精益數(shù)控加工車間綠色制造與節(jié)能環(huán)保

■ 航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 （陜西 710089） 劉紅安

2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》（國(guó)發(fā)〔2015〕28號(hào)）的指示精神，對(duì)于傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)提出了前瞻性的指導(dǎo)，包含了積極構(gòu)建綠色制造體系。支持企業(yè)開發(fā)綠色產(chǎn)品，推行生態(tài)設(shè)計(jì)，顯著提升產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保低碳水平，引導(dǎo)綠色生產(chǎn)和綠色消費(fèi)。建設(shè)綠色工廠，實(shí)現(xiàn)廠房集約化、原料無害化、生產(chǎn)潔凈化、廢物資源化和能源低碳化。發(fā)展綠色園區(qū)，推進(jìn)工業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)耦合，實(shí)現(xiàn)近零排放。以此為指引，精益數(shù)控加工車間秉承“卓越質(zhì)量是精益生產(chǎn)的目標(biāo)”，因此按照精益理念構(gòu)建了流程型的加工廠，按照價(jià)值鏈對(duì)各業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了分層分類，其中生產(chǎn)保障業(yè)務(wù)延伸并涵蓋了所有數(shù)控設(shè)備的切削液使用。精益數(shù)控加工車間通過深入推進(jìn)精益管理，規(guī)范數(shù)控設(shè)備的切削液使用、回收及循環(huán)利用環(huán)節(jié)，優(yōu)化數(shù)控設(shè)備工作流程，從技術(shù)、生產(chǎn)和管理等方面對(duì)切削液進(jìn)行有效監(jiān)控，從而提高了設(shè)備綜合利用率OEEOverall Equipment Effectiveness，降低數(shù)控設(shè)備的輔助材料消耗費(fèi)用與時(shí)間準(zhǔn)備周期，為實(shí)現(xiàn)精益工廠建設(shè)、精益數(shù)控加工車間綠色制造與節(jié)能環(huán)保及自動(dòng)化的高效生產(chǎn)組織模式提供一定的保障，并使車間數(shù)控設(shè)備管理機(jī)制長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

目前，傳統(tǒng)的數(shù)控加工車間切削液使用主要情況：

一是數(shù)控加工設(shè)備的切削液由機(jī)床操作人員自行配比添加，且一般不做日常維護(hù)，如圖1所示。由于個(gè)人水平不一，沒有執(zhí)行依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，不監(jiān)測(cè)切削液具體技術(shù)參數(shù)，如濃度（質(zhì)量比）、pH值、電導(dǎo)率和泡沫度等，無法保證切削液處于最佳使用狀態(tài)，直接影響產(chǎn)品加工質(zhì)量，如產(chǎn)生零件表面銹蝕，甚至導(dǎo)致基體銹蝕，以及加工設(shè)備的銹蝕等。

圖1 傳統(tǒng)模式-操作人員添加切削液（簡(jiǎn)單、任意）

二是切削液更換比較隨意，因此導(dǎo)致切削液的使用周期縮短，使用成本增大。近年來，如何減少資源消耗和盡可能少地產(chǎn)生環(huán)境污染成為制造業(yè)面臨的重大問題之一。

三是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 673-2009《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)-金屬切削加工》規(guī)定，廠房?jī)?nèi)6m以下空間區(qū)域空氣中油霧濃度≤5.0 mg/m3。目前，傳統(tǒng)金屬加工廠普遍采用含油乳化液進(jìn)行數(shù)控加工，由于其含有蛋白質(zhì)成分，切削液使用容易變質(zhì)。并且，近年來，隨著高速數(shù)控機(jī)床在金屬加工行業(yè)應(yīng)用的日益普及，設(shè)備的高速電主軸也是應(yīng)用首選，高速加工需求的高速電主軸一般轉(zhuǎn)速≥10 000r/min，最高可達(dá)100 000 r/min（高速磨床），在實(shí)際加工中，含油乳化液噴濺到高速主軸上立即氣霧化，空間區(qū)域空氣中油霧濃度≥5.0mg/m3，對(duì)環(huán)境衛(wèi)生及人員人身健康造成危害，在溫度高的環(huán)境下，尤其明顯。

1. 沖突（問題）

目前，國(guó)家要求制造業(yè)淘汰落后產(chǎn)能，同時(shí)，企業(yè)受環(huán)保政策趨嚴(yán)及自身生產(chǎn)、管理成本較大壓縮經(jīng)濟(jì)增加值EAV等因素影響，傳統(tǒng)金屬加工廠切削液的管理使用已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段的要求，存在諸多在環(huán)境衛(wèi)生、產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量、環(huán)境約束和危廢品回收處理方面等的問題，產(chǎn)生諸多影響，有以下幾個(gè)主要方面。

（1）環(huán)境衛(wèi)生：金屬加工廠房主要進(jìn)行機(jī)械加工的銑削作業(yè)，通過金屬切削液對(duì)工件表面進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，在碰撞、蒸發(fā)和相變等多重作用下，在密閉的空間內(nèi)產(chǎn)生大量的油霧及有害氣體，切削液選用不當(dāng)嚴(yán)重影響車間工作人員的身心健康。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量：精益數(shù)控加工車間切削液的選用目的是提高加工零件的表面粗糙度，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，防止工件和機(jī)床生銹。為了改善切削液的性能，切削液中含有大量的添加劑，如極壓潤(rùn)滑劑、防銹劑、pH值調(diào)節(jié)劑、殺菌防霉劑和消泡劑等，準(zhǔn)確無誤的成分含量配比需要專人維護(hù)，每天進(jìn)行檢測(cè)與重新進(jìn)行配置。另外，大型、超大型零部件的數(shù)控加工動(dòng)輒在1周以上（按照1日3班工作時(shí)間計(jì)算，設(shè)備24h不停機(jī)），采用傳統(tǒng)的切削液使用模式，無法及時(shí)保證切削液濃度、pH值、硬度及菌群數(shù)量等始終處于合格線以內(nèi)，導(dǎo)致零件加工質(zhì)量無法保證。

（3）環(huán)境約束：傳統(tǒng)的機(jī)加工廠采用含油乳化液進(jìn)行數(shù)控加工，由于其含有蛋白質(zhì)成分、乳化劑和礦物油，切削液使用容易變質(zhì)，對(duì)環(huán)境衛(wèi)生及人員人身健康造成危害，在溫度高的環(huán)境下，尤其明顯，使用周期縮短。

（4）傳統(tǒng)切削液服務(wù)模式、管理較為混亂：傳統(tǒng)的切削液更換依據(jù)往往由人為主觀判斷而定，一般就是目測(cè)和嗅覺感官，無科學(xué)檢測(cè)依據(jù)，而且都是由操作人員進(jìn)行切削液使用全流程跟蹤。操作人員在更換切削液時(shí)，切削液技術(shù)參數(shù)往往已經(jīng)改變，并且配置隨意，造成很大浪費(fèi)。

（5）危廢品回收處理：由于傳統(tǒng)的數(shù)控加工往往采用含油乳化液，如（3）、（4）所述，需求量大，更換頻繁，危廢品回收處理費(fèi)用居高不下。若廢液不經(jīng)有效處理而給予焚燒或排放到江、河、湖、海中將造成嚴(yán)重的大氣污染和水污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。目前我國(guó)大力加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)建設(shè)，對(duì)重污染企業(yè)嚴(yán)密監(jiān)控，提出的“誰污染、誰治理”政策，無疑將增加企業(yè)成本，降低企業(yè)EAV值。

（6）與精益工廠的理念有差距：傳統(tǒng)的數(shù)控加工切削液服務(wù)模式中，一線工人不僅要專注于加工，還要忙于切削液的添加、日常監(jiān)測(cè)以及廢液收集、移交，無法整合資源，實(shí)現(xiàn)集約化生產(chǎn)。目前，圍繞著國(guó)家層面戰(zhàn)略規(guī)劃愿景，精益工廠通過加強(qiáng)內(nèi)外部各職能部門的協(xié)調(diào)運(yùn)作，正在構(gòu)建績(jī)效卓越的精益生產(chǎn)體系，如圖2所示。目的在于消除生產(chǎn)環(huán)節(jié)的浪費(fèi)，現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)自主管控體系，沿著質(zhì)量、效益兩條主線，降低庫(kù)存，均衡生產(chǎn)，將一線工人從其它與設(shè)備操作無關(guān)的事務(wù)中解放出來，減少干擾項(xiàng)，專注于零部件加工，高質(zhì)量、準(zhǔn)時(shí)化交付。

（7）制約設(shè)備綜合利用率OEE提升：如（6）所述，一線操作人員忙于各種與設(shè)備操作無關(guān)的事務(wù)，導(dǎo)致無法專注于零部件加工，制度時(shí)間內(nèi)的有效加工時(shí)間減少，影響設(shè)備綜合利用率OEE提升。

圖2 精益工廠生產(chǎn)組織模式

2. 解決的思路

精益數(shù)控加工車間以問題為導(dǎo)向和牽引，關(guān)注數(shù)控加工生產(chǎn)流程控制，按照創(chuàng)新性的理念，選用綠色水基切削液代替乳化液，建立并實(shí)施切削液服務(wù)保障管理模式。即指定專業(yè)切削液服務(wù)商，與車間相關(guān)業(yè)務(wù)部門組成專業(yè)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)車間所有切削加工設(shè)備的切削液的保障服務(wù)，其中主要包含對(duì)切削液使用監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)和保障服務(wù)程序的確定；切削液的調(diào)配，切削加工設(shè)備切削液的添加、日常監(jiān)測(cè)、消泡處理、殺菌處理以及廢液收集、移交；切削加工設(shè)備切削液箱及切削冷卻循環(huán)系統(tǒng)的殺菌處理；對(duì)切削液日常使用狀況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總分析等。

3. 解決的路徑

因此，精益數(shù)控加工車間根據(jù)自身經(jīng)營(yíng)發(fā)展的需要，委托具有資質(zhì)的切削液服務(wù)商公司進(jìn)行切削液保障服務(wù)，其中涵蓋了監(jiān)測(cè)切削液技術(shù)指標(biāo)和保障服務(wù)程序，設(shè)計(jì)了專門工作流程，各部門、人員各負(fù)其責(zé)，獨(dú)立開展工作，具體工作流程如圖3所示。

精益數(shù)控加工車間設(shè)備管理、技術(shù)部門人員必須認(rèn)真履行監(jiān)管職責(zé)，做到嚴(yán)把關(guān)、勤檢測(cè)和多溝通，投身一線，與現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人員密切互動(dòng)，將切削液服務(wù)保障過程中出現(xiàn)的問題閉環(huán)解決，形成良性循環(huán)，確保工作順利開展，如認(rèn)真查實(shí)切削液服務(wù)商填寫的檢測(cè)表單（見表1）或按照某綠色水基切削液性能檢測(cè)要求隨機(jī)抽查某數(shù)控加工設(shè)備的切削液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況（見表2）。

切削液服務(wù)商指派專業(yè)人員對(duì)每臺(tái)數(shù)控設(shè)備切削液各項(xiàng)指標(biāo)如切削液用量、pH值、濃度、硬度和菌群量定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)并詳細(xì)記錄，如圖4所示。

圖3

圖4

表1 切削液現(xiàn)場(chǎng)檢查記錄表

4. 實(shí)施效果

精益加工車間自實(shí)施綠色水基切削液服務(wù)保障管理模式以來，效果顯著。

改善成果：精益加工車間建立并實(shí)施切削液服務(wù)保障管理，相對(duì)于傳統(tǒng)的乳化液切削液使用模式，在如下方面得到了改善：

（1）切削液使用壽命更長(zhǎng)。在同等條件下，綠色水基切削液的使用壽命比傳統(tǒng)乳化液切削液長(zhǎng)2倍，而價(jià)格僅為傳統(tǒng)切削液的1.1倍，因此，選用綠色全合成水基型切削液，雖然新型切削液采購(gòu)成本提高了10%，但是其使用周期可顯著延長(zhǎng)，基本不產(chǎn)生廢液。由廢液處理產(chǎn)生的?；诽幚碣M(fèi)用基本為0，切削液濃縮液的直接購(gòu)置費(fèi)用比原來減少45%。

（2）車間通過切削液收集盒將隨切屑帶出的切削液進(jìn)行回收再利用，提高了切削液的利用率，實(shí)際成本比用乳化液有明顯的降低，如圖5所示。

（3）實(shí)現(xiàn)零排放，大幅降低危廢品排放處理費(fèi)用。如果再引入適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，采用綠色環(huán)保水基切削液，可以實(shí)現(xiàn)0排放，節(jié)省所有排放費(fèi)用。以車間1年消耗1 000t切削液為例，在忽略添加、帶走和蒸發(fā)等因素的條件下，每年需要處理的廢液為：1 000t×20(加純凈水稀釋倍率)＝20 000t，每噸以200元的處理費(fèi)用計(jì)，使用普通切削液全年需要處理費(fèi)用200元/t×20 000t＝400萬元。而使用0排放綠色水基切削液，基本不產(chǎn)生廢液，即為公司節(jié)省400萬元。

（4）其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。由于使用綠色水基切削液而帶來的其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，同樣是十分明顯的。對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 673-2009《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)金屬切削加工》規(guī)定，廠房?jī)?nèi)6m以下空間區(qū)域空氣中油霧濃度≤5.0mg/m3。對(duì)操作者的傷害和環(huán)境的污染幾乎沒有影響等。

（5）設(shè)備綜合利用率OEE顯著提升。精益加工車間實(shí)現(xiàn)“一人多機(jī)”、“一人多崗”的生產(chǎn)組織模式，切削液服務(wù)保障管理模式為其提供一定的保障，并且提高OEE。

精益加工車間擁有集群化數(shù)控設(shè)備時(shí)，切削液服務(wù)保障管理模式的有效性立即得到驗(yàn)證，用于日常切削液調(diào)配、更換、添加和運(yùn)輸?shù)仍斐稍O(shè)備停機(jī)時(shí)間約為0小時(shí)，設(shè)備綜合利用率OEE顯著提升，如圖6所示。

表2 切削液技術(shù)參數(shù)對(duì)照檢查表

圖5

圖6

5. 結(jié)語

切削液是切削加工過程中造成環(huán)境污染和職業(yè)健康與安全危害的主要源頭之一；并且傳統(tǒng)的切削液服務(wù)保障模式也制約了企業(yè)的生產(chǎn)。目前，國(guó)家要求建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化。綠色水基切削液也取得資質(zhì)準(zhǔn)入金屬加工領(lǐng)域。因此，企業(yè)必須立足自身現(xiàn)有條件，利用自身優(yōu)勢(shì)，積極開展技術(shù)創(chuàng)新、自主創(chuàng)新，遵循精益的理念，以問題為導(dǎo)向，精準(zhǔn)聚焦，迅速改變傳統(tǒng)保障模式，重新設(shè)計(jì)服務(wù)保障流程，從而節(jié)省輔助材料消耗費(fèi)用，減少停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備綜合利用率OEE，提高一線人員職業(yè)健康與安全防護(hù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代。

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