醫(yī)療加工領(lǐng)域刀具成本影響因素的研究

蘇 波

（嘉思特醫(yī)療器材（天津）股份有限公司，天津 300000）

0 前言

目前應(yīng)用于骨科領(lǐng)域的鈷合金材料主要是鈷鉻鉬合金，鈷鉻鉬合金（CoCrMo）是一種鈷基合金，也是通常所說的司太立（Stellite）合金的一種，是一種能耐磨損和耐腐蝕的鈷基合金。鈷鉻鉬合金材料在骨科的應(yīng)用主要集中于骨關(guān)節(jié)假體，如膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。盡管相對鈦合金來說，鈷鉻鉬合金材料的生物相容性較低，但鈷鉻鉬合金作為關(guān)節(jié)假體材料的優(yōu)點是毋庸置疑的。在比較鈦合金關(guān)節(jié)假體和鈷鉻鉬合金關(guān)節(jié)假體的試驗中發(fā)現(xiàn)，TiAlV表現(xiàn)出低的機(jī)械力學(xué)抗性和較多的磨損產(chǎn)物。

對醫(yī)療加工企業(yè)來說，工藝鏈條上的每個工序都有降低成本的空間，尤其是處于工藝鏈條前端的機(jī)加工序，單件機(jī)加工工藝并不復(fù)雜，但是由于產(chǎn)品的特殊性，產(chǎn)品的加工性并不好。在實際生產(chǎn)中，一線總是因產(chǎn)品機(jī)加工中出現(xiàn)的問題而頻繁停線，現(xiàn)場QA的關(guān)注點都在調(diào)機(jī)參數(shù)和刀具參數(shù)上，效果并不明顯。

綜上，在醫(yī)療企業(yè)的實際生產(chǎn)中，鈷鉻鉬產(chǎn)品的產(chǎn)值占比較大，且加工性較差造成加工時刀具損耗很高，頻繁換刀會導(dǎo)致頻繁停機(jī)，刀具成本急劇升高，通過生產(chǎn)實際發(fā)現(xiàn)，刀具的品質(zhì)和鑄造毛坯的硬度對刀具壽命有較大的影響。

1 模型建立

作為骨關(guān)節(jié)的替代材料并在體內(nèi)長期使用，材料必須要求有較高的抗腐蝕性和良好的生物相容性。鈷鉻鉬合金材料的彈性模量是（250±10）GPa，另外鈷鉻鉬合金材料具有較強(qiáng)的抗磨損能力，這也是鈷鉻鉬合金材料能作為金屬假體材料用于骨關(guān)節(jié)外科的重要因素。鈷鉻鉬合金作為關(guān)節(jié)假體材料存在很多優(yōu)點，但是鈷鉻鉬合金較差的延展性給加工制造帶來了較大的難度，同時鈷鉻鉬合金高昂的成本也極大地影響了其應(yīng)用。

為了研究醫(yī)療加工領(lǐng)域刀具成本的影響因素，需要考慮刀具壽命和刀具成本的關(guān)系。刀具壽命是衡量刀具性能的重要指標(biāo)，對加工零件的產(chǎn)品質(zhì)量非常重要，而且與生產(chǎn)加工效率有密切的關(guān)聯(lián)。刀具成本的管理也是企業(yè)生產(chǎn)管理的重要一環(huán)，如何節(jié)約生產(chǎn)成本，提升加工效率，是企業(yè)生產(chǎn)關(guān)心的根本利益問題。

醫(yī)療加工領(lǐng)域常見加工材料是鈷鉻鉬合金，主要用到的刀具是硬質(zhì)合金刀具，該類型刀具具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度高、任性較好、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點，但對鈷鉻鉬合金材料的加工磨損較快。根據(jù)企業(yè)一線的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，刀具的品質(zhì)和刀具的壽命呈正相關(guān)，而刀具的品質(zhì)直觀反映刀具的價格，從而影響生產(chǎn)成本。因此以刀具的壽命、價格、加工毛坯材料的硬度作為研究對象，建立模型反映相互之間的關(guān)系。

1.1 模型假設(shè)

刀具壽命指的是一把新刀具到報廢為止所經(jīng)歷的切削時間，刀具壽命越長，批量加工的產(chǎn)品數(shù)量越多，刀具壽命越短，批量加工的產(chǎn)品數(shù)量越少，為了建立模型參數(shù)變量，可以將每把刀具加工產(chǎn)品的數(shù)量作為刀具壽命的計量方式。

醫(yī)療企業(yè)常用的加工刀具為硬質(zhì)合金刀具，由于硬質(zhì)合金刀具生產(chǎn)廠家較多，無法精確區(qū)分不同企業(yè)的刀具的品質(zhì)，因此，以同一家刀具生產(chǎn)企業(yè)的刀具作為實驗研究對象，這樣可以有效區(qū)分差異性。同家企業(yè)刀具的品質(zhì)和刀具的價格成正比，刀具價格越高，刀具品質(zhì)越好，反之，刀具品質(zhì)越差。因此以刀具的價格作為刀具品質(zhì)的評價方式。

在加工過程中，不同的加工鈷鉻鉬合金材料毛坯件維氏硬度不同，這會導(dǎo)致刀具壽命差異，因此，以毛坯零件的維氏硬度作為毛坯硬度的評價方式。

該文選擇刀具壽命（每把刀具加工產(chǎn)品數(shù)量）作為因變量，刀具品質(zhì)（一定范圍內(nèi)的刀具價格，價格越高品質(zhì)越好）作為自變量，毛坯硬度（維氏硬度）作為自變量，建立多元線性回歸模型，，，為回歸系數(shù)，是隨機(jī)干擾項，利用EViews軟件進(jìn)行參數(shù)估計，并對模型的相關(guān)性進(jìn)行檢驗，確定擬合優(yōu)度系數(shù)較高、概率低于0.01的影響因素，建立多元線性回歸模型。

多元線性回歸模型是指在實際經(jīng)濟(jì)問題中為解決一個變量受到多個變量的影響而建立自變量和因變量的函數(shù)干系。可以有效分析刀具壽命因變量受自變量刀具品質(zhì)、自變量毛坯硬度影響的關(guān)系，指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

為了便于模型的建立，作如下假設(shè)：1） 假設(shè)所有的加工零件均在相同加工環(huán)境（室溫），加工設(shè)備（V32-I）、加工參數(shù)（切削速度、切削厚度）的情況下。2） 假設(shè)加工設(shè)備操作人員對零件加工沒有影響。3）假設(shè)刀具壽命以單位數(shù)量刀具加工的產(chǎn)品數(shù)量來衡量。4）假設(shè)刀具品質(zhì)以刀具價格來衡量，價格越高品質(zhì)越好，該模型中的刀具價格在合理區(qū)間內(nèi)。5）假設(shè)零件的加工性能，僅與零件的硬度相關(guān)（忽略磨蝕性、延展性、加工硬化等其他因素）。該模型中的零件硬度在合理的技術(shù)要求之內(nèi)。

通過選取不同時期、不同班次的QA數(shù)據(jù)，以表格形式統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。同樣的刀具價格，由于待加工零件的維氏硬度不同，導(dǎo)致刀具可以有效加工零件的件數(shù)不同。刀具價格越高，刀具的有效加工零件的件數(shù)越多。同理，待加工零件的維氏硬度越低，刀具的有效加工零件的件數(shù)越多。

表1 QA數(shù)據(jù)

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)建立多元回歸模型，如公式（1）所示。

式中：為刀具壽命；～為偏回歸系數(shù)；為隨機(jī)干擾項。

基于EViews軟件，運(yùn)用普通最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計，對刀具的壽命、刀具價格、材料硬度進(jìn)行回歸計算，得到線性回歸結(jié)果，見表2。表2中的T檢驗是對自變量的顯著性檢驗，F(xiàn)檢驗是對模型的顯著性檢驗。

由表2可知，擬合優(yōu)度系數(shù)=0.960938，檢驗值對應(yīng)的概率為0，表明該模型的擬合程度較高。、的T檢驗概率均較小，表明變量、適用于該模型，存在多重共線性的可能較小。根據(jù)表中的回歸方程參數(shù)估計值可以得到對、這2個自變量的線性回歸方程，如式（2）所示。

表2 線性回歸結(jié)果

從回歸方程中可以看到，變量刀具品質(zhì)對刀具壽命起到正影響，變量毛坯硬度對刀具壽命起到負(fù)影響。從生產(chǎn)實際看，在選型正確的前提下，高價位的刀具品質(zhì)相對更高，意味著刀具的材質(zhì)和刀具的設(shè)計更加優(yōu)秀，相應(yīng)的單位加工數(shù)量也應(yīng)該越多，這與定性分析的結(jié)果相一致。毛坯的硬度與鑄造廠商的熱處理工藝相關(guān)，更好的熱處理工藝可以在保證鑄造坯件其他物理性能合格的前提下，達(dá)到一個較好的硬度范圍，具體實際加工中發(fā)現(xiàn)，硬度越低，加工性越好，這也與定性分析的結(jié)果相一致。

2 回歸模型的檢驗與驗證

2.1 回歸模型的檢驗

F檢驗結(jié)果見表3。從表3中的結(jié)果可以看出，Prob（F-Statistic）即相伴概率值，由=209.1026，值=0.000000＜0.05，可知此回歸方程拒絕原假設(shè)，即作出2個自變量整體對因變量產(chǎn)生顯著線性影響的判斷所犯錯誤的概率僅為0.01，回歸方程通過了F檢驗。

表3 F檢驗參數(shù)表

因為F統(tǒng)計量考量的是所有解釋變量整體的顯著性，所以F檢驗通過并不代表每個解釋變量的值都通過檢驗，繼續(xù)進(jìn)行T檢驗，見表4。

表4 T檢驗表

通過看上面的T檢驗表4，可以發(fā)現(xiàn)在顯著性水平=0.05時，所有，的Prob（收尾概率）小于0.05，通過了顯著性檢驗。由于刀具的生產(chǎn)加工過程和坯件的生產(chǎn)加工過程相對獨立，因此不難判斷兩個因素之間幾乎沒有相關(guān)性。

2.2 實證研究

采用回歸模型對另外安排的驗證試驗組的數(shù)據(jù)進(jìn)行實際壽命與預(yù)測壽命的對比檢驗，結(jié)果見表5。

表5 刀具實際壽命與模型預(yù)測壽命對比

后續(xù)的生產(chǎn)實際中，隨機(jī)抽取15個批次的加工過程進(jìn)行試驗，均采用了較高品質(zhì)的刀具和較低硬度的坯件，期望平均單把刀具能夠加工70件左右的坯件，這樣就能讓成本和效果處于一個較平衡的狀態(tài)。

通過實際驗證過程的數(shù)據(jù)與預(yù)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果相差較小，準(zhǔn)確度較高，說明多元線性回歸模型的預(yù)測具有較高的準(zhǔn)確性。

3 試驗驗證分析

通過多元線性回歸模型的分析，可更深刻地認(rèn)識刀具壽命與刀具品質(zhì)及坯件硬度的內(nèi)在聯(lián)系，并且通過計算可能找到最優(yōu)的方案。

刀具壽命是影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵問題，如果能夠大幅度提高刀具壽命，將明顯提高生產(chǎn)效率，同時因為減少了更換刀具所帶來的調(diào)機(jī)操作，所以大幅度地降低了勞動強(qiáng)度。市場刀具平均價格為400元～500元，如果提升了刀具的層次，采用更昂貴的刀具方案，實際帶來的刀具壽命提升仍然有限，線性曲線越來越平，相關(guān)性越來越低。

鑄件的加工性與很多因素有關(guān)，由于其生產(chǎn)工藝相對穩(wěn)定，因此每一爐批次的硬度差異較大，通過分析也證實了該因素對刀具壽命的影響十分顯著。

在該理論模型指導(dǎo)下的生產(chǎn)中，被加工材料采用鑄件的硬度控制在350HV左右，即可得到較為經(jīng)濟(jì)的預(yù)期。通過模型分析，找到了最優(yōu)的平衡方案，適當(dāng)提高刀具品質(zhì)，同時要求鑄件廠家改善回火工藝，控制鑄件硬度在340HV～370HV，能夠產(chǎn)生豐厚的經(jīng)濟(jì)效益，且綜合效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表格中的數(shù)字，刀具的每月費(fèi)用、改進(jìn)刀具預(yù)估每月費(fèi)用，預(yù)估節(jié)省費(fèi)用繪制如圖1所示。

圖1 刀具費(fèi)用明細(xì)（單位：元）

通過使用多元線性回歸模型（1-2）指導(dǎo)生產(chǎn)可以明顯看到加工件數(shù)已經(jīng)比改善前提高了5倍以上，改善前采用的刀具價格是425元，鑄件硬度采用的是380HV～400HV，可以加工的工件件數(shù)是10～15。采用多元回歸模型以后，選擇單價是440元的刀具，鑄件硬度采用的是340HV～350 HV，可交零件大于65件，大大提升了企業(yè)生產(chǎn)效益，節(jié)約了加工成本，該結(jié)果也通過了生產(chǎn)一線的驗證，并且得到了一線技能員工的一致好評（表6）。

表6 改進(jìn)前后方案對比

4 結(jié)語

該文通過建立實際生產(chǎn)加工中的刀具模型，可以為指導(dǎo)企業(yè)后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃的提供依據(jù)，從而節(jié)約醫(yī)療加工企業(yè)的生產(chǎn)成本。基于該過程的研究，后續(xù)可以繼續(xù)優(yōu)化不同的加工方案，針對不同型號的刀具、不同材質(zhì)的毛坯計算定制化的生產(chǎn)加工解決方案，更高效地解決生產(chǎn)加工中的實際問題。該文為解決刀具加工壽命和企業(yè)生產(chǎn)成本矛盾的問題起到了很好的指導(dǎo)性作用。