【《汽车变速箱齿轴件热处理生产方式与精益改善方案分析案例》14000字（论文）】

汽车变速箱齿轴件热处理生产方式与精益改善方案分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25409汽车变速箱齿轴件热处理生产方式与精益改善方案分析案例 1277801.1S公司背景及热处理生产方式 2319421.1.1公司背景 265491.1.2热处理加工产品信息 395561.1.3热处理加工产品工艺流程 6150381.1.4热处理工艺设备布局 12294401.2热处理加工问题及分析 13147011.1.1生产线负荷率 14200871.1.2单条生产线工序负荷率 15298451.1.3不同产品热处理加工时间 17143311.1.4人工操作强度 17236101.1.5原因分析 18135981.3主要精益改善工具 22263001.3.1生产节拍与生产周期 23136801.3.2生产线平衡 2554651.3.3劳动负荷评价 25280281.3.4防错方法 25106681.4精益改善方案 26252841.5小结 281.1S公司背景及热处理生产方式1.1.1公司背景S公司作为一家全球500强的制造型企业，在国内各地设有多个制造基地。本文研究对象是S公司上海基地的热处理工厂。该工厂始建于上世纪70年代，初始时主要承担桑塔纳车型的变速箱齿轴件热处理，后不断拓展至各类手动变速箱、自动变速箱、DCT变速箱、CVT变速箱、新能源变速箱等齿轴件的热处理加工及工艺开发，年加工变速箱齿轴类产品能力达250万台套。工厂在可控气氛精密渗碳技术、真空低压渗碳高压气淬技术、盘型锥齿轮和薄壁零件微变形淬火技术、表面强化处理技术、以及专业的材料组织测量技术方面有较为成熟的工艺开发及分析能力，并建有一整套规范的新产品开发管理体系和原材料、毛坯、冷热变形等数据库。图1.1工厂组织架构Fig.1.1Plantorganizationchart2015年工厂搬迁，新厂房面积22000平方米，拥有各类处理设备300余台。作为S公司的热处理加工核心基地，工厂具有完整的组织架构，支持S公司在热处理方面的工艺研发、生产管理、精益化改进实施、设备维保和供应链管理。图1.1是工厂的组织架构图。工厂现在生产的产品包括各类变速箱中的齿轴类产品，主要包含低压渗碳+高压气体淬火、传统氮甲醇渗碳+油淬、氮化、调质等工艺设备，并且拥有抛丸、气喷、矫直等辅助工序设备。表1.1显示了在该工厂中，按加工吨位数计算的各主要热加工设备所占的比例。低压渗碳产线是该工厂中占比最大的热处理加工线，占到了工厂6成的产值。表1.1热处理加工线加工吨位数比加工线低压渗碳线氮甲醇气氛线氮化线调质线加工吨位数（吨/月）690216103110产值比（%）61.71.1.2热处理加工产品信息热处理工厂承担S公司开发的各类变速箱齿轴类产品的热处理工艺开发及生产制造，主要生产零件如表1.2所示。表1.2热处理工厂主要生产零件产品名称示意图配套变速箱太阳轮GF6(自动变速箱)行星轮GF6(自动变速箱)内齿圈GF6(自动变速箱)续表1.2热处理工厂主要生产零件产品名称示意图配套变速箱从动齿总成DCT250(双离合变速箱)输出轴DCT250(双离合变速箱)主减速齿DCT250(双离合变速箱)热处理作为变速箱齿轴件加工过程中必不可少的工艺之一，一般通过渗碳及淬火硬化，将齿轮的表面耐磨性和抗疲劳寿命提高，是齿轮在变速箱中的服役表现的重要影响因素之一。工厂现在拥有5条低压渗碳线，所涉及加工的产品平台为3类，分别为DCT双离合变速箱齿轴类产品，自动变速箱齿轮、齿圈类产品，以及新能源变速箱齿轴类产品。不同平台产品上市时间、主机厂客户各不相同。汽车变速箱的生命周期一般为5-10年，期间会不断进行更新迭代。表1.3描述了该三类平台产品的基本信息。表1.3现有低压渗碳线涉及加工产品平台信息平台细分类别上市时间产品生命周期客户DCT双离合干式20148上海汽车上汽通用湿式20196上海汽车自动变速箱六速200912上汽通用九速201710上汽通用新能源变速箱20196上海汽车热处理加工完成的产品，提供给公司机加工工厂及装配工厂，完成变速箱总装后交付给主机厂客户，用于整车装配。表1.4是现有产品线在2019-2022年间的生产交付量和未来的销售预测。表1.4低压渗碳线涉及加工产品2019-2022年生产交付及销售预测平台细分类别2019年2020年2021年20222年DCT双离合干式27130024950014240095200湿式2200095600208800179000自动变速箱六速688200611000489211399122九速370900625200638354750120新能源变速箱230078002050072500DCT双离合涉及热处理加工的齿轴类零件共计16种，分为从动档位齿、轴、主动齿和主减速，同时轴和主减速按不同传动速比将零件齿数进一步细分；自动变速箱涉及热处理加工的零件共计15种，分为行星轮、太阳轮及内齿圈；新能源变速箱涉及热处理加工的零件共计3种，分为中间轴、齿轮及主减速齿。表1.5是各平台变速箱涉及热处理产品列表。表1.5各平台变速箱涉及热处理产品DCT双离合自动变速箱新能源变速箱一档从动齿主减速内齿圈中间轴二档从动齿总成输入支架内齿圈中间轴齿轮三档从动齿输出支架内齿圈主减速从动齿四挡从动齿从动支架内齿圈五档从动齿主减速太阳轮六档从动齿输入太阳轮七档从动齿输出太阳轮倒档从动齿从动太阳轮输入内轴主减速行星轮输入外轴输入支架行星轮1267档输出轴输出支架行星轮345R档输出轴从动支架行星轮主减速从动齿超越支架内齿圈(9速)3档主动齿超越太阳轮(9速)5/7档主动齿超越支架行星轮(9速)6/7档结合齿1.1.3热处理加工产品工艺流程变速箱齿轴件热处理加工工序流程主要分为10个作业步骤：来料接收、前清洗、预热、渗碳、气体淬火/二次加热压模淬火、回火、后清洗、抛丸/气喷、矫直、入库待发运。不同零件根据技术要求及外观结构，所涉及的工序流程各有不同。图1.2是轴类、齿轮类、主减速类产品的热处理工序流程图。图1.2热处理工序流程图Fig.1.2Heattreatmentprocessflowchart热处理的核心关键工序为渗碳及淬火，使用的加工设备为低压渗碳产线。图1.2中采用气体淬火工序零件的清洗至回火工序由低压渗碳产线连线，通过料车自动转运完成。低压渗碳一般采用脉冲式，即阶段性的通入乙炔、丙烷等富化气，在高温下裂解碳原子，渗入零件表面，多个循环后达到所要求的渗层深度。零件表面吸附碳原子的能力由富化率指标衡量[56]，如图1.3所示。由于没有类似可控气氛渗碳炉中的氧探头传感器、三气分析仪等，无法直接监控低压渗碳过程中的气氛碳势。因此，各厂商都针对自身的设备特点开发计算机软件，以实现过程的可预见性，如ECM的WinCBP、IPSEN的AcaC等。图1.3乙炔和丙烷的富化率曲线Fig.1.3theFLUXofC2H2/C3H8低压渗碳和气体淬火工艺需要连续完成，即在高温下完成渗碳的产品需在≤30秒的时间内开始进行淬火冷却，因此一般设备厂家会把加热渗碳室与淬火室集成在一起，如图1.4所示。图1.4低压渗碳炉结构图Fig.1.4Structurediagramoflowpressurecarburizingfurnace低压渗碳工艺由交替注入乙炔（C2H2）和氮气（N2）来实现，乙炔在高温下在零件表面分解出碳分子来进行表面渗碳。渗碳之后是通过油或气体淬火使工件形成马氏体组织以获得在芯部和表面处所需的硬度。根据工件不同的热处理技术要求设定相应的加热温度、气体注入时间，流量及压力，实现对渗碳深度的精确控制。淬火介质的选择取决于淬火性和工件所使用的原材料。由于低压渗碳炉采用石墨加热技术，工艺温度一般高于传统的渗碳，因此低压渗碳工艺渗碳效率优于传统的基于CO/CO2平衡的气氛渗碳。轴类零件由于在淬火后在轴径方向会产生热处理淬火变形，导致产生径向跳动，因此需要增加矫直工序将零件塑性变形部分得到恢复，减少零件的径向跳动。工厂采用精密自动矫直机设备，通过压点式反弯矫直工艺，将零件径向跳动值矫正至产品技术要求范围内[57]，图1.5为自动矫直机。图1.5自动矫直机Fig.1.5AutomaticStraightener自动矫直机在工作时，设备两端的顶针压入工件的中心孔，起到固定工件并能通过顶尖的旋转带动工件转动。在工件上方的C型压头在气缸的作用下，可上下移动与工件的轴径接触，使工件径向受力达到矫直效果。在工件下方的C型垫块起到支撑工件的作用，如图1.6所示。自动矫直机一般都配备裂纹探伤设备，已识别在矫直过程中，工件是否由于过度受力而产生微裂纹。图1.6轴类矫直工位Fig.1.6Shaftstraighteningstation主减速类零件由于产品结构问题，渗碳后直接气体淬火无法保证产品的变形量，因此在渗碳后缓慢冷却，再进行二次加热后，采用模具定位后进行压模淬火，已保证零件淬火后的平面度、孔径等尺寸的变形量[58]。由于二次加热压模淬火工序会造成产品表面粘附淬火油，因此需额外增加一道清洗工序。此外，二次加热压模淬火工序未集成在低压渗碳产线中，因此主减速类零件的回火工序也需人工转运，图1.7为压模淬火设备。图1.7压模淬火设备Fig.1.7DieHardeningMachine压模淬火是设计工件对应的淬火模具利用设备液压缸提供的压力将待淬火工件压在上下模具之间。压模在设计时需要考虑泄油槽，既要保证淬火压床的正常喷油和排油，也要能使工件表面能够均匀快速地被淬火油流过，保证工件淬火均匀性。如图1.8所示。图1.8压模淬火工位Fig.1.8DieQuenchingStation抛丸、气喷工序采用相应的抛丸机、气喷机设备。其中抛丸设备用以提升零件的表面清洁度，气喷设备是根据零件技术要求，使零件产生一定的表面压应力[59]，以提升零件的抗耐磨性[60]，图1.9为应力喷丸设备。图1.9应力喷丸设备Fig.1.9StressShotPeeningEquipment热处理加工以“炉”为单位基本不改变产品尺寸，仅通过零件材料的加热及冷却改变零件材料的力学性能，以满足零件的服役要求。因此，在回火工序后需要进行理化检验，一般每炉抽取一件样品，进行破坏性切割、镶嵌、服饰、研磨、抛光程序来完成制样，在通过金相显微镜、硬度计等设备，结合金相图谱，观察材料理化组织情况，以确认在热处理加工后的产品是否符合表面硬度、芯部硬度、硬化层、显微组织等理化技术指标。除低压渗碳产线集成了清洗、预热、渗碳、淬火、回火工序，可实现零件的自动连接及转移外，主减速类零件的二次加热压模淬火、所有产品的抛丸/气喷、轴类零件的矫直等工序，需要手动转运及上下料，且设备每次加工的容量数也各不相同。1.1.4热处理工艺设备布局当前的热处理设备生产布局是按工序进行模块化布局：其中5条低压渗碳产线作为热处理高温主炉设备集中布局；后续的抛丸/气喷工序由于存在一定的噪音和粉尘污染，单独布局在一个区域内；轴类矫直设备的精度要求较高，类似于机加工设备单独布置在一块区域内，并配有空调；主减速类二次加热压模淬火工序也是高温设备，布局在低压渗碳产线北侧。来料接收区翻架区低压渗碳产线二次加热压模淬火区抛丸/气喷区来料接收区翻架区低压渗碳产线二次加热压模淬火区抛丸/气喷区矫直区图1.10当前热处理工序设备布局图Fig.1.10Currentheattreatmentfacilitylayout低压渗碳生产线作为热处理主炉设备，承担了热处理核心加工工序，当前工厂拥有5条低压渗碳产线，根据平台产量配置各条产线所加工的零件，其中布局在南侧1号、2号、3号产线主要为自动变速箱产品产线；北侧的4号、5号产线主要为DCT双离合及新能源产品产线。图1.11低压渗碳产线布局示意图Fig.1.11Low-pressurecarburizinglinelayout图1.11为一条低压渗碳产线的布局图。单条产线包含一个低压内部通道和一个外部通道。内部部通道为低压真空通道，通道内有1辆料车负责零件在内部的转运，通道两侧布有1个进料室、8-9个加热渗碳室、1个气体淬火室。零件从进料室进入内部通道后，先转运至加热渗碳室进行加热及渗碳步骤，在加热渗碳室的加热和渗碳时间取决于零件的装炉量及渗层要求，通常需要150-300分钟不等，完成后料车再将900℃左右的零件迅速转移至气淬室，通入高压氮气并强制对流，将零件迅速冷却至室温，以达到表面硬化的效果。随后再从气体淬火室运送至外部通道。外部通道也配有1辆料车，主要为辅助工序设备，两侧为预热、回火、清洗设备，并有1个上料台和3个下料台。每炉上线加工的产品在上料台上调取对应工艺步骤的指令号，然后由产线工控系统产生唯一的炉号，然后通过控制程序自动进行后续的工步，直至完成加工并转运至下料台。1.2热处理加工问题及分析低压渗碳产线所涉及的DCT双离合、自动变速箱、新能源变速箱平台的产品从量产至今，占据了工厂热处理加工近70%的产值额，是热处理最重要的产品生产线。但随着客户需求的变化，包括每月需求预测与实际拉动需求的频繁变化，在多年的生产实践中，也发现了一些问题，对产线的负荷率、均衡性和人员配置造成了影响。主要问题及原因分析情况如下：1.1.1生产线负荷率生产线负荷率定义为生产线实际加工零件所运行的时间占每月可运行时间的比例，生产线负荷率计算公式见式（1.1）。其中A为生产线负荷率；i为该产线所生产的产品种类数；Ti为生产该产品所需要占用的产线运行时间(小时)；Ni为该产品每月生产数量；Bi为该产品额定装炉数量；D为月工作天数，除去设备保养检修时间，一般定义为27天；M为该产线所配置的设备台数；E为该产线的OEE，一般定义为0.92A=i=1n这个指标显示了公司投资的生产线实际运行的情况。生产线负荷率太低，说明公司的投资没有得到充分的利用，由于热处理低压渗碳线属于高温主炉设备，在负荷率不足的情况下，包括电能、气体消耗、人员等费用仍有支出，因此单炉成本会增加；生产线负荷率过高（如超过100%），表明生产线设计产能不能满足实际需求量，会引起客户端的抱怨，一般需通过提前备库、临时外协等方式予以解决，也会产生额外的费用支出。表1.6列出了5条低压渗碳生产线2019年的产能负荷率。表1.62019年生产线负荷率产线月度负荷率(%)平均负荷率(%)123456789101112LineNo.169376463555453636961694058.1LineNo.26820503534259627167612744.1LineNo.356286973717468908866755367.6LineNo.464327631384072696770654956.1LineNo.542236818273049596546564944.3从表中可以看到，低压渗碳生产线的产能是根据3大平台的客户最大需求量（达纲需求）设计的，但在实际客户端发出的需求量远低于最大需求量，并且实际需求的波动性也较大。除了每月设备的负荷率随销售需求波动外，同时几乎很少有月需求量能够达到设计最大产能。从上表的数据可以看到，各条生产线的平均月生产线负荷率生产线负荷率并不高，生产线的空闲时间比较多。按照精益思想，空闲即是资源的浪费，特别是热处理设备，空炉等待需耗费电能、气体消耗及设备折旧。说明当前每条生产线全年用于生产的时间只有二分之一左右，其余时间都是空闲的。说明生产线的产能浪费是非常严重的。从表1.5中可以看到，5条生产线的平均负荷率在44.1%-67.6%之间。各条生产线的负荷率并不均衡，这主要受制于由于各种产品工艺的布局，一般每种产品配置1条主生产产线，外加1条副生产产线。主生产产线承担产品的生产任务，而副生产产线是在主生产产线出现故障或者保养期间，以及主生产产线产能不足时，用于应急辅助生产。在此情况下，各条产线的主生产产品的布局配置及需求波动，决定了该产线的负荷率高低。生产线负荷率不均衡的情况在对比单条产线每月的负荷率角度来看，也同样存在，这主要还是由于汽车市场的每年淡季、旺季的整体需求波动所导致。1.1.2单条生产线工序负荷率一条低压渗碳产线集成了前清洗、预热、加热渗碳、气体淬火、回火工序。当低压渗碳生产线运行时，工序间作业时间不同，产品在作业时间短的工序上完成加工后，会有一段时间空闲等待，待作业时间长的工序完成加工后，才能在产线上继续流转。这种由于作业时间不同，造成的工序空闲等待，定义为“工序空闲率”；工序有加工作业的时间所占工序时间的比例，称为“工序负荷率”。低压渗碳产线由于各工序设备配置的数量不同，因此，工序节拍时间需要在单炉作业时间上除以设备配置数工序负荷率和工序空闲率按照式（1.3）和式（1.4）进行计算。用U代表“工序负荷率”，F代表“工序空闲率”。U=工序节拍时间瓶颈工序节拍时间×100%F=1−U 表1.7低压渗碳线(Line4)工序作业时间表工序设备单元数量单炉作业时间(min)工序节拍时间(min)渗碳淬火加热渗碳室、气体淬火室921023.33前清洗真空清洗机35518.33预热高温预热炉69015回火低温回火炉1221017.50根据表1.7中的单炉作业进行计算，整个工序总共用时为565分钟。由于产线工序加工单元的配置数不同，工序的作业节拍时间应为工序节拍时间除以工序加工单元配置数。从表中可得生产线瓶颈工序是渗碳淬火，瓶颈工作节拍时间为23.33分钟。由式（1.2）和式（1.3）进行计算，得到除瓶颈工序外的工序负荷率和工序空闲率如表1.8所示：表1.8工序负荷率和工序空闲率工序工序节拍时间（min）瓶颈工序作节拍时间（min）工序利用U(%)工序空闲率F(%)前清洗18.3323.3378.57%21.43%预热1523.3364.29%35.71%回火17.523.3375.01%24.99%从表中可以看到，空闲率最高的是预热工序，空闲率达到35.71%。说明该工序完成后，平均有超过35%的时间是在等待。所有工序的平均负荷率也仅为71.62%，也就是说平均每个生产周期中，非瓶颈工序的设备超过三分之一的时间是在等待。因此，在产线运行时，需要根据瓶颈工序的设备开启数来配置其他工序的设备运行数量，以降低空炉等待的能耗浪费。1.1.3不同产品热处理加工时间低压渗碳生产线的瓶颈工序主要是渗碳淬火工序。产线需要承担20余种不同零件的生产，由于零件的外观形状及热处理技术要求各不相同，因此在加热渗碳室所需要的时间也长短不一。9个加热室虽然可以执行不同的零件加热渗碳工艺，但是却共用1个气体淬火室，也就是说，完成后进入气体淬火室的时间必须错开，否则将会影响工序的正常完成。表1.9产品工艺时间、产品种类数及每日需生产炉数组别工艺时间(min)产品种类日需生产炉数A(短)145-1701126B(中)175-220736C(长)230-319914表1.9列出了该生产线涉及产品的工艺时间、产品种类数及每日需生产炉数。在低压渗碳产线线内的转运均通过设备工控系统的任务清单依次完成，由于每炉零件在加热渗碳室所需的工艺时间不同，因此在零件进入加热渗碳室之前会计算其加热渗碳完成后进入气体淬火室的时间，必须要与其他炉次零件间隔15min以上，如与其他炉次零件的进入时间冲突则会停止进炉，在进料平台上进行等待。经过现场观察，零件加热渗碳工艺时间不同而导致的气体淬火时间冲突所造成的损失主要体现为：加热渗碳室的利用效率仅在80%左右。1.1.4人工操作强度热处理生产以“炉”为单位，对于不同的产品有固定的装炉量。每一炉产品需要以“炉号”进行单独的追溯跟踪。图1.12显示了齿轴类产品的热处理加工流程，以及除设备加工外的人工操作步骤。由于产品在各个加工工序中所使用的装载器具及方式不同，因此，涉及到需要在进入工序设备加工前进行以装炉量为单位的翻装操作。图1.12变速箱齿轴件热处理工序流程Fig.1.12HeatTreatmentProcessofAutomobileGearbox’sGear&ShaftParts翻装操作对热处理生产的不利因素如下：1)人机工程角度：翻装操作需要人工进行，且工作强度较大、弯腰捡料频繁、工作量集中；2)质量控制角度：翻装操作过程中难免造成产品掉落、磕碰等情况，增加了产品敲毛碰伤的概率及风险；3)精益生产角度：翻装操作的时间根据装炉量的不同，每炉零件在20-40min之间，增加了产品的加工周期。4)现场5S（Seiri-整理、Seiton-整顿、Seiso-清扫、Seiketsu-清洁和Shitsuke-素养，指在生产现场对人员、机器、材料、方法等生产要素进行有效管理）角度：由于需要翻装，现场同时存在2种装载器具，占用场地，且5S管理难度较大。综上，如何合并甚至取消翻装操作，是热处理精益化改善的重点之一。1.1.5原因分析1)客户需求波动大S公司的汽车变速箱产品主要客户是各大整车主机厂。整车的终端客户是国内各大乘用车品牌的4S店及乘用车消费者。而汽车销量的影响因素是多方面的，其中包括居民收入、交通路网环境、政策导向、汽车价格、燃油价格等[61]。此外，S公司的一款变速箱产品同时对应多家整车主机厂客户。各种因素的叠加效应又进一步增加了整车厂的需求波动，进而造成了热处理生产线的负荷率随之波动。图1.13是热处理低压渗碳生产线的三类产品平台在2019年逐月销售量占全年百分比的折线图，从图中可以看到，全年的销售量的波动比较大，最大差异可达6倍。图1.13DCT双离合、自动变速箱、新能源变速箱平台2019年月销售量占比Fig.1.13DCT,AT,EVmonthlysalesquantityratein2019造成这种波动的原因，主要是由于产品在市场上有不同的淡旺季需求。从图中可以看出，整车厂客户在9-11月是需求高峰，而当年的6、7月是需求淡季。另外2月是中国春节，各个产品的销售量和生产量都比较低。除了通过图形直观了解销售趋势的波动，我们还可以通过统计学中的变异系数质保来衡量销售量的离散程度。变异系数（Coefficientofvariation,C.V.），是概率分布离散程度的一个归一化量度，其定义为标准差σ与平均值μ之比。它考虑了比较项的单位或平均数不同时的情况，采用标准差与平均数的比值来比较，记为C·V。变异系数能消除单位或平均数不同对两个或多个比较项的波动比较影响[62]。变异系数越小，表示变异偏离程度越小；反之亦然。式1.4是计算变异系数的公式。C.V.=σμ×100% 按照式1.4计算平均值和标准差的比值，换算成百分比，就是相关产品系列在当年的月销售量的变异系数，表1.10列出了2019年每月各个变速箱平台的销售平均值、标准差及变异系数。从表中可以看到，三个平台变速箱产品的月需求量的变异系数在25%-54%之间，体现出销售和生产量在不同月份之间存在较大波动。表1.10变速箱产品2019年月销售量统计量平台平均值

(Average)标准差

(StandDevision)变异系数

（Coefficientofvariation）DCT双离合356791271335.63%自动变速箱1229173127125.44%新能源变速箱205011099353.62%为了确保热处理生产线在销售高峰期能准时交付，热处理生产线的产能要求都是按客户达纲销售需求的乘以1.1系数规划引进的。这样往往就容易造成需求量不足的月份，生产线产能负荷率不足。同时在客户需求变化时，造成同一条生产线在不同月份的负荷率变化较大。2)产品工艺柔性弱前文已经提到，对于各种产品的生产布局，工艺制定时考虑可生产产线配置为“一主一副”。在汽车制造行业中，热处理属于特殊工序，对于热处理加工工艺及所使用的设备如有任何变更，必须向客户提出变更申请。客户对变更内容所产生成本、质量等各方面情况进行评估，评估手段有：1、变更后产品技术指标报告；2、变更后样件力学性能测试；3产品搭载总成台架进行疲劳寿命试验；4整车路试；5、NVH测试等。若涉及加工成本发生变化的，还需进行重新报价核算。整个变更流程繁琐，且验证周期较长，同时还会产生验证费用，这就导致了产品工艺和使用设备一旦在项目开发阶段锁定后，后期变更就需要花费大量的人力、物力及财力。虽然5条低压渗碳生产线设备型号及技术参数类似，但由于以上原因，产品并无法再在每条生产线上都具备生产条件，以DCT双离合产品为例，各种产品在5条产线上的分布情况如表1.11所示：表1.11DCT双离合产品在低压渗碳产线分布情况产品名称LineNo.1LineNo.2LineNo.3LineNo.4LineNo.5一档从动齿副主二档从动齿总成副主三档从动齿副主四挡从动齿副主副五档从动齿主副六档从动齿主副七档从动齿主副续表1.11DCT双离合产品在低压渗碳产线分布情况倒档从动齿副主输入内轴副主输入外轴副主1267档输出轴副主345R档输出轴副主主减速从动齿主3档主动齿主5/7档主动齿主6/7档结合齿主从表中可以看出DCT双离合产品在低压渗碳产线上的分布主要在4号及5号产线上，3号产线为辅助生产产线。另外有3种产品只能在4号产线上加工生产。由于各条产线加热渗碳室炉膛尺寸存在差异，因此产品在开发时从成本角度考虑，结合产品的外形结构，尽可能的把产品布局在可支持装炉数量较大的产线上。同时产线负荷率平衡也是重要考虑因素。在加工工艺及使用设备锁定后，由于产量的变化，产线的负荷率平衡性逐步打破，产生了负荷率不均衡的情况。但受制于产品已验证的可加工产线限制，很难再进行灵活调整。3)工序设备台数配置不均衡从表1.7和1.8的工序时间可以看到，低压渗碳4号生产线各工序之间的时间分配并不平衡。产线运行的目标是尽可能的减少各工序间的节拍差异，达到各工序节拍时间一致的理想状态。生产线工序节拍时间不均衡意味着除了造成设备运行等待的浪费，造成能耗成本的增加。造成这些问题的首要原因主要是产线上各工序设备台数配置不合理。如前文以4号产线为例，在加热渗碳室运行台数为9个的情况下，工序节拍时间最长的工序和最短工序节拍时间相差达到了8.33分钟。此时，我们考虑是否可以调整最短工序设备的开启数量，以其与瓶颈工序尽可能匹配，减少节拍差异时间。表1.12中对比了4号线产线在加热渗碳室运行台数为9台，预热设备运行台数为6台、5台及4台时，该工序的负荷率和空闲率对比数据。表1.124号产线预热设备台数开启数量变化时的工序负荷率及工序空闲率工序设备开启台数工序节拍时间（min）瓶颈工序作节拍时间（min）工序利用率U(%)工序空闲率F(%)预热61523.3364.29%35.71%预热51823.3377.15%21.85%预热421.523.3396.44%3.56%从上表中可以看出，产线上预热设备配置为6台，但实际根据瓶颈工序的运行节拍，预热设备开启数量可以进行调整，若预热设备运行数为4台，则工序负荷率则会从运行6台时的64.29%提升至96.44%。如果瓶颈设备的运行数一旦变化，则产线运行节拍则相应增加，其他工序的设备运行配置数量同样可以相应调整，工序节拍时间也会随之变化，以期达到相对均衡工序运行状态。通过上述分析可以看到，在仅仅调整了工序设备运行台数配置后，就能比较大的减少设备空闲时间，提高设备的负荷率和平衡率，同时减少空炉等待的时间。可以看到当前生产线设计时，工序设备配置并不合理，导致了生产线平衡率低、生产线负荷率低等问题的存在。1.3主要精益改善工具精益思想（LeanThinking）源于上世纪80年代日本丰田汽车公司发明的精益生产（LeanManufacturing）方式。它重新定义了现代企业原则——企业产品和服务的价值只能由最终客户来确定，价值只有满足特定用户需求才有存在的意义。精益思想的内涵可归结为“消除浪费，创造价值”，就是在不断提升投入产出比的同时，提供给客户所需的产品和服务，以优品质、低成本、高效率对市场需求做出最迅速的响应。生产精益化关键是管理理念和管理方式的变革，包括：①优化企业组织架构，精简中间管理层，使组织扁平化；②提升生产均衡性，以零库存为目标，实现柔性生产；③建立完善生产过程及供应链的质量保证体系，实现零缺陷；④杜绝浪费，减少和降低生产运行环节上的任何浪费；⑤实现拉动式准时化生产。本文所使用的精益改善工具如图1.14所示：图1.14本文主要精益改善工具Fig.1.14LeanImprovementToolsinthispaper1.3.1生产节拍与生产周期生产节拍（TaktTime）又称客户需求周期，是指在一定时间长度内，总有效生产时间（AvailableTime）与客户需求数量（DemandedorCustomer）的比值，是客户需求一件产品的市场必要时间。可用工作时间是指剔除了休息时间和其他预期停工时间，如维护和交接班的时间。生产节拍按式1.5进行计算，其中T为生产节拍（分钟），Ta为可用工作时间（分钟/天），Td客户需求数（件/天）T=TaTd 生产周期是指产品从开始投产至产出的全部时间。生产周期则是生产效率的指标，比较稳定，是受到一定时期的设备加工能力、劳动力配置情况、工艺方法等因素影响决定的，只能通过管理和技术改进才能缩短。生产节拍是生产过程的目标时间，是可以根据客户需求数量和需求期的总有效工作时间而进行人为设定调整的。节拍反映的是需求对生产的调节，如果客户需求数量比较稳定，则生产的节拍时间也是比较稳定的；当需求发生变化时，生产节拍也会相应随之发生变化；需求减少时节拍就会变长，反之则变短。在单件单工序生产条件下，如当生产节拍大于生产周期时，生产能力相应过剩：如果按照实际生产能力安排生产就会造成产品过剩，引起成品库存成本上升、场地过度占用等问题；如果按照生产节拍安排生产，就会导致设备待料，人员工作量不足等工等现象，造成生产能力浪费。当生产节拍小于生产周期的情况下，生产能力不能满足生产需要，这时就会出现提前生产、在制库存加大等问题。因此，生产周期大于或小于生产节拍均会对生产安排造成不利影响[63]。生产节拍对生产的作用首先体现在对生产的调节控制，通过节拍和生产周期的比较分析，在市场稳定的情况下，可以明确需要改进的环节，从而采取针对性的措施进行调整。另一个作用是能够有效防止生产过迟造成的分段供应不连续问题，并确定工序间的标准期量，即各工序间的生产节拍平衡。近些年，随着市场多元化、个性化的发展，客户的需求多样性，已经成为一种趋势，如何快速应对客户需求的变化，需要企业内部提升、加快产品研发、生产的速度，快速满足市场变化的需求。从生产周期时间管理维度来看，它可以分为三个部分：加工时间、物流时间、等待停滞时间。加工时间是指加工产品必要的工艺时间；物流时间是指完成工序转移所需要的移动时间；等待停滞时间是指产品在上工序完成后到下工序生产前的等待时间。当前在低压渗碳加工产线完成的产品，在后续的加工过程及流转方式上加以改善。从改善的角度来看，它可以分为实物流、信息流改善两个部分。实物流是改善产品加工时间、移动时间、减少停滞时间；信息流主要改善产品停滞时间。1.3.2生产线平衡生产线平衡（LineofBalance,LOB）即是对生产的全部工序进行平均化，调整作业负荷，以使各作业时间尽可能相近的技术手段与方法。目的是消除作业间不平衡的效率损失以及生产过剩。生产线平衡直接关系到生产线的正常使用。对于热处理低压渗碳加工产线，其各工序节拍受制于工序工艺时间及设备运行台数，因此这里的生产线平衡并非是瓶颈工序时间缩短，工序动作调整合并等，而是指针对整条生产线的运行特性，来优化不同工序设备之间的节拍平衡性。1.3.3劳动负荷评价劳动负荷（WorkLoad）是指人劳动时要完成一定的工作任务，而工作任务以及环境因素又对机体的器官或功能产生一定的效应或影响。在工作中，劳动负荷过高会降低作业的水平与质量，容易引起疲劳甚至损害，而劳动负荷过低则会降低作业者的警觉性，感到单调、无聊，也影响作业能力。因此，劳动负荷应保持在一个适宜的水平。劳动负荷评价的目的就是将劳动的负荷维持在一个适宜的水平，而并不是要消除劳动负荷。由于涉及到翻架操作，热处理操作工劳动负荷较高，需要通过一定的优化改善手段，尽可能地降低操作工手工操作的内容和难度，提升操作工的工作效率。1.3.4防错方法防错又叫防呆，是一种一经采用，错误就不会发生，可以消灭错误，或错误发生的几率减至最低程度的科学方法，它能在缺陷产生前发现错误或缺陷产生时能及时发现与分离出错误。采取防错手段的目的是使操作者从错误中解脱出来，消灭失误，实现零缺陷生产，集中精力增值的操作。新江重夫（ShigeoShingo）是日本的质量管理专家、丰田生产体系的创建人之一，在长期从事现场质量改进的过程中，积累了丰富的质量管理经验。在1987年其所著的《TheSayingsofShigeoShingo:KeyStrategiesforPlantImprovement》一书中提出了如下的理念：产品缺陷来源于操作人员的失误，缺陷的产生是由于疏忽了这些失误。由此，如果操作人员的失误被预先发现并消除的话，失误将不会转换成缺陷[64]。在这个理念基础上提出了防呆（Fool-proofing）概念，并将其发展成为用以获得零缺陷，最终免除质量检验的工具。防呆法主要关注以下三点[65]：1)具有即使有人为疏忽也不会发生错误的构造──不需要注意力;2)具有外行人来做也不会错的构造──不需要经验与直觉;3)具有不管是谁或在何时工作都不会出差错的构造──不需要专门知识与高度的技能。热处理低压渗碳产线加工工艺以来料的信息为依据，根据不同的来料信息调取相应的工艺指令进行热处理加工，因此防错主要目的是杜绝由于来料实物和信息不符，造成低压渗碳产线使用错误的工艺程序进行热处理加工。1.4精益改善方案通过前文对当前热处理低压渗碳产线及后续抛丸、矫直等工序生产现状的分析介绍，对当前存在的问题和原因的分析，可以看到当前生产方式在汽车变速强产品面临热处理生产需求变化频繁、设备工艺柔性限制、产线配置状态不合理，以及人工劳动强度大的情况下，导致了各类问题的存在，影响了生产线效率和公司的经济效益。所以，通过精益生产的思想，改善当前的设备布局；调整产线各工序设备台数运行状态；同时进一步优化排产，提升设备负荷率；并加以实施低压渗碳产线与后续工序间的自动化流转，是未来齿轴件热处理生产发展的必然方向。汽车变速箱齿轴件热处理生产的优化设计，会涉及到如何根据低压渗碳产线的特性配置工序设备、如何在满足客户需求的情况下优化上线排产逻辑、如何规划物料移动及信息传递自动化、如何抛丸、矫直设备进行布局、如何去除冗余人工操作等，需要把前后道加工及热处理加工的相关因素结合起来考虑。通过精益生产的各种工具和思想，把设备产线、信息传递、物料控制、人员操作等各方面因素综合考虑，才能设计出灵活而又高效的生产模式，达到既能满足市场需求，又能提高生产效率的目的。在热处理生产模式利用精益生产思想优化改善后，使热处理生产模式达到满足不同市场需求的同时，提高生