（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

航空緊固件在尺寸精度、產(chǎn)品性能等方面的要求通常高于普通緊固件，其制造工藝更加復雜、生產(chǎn)管理也相對更加困難。車間的生產(chǎn)效率是最受管理者關注的，目前航空緊固件制造企業(yè)的生產(chǎn)方式普遍采用的是流水線生產(chǎn)，由于產(chǎn)品工藝復雜、構(gòu)成流水線的工序較多，而各工序運轉(zhuǎn)的效率存在差異，這就給平衡整條生產(chǎn)線以使其達到節(jié)拍一致的運轉(zhuǎn)造成了困難。管理者會發(fā)現(xiàn)總是存在一部分工序任務積壓，而同時另一些工序卻在停工待料的現(xiàn)象。因此必須采取措施進行改善，使流水線在新的水平上達到平衡。

國內(nèi)外已有不少學者對流水線的平衡性做過研究，但由于不同車間的加工產(chǎn)品種類、制造工藝、硬件設施、管理方式等方面存在較大差異，生產(chǎn)流水線的運轉(zhuǎn)模式也不盡相同，因而需要視不同的具體情況，結(jié)合平衡性的概念進行分析。為了確保質(zhì)量的可追溯性，航空緊固件通常以爐批為單位在流水線上流轉(zhuǎn)，因而在量化分析和評價其流水線的平衡性時，就要結(jié)合這一特點進行研究并尋求改善的方法。

流水線

緊固件制造通常采用流水線生產(chǎn)的作業(yè)方式，這種生產(chǎn)方式最早出現(xiàn)在20世紀初的汽車制造業(yè)中——美國福特汽車公司創(chuàng)立了世界上第一條汽車流水裝配線。目前流水線生產(chǎn)的方式在工業(yè)界被廣泛應用。

流水線生產(chǎn)是一種高效的生產(chǎn)組織形式，它將生產(chǎn)作業(yè)高度細分化、專業(yè)化地分配給若干生產(chǎn)單元，并按照產(chǎn)品的工藝順序排列這些單元，使產(chǎn)品按照一定速度，連續(xù)地、有節(jié)奏地經(jīng)過各單元，進行依次地生產(chǎn)加工，直至成品。

采用流水線方式的生產(chǎn)，具有以下優(yōu)勢：

（1）由于分工細化降低了單個工序的作業(yè)難度，易于提高作業(yè)的熟練度[1]，方便引入專業(yè)化設備，從而提高生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品制造周期；

（2）分工的細化也使得單個工序的專業(yè)化程度高，有利于工序操作者在特定專業(yè)上提高水平，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量；

（3）大批量的流水線生產(chǎn)，便于資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)安排，資源利用率高，可顯著降低單件產(chǎn)品的制造成本。

同時，流水線生產(chǎn)也有其弊端，主要體現(xiàn)在：

（1）均衡性（平衡性）難以保證。各工序由于分工不同，其作業(yè)時間也有差別，故而必定存在工序負荷的不均衡，導致出現(xiàn)高負荷工序產(chǎn)品堆積滯留的同時低負荷工序卻在停工待料[2]。據(jù)統(tǒng)計，在一個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期中，等待時間所占的比例達到90%～95%[3]。

（2）柔性不足。由于高度專業(yè)化的分工，流水線只適合少品種、大批量的生產(chǎn)，當需要變動產(chǎn)品種類時，通常面臨設備的調(diào)整或更換以及人員的培訓或變動等，耗時費力，無法適應多品種、少批量的需求。

（3）操作者能動性差。處于流水線之中的操作者，通常日復一日做著重復性的工作，不僅勞動強度高，更扼殺了其主觀能動性，使其無暇進行學習或創(chuàng)造性的思考。

本文主要研究航空緊固件生產(chǎn)流水線的平衡性，分析如何用量化的方法對其進行評價，進而探討如何采取措施對其進行改善。

緊固件生產(chǎn)流水線平衡量化分析

1 流水線平衡性

流水線的平衡性也叫節(jié)奏性，是指生產(chǎn)過程的各個階段和各道工序都要按照規(guī)定的節(jié)奏，在相同的時間間隔內(nèi)生產(chǎn)和交付等量的成品，使各工序負荷保持相對的一致和穩(wěn)定，避免發(fā)生時松時緊的現(xiàn)象，以均衡狀態(tài)完成生產(chǎn)任務[4]。流水線的平衡性直接影響車間的生產(chǎn)效率，并最終影響到企業(yè)的利潤[5]。

2 緊固件流水生產(chǎn)線平衡性及相關效率的計算方法

要改進緊固件生產(chǎn)流水線的平衡性，首先必須對流水線當前的平衡性狀態(tài)有所了解?！捌胶庑浴笔且粋€全面量化的評價指標，因此需要從流水線的生產(chǎn)作業(yè)中收集詳細的數(shù)據(jù)，并按照“平衡性”的定義進行計算。

緊固件生產(chǎn)流水線有其獨特的特點：

（1）加工若干種類型的產(chǎn)品。

（2）每類產(chǎn)品由于工藝不同，故加工工序不同、工序總數(shù)量不同。

（3）產(chǎn)品按爐批生產(chǎn)，每批產(chǎn)品的數(shù)量根據(jù)工藝要求、設備情況或客戶需求而不同。

（4）各工序的加工方式不同。對于緊固件生產(chǎn)來講，大多數(shù)工序采用逐件加工的方式，但熱、表處理較為特殊，屬于整批產(chǎn)品同時作業(yè)——這種工序的加工時長通常是重要的工藝參數(shù)，一般直接由工藝文件規(guī)定，不具備本文所要進一步討論的改進余地，因此本文僅考慮采用逐件加工方式的各工序組成的流水線，事實上這些工序在緊固件生產(chǎn)中通常也是占據(jù)加工時長的主要部分。

（5）各工序的加工時間不同。

基于以上特點，要計算緊固件生產(chǎn)流水線的效率，必須在一段時間內(nèi)統(tǒng)計加工產(chǎn)品的種類數(shù)、每類產(chǎn)品的總產(chǎn)量、每類產(chǎn)品的工序數(shù)，以及每件產(chǎn)品在特定工序的加工時間，只有在掌握以上數(shù)據(jù)的基礎上，才有可能通過進一步的整理和計算獲得流水線效率的真實數(shù)據(jù)。由此也可以看出基礎數(shù)據(jù)的收集對于緊固件生產(chǎn)的科學化管理，是一個非常重要的基礎性環(huán)節(jié)。

通常在一個緊固件生產(chǎn)流水線車間，可以獲得如表1所示的信息。

表1 緊固件生產(chǎn)流水線數(shù)據(jù)采集表

·在一段時間內(nèi)，該車間共生產(chǎn)k種產(chǎn)品；

·每種產(chǎn)品生產(chǎn)的件數(shù)為n(i)：當明確某種產(chǎn)品后，這種產(chǎn)品的產(chǎn)量是可知的（通常在投產(chǎn)時既已確定每種產(chǎn)品的產(chǎn)量），因此每種產(chǎn)品的產(chǎn)量n可以表示為產(chǎn)品種類i的函數(shù)，即n(i)；

·每件產(chǎn)品需要經(jīng)歷m(i)道工序：當確定某種產(chǎn)品后，該產(chǎn)品的總工序數(shù)也是可知的，這取決于該種產(chǎn)品的工藝方案，一般通過查詢工藝文件即可獲得，因此每種產(chǎn)品的總工序數(shù)m也可以表示為產(chǎn)品種類i的函數(shù)，即m(i)；

·第i種產(chǎn)品在第j道工序的單件加工時間為ti,j：通常加工工序都有調(diào)試機床、更換工裝、試加工等操作，這些操作的時間也應計入加工時間ti,j，因此ti,j應是一類產(chǎn)品的“單件綜合加工時間”，在一個工藝成熟的緊固件生產(chǎn)車間，ti,j可以通過以下方法獲得：

首先記錄某類產(chǎn)品i的全部數(shù)量產(chǎn)品在第j道工序完成加工的總時間Ti,j（其中包括調(diào)試機床、更換工裝、試加工等操作的時間），然后通過以下公式計算ti,j：

表1中右側(cè)部分的數(shù)據(jù)為：

這些數(shù)據(jù)在實際中可能并不像表1中一樣排列形成完整的矩陣，其每一行的長度一般并不相等，這是由于每種產(chǎn)品的加工工序數(shù)量m(i)是不同的，這時只需按實際情況填寫即可，沒有的工序處用“/”代替或不填寫均可。

通過以上數(shù)據(jù)即可計算出整個車間的生產(chǎn)線平衡率η、某道工序的工作效率ηj，以及某種產(chǎn)品的加工效率ηi，便于從不同角度考察車間流水線的運行情況，具體計算方法為：

（1）整個車間的生產(chǎn)線平衡率η。

車間在這段時間內(nèi)，生產(chǎn)所有產(chǎn)品所用的純加工時間總和可表示為：

設第i種產(chǎn)品在所有的m(i)道工序中加工耗時最長的時間為tci，則有：

實際上，在車間的各種產(chǎn)品的工藝方案既定的前提下，tci是一個只與產(chǎn)品種類i有關的量，它反映了各種產(chǎn)品按照現(xiàn)有工藝的“最難加工工序”。

由于整條生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)節(jié)拍必須按照瓶頸工序（加工耗時最長的那道工序）的加工時間進行，所以可以得到全部產(chǎn)品經(jīng)過全部工序的總共用時Tc（這其中包含了很多產(chǎn)品等待加工的時間）：

進而得到整個車間的生產(chǎn)線平衡率η：

（2）某道工序的工作效率ηj。

可以從某道工序的角度出發(fā)，去考察這道工序加工所有產(chǎn)品的工作效率，方法如下：

首先計算該道工序（第j道工序）制造所有產(chǎn)品的純加工時間總和Tj：

而所有產(chǎn)品經(jīng)過該道工序（第j道工序）的總用時Tcj為（這其中包含了很多產(chǎn)品等待加工的時間）：

對于不同工序來講，由于它們加工某一種特定產(chǎn)品時的tcj是相同的，故它們的Tcj實際上也是相同的。

進而可以獲得第j道工序加工所有產(chǎn)品的工作效率ηj：

特殊地，可以得到第j道工序加工第i種產(chǎn)品的效率ηji：

（3）某種產(chǎn)品的加工效率ηi。

還可以從某種產(chǎn)品的角度出發(fā)，去檢測這種產(chǎn)品在車間流水線的加工效率，方法如下：

首先計算該種產(chǎn)品（第i種產(chǎn)品）的實際被加工時間Ti：

再計算該種產(chǎn)品（第i種產(chǎn)品）經(jīng)過所有工序的總用時Tci（這其中包含了很多產(chǎn)品等待加工的時間）：

從而得到這種產(chǎn)品在車間流水線的加工效率ηi：

特殊地，可以得到第i種產(chǎn)品在第j道工序的加工效率ηij：

可以發(fā)現(xiàn)，ηij與前面計算的ηji表達式是一樣的，這是因為兩種表達方式的含義實際上是相同的，即“第j道工序加工第i種產(chǎn)品的效率”等價于“第i種產(chǎn)品在第j道工序的加工效率”，即 ηij=ηji。

值得說明的是，以上計算過程看似復雜，實則借助計算機可以輕松獲得結(jié)果，真正關鍵的環(huán)節(jié)在于表1中數(shù)據(jù)的采集過程，這依賴于管理者制定詳細、周密、可執(zhí)行的數(shù)據(jù)收集計劃，以及流水線各工序操作者完善的操作日志，當然這一過程也可由具備加工參數(shù)存儲功能的自動化設備輕松實現(xiàn)，管理者只需定期從設備中調(diào)取需要的數(shù)據(jù)即可。

平衡性的改進

1 分析方法

流水線平衡（Streamline Balancing）就是對生產(chǎn)線的全部工序進行平均化，調(diào)整作業(yè)負荷，以使作業(yè)時間盡可能相近的技術手段與方法，是生產(chǎn)流程設計及作業(yè)標準化中最重要的方法體系[6-7]。其目的是使流水線運轉(zhuǎn)順暢，減少等待或滯留的時間，從而提高生產(chǎn)效率[8]。

目前對流水線平衡問題的研究主要有3類方法：最優(yōu)化方法、啟發(fā)式方法及工業(yè)工程方法。

（1）最優(yōu)化方法通過建立數(shù)學模型尋找最優(yōu)解，結(jié)果準確，但建模過程復雜，且只適合作業(yè)流程較簡單的流水線平衡問題。

（2）啟發(fā)式方法的建模過程簡單，思路貼近實際，但前提是必須依賴管理者的經(jīng)驗建立準則，求得的解是靜態(tài)的，不適合環(huán)境或約束條件多變的情況。

（3） 工 業(yè) 工 程（Industrial Engineering）方法是一種綜合的分析和管理方法，主要運用程序分析、操作分析、動作分析和作業(yè)測定等技術對作業(yè)工序進行深入分析，通過對生產(chǎn)過程的作業(yè)程序、作業(yè)方法、物料配置、空間布局及作業(yè)環(huán)境等各方面進行改善，使流水線平衡，進而達到提高生產(chǎn)能力的目的。這種方法對管理者的水平要求較高。

航空緊固件生產(chǎn)流水線由于工藝復雜、工序數(shù)量多、約束條件多，且近年來新型號產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，推動工藝及設備的更新和改進，導致流水線的各項參數(shù)處于不斷變化的狀態(tài)，因此其流水線平衡性的改進不適于使用最優(yōu)化方法和啟發(fā)式方法，而更適合用工業(yè)工程的方法。

2 航空緊固件生產(chǎn)流水線平衡性的改進

平衡性改進問題一般可以概括為兩類：

第I類平衡問題：給定流水線的節(jié)拍，求流水線上的最少工作站數(shù)。通常出現(xiàn)在流水線的設計和安裝階段。

第II類平衡問題：給定流水線的工作站數(shù)，求最小化流水線節(jié)拍。這種情況是在既定的流水生產(chǎn)線上（設備和人員基本固定），優(yōu)化節(jié)拍使流水線均衡。

通過對該領域內(nèi)以往取得的成果進行研究發(fā)現(xiàn)，無論哪類問題的求解，其思路都是通過合并及再分配部分工序，使瓶頸工序的加工耗時不再明顯多于流水線上的其他工序，從而減少工序間的負荷差異，使各工序負荷更加均勻，達到流水線順暢運行的目的[9-10]。但這種方法僅適用于一些裝配生產(chǎn)線或工序間作業(yè)差別小、操作者能相互替代的情況。緊固件生產(chǎn)流程中的各工序?qū)I(yè)化程度非常高，特定的加工作業(yè)必須且僅能由專門的設備完成，設備間沒有替代性可言，故這種“重新分配”的方法對于緊固件生產(chǎn)流水線是不適用的。

盡管如此，可以看到無論采用何種方法，在試圖均衡流水線負荷而進行的各種嘗試中，都是以瓶頸工序的作業(yè)時間tci為著眼點的，也就是說，要想使流水線的平衡性提高，關鍵是縮短瓶頸工序的加工時間tci，這可以從公式（5）、（8）和（12）看出，tci的值直接影響了整個流水線的節(jié)拍，其效果類似于“木桶原理”中的短板效應，它導致流水線上的其余工序不得不放慢流轉(zhuǎn)節(jié)奏等待瓶頸工序的節(jié)拍。

因此，可采用工業(yè)工程的方法，深入分析瓶頸工序的“人、機、料、法、環(huán)、測”等各項因素，找出影響該工序加工時間的主要原因，并加以改進，從而縮短tci值，使工序間的負荷趨于均衡。

3 實例分析

以某航空緊固件生產(chǎn)車間的實例進行說明。該車間共生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，分別為：A型號高鎖螺栓Ф5（第1種產(chǎn)品）；D型號干涉型高鎖螺栓Ф6（第2種產(chǎn)品）。

通過在生產(chǎn)現(xiàn)場的收集和整理可以得到如表2所示的一系列數(shù)據(jù)。通過以上所述方法進行計算，可以得到整個車間的生產(chǎn)線平衡率η、某道工序j加工所有產(chǎn)品的工作效率ηj，以及某種產(chǎn)品i在車間流水線的加工效率ηi等各項評價指標的具體數(shù)值。計算結(jié)果見表3中工藝改進前部分。

表2 某航空緊固件生產(chǎn)車間的流水線數(shù)據(jù)

可以看到，精磨工序在第一種產(chǎn)品和第二種產(chǎn)品的流水線中都是加工時間最長的工序（分別為24.7s和32.8s），因此可以確定是瓶頸工序，由于它的存在致使整個流水線的效率偏低，形成了流水線的“短板”。這其中又以第二種產(chǎn)品的精磨工序用時更長，短板效應更加明顯，因此應該以第二種產(chǎn)品的精磨工序作為改進的重點對象進行研究。下面采用工業(yè)工程中常用的“5W1H”方法進行提問，以期發(fā)現(xiàn)問題所在，詳細過程見表4。

經(jīng)過表4所示的分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了改進的方向，接下來運用工業(yè)工程中的“E.C.R.S.”四大原則（Eliminate,Combine, Rearrange, Simple 即消除、合并、重排、簡化）進行改善，這里主要使用合并和重排，即將發(fā)現(xiàn)的工藝尺寸加工過程分成兩步，產(chǎn)品首先在精磨的緊前工序車削毛坯中去除絕大部分余量，再在精磨工序進行精加工，這樣做使精磨工序的切削量顯著減少，緩解了刀具的磨損，從而降低了修整刀具的頻率，節(jié)約了加工時間。調(diào)整工藝方案后的流水線各項參數(shù)及指標計算結(jié)果見表3中工藝改進后部分。

可以看到調(diào)整工藝方案后，雖然車削毛坯工序的加工時間有所增加（由原來的 9.3s增加到 12.1s），但是瓶頸工序精磨的加工時間卻得到了有效的減少（由原來的32.8s降低到24.9s）；計算得到的流水線各項指標也均有明顯提高：如產(chǎn)品2的加工效率由30.58%提高到38.23%，整個車間的生產(chǎn)線平衡率由32.60%提高到37.60%；熱鐓鍛工序的效率由19.96%提高到23.77%，車削毛坯的效率由29.84%提高到42.30%，滾絲工序的效率由32.48%提高到38.68%等。改進后的精磨工序雖然仍是瓶頸工序，但其加工時間tci卻得到了有效的降低，進而使整個流水線的節(jié)拍加快，提高了平衡性和生產(chǎn)效率。此外還可以看到，雖然僅對一種產(chǎn)品的一道瓶頸工序進行了優(yōu)化，卻使得整個車間的各項效率指標都得到了提升，可見瓶頸工序?qū)α魉a(chǎn)線的平衡性起到了重要的影響作用。

表3 改進工藝方案前后生產(chǎn)流水線各項指標計算結(jié)果對比

表4 尋找精磨工序影響加工時間的因素（加工D型號干涉型高鎖螺栓Ф6）

結(jié)論

本文采用量化評價和分析的方式，探討如何評測航空緊固件生產(chǎn)流水線的平衡性，推導出這類車間的流水線平衡性指標的計算方法，論證并指出了一種改善其平衡性的方案，揭示出瓶頸工序?qū)α魉€平衡性的重要影響。最后以某公司航空緊固件生產(chǎn)車間為例，對上述方法和理論進行了應用和驗證。本文研究成果對科學指導航空緊固件生產(chǎn)、精確管理制造流水線，提高其生產(chǎn)效率有重要的意義。

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