机械零件的加工往往需要通过多道工序，逐渐改变其形状、尺寸，提高其精度，所以要在单位时间内通过机械加工生产出更多的合格零件，必须缩短每道工序的时间。寻求提高工序生产效率的途径是提高被加工件生产效率的基础和出发点。
工序过程的时间元素分析
1．单件工序时间
被加工零件在某一道工序内所经历的时间被称为该零件的单件工序时间，主要由以下时间元素组成：
（1）基本时间Tb：机床切削零件所需的时间，如钻削、铣削、镗削和磨削等切削过程所消耗的时间。
（2）辅助时间Ta：包括工件上下料时间、刀具进退时间、改变切削形式的换刀时间、开动和停止机床的时间、改变加工规范的时间以及测量时间等。
（3）技术服务时间Tc：包括更换用钝刀具的时间，生产过程中校正、调整设备/工具/夹具/模具的时间，润滑设备时间，加工中断续清理设备和夹具上的切屑及废料时间等，一般是将整个工作时段（如每班）的这些时间累积起来再分摊到每个被加工零件上。
（4）组织服务时间Tg：包括班前班后领、换及收拾工（刀）具的时间，检查及试运行设备时间，增添更换切削液及下班前打扫工件场地、清理设备的时间等。这项时间也是在一个工作班次中累计后再分摊。
（5）生理需要与休息时间Tn，该时间也需在一个班次累计后再分摊。
单件工序时间是上述各时间之和，即：T0=Tb+Ta+Tc+Tg+Tn。在计算实际单件工序时间时，为了简化计算，往往把需要分摊到每个零件的 Tc、Tg和Tn用占基本时间和辅助时间之和的百分比（β）来计算，即：T0=（Tb+Ta）（1+β）。β值的大小与设备及生产规模有关，一般在大量流水生产中取0.05～0.1，成批生产中取0.1～0.2，在单件小批生产中取0.2～0.25。
单件工序时间T0不包括：该工序设备更换品种或变更工序所需的设备调整时间；由于生产组织、技术状态不良和工作偶然造成的时间损失，如设备、工装临时出现故障，生产组织临时出现不协调（如停工待料、人员调度不到位等），工人临时生病、迟到和早退等；为返修次品或制造替代废品的零件所花费的时间。
除调整时间外，其他随机发生的时间均不计入单件工序时间，而是通过设备负荷率将这部分时间损失考虑进去。
2．调整时间Tj与计价时间Tp
在成批生产时，一台设备承担多个品种零件加工或承担同一种零件的多道工序时，每当更换品种或工序时，需要对设备的运行参数、程序、所使用的刀具、夹具和辅具进行更换和改变，需对该设备所形成的工艺系统进行调整，对新品种、新工序零件进行试切，以达到新品种零件或新工序的加工要求，这是设备调整时间所包含的内容。
调整时间只在加工新一批零件前产生，这个时间也应分摊到该批每个零件上。分摊时间除了与调整时间的长短有直接关系外，与每批零件的数量和批次多少也有直接关系。合理确定投入的批量（N）是很重要的，投入的批次过多，每批零件过少，会使每个零件所分摊的调整时间过多；若投入的批次过少，批量过大，会造成在制品积压过多，使制造成本增加。
零件的单件工序时间与该零件所分摊的调整时间之和就是零件在此工序的计价时间，即Tp=T0+Tj/N。计价时间表示的是被加工零件在此工序的设备上所占有的时间。由此可计算出该工序为完成预定纲领应配备的设备数量。
如前所述，对于单一流水生产线或混合品种流水生产线，Tp=T0，即计价时间与单件时间相同。
由上述分析可知，要提高加工工序生产效率，就应设法缩短组成单件工序时间和计价时间的各组成元素。以下重点探讨缩短基本时间、辅助时间、技术服务和组织服务时间。
缩短基本时间
减少加工零件在某工序的基本时间有以下途径：缩短纯切削时间，采用多刀对不同表面同时进行加工。
1. 采用高速高效切削，缩短切削时间
要提高切削效率，缩短切削时间，就要提高单位时间内材料的切除量Q，它与切削三要素都有关系，且最活跃、影响最大的要素是切削速度，这就是为什么把采用高速切削作为提高切削效率重要途径的原因。
在常规切削中，随着切削速度的增加，切削温度也同时升高，但当切削速度超过某一个临界速度后（该速度值随被加工材料不同而不同），切削温度不再随切削速度的提高而上升，反而会下降，因为此时绝大部分切削热被切屑带走了。切削速度与单位切削力也有类似的关系。高速切削的这些机理研究成果为其应用提供了理论依据，加之刀具技术的进步，包括刀具材料及刀具结构的发展和应用，高刚性、高动力性、高转速和高进给速度的机床的出现，使高速切削的实际应用成为现实。
此外，粉末锻造高速钢、超细晶粒硬质合金、多涂层/复合涂层高速钢以及硬质合金的广泛应用，Al2O3、Si3N4为基体的陶瓷刀片，以TiCN 及TiC为基体的金属陶瓷以及PCBN、PCD等超硬刀具材料在汽车行业的普遍采用，使汽车零件机械加工的切削速度和生产效率成倍提高。如采用陶瓷刀片粗镗汽缸孔，切削速度可达800m/min，每分钟走刀量达2 400mm，粗镗一个汽缸孔只需4s，而若用PCBN刀片精镗缸孔，切削速度为750m/min，工序时间大为增加。在汽车制造业机械加工中，高速切削实际应用所达到的参数如表所示。
高速切削应用中的参数
制造经济学的研究成果表明，刀具费用一般只占零件制造成本的3%～5%，但由于采用先进刀具材料和刀具结构所带来的整体生产效率的提高可达20%～30%，因此采用高速高效切削是提高生产率最经济的途径之一。当然，机床的性能参数、刚性和动力性均应适应高速切削的要求。
2. 采用多刀加工缩短基本时间
缩短工序基本时间的另一个途径是采用多刀同时对不同表面进行加工。组合机床及自动线至今仍是生产效率最高的一种加工方式，其原因之一就是采用了多面多刀对零件的多个表面同时进行加工的缘故。目前采用组合机床自动线加工铝合金壳体零件，节拍可达到16s，加工铸铁壳体零件节拍可达27s。在产量足够大而产品品种单一（或少）、相对固定的情况下，组合机床自动线仍然是获得高效率的最佳选择。此外，还有多砂轮磨削、多轴加工中心等，都是实现多刀同时加工的优选设备。
在发动机的曲轴加工中，车－车拉和高速外铣机床及刀具（见图1、图2）的发明给曲轴加工带来了革命性的进步。利用一台外铣机床就可以加工曲轴的主轴颈、连杆颈、平衡块外圆及曲柄侧面，采用多刀盘车－车拉机床可以一次加工所有的主轴颈或同一相位的连杆轴颈，数十倍地提高加工效率和产品质量。
图1 曲轴车－车拉刀具
图2 曲轴外铣刀盘
缩短辅助时间
以往，辅助时间占单件工序时间的70%以上，虽然随着各种缩短辅助时间方法的采用以及自动控制技术的提高，辅助时间至今仍占工序时间的50%左右。缩短辅助时间的具体措施主要有：
1. 机床采用回转式、往复式工作台，一个工位进行切削加工的同时，另一个工位同时进行零件装卸。
2. 提高机床的快速移动速度和回转速度。现代数控加工中心越来越多地采用直线电机，X、Y、Z轴的移动速度都在60m/min以上，不少设备已超过100m/min，而加速度一般在1g左右，高档加工中心已达1.5～2.0g，甚至更高。
3. 采用各种快换刀柄及换刀机械手实现快速换刀。HSK快换刀柄的广泛应用不但提高了高速加工中刀具的安装精度，而且它与快速换刀机械手配合，可使加工中心的换刀时间缩短到1～2s。
4. 采用机外调刀、机上自动对刀等装置，缩短用钝刀具更换的调刀时间。
5. 采用复合刀具，如复合钻扩刀、复合钻铰刀、组合镗刀和复合扩铰刀等，使零件在一次装夹、一次换刀中完成多个加工表面的或同一加工表面的不同加工内容。图3所示的复合刀具上同时具有钻孔、镗削和倒角的功能，可大大减少换刀次数和时间。
图3 复合钻、镗刀
6. 数控复合加工机床是近年来机床发展的方向之一。各种多主轴、多刀架不同工艺和工序组合的复合机床发展迅速，各种车削中心、磨削中心、铣车中心和多轴联动加工中心（见图4）应运而生。一个工件在一台机床一次装夹中就能完成车、铣、钻、铰、攻丝、磨削以及镗等多种工艺，甚至可以完成一个工件的全部加工内容，减少了工件上下料和多次装夹的时间。
图4 工作中的五轴联动加工中心
7. 采用液压、气动快速夹紧的夹具，采用各种加工过程中自动检测的量仪，缩短装夹及测量等辅助性时间。
8. 采用各种形式的自动、半自动上下料装置及机械手。
缩短技术服务和组织服务时间
技术服务和组织服务时间虽然不是在生产每一个零件时都会产生，但它的长短也会对工序生产效率产生一定的影响。这部分时间与生产管理有关，缩短这两部分时间的途径主要有：
1. 合理安排刀具换刀时间，在选择刀具与确定切削参数时，应考虑所采用刀具的寿命与所确定的换刀时间相适应。一般尽量将换刀时间安排在交班或休息时间，尽量使所有的刀具寿命与所确定的换刀时间相同或为它的倍数，这样可避免在零件加工过程中频繁停机换刀。
2. 采用标准的刀柄，尽量采用线外调刀，以最大限度地减少换刀时的机床调速时间。
3. 配备排屑装置和防护装置，使切屑有序地排入切屑箱中，防止切屑及冷却液四处飞溅。采用大流量冷却与冲屑，实现冷却液集中供排，切屑集中收集。
结论
提高生产效率不仅是工艺理念的更新，也是管理理念的提升。在采用先进刀具、机床实现高速高效切削的同时，还要应用相关技术和管理手段，优化整个加工过程，采用多样化的途径实现加工效率的提高，实现从高速切削到高效切削再到高效加工的最终目标。
作者：机械工业九院 于涛
