在当前国内外制造业激烈竞争环境里，企业多品种小批量订单越来越多，产品需求的多样性越来越突出，使企业必须有效提高产品生产柔性，以较低成本、较高生产效率和较短生产周期，提供更高品质产品，才能在激烈竞争环境中占有一席之地。某航空紧固件公司多年来一直致力于航空领域紧固件研制和生产。近年来公司积极参与市场竞争，业务量迅速增大，产品品种多达多种，在业务量不断增大的情况下，仍采用传统的生产管理方式，面对订单和产品品种不断增加，车间已经难以应对多样化和短生产周期的需求。
本文以该公司为背景介绍紧固件生产线导入单元生产方式，从而优化车间生产流程，减少生产过程的浪费和不增值环节，改善车间管理，有效缩短生产周期，建立适应多品种小批量生产的紧固件生产线。
01航空紧固件生产线生产现状分析
1.1航空紧固件生产线概况
公司产品生产方式采用传统的批量生产方式，每道工序由一名作业人员操作一台设备完成，零件成批在各工序间转移生产；公司紧固件的主要加工工艺和车间生产线设备布局分别如图1和图2所示，从图中可以看出公司产品主要由数控车床工段I、数控车床工段II、六角车床工段、数控外圆磨床工段、铣床工段、钻床工段、钳工工段、磨床工段和滚丝机工段等7个工段完成，工序数少，零件在车间中的物流路径较复杂，存储次数较多；每批次产品根据客户要求的不同，产品设计参数形状等变化频繁，订单数量从单件到数百件不等。
图1紧固件加工的工艺过程图
1.2航空紧固件生产线存在的问题
公司在多品种变批量的生产条件下，仍然按传统批量生产方式进行生产，加上机群式的设备布局，增加了车间生产管理的复杂性和管理的难度。生产线存在的问题主要突显为以下几个方面：1.2.1产品在工序间转移生产搬运次数多，搬运的物流路径交叉往复，搬运浪费现象严重，车间物流的效率较低；在制品每一次工序间转移都会进行长时间的排队，因此在制品暂存的时间长，大量积压在各工段半成品放置区。以零件族四的生产加工为例，在车间中的物流路线（如图2）在各工段间的往复次数多，距离较长，且每道工序加工前都需要排队，因此在半成品暂存货架存储时间长，平均等待时间约1到4个工作日。
1.2.2每批次产品，由于使用材料、性能参数等不同，即使属于同一种产品，加工方法、精度等也可能不一样。因此，生产现场管理较为混乱，无标识、标识不清、标识混乱的情况下，容易造成产品的混批，导致产品返工，造成人工和材料浪费。
1.2.3产品品种多，批量变化大，使车间生产准备重复工作较多，工作量较大，每次产品品种的变更，都会重新准备生产用的工装刀具，和设备调试，因此，车间生产准备的重复性工作使生产线管理人员和作业人员工作强度加大，且效率较低，消耗了大量宝贵的生产时间。
1.2.4设备切换效率较低，换线时间长。由于产品品种变化频繁，生产用的工刀具准备不及时，设备调试作业效率低，使设备切换时间接近甚至超过本工序一批产品的加工时间，零件在各工序间停留等待加工的时间长，生产等待现象严重，降低了产品生产效率，增大了单件产品的生产成本。
1.2.5作业人员只负责一道工序的加工任务，长时间固定在一台设备或一个工位，反复完成相同作业内容。大量重复作业，一定程度上加重了作业人员的劳动强度，容易让员工身体和精神上产生疲劳，出现产品加工的质量问题，甚至产生废品。同时也不利于作业人员掌握多种技能，难以根据产能需求的变化进行人员配置和调整。
02航空紧固件单元生产解决方案提出
单元生产方式，在国内外学着都进行了广泛研究，在多品种中小批量的生产中得到了广泛的应用，并证明了该模式可以有效地提高生产效率，缩短产品生产周期。
在单元生产方式下，根据不同产品族的成组工艺，设备按一定的工艺流程进行布局，布局方式有U型设备布局，L型设备布局，直线型设备布局和平行双排设备布局等（如图3）。在生产单元内部，采用一人多机与单人单机相结合的方式，配合或独立完成产品多道工序加工。
生产单元构建综合考虑产品加工时间、加工顺序、生产批量、设备能力等约束条件，具有较好的可实施性[1]。单元生产方式在制造业的成功运用，充分体现出传统批量生产方式所不具有的优点，主要体现为：
2.1基于成组技术的单元生产方式，有利于实现同一零件族或多个相似零件族全部或大部分工序集中生产，使车间生产作业计划的制定和生产调度得以简化，提高车间生产对产品品种和批量变化的适应能力[2]。
2.2有效改善车间物流，缩短物流距离，优化物流路径，同时减少多批次生产条件下，产品混批问题发生。在生产单元内，物料在单元内各工序间以小批量（或单件），短距离进行转移，有效缩短了车间物料搬运距离，减少物流路径的交叉往复，使不同批次产品在搬运和存储过程中的混料混批等问题得到有效解决。
2.3有效缩短产品生产周期，减少车间在制品数量。生产单元内，物料以较小批量进行转移和生产，零件在工序间的流转连续，存储次数少且时间短，减少了搬运、存储等时间的浪费，因此，产品的生产周期能够有效缩短，同时减少了在制品的数量和资金的占用。
2.4生产单元内设备通用性好，自动化程度高，在产品品种或工艺变化时，可以根据加工工艺的要求，灵活改变设备布置，构建适合新产品加工的生产单元[3]。
2.5单元内以多能工为主，人员配置灵活，可以灵活应对产能需求的变化。生产单元要求作业人员能够进行一人多机的操作，由少数几名（或一名）作业人员完成产品加工。因此，通过少人化可以使作业人员配置上，并根据批量和产能需求的变化，灵活配置生产单元内人员的数量[4]。
03紧固件生产线单元生产方式的导入
3.1单元生产方式改善措施分析公司紧固件机加生产工艺简单，以轴类和环型零件为主，产品加工工序数较少，单个零件重量和体积小，搬运轻便，有利于根据产品工艺路线配置设备和作业人员，构建生产单元以导入单元生产方式[3]。
3.1.1生产单元的设备布局设计。按紧固件的成组工艺，设立8个生产单元，生产单元采用U型或双排直线型设备布置方式，使物料的生产单元出入口处于同一侧，形成单向不交叉的物料移动路径，物流距离得到较大幅度的缩短[5]。车间滚丝机和磨床，设备数量较少，但设备加工效率较高，因此将这类零件通过频率高且通过品种数较多的设备，设立4个公用设备生产单元，为多个生产单元的零件进行磨削和滚丝的加工。改进后的车间设备布局。
3.1.2生产单元内推行一人多工序作业，使产品生产加工作业人数弹性化[4]。公司紧固件生产线自动化程度高的设备较多，产品工艺相对成熟稳定，容易实现手工作业和设备加工作业的合并。以紧固件工序3为例，单个零件车削、铣削时间相对较长，后续工序是钳工等手工作业，以往每道工序安排一人完成，造成过多的流转和排队次数，生产周期无法缩短。改进后的生产线将车削、铣削与钳工工位合并，实行一人多工序作业，提高了产品的生产效率，减少了同一批产品作业人数，在产品批量变化时，能够更灵活的配置作业人员数量。
3.1.3改进车间产品流转和生产方式，采用较小批量，以较短间隔期在生产单元内的设备之间进行连续流转和生产，使同一批产品各工序生产并行，生产周期得到较大幅度缩短。根据每批产品数量的不同，车间调度员会进行产品批量分解，将批量较大的产品分解为多个批次在单元内生产。改进后的流转和生产方式，减少了以往无论批量大小均在工段间流转生产，而产生的大量排队等待、存储次数和时间。
3.1.4改进设备加工产品时使用的工装夹具，提高设备装夹和调试效率，同时通过IE手法改进设备切换作业程序。如改进车床软爪和硬爪等夹具，软硬爪做成一体，消除了零件材料或材质变化时，软硬爪的更换，减少了工装夹具更换时间；在单元内根据不同零件族的加工工艺，配备相应的工装夹具，并进行合理的布置，减少作业人员走动距离和次数，缩短进行设备切换时的工器具准备时间，以及工装临时准备次数[6]。
3.1.5车间生产现场实行定置管理，对生产现场尤其是生产单元内，严格划定在制品、成品和不合格品的存放区域，并使用不同颜色的托盘盛装不同批次产品，防止产品生产时的混批问题发生；加强生产现场管理人员和作业人员质量意识的培训，严格要求生产单元作业人员按操作规范生产，并按生产单元划分产品质量负责小组，出入单元的产品的质量由单元内作业员共同负责，提高了员工在产品生产时的质量意识，和作业相互监督意识。
3.2改善效果分析通过单元生产方式在紧固件生产线的推行和实施，简化了车间工段间复杂的生产调度，减少了车间管理人员因大量重复的生产准备产生的工作量，有效地消除了车间传统批量生产方式下，产品成批生产产生的过多的搬运存储、不合理物流路径，以及过长的产品生产排队等待时间，使产品生产效率得到了明显的提高，生产周期较大幅度的缩短，生产周期从过去的10天到35天，缩短为4到7天。
改善了车间生产现场的管理，减少了产品因混批带来的大量返工和材料浪费，单元内员工相互监督，减少了流向下工序的不合格品，预计可以使产能从1~1.4万件/天提升到1.3~2万件/天，产品合格率提高15%。通过单元生产方式导入，紧固件生产线各项改善指标预计效果如表1所示。
04结束语
本文通过分析航空紧固件生产工艺流程、设备布局，找出了生产效率低，生产周期长的影响因素，并提出运用单元生产方式改进航空紧固件生产线设备布局和产品的生产方式，减少其中的不增值环节和活动，改善车间物流，缩短生产周期，提高公司多品种小批量生产的适应能力。航空紧固件生产线单元生产方式的成功实施和改善效果，验证了多品种小批量生产条件下，单元生产方式能够提高生产效率，缩短生产周期，为企业带来更大收益。
参考文献：[1]王爱民，丁国智.制造单元快速构建技术研究[J].北京理工大学学报，，10：-.[2]许香穗，蔡建国.成组技术（第二版）[M].北京：机械工业出版社，.[3]喻超，赵希男.单元式生产方式分析及对策研究[J].工业工程与管理，，11（3）：96-98.[4]门田安弘.新丰田生产方式[M].石家庄：河北大学出版社，.[5]孙亚彬.精益生产实战手册――单元生产与拉动看板[M].深圳：海天出版社，.[6]夏欣跃.快速换线[J].工业工程与管理，，5：14-15.
作者：段炼
来源：重庆大学，机械学院
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