关于汽车制造企业的刀具管理的研究分析

刀具对现代化制造车间的生产成本、质量、效率均有着举足轻重的作用。据统计，国内数控设备的机加过程中，刀具费用约占总成本的8%，但与刀具相关的采购、管理、修磨、涂层、检测、使用等环节所产生的间接成本则可达到刀具成本的4倍以上，个别企业甚至达日常生产成本的30%。而刀具对于生产效率的影响可达25%。因此，实施先进的刀具管理方法是实现企业高质、高效、低成本生产的必要手段。

国内汽车行业刀具管理的特点包括：
①对先进刀具技术和管理方法认知不足，手工记录致使刀具流通领域占用人员比重大；
②修磨设备重复投资，占用资金量大；
③刀具系统数据库建设进度慢；
④刀具加工及修磨数据与MES系统无互联，少数企业采用了加工过程监测软件，但使用情况不佳；
⑤刀具管理尚未形成系统管理模式，无信息统合、分析、管理及标准体系，无统一的技术标准及评价机制、刀具编码规则、成本控制规范；
⑥加工、刃磨及涂层技术更新迟滞，支撑工艺投资的刀具技术基础薄弱。

1 刀具管理的发展趋势

开展先进刀具管理方法研究的最终目的是降本、提质、增效，即通过单品刀具全生命周期管理，逐步建立刀具管理系统数据库，实现刀具、人员、设备等资源的全面优化。国际主流汽车企业的刀具管理方式源于其管理体系及深厚的技术积累：首先技术部门具有针对产品的刀具方案规划能力；其次以强大的刀具系统数据库为基础数据，如针对产品或生产线的刀具种类、型号、寿命、消耗、质量、成本及效率分析等一系列技术数据，作为新生产线刀具方案制定的依据；同时，刀具系统数据库的合理应用使整个汽车集团内的刀具数据实现互联、互通，形成有效的生产厂或生产线刀具考核机制、刀具供应商评价机制。最终达成成本、质量及效率目标。

例如，国内大众汽车动力总成制造企业的刀具管理特点有：①机加刀具的研发、使用、采购均依托德国总公司的技术支持；②通过集团层面的全球刀具采购平台进行刀具采购；③子公司技术人员负责刀具的调试、局部优化、生产管理；④优化数据实现平台共享。

国际刀具行业及其修磨或涂层等辅助行业也由单纯制造型向服务型的产业转型。国际刀具管理分为5个服务等级：一级，接受刀具采购、修磨订单，保证新刀具、修磨刀具技术质量；二级，增加技术人员咨询服务；三级，提供物流、工艺等优化服务；四级，现场可视化管理，物流、仓储等由驻厂技术人员提供服务；五级，提供工艺、质量、效率、成本等全面外包服务。

GLEASON、LMT、TCM、钴领是国际上为数不多具备提供5级CPU刀具管理服务能力的企业。国内大众合资企业，如大连、上海和天津的大众变速箱厂分别由LMT及GLEASON提供5级刀具全包服务；TCM及钴领为通用五菱上海及重庆发动机提供5级全包服务。

国内汽车行业的刀具修磨多为部分外包，刀具涂层为全包给专业涂层公司。其中东风集团采用刀具集中修磨及涂层厂中厂模式，节约了人机成本，技术更新及时。国内车企从技术、成本及效率考虑，绝大部分锁定国际品牌修磨、涂中心的管理模式。

刀具出入库、生产线流通及修磨涂层的数字化、少人化刀具管理中最为核心的是为机加工厂创建一套适应生产体系的刀具全生命周期的数字化管理系统。数字化生产线的刀具智能管理应具有以下特点：
①集成化：实现生产线刀具物流、信息流、价值流的集成和优化运行；
②网络化：实现生产线及企业内外的数据互联互通；
③协同化：制造、工艺设计、调度等各业务流程相互协同；
④无纸化：提高信息传递速度、生产效率，降低管理及运行成本；
⑤实时化：实时采集、分析制造过程中的刀具数据，使刀具管控更加准确；
⑥标准化：包括体系结构和功能、业务流程及关键技术标准化等。建立该系统存在刀具种类多、数量大、费用高、消耗大、技术新等难点，寻求明确“通解”的难度较大。

2 刀具的使用及管理分析

(1)刀具种类
在汽车制造领域，产品不同，使用的刀具种类也各不相同，大体分为：
①壳体类：加工发动机、变速箱、车桥壳体的钻、铣、铰刀、丝锥等。价格较低，数量多，消耗量大，库存量较大，因此，刀具管理主要把握刀具的正常流转，以低库存来满足生产；
②齿轮类：加工齿轮、轴类件的滚、插、剃齿刀，盘铣刀、金刚滚轮、珩磨轮等结构复杂齿轮类非标刀具。价格高、数量少，技术含量高，采购周期长。管理时主要防止刀具寿命异常，并保证正常的采购周期。
③模具类：加工各类模具的组合刀具、球头铣刀体、铣刀片；单件小批量模式，多采用多刀片组合式球铣刀。对刀杆与铣刀片的组合、匹配、优化，组合刀具二级编码的固化，作为刀具管理的重点。刀具总成匹配优化的合理性，直接影响刀具成本。
④其他类：采用批量管理模式的车、铣刀片，其体积小、数量大。

(2) 使用方式
目前国内刀具的使用多停留在初级阶段：刀具到货→生产调试→满足效率、质量标准→正式生产。生产过程中的监控以及生产数据的搜集则缺失严重，操作者、管理者对于刀具的理解仅停留在“使用”的阶段。刀具加工过程监控系统图示见图1。


图1 刀具加工过程监控系统

刀具领域的前沿企业通过采集并分析刀具加工过程中的数据，作为解决工艺问题、支撑新产品开发、刀具供应商筛选的重要技术依据。如ARTIS、KOMET、BALLUFF等设备及刀具监控系统等通过监测加工过程中主轴转速、扭矩、振动、温度等技术参数，全面采集、分析刀具工作数据，制定管控策略，有效延长刀具寿命，提高生产效率、降低刀具成本。

先进的刀具修磨及涂层技术是延长刀具寿命的有效途径（见图2和图3）。培养高素质的修磨人员，选择技术先进、可靠的涂层供应商是必要的，使每一把刀具寿命及修磨测试均实现最大化。各机加厂需要及时转变传统观念，重视刀具使用过程中的积累，利用现代化的数据采集系统记录下刀具使用过程中的各类有效信息。


图2 刀具修磨服务形式


图3 刀具涂层服务形式

(3) 库存及流通方式
刀具库存水平是衡量刀具管理优劣的重要尺度。合理的库存可有效降低刀具管理成本，有利于对刀具状况进行评估和对刀具库存进行有效监控，实时了解刀具状态。

国际上主流汽车企业刀具周转率目标值可达30%以上，且多以“刀具月周转率”衡量刀具库存量，即



批量生产线使用的刀具在流通过程中存在刀具库、调刀间、磨刀间、生产线侧刀具柜、生产设备等节点。刀具常规流通过程如下：刀具质检→刀具入库→贴标识、扫码→出库→调刀间→调刀→生产线侧备存→刀具使用→寿命完结（或单次寿命完结）→拆卸刀具与线侧存放→磨刀间→修磨、涂层→调刀间→生产线，形成刀具流通循环（见图4）。


图4 刀具流通循环过程

刀具流通的“周转中心”在刀具流通管理中占有重要地位。周转中心一般根据企业的管理习惯固化在两个节点上：调刀间或者刀具库房。如图5所示，以调刀间为中心，刀具从生产线侧转运至调刀间，判定是否修磨或报废。修磨后返回调刀间，再根据生产需求，从库房补货至生产线。以刀具库房为中心，生产线、调刀间的刀具均从库房发出。


图5 周转中心

在刀具流通过程中，通过把握其中一个节点可以对刀具信息做到全面的搜集。各车间依据车间布局，选择更有利于自身管理的流转模式。在常规生产现场，磨刀间和调刀间相距较近，转运快捷；可充分利用刀具立体库，将刀具库、磨刀间、调刀间进行整合，使管理面积最优化，在线侧形成提供刀具服务专区，实现刀具的高效率、少人化、集中化管理，该管理方式已成为数字化工厂的发展趋势。

(3)刀具管理方式

国内多数制造企业基本沿用传统手工记录加简单的计算机出、入库管理模式。国际先进制造企业已将刀具管理分为四大模块：刀具流通过程管理、刀具工作过程管理、刀具库存管理、刀具修磨涂层管理。四部分均以刀具使用数据库为基础，相辅相成。通过一整套刀具流程管理与数据采集，最终实现刀具全生命周期单品跟踪管理，实现刀具信息化、智能化管理。

先进的刀具管理系统应具备如下基本功能：
①各项功能和操作以实用性、可靠性为原则，实现单品刀具的全生命周期管理；
②采用先进的超高频RFID技术，实现快速、高效的数据实时搜集、提取与交换；
③刀具统计数据的管理及应用设定严格的阶梯权限，采用B/S軟件架构，形成生产线共享刀具信息数据库；
④存在智能、可配置的刀具采购、库存、流通、使用、修磨、涂层及成本考核计划；
⑤系统可与SAP、ERP兼容，无缝衔接；加工设备与修磨设备的MES系统数据无缝对接；
⑥系统还具有可扩展性、可维护性。刀具管理流程见图6。


图6 刀具管理流程

刀具全生命周期内数据的实时获取是系统的核心环节。采用超高频RFID芯片为信息载体（刀具身份标签），单品刀具上的芯片搭载有两种形式：一是安装在刀柄上；二是将芯片粘贴在塑料刀具盒上，一刀一盒。进而延伸至操作者与设备识别芯片。匹配手持机对所有工作流程进行控制，实时读取并写录刀具信息，上传至后台管理软件，进行实时存储、整理、统计等高级应用。国内某发动机厂已全面使用刀具智能管理系统，并取得了显著的管理效果。

刀具管理系统基于RFID芯片的存储功能，手持机快捷输入功能，实现后台单品刀具预编码规则，进而可实现多品种、超大型企业工具编码的统一，实现企业工具、设备等的大数据化。

①RFID芯片技术的优势
刀具工作状况复杂，芯片在技术上必须满足刀具工作过程中的振动、转速（近万转/分钟）、动平衡、工作温度及涂层温度、润滑及切削介质等要求。因此要求刀具读写芯片重量轻，高可靠性。同时具有存储信息量大，信息提取便捷，易于分析等特点。
从芯片发展趋势看，选择超高频RFID芯片作为刀具管理系统的信息载体，可满足刀具在恶劣工况下的功能要求，保证信息传递的可靠性：①在金属和半金属环境中实现信息交互的功能；②在各类因素复杂的机加设备上减弱振动、切削液、温度等外界因素带来的干扰，具备较高的适应性；③超高频的RFID芯片在读写、存储信息上具有速度快、容量大的优点；④相较于常规纸质条码，RFID芯片具有不易被污染、长寿命优势。

②手持机的使用
基于RFID技术、利用安卓系统手持机的刀具智能管理系统以其准确、便捷、高效的特点成为刀具管理行业的发展趋势。便于携带的数据处理终端机器（手持机）可实现与其他设备进行数据通讯。其良好的人机交互界面，安卓操作系统的灵活性，使其得到快速发展。目前，匹配超高频RFID芯片使读取距离可精调至1m以内。随着信息技术的发展，工业用手持机与智能手机信息交互成为可能。
刀具管理系统中具备数据存储及计算能力的终端服务器集中在库房、调刀间以及刀具流通过程中的手持机上。因此不断优化、完善手持机内置管理程序，适应性调整手持机灵敏度，是实现实时单品信息管理及实现防差错机制的基础。

③刀具编码的管理
刀具编码管理图示见图7。国外主流车企的刀具编码规则多从产品、地域、工段等实现快速查询、归类，从刀具材料、规格、修涂等技术层面进行区别细化（见图8），其整体编码管理体系趋于完善。


(a)欧系


 (b)日系
图7 刀具编码管理


图8 国际车企刀具编码组成要素
国内车企刀具管理较粗放，一般仅关注要素中的刀具类型及序列号（见图9）。国内车企依据各部门关注点不同，刀具在生产流通领域一般并存三种编码。刀具编码的统一在大型车企的管理中尤为重要。国内大型车企为实现刀具成本及效率目标，各子公司刀具互用、互通，提升刀具大数据分析能力，从而提高供应商横向量化考核能力。


图9 国内车企刀具编码分类

刀具智能管理以期达到如下目的：单品跟踪：刀具加工、流通、仓储、修磨、涂层、匹配等刀具全生命周期数据的采集、存储、分析，实现任意环节均可用手持机单品查询；实现刀具编码统一，差错报警：不同生产线使用相同的编码语言，固化组合刀具的关联信息；修涂管理：规范额定修涂次数，修涂数据统计分析，为工艺改进、设备检修提供数据支撑；消耗管理：统计报废原因、比例、数量，形成单品刀具及生产线横向类比；库存管理：规范刀具仓储方法。结合生产计划、刀具消耗值、供货周期、最小采购量确定库存及采购计划；提升效率：部门间实时数据传输，扫描芯片即时生成申请单，仓储实时提前备货，支持批量扫描，提高效率；绩效考核：对供应商、操作者、生产线等多维度考核，制定科学、合理的成本、效率考核标准。

(5)刀具人员管理
人员是先进刀具系统效果能否最终落实的核心：人员的有效培训，提升对管理体制的理解以及管理过程的执行度，全员重视刀具合理存储、高效流通、周密的交付过程，是实现刀具降本增效、流通防错等管理效果的前提条件。
减员增效是先进管理系统的重要标志，是无人化工厂的发展趋势。通过刀具智能管理系统，统一刀具技术标准，实现集团层面子公司的刀具横向体系的育成。应用数字化刀具立体库，加强与刃磨、调刀工作的集成化管理，减少管理环节及库房占地面积，实现刀具库管“0”人员。

(6)成本分析及考核标准
刀具管理最终目的是降低成本。国际上汽车行业的刀具成本考核一般以生产单台产品的刀具消耗评价，按工序、生产线逐月、逐年考核（见图10）。产品单台成本既可作为考核生产线制造、管理水平的考核标准，也可作为人员考核参考依据。


图10 生产线刀具成本优化趋势

在工艺固化的前提下，刀具消耗的单台成本一般随着产能提升而降低，其在产品生产准备及批量生产阶段均有不同。产品量产之初，生产组织、工艺方法都尚未固化，刀具成本变动较大，针对生产线来说，各企业的考核标准按照量产时间逐年并适时调整。
考核标准是推动刀具降成本工作的重要依据，依据各自车间、生产线的不同特点，由管理层设置适当的考核标准，不仅能够为整个生产团队树立清晰的目标，也能够理清管理思路，以更加切合实际的手段来完成管理。刀具成本考核机制示意图见图11。


图11 刀具成本考核机制

(7)管理的持续改善
在建设工厂信息管理系统时，需要关注顶层设计的全面性，功能模块的完整性。满足用户需求，规避系统重复投资。持续的改善是刀具日常使用过程中的重要部分，是涉及到每一个人、每一环节的不断改进：
①刀具编码及合成刀二级编码统筹及优化：经过编制—论证—修改—验证的过程，实现大型车企各子公司刀具互用、互通，形成集团刀具管理的工具基础；
②刀具数据库完善优化：各分子公司通过刀具管理系统及统一的刀具编码规则，由各子公司单独的刀具数据库实现互联互通的集团刀具大数据系统，形成刀具管理的数据基础；
③刀具技术优化：利用刀具数据库实现刀具切削数据的积累、分析及评价机制，规范刀具应用技术标准，提升工艺技术水平，形成集团刀具技术基础；
④刀具采购、使用成本优化：利用刀具系统，建立供应商评价机制，实现供应商平台管理，使采购数量、周期标准化，降低库存及使用成本；
⑤刀具管理流程优化：通过刀具系统，优化并整合各管理环节，降低管理成本；
⑥刀具管理数字化：基于RFID技术的刀具单品全生命周期的管理系统，与MES相结合，实现刀具加工数据的自动提取，从而实现真正的刀具智能化管理。

3 总结

集团化大型汽车公司各子公司或生产线的刀具管理模式各不相同，刀具及产品的种类、刀具供应商等千差万别，刀具管理重点应以人员、数字化刀具管理系统、生产线的数据采集、刀具流通的管理机制等方面为出发点，管理层执行力及操作者等人为因素对刀具管理系统实施尤为关键。

数字化管理是目前制造业发展趋势，通过采集刀具的相关数据，建立集团级刀具系统数据库，采用统一的刀具编码规则、先进的RFID技术、安卓系统的手持机，是切合当前“大数据”分析管理趋势的相应模式。以数字化管理的手段实现单品刀具的全生命周期管理，是机械加工行业内落实降本增效，提升产品企竞争力的重要手段。