作为数控加工设备，CNC在机加生产中应用较广泛。预先编程、自动换刀，无论从产品加工精度，加工效率，还是质量稳定性等方面，CNC都比传统加工设备要占有优势。传统的机械加工，用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等辅助时间已超过工件加工总工时的70%。CNC 的应用大大降低了产品的辅助加工时间，“非切削”时间在CNC的CT时间内所占的比例越来越小了。“切削时间”越来越精确，因此，CNC的加工工时和工时费用可以精确预估，便于编制生产计划，有利于均衡生产和取得更高的预计产量，同时有利于生产的科学管理。

CNC等数控加工设备采用工序集中，减少了工件多次装夹对加工精度造成的影响。产品的加工精度全部由CNC保证，无需人工干预，既降低了人员劳动强度，同时又消除了人为误差对产品加工的影响，尤其适合于对操作技能要求不高的批量生产过程中，更显示其自动加工的优势。

1.CNC精益生产加工中存在的问题

某产品在机加CNC的加工过程中，加工CT时间较长，严重制约着CNC的产能，无法满足客户对产能的要求。只好通过增加CNC设备的数量，以缓解产能需求给工厂生产带来的压力。但是CNC设备的增加，使企业面临资金投入的巨大压力，也会带来人力资源上的种种困难，同时也影响到产品的生产成本等方面。

CNC无论从加工精度、质量稳定性、对操作员的要求等方面都优于传统的加工方式。但是产品的产能提升、成本管控、生产科学化管理、人性化要求等方面对目前CNC的传统人工作业方式、生产管理、工艺要求、作业环境等都提出了更高的要求。解决好CNC加工过程中存在的一系列问题，不仅有利于提高生产效率、提升产能，同时也有益于CNC生产加工的精益生产管理，提升企业整体水平及形象。

因此，通过改善目前的CNC生产加工状况，提高CNC的生产效率。最终以较少的设备和人员投入，取得较大的回报，这是每一个生产企业都在不断思考的刻不容缓的问题，也是CNC数控加工过程精益生产研究的一项课题。

2.CNC产能提升的影响因素及分析

通过对CNC生产加工过程进行深入细致的工作研究，分析CNC产能有以下一些影响因素：产品的加工工艺性、CNC程序及工艺参数、CNC的加工工艺方式、生产现场管理、车间布局及物流系统的规划设计、CNC的异常率、刀具损耗、生产作业环境的影响等方面。具体的CNC产能的影响因素及分析内容如下：

(1)产品的加工工艺性产品的加工成本与其结构的工艺性有直接关系，产品的加工工艺决定其加工成本，同时也限制了加工效率和产能。因此，从产品设计的角度出发，尽可能降低其加工工艺难度，从而可以降低加工成本，缩短CNC的加工CT时间，提高加工质量及加工效率，最终提升CNC的产能。

(2)刀具的影响刀具对产品CNC加工的影响，不仅是体现在精度、质量等方面，更重要的是反映在加工效率、产能及加工成本等方面。刀具在CNC的加工过程中出现磨损的频次、程度，直接会影响到产品质量，以及CNC主轴的利用率，进而影响到产能的提升。为了避免破损的刀具对产品质量造成影响，CNC系统对刀具的寿命管理控制是以计算刀具加工次数，或用加工时间确定的。因此，当刀具寿命达到系统预期规定的加工次数或时间时，CNC便自动停止动作。如果人工监控不到位，无法提前更换刀具或重新设定刀具寿命时，CNC的加工产能便受到了影响。因此，刀具寿命是影响主轴利用率的一项关键因素。尤其是当某产品的 CNC加工工序多，加工量大，加工尺寸精度要求较高时，所需刀具种类就会较多。这时CNC刀库自动更换刀具，以及对刀动作较频繁，而且刀具磨损量较大，从而使人工换刀、调机较频繁。因此，刀具磨损是影响CNC的正常生产节拍、产能的一个重要指标。通过技术改进，提高刀具的寿命，不仅可以节约刀具的成本，更为重要的是可减少CNC主轴的停歇时间，从而提高CNC的利用率，提升产能，有效降低加工成本。

(3)优化CNC程序及工艺参数在产品加工工艺确定过程中，应充分考虑CNC等数控机床的所有功能，以此做到缩短加工路线，减少走刀次数和换刀次数等，从而提升产能。通过选择合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，优化CNC的各项加工工艺参数，确保主轴高速加工，以减少零件加工的CT时间，最终提高产品的加工效率。

(4)优化CNC的加工工艺方式以提高产能主轴在刀库自动换刀所需时间较长，约3s。产品在某工序加工中，所需刀具种类较多时，换刀频率较高，而且刀检次数也较多，最终导致CNC自身的“非切削时间”在整个加工CT时间中占的比重较大，由此影响了CNC产能的最大发挥。传统的CNC加工工艺的制定存在较大的产能改善空间，因此，在编制CNC加工工艺时，不仅应重点考虑加工的可行性，还应重点关注加工工艺的制定对加工效率的影响。通过合理排配加工工艺顺序，减少换刀次数，可有效缩短CNC的加工CT时间，提升产能。

(5)生产现场管理虽然CNC在按既定的程序加工过程中，不需要人工直接干预，不需要人工多次装夹产品，即可获得所需加工精度、尺寸、一定切削量的产品，但是由于人员素质，人工作业方式，以及生产现场管理等诸多因素会影响到产品的加工质量及产能。因此，制定并严格实施生产作业SOP，以规范人工作业动作，减少消极怠工现象以及不必要的动作时间浪费的发生。设立激励制度，提高操作员的工作积极性，以提升产能及产品加工质量。

(6)物流及时性生产过程中待加工产品无法及时到位，导致CNC主轴停歇，从而影响产能。影响待加工产品加工及时性的因素有很多，其中，物流人员的JIT 意识不足，CNC操作人员消极怠工，以及车间布局及物流系统不科学、不合理，各工序间产能不匹配，上工段来料不及时等问题，都会影响到CNC的产能发挥。在车间生产布局规划时，产品的完工区及待加工区应尽量靠近CNC，以减少操作员取放产品时动作时间的浪费。考虑到刀具磨损频繁，各台CNC应备有一定量的刀具备品，以减少人工去刀库协调刀具，造成设备等待的浪费。因此，通过优化车间生产布局及物流方式，提高待加工产品的物流及时性，同时，强化人员管理，提高人员JIT意识，从而提升产能。

(7)CNC的加工异常CNC在加工过程中难免会出现各种异常，如刀具断刀、产品加工异常、设备异常和夹具异常等。当这些异常的频繁出现，需要人工换刀、调机，从而导致主轴停歇，产能下降。因此，在保证刀具寿命正常的基础上，经常点检设备及夹具状况，减少CNC本身潜在的异常，以及确保工装夹具上的气缸、电磁阀、电动机等电气元件在油液环境下的使用寿命，以减少CNC主轴的生产中断情况的发生，提高主轴利用率。

3.CNC加工方式的改善对产能的影响

传统的单件生产加工方式，使得CNC加工效率和资金利用率较低，在生产过程中必须进行频繁的调整，为此而花费大量的时间。工件在各工序之间往返穿梭，不仅周期长，而且增加等待时间，导致产能较低，生产成本高，而且影响生产现场管理。为了提高CNC的加工经济效益，利用先进高效的生产加工方式，以及采用与此相适应的生产组织方式和管理方法是非常必要的。

利用成组加工技术，通过对相似零件(结构、工艺)，设计成组加工工艺，成组生产平面布局，控制和均衡成组机床负荷，成组加工时间优化及排序等过程，完成从成组设计、制造到管理等一系列的生产和管理过程。最终用扩大了的成组批量生产方式来提高生产效率。

成组加工方式在客户的一产品系列中得到了较好的应用。将外形尺寸相近，工艺完全相同的三件产品进行组合工艺设计、加工，利用一套工装夹具，在一次装夹定位后，完成三件产品的加工过程。同时，采用人工一次装夹多套成组产品的批量加工方式(双工位，多工位加工)，以减少CNC刀库频繁自动换刀所需要的时间，从而缩短CNC加工CT时间，提升主轴利用率，大大提升了CNC的加工效率。减少了CNC开关门的次数，减少人机配比，降低了生产对操作人员的需求压力，减少刀库换刀的次数，以及减少由于油雾逸出CNC对车间生产环境的影响。最终通过成组多工位加工方式，生产效率提升了30%~45%，而且使CNC设备数量可节省8%~10%，人力可节省45%。

4.自动化在CNC产品生产加工中的应用

工厂的生产自动化是当前工业发展的主流，它是提高工业生产力的最重要的途径之一，各工业先进国家都把它当作工业发展的重心。CNC等数控加工设备，目前仍以精密加工为主，重点在于提高生产适应性，以及提高生产附加值，降低加工成本和人力需求。但是，CNC的传统生产加工方式，仍然受到技术条件，科技水平等限制，无法独立彻底解决生产中存在的许多问题，比如，加工效率的最大化，加工质量的智能监控，柔性生产，无人化加工以减少人力需求的影响等。

因此在现阶段，CNC应结合自动化技术及设备的配套应用，以共同解决生产中的这些问题。在CNC的生产过程中加大自动化开发的投入成本，以减少对人力需求的依赖，降低人工劳动强度、提高生产效率。

以下介绍几种自动化设备，提高CNC生产效率的例子。

(1)双托板式CNC工件供料系统该系统在CNC上的应用，有效降低了CNC无附加价值的“非切削加工”时间，有效提高了CNC主轴的利用率。该供料系统利用双托板式双向供料方式，完成了已加工成品的出料，和待加工品进料的同步循环动作，可以有效地减少CNC在装卸工件时的无附加价值的“非切削加工”时间。双托板供料系统，当其中一只托板上的工件正在CNC内加工的同时，另外一只托板在CNC外，需要拆卸已加工完的产品，以及装夹待加工的产品。双托板供料系统，通过已加工的被取出，同时待加工的换入的循环往复过程，有效地减少工件交换时间及扩大加工作业的弹性，最终实现了CNC主轴利用率的最大化。

对于任何形态的工件交换系统而言，改善主轴利用率是其主要的目标。通过双托板式CNC工件供料系统，可有效提升主轴利用率达25%~35%，同时，根据产品加工CT时间，可以节省近50%的人力需求。

(2)精密分割夹持机构的应用利用精密分割夹持机构，配合CNC主轴进行精确转动，完成产品在各种角度下的加工要求，该机构的实现是以减少工序、辅助时间为主要目的的复合多轴加工方式，即产品在CNC上一次装夹后，通过机构旋转工件，配合CNC主轴，完成多工序的复合加工。最终可以实现产品的快速加工，以此大幅度节省了CNC刀库换刀及调机的时间。

该机构的转速为90°不到1s，CNC刀库自动换刀需要3s，因此在CNC程序优化的条件下，改变加工方式，增加该机构的转动频次，配合主轴加工，以减少刀具换刀次数，最终可缩短产品10%~20%的加工CT时间。

5.生产过程中的“车间生态平衡”

CNC在高速铣削加工过程中，刀具多采用纯油进行冷却、排屑。加工过程中产生大量的摩擦热，使切削液快速雾化成油雾。在CNC开关门的过程中，油雾容易飘散到车间空气中。车间排风设计不合理时，或排风异常时，导致空气中油雾较多，影响作业环境。CNC加工完毕后，产品表面的切削液和切屑应当吹除干净。当产品在各工序间进行物流传递时，产品表面残留的、未吹净的切削液，就会随着车间物流循环过程，而染污物流车、地面、工作台等与产品相接触的地方。因此，从空气到地面上的物品，都会因切削液而受到污染。

车间生产为了达成产能排配，而经常忽视生产环境的影响。因此，车间环境不断恶化，容易引发人体各种不良反应，导致员工工作积极性不高，离职倾向严重，产品质量受损，产能下降，加工成本居高不下。另一方面，为了维护企业形象，车间一味地要求整洁的生产环境，产能同样会受到一定程度的影响，无法有效保证，加工成本仍然很高。

因此，车间生产环境不仅对生产者的工作积极性，工作心态有重要的影响，而且直接影响到了产品的加工品质、生产成本，乃至产能。作业员、产能要求、作业环境，以及产品生产成本四者之间建立起了“车间生态系统”，对其相互关系进行细致的分析，有利于了解并把握“车间生态平衡”(见附图)。

车间生态平衡图

“车间生态系统”中作业员与产能、生产成本、作业环境等方面的影响是相互的。作业员自身素质以及工作方式影响生产环境，生产环境又会影响作业员的工作积极性;作业员对产品的生产成本有一定的影响，作业员自身素质及工作积极性越高，生产成本越低，产能也会越高;作业环境与产能的关系也是相互的，在一定程度上，产能越高，生产环境越恶劣，同时，环境恶劣又会通过作业员影响到产能的持续提升;产能及作业环境对生产成本的影响也是一致的，产能越高，生产成本越低;生产环境越好，生产成本也会显著降低。

因此，细致地了解、分析、协调好车间里作业员、产能、环境、生产成本四者之间的“车间生态平衡”矛盾，最终可实现企业生产的可持续发展。提高CNC的生产效率，实现其精益生产的前提条件就应该是，在“车间生态平衡”的条件下，在满足人文环境、生产环境的前提下，实现“以人为本”。最终将以良好的作业环境，提升生产效率和士气，稳定生产，降低生产成本。

6.CNC加工过程中的动作时间分析

IE的工作研究是一项行之有效的挖掘生产潜力的管理技术，是深入了解生产加工过程的较好的工作方法。目前工厂的生产管理仍多停留在经验管理的阶段，而通过工作研究，发现企业内部管理创新的潜力很大，CNC生产效率远没有达到其应有的水平。因此对CNC及其操作者进行时间动作分析研究，不仅有利于细致了解生产现状中存在的不合理、浪费的环节，并提出合理的时间动作要求，而且在车间管理、工艺要求、物流布局，以及自动化应用等方面，都相应提出了改善措施并加以推行，最终使CNC的生产加工过程不仅具有更高的生产效率，而且向着少人化、无人化方向不断前进。因此，对于CNC的精益生产过程来说，增加产能，不能单靠增加设备，增加人员，更不能单纯靠加班来实现，而应当靠科学的管理方法来挖掘潜力。

7.车间生产布局对CNC产能提升的影响

精益车间生产布局是工业工程学科的一个重要的研究领域，使企业的资源(人力、财力、物力等)得到最合理、最有效的排配(形成物流、价值流)，从根本上提高企业的生产效率，从而降低物流成本和生产成本，减少库存，最终使车间生产向多品种，小批量，柔性化生产方式转变。

车间生产布局设计的优劣对生产系统运行过程中的物流成本、物流效率，以及实际产能、生产效率等均有重大影响。据统计，在工厂的生产活动中，从原材料进厂到产品出厂，物料真正处于加工及检验的时间仅占生产周期的5%~10%，而90%~95%的时间都处于物流搬运或停滞状态中。

产品20%~50%的制造费用用于物流、储存等非加工过程，有效的布局能节约物流费用达30%以上，因此，车间布局的优劣不仅影响整个生产的顺畅，而且成为影响产品的生产效率、产能及生产成本的关键因素。

设计优良的生产布局及物流系统能加快物料的处理效率，减少在制品的停留时间，大大提高车间生产效率。相反，不合理的生产布局设计给后续的生产活动造成一系列的问题，增加了停机及浪费时间，从而降低了生产效率，CNC物流失衡，延长了在制品的额外停留时间，增加了物流成本，降低了多品种，小批量生产模式的柔性。因此，工厂(车间)布局设计是产品产能提高，生产成本降低的决定性因素之一。精益化、参数化的车间布局仿真设计，将会使车间的自动化系统具有更大的柔性。

8.结语

市场对产品种类日渐多样化的要求，使产品的寿命周期日益缩短，产品如何快速占领市场，不仅对市场开发人员提出要求，对工厂生产也提出了更高要求。CNC 在产品的生产加工过程中，如何做到高效、快速的精益生产，不仅是为了降低生产成本，更重要的是为了通过提升产能，快速占领市场，而产能的提升实际上反映出的是企业精益管理技术水平的高低。