切削刀具是金屬切削工藝流程的基本組成部分。在合理選擇并正確應用的情況下，刀具能夠最大限度地提高生產率；但在另一方面，也可能會造成生產瓶頸。這很大程度上取決于如何根據整體制造工藝流程來管理刀具的使用。

刀具損耗分析

從本質上說，切削刀具是一種耗材；它們會不斷磨損，直到不再能有效地工作。傳統的金屬切削刀具管理方法僅采用磨損分析，并且關注的重點是控制刀具材料、槽型和應用參數，從而在選定的加工操作中實現更高的零件產量和更長的刀具壽命。然而，要最大程度地提高工廠整個制造工藝流程的效率，除了刀具磨損外，還需要考慮其他眾多因素。關鍵是要根據整體或“綜合”的制造工藝流程來全面檢查切削刀具的磨損，或者更廣泛地說，刀具損耗。

綜合刀具損耗分析 (GTDA) 不再局限于刀具磨損的基本測量，它還考慮了其他與刀具相關的問題，例如花費在刀具裝夾上的時間、磨損以外的問題、生產經濟性、車間組織、員工態度和責任感、價值流管理和總制造成本。GTDA 基于對大量隨機選擇的車間切削刀具進行定期評估，構勒出一個綜合全面的圖形來反映刀具對工廠整體制造業務的貢獻。

綜合制造工藝流程

對刀具磨損的研究通常僅限于特定加工操作中使用的單個刀具。但是，為了使收益最大化，需要根據工廠制造加工流程中的所有加工全面考慮刀具磨損或損耗。制造工藝流程始于原材料采購和規劃，其中涉及整合人力資源、技術資源和資本投資。隨后會開展一些增值和價值支持活動，但這些活動可能會受到廢物產生事件的限制而造成資金、時間和人力資源的損失，進而會降低零件質量和產量。輸出按照以下方面進行測量：零件質量、所需的零件數量以及所需的生產時間和成本。

制造工藝流程

制造工藝流程的演變

分析和預測刀具壽命的方法取決于刀具的使用方式。幾個世紀以來，制造業從個別產品的工藝級生產發展到標準化零件的批量生產。隨后，制造方法的改善帶來了第二代批量生產，人們能夠對類似零件進行更大規模的生產 – 大批量、低產品混合 (HVLM) 方案。近年來，隨著數字技術開始廣泛應用于編程、機床控制和工件處理系統，第三代批量生產應運而生，它實現了經濟高效的高產品混合、小批量 (HMLV) 生產。

制造工藝流程的演變

盡管關鍵的性能問題（即實現成本和時間效率、最低程度的質量以及一定程度的產量）沒有改變，但第二代和第三代批量生產技術采用了不同的刀具壽命分析方法。在第二代 HVLM 方案中，人們在可能持續數天、數月或數年的生產運行中使用相同的工件材料、相同的設備和同一種切削刀具來加工相同的零件。在這種情況下，刀具壽命的管理相對簡單。車間人員使用原型和試運行來確定最佳的平均刀具壽命，然后將所需的零件數量除以各個刀具的預期壽命。

一致的刀具壽命預期數據使車間能夠有效制定刀具更換計劃，從而最大限度地提高刀具利用率并支持連續生產。然而，隨著時間的推移，制造商逐漸發現了 HVLM 生產方法的劣勢。為了平衡零件庫存和需求并適應持續不斷的工程變化，制造商在長期不變的生產運行中加工的零件越來越少。

與此同時，第三代 HMLV 批量生產策略越來越受制造商青睞。快速可調的 HMLV 工藝流程非常適合當前的庫存和工程目標，但規劃過程復雜得多。在完成數量為十個零件的加工批次后，接下來可能需要完成數量為兩個、五個甚至一個零件的加工批次。工件材料可能從鋼變為鋁，再變為鈦，并且零件的幾何形狀也可能從簡單變為復雜。因此，沒有足夠的試驗時間來確定刀具壽命。

在這種情況下，車間通常會對刀具的預期使用壽命做出一個保守的猜測，而且為了安全起見，每一次運行都要使用新刀具，并在刀具遠未達到實際生產壽命之前就扔掉它。通過采用更全面的刀具磨損分析和預測方法，可以幫助減少切削刀具能力的浪費。

二元產出率的可能性

快速變化的 HMLV 制造方法增加了在加工操作中實現高產出率的難度。在長期運行的 HVLM 生產環境中，試驗和調整可以實現 90% 以上的高產出率。另一方面，HMLV 生產環境中的產出率可能是二元的。成功的單件運行可以實現 100% 的產出率，而當零件不合格或工件損壞時，產出率為零。

人們對質量、成本效率和時間效率的要求不變，但首次產出率成為首要要求。在這種情況下，避免刀具破損可能是最重要的考慮因素。一項好處是刀具磨損在短期運行場合中影響極小，因此車間可以在合理的范圍內應用更強大、更高產的切削參數。

工藝和人員貢獻

長期不變的 HVLM 生產運行一般會顯著消弱人員對制造工藝流程的貢獻。在啟動長期運行后，操作基本上會自動進行。即使在需要操作人員參與零件轉換的場合，這些情況的重復性質也會使操作員和編程人員的影響顯得微不足道。這種制造方案不需要（甚至可能制止）靈活性。

相反，快速變化的 HMLV 方案再次強調了人在制造工藝流程中的作用，指出傳統工藝形式需要結合人的創造性和靈活性，從而高效地適應不斷變化的零件和切削工況 - HMLV 加工的特征。

關注結果之前的工藝流程

許多制造工藝流程分析工作僅專注于審查與刀具壽命和零件產量有關的最終結果，而不全面檢查工藝流程本身。這可能會遺漏一些與切削刀具有關但不直接影響刀具壽命的問題，并造成生產瓶頸。例如，毛刺通常與刀具壽命無關，但會中斷制造工藝流程，因為必須開發并實施額外的加工操作來去除毛刺。

然而，毛刺的形成與刀具槽型和應用參數有關，因此必須在刀具損耗分析中加以考慮。另一個通常與刀具磨損無關的問題是刀具破損，這涉及刀具材料、槽型、應用參數以及機床因素。

卓越運營的要素

制造效率的基本內容是消除浪費、靈活性缺乏問題和易變性。綜合刀具損耗分析考慮五種卓越運營要素。

首先，必須全面了解整個加工流程和加工操作與工件材料的關系。第二，必須注意通過精益制造策略和其他舉措來減少浪費。第三，需要運用生產經濟學的概念來保證盈利能力。第四，應根據制造數量和零件種類來考慮產出率目標；必須將最大限度地提高靈活性作為最小化生產瓶頸的方法，但必須控制易變性，以確保一致的零件公差。最后，必須強調制造人員的價值，從而充分利用這一獨特的、不可替代的資源。

不僅僅考慮刀具磨損

綜合刀具分析在刀片切削刃初始測量的基礎上，補充了刀具在總貨物銷售成本 (COGS) 中所占比例的分析、一分鐘換模 (SMED) 分析、價值流管理 (VSM) 結果和整體設備效率 (OEE) 百分比。

與刀具相關的最基本的經濟考慮因素無疑是刀具成本。圖 4 顯示了加工流程中各個要素的成本，并將它們合計為 COGS。這些數據使車間能夠比較各種生產成本要素，從而找出可降低成本并提高業務盈利能力的方法。

刀具成本

另一個與刀具相關的經濟要素是刀具花費時間 – 在實際加工操作之外用于操縱刀具的時間。刀具轉換和裝夾時間通過 SMED 分析技術進行分析，該技術還顯示了刀具磨損和更換成本之外的費用。其中的部分費用用于采購和組織刀具、安裝刀具和將程序加載到機床中。

OEE 決定有多少可用的制造時間得到高效利用。OEE 分析可以指出損失、設定改進基準并通過消除浪費提高生產率。OEE 分析首先確定用于生產的總時間，然后減去計劃停機時間、計劃外停機時間、轉換時間、輕微停止和損失速度時間以及廢品和返工時間，從而得出有效加工時間（以占總可用時間的百分比表示）。100% OEE 是一個理想但幾乎無法實現的目標，它表示以盡可能快的速度生產出規定質量的零件，且沒有浪費時間。

VSM 分析旨在說明在制造工藝流程的所有要素之間均衡進行性能改進的必要性。圖 5 顯示了在改進系統中某個要素的性能而不改進其他要素時所取得的效果。就像眾人劃船一樣，只有一位劃船者表現優異反而會傷害到船的整體性能。

在改進工藝的各個部分時，必須同時考慮它們與以下各項的關系：生產數量和種類、工件材料特性、零件幾何形狀、機床和夾具要求以及其他因素，從而實現并保持整體平衡的生產操作。

綜合刀具損耗分析

基本上，綜合刀具損耗分析 (GTDA) 是一個相對簡單的流程。它從整個車間中隨機選取大量刀具并逐個檢查它們的切削刃，以確定哪些切削刃發生了磨損。磨損按其類型和數量進行分類。傳統的刀具磨損分析專注于一項加工操作中的一種刀具；而 GTDA 從整個車間中收集有關刀具磨損與其他刀具相關問題的信息，然后應用 COGS、SMED、VSM、OEE 和其他分析工具來編譯額外的數據，從而指導有關改進方案的規劃和實施。

要獲得成功，車間必須制定相關紀律才能開始實施 GTDA 方案，并且同樣重要的是，還必須繼續定期進行刀具檢查和數據分析。另一種紀律 - 誠實也是必需的。車間必須誠實、客觀地接受分析結果，并愿意根據所發現的情況采取行動，而不是牽制于車間傳統和政治或有關刀具應用參數的反對意見。

結論

刀具磨損是不可避免的，有效管理磨損是成功進行加工操作的關鍵。然而，刀具磨損僅僅是切削刀具對工廠整體制造工藝流程的效率產生影響的一個示例。GTDA 不再局限于單一刀具磨損分析，它包括了車間中的所有刀具以及切削工藝之外的一系列與刀具相關的重要影響。