醫(yī)療加工領(lǐng)域刀具成本影響因素的研究

蘇 波

（嘉思特醫(yī)療器材（天津）股份有限公司，天津 300000）

0 前言

目前應(yīng)用于骨科領(lǐng)域的鈷合金材料主要是鈷鉻鉬合金，鈷鉻鉬合金（CoCrMo）是一種鈷基合金，也是通常所說的司太立（Stellite）合金的一種，是一種能耐磨損和耐腐蝕的鈷基合金。鈷鉻鉬合金材料在骨科的應(yīng)用主要集中于骨關(guān)節(jié)假體，如膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。盡管相對(duì)鈦合金來說，鈷鉻鉬合金材料的生物相容性較低，但鈷鉻鉬合金作為關(guān)節(jié)假體材料的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的。在比較鈦合金關(guān)節(jié)假體和鈷鉻鉬合金關(guān)節(jié)假體的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，TiAlV表現(xiàn)出低的機(jī)械力學(xué)抗性和較多的磨損產(chǎn)物。

對(duì)醫(yī)療加工企業(yè)來說，工藝鏈條上的每個(gè)工序都有降低成本的空間，尤其是處于工藝鏈條前端的機(jī)加工序，單件機(jī)加工工藝并不復(fù)雜，但是由于產(chǎn)品的特殊性，產(chǎn)品的加工性并不好。在實(shí)際生產(chǎn)中，一線總是因產(chǎn)品機(jī)加工中出現(xiàn)的問題而頻繁停線，現(xiàn)場(chǎng)QA的關(guān)注點(diǎn)都在調(diào)機(jī)參數(shù)和刀具參數(shù)上，效果并不明顯。

綜上，在醫(yī)療企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，鈷鉻鉬產(chǎn)品的產(chǎn)值占比較大，且加工性較差造成加工時(shí)刀具損耗很高，頻繁換刀會(huì)導(dǎo)致頻繁停機(jī)，刀具成本急劇升高，通過生產(chǎn)實(shí)際發(fā)現(xiàn)，刀具的品質(zhì)和鑄造毛坯的硬度對(duì)刀具壽命有較大的影響。

1 模型建立

作為骨關(guān)節(jié)的替代材料并在體內(nèi)長(zhǎng)期使用，材料必須要求有較高的抗腐蝕性和良好的生物相容性。鈷鉻鉬合金材料的彈性模量是（250±10）GPa，另外鈷鉻鉬合金材料具有較強(qiáng)的抗磨損能力，這也是鈷鉻鉬合金材料能作為金屬假體材料用于骨關(guān)節(jié)外科的重要因素。鈷鉻鉬合金作為關(guān)節(jié)假體材料存在很多優(yōu)點(diǎn)，但是鈷鉻鉬合金較差的延展性給加工制造帶來了較大的難度，同時(shí)鈷鉻鉬合金高昂的成本也極大地影響了其應(yīng)用。

為了研究醫(yī)療加工領(lǐng)域刀具成本的影響因素，需要考慮刀具壽命和刀具成本的關(guān)系。刀具壽命是衡量刀具性能的重要指標(biāo)，對(duì)加工零件的產(chǎn)品質(zhì)量非常重要，而且與生產(chǎn)加工效率有密切的關(guān)聯(lián)。刀具成本的管理也是企業(yè)生產(chǎn)管理的重要一環(huán)，如何節(jié)約生產(chǎn)成本，提升加工效率，是企業(yè)生產(chǎn)關(guān)心的根本利益問題。

醫(yī)療加工領(lǐng)域常見加工材料是鈷鉻鉬合金，主要用到的刀具是硬質(zhì)合金刀具，該類型刀具具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度高、任性較好、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)鈷鉻鉬合金材料的加工磨損較快。根據(jù)企業(yè)一線的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，刀具的品質(zhì)和刀具的壽命呈正相關(guān)，而刀具的品質(zhì)直觀反映刀具的價(jià)格，從而影響生產(chǎn)成本。因此以刀具的壽命、價(jià)格、加工毛坯材料的硬度作為研究對(duì)象，建立模型反映相互之間的關(guān)系。

1.1 模型假設(shè)

刀具壽命指的是一把新刀具到報(bào)廢為止所經(jīng)歷的切削時(shí)間，刀具壽命越長(zhǎng)，批量加工的產(chǎn)品數(shù)量越多，刀具壽命越短，批量加工的產(chǎn)品數(shù)量越少，為了建立模型參數(shù)變量，可以將每把刀具加工產(chǎn)品的數(shù)量作為刀具壽命的計(jì)量方式。

醫(yī)療企業(yè)常用的加工刀具為硬質(zhì)合金刀具，由于硬質(zhì)合金刀具生產(chǎn)廠家較多，無法精確區(qū)分不同企業(yè)的刀具的品質(zhì)，因此，以同一家刀具生產(chǎn)企業(yè)的刀具作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，這樣可以有效區(qū)分差異性。同家企業(yè)刀具的品質(zhì)和刀具的價(jià)格成正比，刀具價(jià)格越高，刀具品質(zhì)越好，反之，刀具品質(zhì)越差。因此以刀具的價(jià)格作為刀具品質(zhì)的評(píng)價(jià)方式。

在加工過程中，不同的加工鈷鉻鉬合金材料毛坯件維氏硬度不同，這會(huì)導(dǎo)致刀具壽命差異，因此，以毛坯零件的維氏硬度作為毛坯硬度的評(píng)價(jià)方式。

該文選擇刀具壽命（每把刀具加工產(chǎn)品數(shù)量）作為因變量，刀具品質(zhì)（一定范圍內(nèi)的刀具價(jià)格，價(jià)格越高品質(zhì)越好）作為自變量，毛坯硬度（維氏硬度）作為自變量，建立多元線性回歸模型，，，為回歸系數(shù)，是隨機(jī)干擾項(xiàng)，利用EViews軟件進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并對(duì)模型的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，確定擬合優(yōu)度系數(shù)較高、概率低于0.01的影響因素，建立多元線性回歸模型。

多元線性回歸模型是指在實(shí)際經(jīng)濟(jì)問題中為解決一個(gè)變量受到多個(gè)變量的影響而建立自變量和因變量的函數(shù)干系。可以有效分析刀具壽命因變量受自變量刀具品質(zhì)、自變量毛坯硬度影響的關(guān)系，指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

為了便于模型的建立，作如下假設(shè)：1） 假設(shè)所有的加工零件均在相同加工環(huán)境（室溫），加工設(shè)備（V32-I）、加工參數(shù)（切削速度、切削厚度）的情況下。2） 假設(shè)加工設(shè)備操作人員對(duì)零件加工沒有影響。3）假設(shè)刀具壽命以單位數(shù)量刀具加工的產(chǎn)品數(shù)量來衡量。4）假設(shè)刀具品質(zhì)以刀具價(jià)格來衡量，價(jià)格越高品質(zhì)越好，該模型中的刀具價(jià)格在合理區(qū)間內(nèi)。5）假設(shè)零件的加工性能，僅與零件的硬度相關(guān)（忽略磨蝕性、延展性、加工硬化等其他因素）。該模型中的零件硬度在合理的技術(shù)要求之內(nèi)。

通過選取不同時(shí)期、不同班次的QA數(shù)據(jù)，以表格形式統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。同樣的刀具價(jià)格，由于待加工零件的維氏硬度不同，導(dǎo)致刀具可以有效加工零件的件數(shù)不同。刀具價(jià)格越高，刀具的有效加工零件的件數(shù)越多。同理，待加工零件的維氏硬度越低，刀具的有效加工零件的件數(shù)越多。

表1 QA數(shù)據(jù)

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)建立多元回歸模型，如公式（1）所示。

式中：為刀具壽命；～為偏回歸系數(shù)；為隨機(jī)干擾項(xiàng)。

基于EViews軟件，運(yùn)用普通最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，對(duì)刀具的壽命、刀具價(jià)格、材料硬度進(jìn)行回歸計(jì)算，得到線性回歸結(jié)果，見表2。表2中的T檢驗(yàn)是對(duì)自變量的顯著性檢驗(yàn)，F(xiàn)檢驗(yàn)是對(duì)模型的顯著性檢驗(yàn)。

由表2可知，擬合優(yōu)度系數(shù)=0.960938，檢驗(yàn)值對(duì)應(yīng)的概率為0，表明該模型的擬合程度較高。、的T檢驗(yàn)概率均較小，表明變量、適用于該模型，存在多重共線性的可能較小。根據(jù)表中的回歸方程參數(shù)估計(jì)值可以得到對(duì)、這2個(gè)自變量的線性回歸方程，如式（2）所示。

表2 線性回歸結(jié)果

從回歸方程中可以看到，變量刀具品質(zhì)對(duì)刀具壽命起到正影響，變量毛坯硬度對(duì)刀具壽命起到負(fù)影響。從生產(chǎn)實(shí)際看，在選型正確的前提下，高價(jià)位的刀具品質(zhì)相對(duì)更高，意味著刀具的材質(zhì)和刀具的設(shè)計(jì)更加優(yōu)秀，相應(yīng)的單位加工數(shù)量也應(yīng)該越多，這與定性分析的結(jié)果相一致。毛坯的硬度與鑄造廠商的熱處理工藝相關(guān)，更好的熱處理工藝可以在保證鑄造坯件其他物理性能合格的前提下，達(dá)到一個(gè)較好的硬度范圍，具體實(shí)際加工中發(fā)現(xiàn)，硬度越低，加工性越好，這也與定性分析的結(jié)果相一致。

2 回歸模型的檢驗(yàn)與驗(yàn)證

2.1 回歸模型的檢驗(yàn)

F檢驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3中的結(jié)果可以看出，Prob（F-Statistic）即相伴概率值，由=209.1026，值=0.000000＜0.05，可知此回歸方程拒絕原假設(shè)，即作出2個(gè)自變量整體對(duì)因變量產(chǎn)生顯著線性影響的判斷所犯錯(cuò)誤的概率僅為0.01，回歸方程通過了F檢驗(yàn)。

表3 F檢驗(yàn)參數(shù)表

因?yàn)镕統(tǒng)計(jì)量考量的是所有解釋變量整體的顯著性，所以F檢驗(yàn)通過并不代表每個(gè)解釋變量的值都通過檢驗(yàn)，繼續(xù)進(jìn)行T檢驗(yàn)，見表4。

表4 T檢驗(yàn)表

通過看上面的T檢驗(yàn)表4，可以發(fā)現(xiàn)在顯著性水平=0.05時(shí)，所有，的Prob（收尾概率）小于0.05，通過了顯著性檢驗(yàn)。由于刀具的生產(chǎn)加工過程和坯件的生產(chǎn)加工過程相對(duì)獨(dú)立，因此不難判斷兩個(gè)因素之間幾乎沒有相關(guān)性。

2.2 實(shí)證研究

采用回歸模型對(duì)另外安排的驗(yàn)證試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際壽命與預(yù)測(cè)壽命的對(duì)比檢驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 刀具實(shí)際壽命與模型預(yù)測(cè)壽命對(duì)比

后續(xù)的生產(chǎn)實(shí)際中，隨機(jī)抽取15個(gè)批次的加工過程進(jìn)行試驗(yàn)，均采用了較高品質(zhì)的刀具和較低硬度的坯件，期望平均單把刀具能夠加工70件左右的坯件，這樣就能讓成本和效果處于一個(gè)較平衡的狀態(tài)。

通過實(shí)際驗(yàn)證過程的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較小，準(zhǔn)確度較高，說明多元線性回歸模型的預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

通過多元線性回歸模型的分析，可更深刻地認(rèn)識(shí)刀具壽命與刀具品質(zhì)及坯件硬度的內(nèi)在聯(lián)系，并且通過計(jì)算可能找到最優(yōu)的方案。

刀具壽命是影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵問題，如果能夠大幅度提高刀具壽命，將明顯提高生產(chǎn)效率，同時(shí)因?yàn)闇p少了更換刀具所帶來的調(diào)機(jī)操作，所以大幅度地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。市場(chǎng)刀具平均價(jià)格為400元～500元，如果提升了刀具的層次，采用更昂貴的刀具方案，實(shí)際帶來的刀具壽命提升仍然有限，線性曲線越來越平，相關(guān)性越來越低。

鑄件的加工性與很多因素有關(guān)，由于其生產(chǎn)工藝相對(duì)穩(wěn)定，因此每一爐批次的硬度差異較大，通過分析也證實(shí)了該因素對(duì)刀具壽命的影響十分顯著。

在該理論模型指導(dǎo)下的生產(chǎn)中，被加工材料采用鑄件的硬度控制在350HV左右，即可得到較為經(jīng)濟(jì)的預(yù)期。通過模型分析，找到了最優(yōu)的平衡方案，適當(dāng)提高刀具品質(zhì)，同時(shí)要求鑄件廠家改善回火工藝，控制鑄件硬度在340HV～370HV，能夠產(chǎn)生豐厚的經(jīng)濟(jì)效益，且綜合效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表格中的數(shù)字，刀具的每月費(fèi)用、改進(jìn)刀具預(yù)估每月費(fèi)用，預(yù)估節(jié)省費(fèi)用繪制如圖1所示。

圖1 刀具費(fèi)用明細(xì)（單位：元）

通過使用多元線性回歸模型（1-2）指導(dǎo)生產(chǎn)可以明顯看到加工件數(shù)已經(jīng)比改善前提高了5倍以上，改善前采用的刀具價(jià)格是425元，鑄件硬度采用的是380HV～400HV，可以加工的工件件數(shù)是10～15。采用多元回歸模型以后，選擇單價(jià)是440元的刀具，鑄件硬度采用的是340HV～350 HV，可交零件大于65件，大大提升了企業(yè)生產(chǎn)效益，節(jié)約了加工成本，該結(jié)果也通過了生產(chǎn)一線的驗(yàn)證，并且得到了一線技能員工的一致好評(píng)（表6）。

表6 改進(jìn)前后方案對(duì)比

4 結(jié)語

該文通過建立實(shí)際生產(chǎn)加工中的刀具模型，可以為指導(dǎo)企業(yè)后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃的提供依據(jù)，從而節(jié)約醫(yī)療加工企業(yè)的生產(chǎn)成本?；谠撨^程的研究，后續(xù)可以繼續(xù)優(yōu)化不同的加工方案，針對(duì)不同型號(hào)的刀具、不同材質(zhì)的毛坯計(jì)算定制化的生產(chǎn)加工解決方案，更高效地解決生產(chǎn)加工中的實(shí)際問題。該文為解決刀具加工壽命和企業(yè)生產(chǎn)成本矛盾的問題起到了很好的指導(dǎo)性作用。