第十三章 机械加工的生产率和经济性
劳动生产率是指一个工人在单位时间内生产的合格产品的数量，也可以用完成单件产品或单个工序所消耗的劳动时间来衡量。劳动生产率是衡量生产效率的一个综合性技术经济指标。
经济性一般是指生产成本的高低，所谓经济性好是指生产成本低。生产成本是制造一个零件或产品所必需的一切费用的总和，它不仅包括活劳动（即劳动者在生产中付出的体力和脑力劳动）消耗，而且包括物化劳动（如厂房、设备、工具、材料和动力等）消耗。
提高机械加工的生产率和经济性对于机械制造企业来说是至关重要的。以最小的劳动消耗换取最大的经济效益是一切企业的根本任务和终极目标，而提高劳动生产率和经济性是实现这一目标的两条根本途径。
从一定意义上讲，高产与低耗是一致的。因为生产率的提高意味着产品制造时间的缩短，也即意味着劳动力的节约。然而，高产与低耗又是有一定矛盾的。例如，对具体工序来说，使成本最低的切削用量一般与使生产率最高的切削用量不同；而生产率最高的加工方法又往往不是最经济的方法，如用数控机床或加工中心加工一般零件。因此，在机械工制造过程中，必须权衡得失，处理好两者之间的关系。
产品的质量（Quality）、成本（Cost）和交货期（Delivery）是衡量企业生产管理成败的三要素。质量（含品种）、成本、交货期（含数量）三者是相互联系、相互制约的。提高质量可能引起成本增加；增加数量可能降低成本；为了保证交货期而过分赶工，可能引起成本的增加和质量的降低。
提高生产率和经济性要以保证产品质量合格为前提。换言之，要在保证质量的前提下提高生产率，在提高生产率的同时又必须注意经济效益。
第一节 提高机械加工生产率的措施
影响机械加工生产率的因素很多，其中比较重要的因素有：产品设计质量、毛坯成形方法、机械加工工艺及生产管理方式与水平等。因此，提高劳动生产率可从上述几个方面着手。
一、提高机械加工生产率的设计措施
设计时，在保证产品零件使用性能的前提下，应使零件结构具有良好的加工工艺性，并选用加工工艺性良好的材料，以减少加工困难，提高劳动生产率，从而获得良好的经济效益。这是设计人员在设计产品时应当首先考虑的问题之一。
（一）改善零件的结构工艺性
零件结构工艺性是指具有某种结构的零件的加工难易程度。它是评价零件结构优劣的技术经济指标之一。所谓零件的结构工艺性好是指在保证产品使用性能的前提下，该零件能用生产率高、劳动量少、材料消耗少和生产成本低的加工方法制造出来。
对于机械产品来说，其结构工艺性的好坏主要取决于组成它的零件数量、零件的加工质量要求和制造方法等。一般说来，组成产品的零件种类和数量越少，产品结构工艺性越好；零件的表面几何形状越简单，其结构工艺性也越好；所有零件的平均制造精度要求越低，产品的结构工艺性也越好。
为了使机械产品具有良好的结构工艺性，在设计时常采用如下一些措施：
1．提高零、部件的“三化”程度（零件标准化、部件通用化、产品系列化），尽量利用已掌握的工艺和已标准化、系列化的零件及组件，尽量借用本厂已有生产的同类型零件，使设计出的结构具有良好的继承性。
2．采用表面几何形状简单的零件，并尽可能地将它们布置在同一平面或同一轴线上，以便于加工和测量。
3．合理确定零件的制造精度和产品的装配精度。在保证产品使用性能的前提下，应尽量降低制造精度和装配精度。
4．提高由非切削加工方法制造的零件和由费用较低的切削加工方法制造的零件的比例。显然，这两种零件在产品中所占的比例越大，产品的工艺性也就越好。
表13-1给出了零件结构便于加工一些的实例。
表13-1 零件结构便于加工的实例
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改进前
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改进后
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说 明
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1
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齿轮、螺纹、键槽加工都必须有退刀槽，否则引起刀具损坏。
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2
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盲孔和阶梯轴磨削时，若无退刀槽，不能磨出清角，影响配合及磨损砂轮。
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3
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钻孔时钻头的切入和切出口应为平面，否则钻头将因径向受力不均而易折断。
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4
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钻头无法达到加工位置，应使刀具轴心线到箱体侧面的距离为
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5
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键槽、销孔尽量布置在同一方向上，孔口凸台高度应为同一平面，加工时只需一次安装和一次对刀。
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（二）选择切削加工性能良好的工件材料
工件材料的切削加工性直接影响切削效率、功率消耗和零件的表面质量等。在设计产品时，应在保证产品使用性能的前提下，尽可能选择切削加工性能良好的工件材料和采取能改善材料切削加工性能的热处理措施，以提高生产率和降低削加工费用。
材料的切削性主要取决于材料的物理、机械性能。一般说来，强度与硬度高、塑性与韧性好、导热性差的材料，其切削加工性能就较差，反之则较好。
在实际生产中，常常采用热处理方法来改变材料的金相组织和机械性能，以改善工件材料的切削加工性。例如，对2Cr13不锈钢进行调质处理后，硬度可提高到28～30HRC，并降低塑性，使切削加工后零件表面粗糙度降低，表面质量提高。对高硬度的铸铁，一般采用高温球化退火，使片状石墨球化，以降低硬度，提高材料的可切削加工性能。
二、提高机械加工生产率的工艺措施
机械加工生产率在很大程度上取决于所采用的加工工艺和生产组织管理方式。采用各种行之有效的先进工艺方法和高效的自动化加工设备以及科学的生产组织管理方式都可以显著地提高机械加工的生产率。
（一） 缩短单件工时
⒈ 缩短基本时间的工艺措施
⑴ 提高切削用量 增大切削速度、切削深度和进给量都可以缩短基本时间，这是机械加工中广泛采用的提高生产率的有效方法。
图13-1 减小切削长度
近年来出现的聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等新型刀具材料，切削普通钢材的切削速度可达900m/min。在加工60HRC以上的淬火钢、高镍合金钢时，在980℃仍能保持其红硬性，切削速度可在900m/min以上。
高速滚齿机的切削速度可达65～75m/min。采用强力磨削，其速度可达60m/s。
提高切削用量的主要途径是采用优质的刀具材料、合理的刀具角度、合适的冷却润滑液和完善的加工设备等。
⑵ 减少切削行程长度 减少切削行程长度也可以缩短基本时间。例如图13-1中采用三把刀具同时加工同一表面。
(a) (b)
图13-2 合并工步
⑶ 合并工步 用几把刀具对同一工件的几个不同表面、一把复合刀具对同一表面同时进行加工，把原来单独的几个工步集中为一个复合工步。各工步的基本时间就可以全部或部分相重合，从而减少了工序的基本时间。图13-2（a）为在六角车床上常见的合并工步，两把不同刀具同时切削；图13-1（b）为几个砂轮同时磨削导轨面。
⑷ 采用多件加工 多件加工有三种方式：
顺序多件加工，即工件顺着行程方向一个接着一个地装夹，如图13-3（a）所示。这种方法减少了刀具切入和切出的时间，也减少了分摊到每一个工件上的辅助时间。
平行多件加工，即在一次行程中同时加工 n件平行的工件，如图13-2（b）所示。
平行顺序多件加工为上述两种方法的综合应用，如图13-2（c）所示。这种方法适合于工件较小、批量较大是情况。
(a) (b) (c)
图13-3 多件加工
⒉ 缩短辅助时间的工艺措施
辅助时间在单件工时内所占的比例较大，有时甚至超出基本时间数倍。当采取一些措施将基本时间缩短以后，辅助时间所占的比例就会变得更大。因此，通过缩短辅助时间来提高劳动生产率也很重要。可以采用以下措施来缩短辅助时间：
⑴ 采用先进夹具 如成批生产时采用气动或液动快速夹紧装置、多品种小批量生产时采用成组夹具等，这不仅可以保证加工质量，而且能大大地节省装卸和找正工件的时间。
⑵ 尽量将辅助时间与基本时间重合 采用可换夹具或可换工作台、转位夹具或转位工作台、回转夹具或回转工作台，可以实现在加工的同时装卸另一个或另一组工件，使工件的装卸时间与辅助时间重合。如图13-3所示。
(a) (b)
图13-3 辅助时间与基本时间重合的示例
⑶ 提高机床操作的机械化与自动化水平，实现集中控制、自动调速与变速以缩短开、停机床和改变切削用量的时间。
⑷
采用先进的检测设备，实施在线主动检测。
⒊ 缩短布置工作地时间的工艺措施
⑴ 采用快速换刀、自动换刀及机外对刀装置，可以节省刀具的装卸和对刀的辅助时间。
⑵ 采用机夹刀具和硬质合金刀具，以减少换刀和刃磨时间。
⑶ 利用压缩空气吹切屑。
⒋ 缩短准备与终结时间的工艺措施
把结构形状、技术条件和工艺过程相似的工件组织起来，采用成组工艺和成组夹具，可以明显缩短准备与终结时间。有条件时也可选用准备终结时间极短的先进加工设备，如数控机床、加工中心等。
（二）实施机床多台的看管
多台机床看管是一种先进的劳动组织措施。一个工人同时管理几台机床可以提高生产率是显而易见的，但应满足两个必要条件：一是若一人看管M台机床，则任意（M–1）台机床上的工人操作时间之和，应小于另一台机床的机动时间；二是每台机床都要有自动停车装置。
（三）采用先进的工艺方法
1． 毛坯准备
采用冷挤压、热挤压、粉末冶金、精密锻造、爆炸成形等新工艺，可以大大提高毛坯精度，减少机械加工工作量，节省原材料，可以明显地提高生产率。
2． 特种加工
对特硬、特韧、特脆等难加工材料或复杂型面，采用特种加工方法能极大地提高生产率。如用电解加工一般锻模，可以将加工时间从40～50小时减少到1～2小时。
3． 采用少无切削加工
如冷挤压齿轮、滚压丝杠等。
4． 改进加工方法
减少手工和低效率加工方法。如大批量生产中以拉削、滚压代替铣、铰、磨削，以精刨、精磨、金刚镗代替刮研等。
（四）采用自动化制造系统
广义地讲，自动化制造系统（Automatic Manufacturing System —AMS）是由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种设备和高素质的人组成的一个有机整体，它接受外部信息、能源、资金、配套件和原材料等，在人和计算机控制系统的共同作用下，实现一定程度的柔性自动化制造，最后输出产品、文档资料、废料和对环境的污染。采用自动化制造系统可以有效改善劳动条件，显著提高劳动生产率，大幅度提高产品的质量，有效缩短生产周期，并能显著降低制造成本。
⒈ 自动化制造系统的组成
一个典型的自动化制造系统主要由以下子系统组成：
⑴ 毛坯制备自动化子系统
包括锻压过程自动化、铸造过程自动化、焊接过程自动化、切割过程自动化。
⑵ 机械加工自动化子系统
包括加工自动化、零件检测自动化、换刀自动化、装卡自动化、上下料自动化。
⑶ 热处理自动化子系统
⑷ 储运自动化子系统
包括工件储运自动化、刀具储运自动化、其他物料储运自动化。
⑸ 装配自动化子系统
包括零部件供应自动化、装配自动化。
⑹ 辅助过程自动化子系统
包括排屑过程自动化、清洗过程自动化、冷却液系统自动化、油漆过程自动化、包装自动化。
⑺ 质量控制自动化子系统
零件检验自动化、产品检验自动化、刀具检验自动化。
⑻ 系统控制自动化子系统
故障诊断自动化、运行状态监控、环境及安全监控、生产技术与调度、系统外部接口。
人作为自动化制造系统的基本要素，可以与任何自动化子系统相结合。另外，良好的组织管理机构和机制对于设计及优化运行自动化制造系统是必不可少的。本节涉及的自动化制造自动化主要是机械加工子系统。
⒉ 自动化制造系统的分类
根据对加工零件改变的适应能力，可将自动化制造系统可以分为刚性自动化设备及系统、柔性自动化设备及系统。
所谓刚性自动化设备及系统是指只能进行某些特定零件的特定工序加工的自动化加工设备及系统。它包括刚性自动化单机、刚性自动线、刚性综合自动化系统。如在大批大量生产中广泛采用的自动机床、组合机床和专用自动线等。
所谓柔性自动化设备及系统是指能够适应产品的频繁变化、工艺范围较宽的自动化加工设备及系统。数控机床、
加工中心及以其为基础的自动化生产系统（如分布式数控系统、柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统等）即属此类。
⑴ 刚性自动化单机
它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上下料装置而形成的自动化机床，这种机床实现的是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要定做或改装，常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。主要特点是投资少、见效快，但通用性差，是大量生产最常见的加工设备。
⑵ 刚性自动线
刚性自动化生产线是用工件输送系统将各个自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。在刚性自动线上，被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。
刚性自动线具有很高的自动化程度，具有统一的控制系统和严格的生产节拍。与自动化单机相比，它的结构复杂，完成的加工工序多，所以生产率也很高，是少品种、大批量生产必不可少的加工设备。另外，它还具有可以有效缩短生产周期，取消半成品的中间库存，缩短物料流程，减少生产面积，改善劳动条件，便于管理等优点。它的最大缺点是投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。为了消除这些缺点，人们发展了组合机床自动线，可以大幅度缩短建线周期，更换产品后只需要更换机床的某些部件即可，大大缩短了系统的调整时间，降低了生产成本。并能收到较好的使用效果和经济效果。组合机床自动线多用于加工箱体类及杂件类等零件的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工，是当前数量最多、应用最广的自动线。
目前刚性自动化生产线正在向刚柔结合的发现发展。
⑶分布式数控系统
分布式数控系统是采用一台计算机控制若干台数控机床。这种系统强调的是系统的计划调度和控制功能，对物流和刀具流的自动化并不要求，主要由操作人员完成。这种系统的主要优点是系统结构简单，灵活性大、可靠性高、投资小。注重设备的优化利用，是一种简单的、人机结合的自动化制造系统。
柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统将在第十五章中介绍。
