冲压设备快速换模技术研究 口叶永伟 口王晓恩 口林海 口江叶峰 １．浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室 杭州 ３ １００１４ ２．浙江中信设备安装有限公司 杭州 ３１００１４ 摘要：针对冲压设备换模工艺时间长的问题，建立了换模时间与冲压工序在制品数量的关系模型，并在该模型的 基础上，提出了一种综合应用流程图、排列图和鱼骨图寻找和优化影响换模时间因素的快速换模改进方法，减少了冲压设 备的换模时间和冲压工序的在制品数量，并用实例验证了模型和方法的可行性。 关键词：快速换模冲压设备在制品鱼骨图 文章编号：１０００—４９９８（２０１０）０５—００７０—０４ 中图分类号：ＴＧ３８６．１ 文献标识码：Ａ 冲压设备由于其本身的高效性和实用性，在制造 业中有着不可替代的作用。但受冲压模具专用性和换 １ 换模时间与冲压工序在制品数量关系模型 多品种冲压的一般生产流程如图ｌ所示。 模时间的限制，传统的冲压设备在实际冲压时，一次换 模的冲压批量要非常大，以此来减少换模时间对生产 效率的影响。随着市场的多样化发展，企业开始面对订 单次数增加，批量却逐渐减少的情况，如果再按照先前 的大批量冲压生产模式，将会大大增加企业原材料库 存、在制品量和成品库存，造成企业严重的浪费，因此 企业必须寻求一种更高效的冲压生产方式以适应这种 多品种小批量的市场需求。此时，冲压设备快速换模技 术的导人就显得尤为重要。因为只有将换模时间不断 缩短，企业才有可能在保证设备生产效率不变的前提 下，进行更多的换模操作，以实现多品种生产。 快速换模技术（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｉｎｕｔｅ Ｅｘｃｈａｎｇｅ ｏｆ Ｄｉｅ， ＳＭＥＤ）又称单分钟换模，即控制换模时间在ｉ０ ａｉｒｎ以 内。随着企业对换模时间进一步的严格要求，在快速换 定义一个月的有效工作小时数为 ，冲床的加工 速度为每小时０个单位，Ｎ＝｛ Ｉ ｉ＝１，２，３，…，ｎ｝为 每种产品的月需求量集合，所以每月用于换模的总时 间 最多为： ＝ 一模的基础上，人们还提出了零时换模（Ｚｅｒｏ Ｃｈａｎｇｅｏｖｅｒ， 该理论由Ｋｅｎｉｃｈｉ ＳｅＫｉｎｅ和Ｋｅｉｓｕｋｅ Ａｒａｉ提出，其目标 是尽量压缩换模时间在３ ｒａｉｎ以内” ）的概念。 上０∑ｉ＝１ Ｍ （１） 目前，快速换模技术已经在国内很多企业中得到 应用，关于快速换模的研究也有很多，例如文献［２】和 最大生产周期次数（完成所有产品的一次生产为 一文献［３］都针对各自的冲压设备，从实际应用的角度进 行了快速换模的研究；文献【４］通过计算换模时间与生 产批量、单位产品工时，文献［５］通过计算换模时间与 在制品的关系，突出快速换模的重要性。在这些研究的 个周期）： 研： ｎｌ（ 一 １ ｎ训 基础上，本文针对多品种生产的冲压设备快速换模问 题，从理论和实践相结合的层面上对快速换模技术流 式中：Ｅ＝｛Ｅ Ｉ ｉ＝１，２，３，…，几）为不同产品每次的换 模时间集合。 一程进行了整体的分析，并在此基础上，建立了多品种生 产的冲压工序在制品与换模时间的关系模型，研究了 个周期内各种产品的冲压数量为ＮＪ ，占用 时间 为： ＝ 如何将换模流程图、排列图、鱼骨图三者结合起来，找出 影响冲压设备换模时间因素并加以优化和改进的技术。 ★浙江省科技厅资助项目（编号：２００８Ｃ２１１６０） 收稿日期：２００９年１１月 （３） 在制品数量变化周期如图２所示。 可以计算出每种产品的在制品数量 ： ２０１０／５ 机械制造４８卷 ５４９期 流程如图３所示。 从图３可以看出，在面对复杂的换模时间影响因素 时，本文主要是在快速换模内外部作业时间区分的理 论前提下，通过结合换模流程图、排列图和鱼骨图的技 术，来寻找到影响换模时间的真正因素，并确定这些影 响因素的主次性。 ２．１ 相｝列图画法 ＝ ｃ ＋专 ＝ ｃ ＋吉 ［ ＝ 】 排列图是为寻找主要问题或影响质量的主要原因 所使用的图，它是由两个纵坐标、一个横坐标、几个按 高低顺序依次排列的长方形和一条累计百分比折线所 式中：Ｓ＝｛Ｓ Ｉ ｉ＝１，２，３，…，ｎ｝为对应产品下一工序的 根据式（４），可以看出冲压设备在进行多品种小批 量生产的冲压作业时，其工序间的在制品数量与所有产 品的一次周期换模时间成正比，因此要减少在制品的数 组成的图。本文排列图应用侧重点是将换模时间具体 的数值通过图形进行更直观的反应。排列图如图４所 示。 图４中，左边纵轴代表各工序的换模时间，右边纵 轴表示占用的时间比例；横轴中前半部分（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、 Ｅ）为内部作业时间，后半部分（Ｆ、Ｇ、Ｈ）为外部作业时 间。其中分析线表示各工序换模时间在其内外部作业 时间中的累积比例。 量，必须从整体上减少所有冲压模具的更换时间，才能 使在制品数量保持在一个较低而且相对稳定的状态。 ２冲压设备的快速换模改进技术 在目前的快速换模技术研究中，人们往往容易忽 视对外部作业时间的优化研究，但从企业角度来考虑， 定义 ｛ｔ Ｉ ｉ＝１，２，３，…，ｎｌ为各工序的换模时 间集合，根据图３可知，ｔ。～ 为外部作业时间， ＋。～ “为内部作业时间。 则总的内部作业时间为： ｔ ＝提高负责外部作业员工的工作效率也是非常必要的。 因此本文从内外部作业两个方面，同时进行冲压设备 的快速换模研究。绘制冲压设备快速换模研究的技术 ∑ ｉ ｍ＋ｌ （５） 内部作业中，各工序占的时间比例Ｐ 为： （ （６） （绘镥《厂 换模流棍图）、 、Ｌ ， ／ 得到１、２、３… 个工序 ／ ● 不同工序累计占用时间比例为： Ｎ ｐ＝∑ （ｍ＜ ≤ ｍ＜ｎ≤巧≤ｎ） （７） ＋ ● Ｉ 外匍ｊ竹；业 ｌ ／ ／ 得到１、２、 ＼Ｉ 内韶；作业 ｌ ｍ＋２、…ｎ个工序 ／ 式中：ｎ、巧为范围内任意取得的两个工序。 同理，外部作业中，各工序占的时间比例为： ３、…ｍ个工序 ／／ ／／ 得到 １、 ／ Ｐ ＝ 垒 ▲－／／（ ≤ ≤ｍ） （８） 绘制内外部作 排列图 不同工序累计占用时间比例为： １．２Ｏ 绘制内外部作 鱼骨图 １．０ｏ ／ 得到影响换模时间的因素 ／ 流 优化和因素解决 厦 ０‘８０墓 ０．６０丑 厘 ０．４０留 Ｏ．２Ｏ ０．０ｏ 鲁 ／ 冲压设餐换模时ｆＩｊ减少 ／ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ （周期在制品数量减少）厂 、 ▲图３ 冲压设备快速换模技术流程 工序 ▲图４换模排列图 机械制造４８卷 第５４９期 ２０１０／５圄 Ｐ ：∑ （１≤ ≤ｍ，１≤ｒｉ ≤ｍ） ｉ＝ （９） １）针对企业冲压车间进行研究和分析，绘制改进 前的冲压换模流程如表１所示。 表１改进前换模流程 工序说明 时间／ｓ 作业类型 ２．２鱼骨图画法 鱼骨图（Ｃａｕｓｅ＆Ｅｆｆｅｃｔ／Ｆｉｓｈｂｏｎｅ Ｄｉａｇｒａｍ）是由日 本管理大师石川馨先生所创造，故又名石川图。鱼骨图 是一种发现问题“根本原因”的方法，它也可以称之为 “因果图”。鱼骨图中，最终问题为鱼头，中间横线箭头 Ａ．拆附件 Ｂ．拆紧固件 ｃ．拆凹凸模 ．６８ ２５６ ５８ 内 内 内 称为鱼脊，与鱼脊相连的为鱼骨，其余为鱼刺。鱼骨距离 鱼头越近或是鱼刺距离鱼脊越近表示其权重越大 ，并 且内部作业因素的权重总是比外部作业因素权重大。 在实际快速换模研究中，可以根据这个原则判断因素 的改进次序。鱼骨图如图５所示。 图５的上下鱼骨是按照换模时间定量确定的。本文 Ｄ．拆凹模顶杆 Ｅ．送回模具库 ｌ３１ ２８２ 内 内 Ｆ．准备新模具（找模具、磨模具等） Ｇ．新模具运到冲床、清洁 ６４５ １４９ 内 内 Ｈ．装凹模顶杆 Ｉ．模具定位 １７９ ２５２ 内 内 Ｊ．模具紧固 Ｋ．装附件 ４０４ １９５ 内 内 规定，针对内部作业时间，根据式（７），若满足： Ｐ：∑ ≤７０％ （Ｐ ＝ ｐｉ ７０％ ≤ （ ｍ＜ｒｉ ≤ｎ） ｉ ｍ＋１ （１（ １０）０ Ｌ．调整机床、试冲、自检 合计 注：改进前所有操作都在停机状态下操作 ３０３ ２ ９７０ 内 将前ｒ 个因素列为主要因素，放在距离鱼头最近 的位置（鱼脊上方），ｒ。个工序时间 越大，距离鱼骨越 近，权重越大。剩余的ｎ—ｍ—ｎ个工序排在鱼尾位 置。 ２）通过对图６的分析，可以发现工序Ｅ～Ｇ可以转 化为外部作业时间，同时换模作业时预先将新模具准 备好放到作业区，以节省模具搬运时问。 ３）在内外部作业时间区分好后，参照图４，绘制冲 同理，针对外部作业时间，根据式（９），若满足： Ｐ ＝∑Ｐ ７０％（１＜ ≤ｍ） ｉ １ （１ １） 压设备快速换模内外作业时间的排列图。如图７所示。 ４）分析图７，并结合计算式（１０）和（１１），得到Ｊ、Ｌ、 Ｂ、Ｉ和Ｆ分别为内、外部作业时间的主要影响原因，放 在接近鱼头位置。绘制冲压设备快速换模的鱼骨图，找 出各个主要原因的影响因素，如图８所示。 对应图８的影响因素，解决方案分别为： 则前ｒ『个工序排在靠近鱼头位置，剩余ｍ—ｒＪ个 工序排在鱼尾位置。 ３实例应用 Ｈ公司是一家大型的链条生产企业，由于链条的 ①Ｊ和Ｂ工序：使用快速压板进行紧固，同时每台 冲床配备工具槽，工具编号由相应操作工负责管理，方 单节生产需要用到大量的冲压设备（包括冲片、压弯、 打印）如图６所示。 同时企业生产的链条品种多样，特别是针对一些异 型链，往往都是其他企业定做的，而且一次性生产批量 不大。因此，在冲压设备方面，Ｈ公司必须具备较高的不 同产品加工切换能力。根据图３，具体实施步骤如下： ３Ｏ蚋部作业州问 ＼次要原 ｉ９ ７０９ｑ 部作、Ｉ 时间 ＼次要原凶５ ▲图６生产工艺流程 上耍 。ｊ Ｌ土； 要原因５次 因 竺 ： 上要 ． 土… 要原凶ｌ 菩 换模时蠢 ——零 丑 厘 莒 次要原 ／ｍ ／ 次要原 ／１０， ，一生要原 ９内部作业 ０竺 工序 ▲图７冲压设备换模排列图 回２０１０／￥ 机械制造４８卷 第５４９期 便工具取用； ②Ｌ工序：采用快速紧固打杆； ③Ｉ工序：模具底座加一块规则底板，根据底板快 速定位； １ ２００ １ ０００ ８００ ６００ ４００ ④Ｈ和Ｄ工序：设计一个弹簧顶盘，嵌入机床，代 替凹模顶杆； ⑤Ｆ工序：模具准备工作全部由模具管理员负责， 消除等待时间浪费，同时对模具库进行ＡＢＣ分类 ］， 专门设立新旧模具周转架。ＡＢＣ分类如表２所示； ２００ Ｏ ⑥Ｅ和Ｇ工序：设计专用的换模小车； ⑦Ｋ、Ａ和Ｃ工序：由于附件受模具限制，改动较 难，留到下一轮优化。 瞻 彩 雾 席 改进工序 ▲图９快速换模改进前后工序时间对比 通过以上的改 ３ｏ％内 作业时 模具底 ＼ ＼模 模 体积人模具定ｆ＼ ＼ ＼ 慢 — ／ 螺柃紧围慢 ＼筠 ｆ１ 糸【 【 具难 找 ＼— Ｌ— Ｌ拆凹凸模 ｃ 盘靠经验定俺＼ 、 ｛ｊ｝｝！ｇ［ ： ：ＩｆｇＸ－－－栓紧湖慢 具雕寻找 蚓拆紧周件费时Ｂ 善，企业冲压换模的 时间从开始的，４９．５ ｍｉｎ减少到最终的 １５．６ ｍｉｎ，总时间节 … ０ —— —模具紧…费时Ｊ （４）知道周期在制品 塑 些 冲压设备换模 数量也减少了 ———————］／ 咐蚓长 省了６８．４８％，由式 ６８．４８％。因为企业有 自己的相关设备（电 ——一一一一一．内部作 外部作、Ｉ 焊机、磨床、车床、镗 床等），因此整个方案 改善的投入成本相对 较少，综合起来考虑， 可以说起到了很好的 ３０％９ｂ离Ｂ作 Ｉｋ时间 ▲图８ 冲压设备快速换模鱼骨图 实施改进方案后，相关工序的时间变化如图９］Ｊｉｉ：￣。 最后，得到改进后的换模流程，如表３所示。 效果。但由于换模时间仍然需要１５．６ ｍｉｎ，还不能满足 随时切换的要求，因此，随着企业的不断发展，模具自动 进给系统、快速紧固系统、自动快速调整系统、故障检测 系统的进一步引进等都是必不可少的，不然现有的换模 ４结论 表２模具ＡＢＣ分类 模具数量比例 使用情况 存放方式 速度还不能满足日后企业的生产要求。 参考文献 【１】 Ｋｅｉｓｕｋｅ Ａｒａｉ，Ｋｅｎｉｃｈｉ Ｓｅｋｉｎｅ．Ｋａｉｚｅｎ ｆｏｒ Ｑｕｉｃｋ Ｃｈａｎｇｅｏｖｅｒ： Ｇｏｉｎｇ Ｂｅｙｏｎｄ ＳＭＥＤ［Ｍ］．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００６． ２Ｏ％ ７０％ １Ｏ％ 使用频率较高 使用频率低 不使用 表３优化后的换模流程 整副存放 拆散存放 转存 【２】解育男，王春梅，张冠武．压力机快速换模装置【Ｊ】．锻压机 械，２０００，３５（３）：１６—１７． 工序说明 时间／ｓ 作业类型 【３】李军．安全快速换模系统技术研究与应用【Ｊ】．装备维修技 术，２００７（１）：１—５． １．新模具运到冲床 ２．拆附件 ３．拆紧固件 ４．新旧模具交换 ６７ ６８ ｌｌＯ ５３ 外 内 内 内 ［４】 王卫刚，周炳海．快速换模技术的实践研究【Ｊ】．机床与液 压，２００７，３５（５）：４—６． ［５］ 路士利，鲁建厦，江敏芳．精益生产中快速换模技木研究 【Ｊ】．轻工机械，２００６，２４（４）：９１—９３． 【６】 李奎刚，张毕西，刘笑．层次分析法和鱼骨图在物流企业问 题诊断中的应用【Ｊ】．物流技术，２００７，２６（１１）：２１２—２１４． 【７】 马应欣，张作刚．基于ＡＨＰ和模糊方法的库存航材ＡＢＣ 分类模型【Ｊ】．物流技术，２００８，２７（２）：１３０—１３３．，４Ｘ （编辑 小 前） ２０１０／５５．换模小车移到边上 ６．模具定位 ｌＯ ２０ 内 内 ７．模具紧固 ８．装附件 ９．调整机床、试冲、自检 合计 １３０ ｌ９５ ２８３ ９３６ 内 内 内 机械制造４８卷 第５４９期 回