產設備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness, OEE）是非常必要的。

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

表1 鋼片生產各工藝過程的設備綜合效率匯總(單位：%)

接上表

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

然而如何提高沖壓設備的綜合效率，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月的沖壓設備歷史數據為樣本進行分析，具體數據如表2所示。從表2的數據可以清晰的看出，沖壓設備的時間開動率只有73%左右，因此有著非常大的改善空間，是為提升沖壓設備綜合效率的改善重心。其次是沖壓設備的性能開動率和產品合格品率，從表2中數據可以看出，性能開動率在89%左右，產品合格品率在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月沖壓設備綜合效率統計(單位：%)

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

表3 2019年2、3、4月沖壓設備停機時間統計

3 改善與實施

通過上述問題分析可知，目前A公司鋼片生產線中急需改善整體設備效率的是沖壓設備。首先觀測當前的換模流程以收集有關數據，記錄的沖壓設備一次換模過程作業時間，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,其中內部作業時間為29.2分鐘,外部作業時間為4分鐘,內部作業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（打開設備系統，選擇調用程序）、步驟18（通知檢驗 員進行首件檢驗及等待檢驗結果）的內部作業可以轉換為外部作業。步驟7、8、11、13的內部作業時間分別為0.5、2、1.5、0.5分鐘，通過轉換，使得內部作業時間縮短了4.5分鐘。通過初步改善，使得沖壓設備內部作業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，僅僅將沖壓設備的部分內部作業轉換為外部作業，但遠遠沒有達到改善的預期目標，為了進一步改善沖壓設備的整體效率，將繪制魚骨圖，以便找出影響整體設備效率的主要因素，影響沖壓設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備的整體效率。

(1)步驟6、8、11完成模具的裝卸搬運動作，當前采用手動搬運，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，總共節省了5分鐘的作業時間。

(2)步驟7完成新模具的準備工作（包括尋找、清潔模具等），當前模具沒有按規定放置，準備工作比較混亂。為了縮短準備工作時間，模具由專人負責管理，同時對模具進行ABC分類管理[8]，專門設立新舊模具周轉架,通過這些改善，可以節省新模具準備工作時間，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，當前模具底座不標準和主要依賴于操作員經驗定位，通過在模具底座上加一塊規則底板，根據底板快速定位模具，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完成模具的再調整操作，當前模具調整未統一標準，操作有隨意性。通過定期對員工進行培訓，不斷提升員工操作技能，制定模具調整標準作業流程，可以縮短模具調整驗證時間，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，換模時間節省了30.12%。通過縮短換模時間，鋼片沖壓設備綜合效率得到明顯提升。改善前后鋼片沖壓設備綜合效率的對比，如圖6所示。可以看出，2019年7、8、9月的鋼片設備綜合效率較2、3、4月提升了約13%。

5 結語

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