基于工業(yè)工程技術的熱處理氮化作業(yè)過程優(yōu)化方案

劉 啟，宋萍萍，羅 嚴，薛世豪，李 恒

基于工業(yè)工程技術的熱處理氮化作業(yè)過程優(yōu)化方案

劉 啟，宋萍萍，羅 嚴，薛世豪，李 恒

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 寶雞 722408）

近年來，全國制造業(yè)不斷發(fā)展，為使精益思想以及工業(yè)工程技術逐漸傳播至各個企業(yè)，文章就HD公司運用工業(yè)工程的改善工具——價值流圖，將作業(yè)過程具象化，從價值流圖中區(qū)分出增值時間與非增值時間，結合精益思想對其熱處理氮化作業(yè)過程進行優(yōu)化改進，同時成立專項改善小組，對熱處理氮化作業(yè)過程進行全程跟進，充分了解氮化作業(yè)完整流程，繪制當前價值流圖，然后組織改善小組成員對當前價值流圖進行評審并尋找改善點，最終實現(xiàn)了企業(yè)的降本增效，體現(xiàn)了工業(yè)工程技術在汽車制造行業(yè)的巨大價值。

工業(yè)工程技術；精益生產；價值流程圖；影像分析；熱處理氮化作業(yè)過程；改善案例；優(yōu)化方案

國內工業(yè)工程起步較晚，目前仍處于發(fā)展階段，各大企業(yè)對工業(yè)工程的應用也不夠成熟，而國外起步早、發(fā)展快，像豐田這類車企的工業(yè)工程應用已經相當成熟。

隨著國內制造業(yè)的迅速發(fā)展，相關領域的學者也開始對生產效率、人機平衡、作業(yè)時間等進行深入研究，張建政[1]對裝配企業(yè)從產線節(jié)拍方面進行了平衡率研究，提高了企業(yè)裝配線的生產節(jié)拍；陳進[2]利用六何分析法原因、對象、地點、時間、人員、方法（Why, What, Where, When, Who, How, 5W+1H）和取消、合并、調整順序、簡化（Eliminate, Combine, Rearrange, Simplify, ECRS）對裝配企業(yè)作業(yè)過程進行了時間研究，減少了工時浪費，提高了企業(yè)生產效率；雷斌[3]針對工位工時進行了作業(yè)飽和度研究，平衡各工序作業(yè)內容，提高了整體生產效率；曹文斌[4]基于智能制造提出了工業(yè)工程人員需掌握的能力，介紹了一些實用的精益改善工具及技能；張偉[5]針對醫(yī)療器械制造的產線平衡率，利用仿真分析進行了深入研究，通過仿真分析提高了產線平衡率；陳子旸[6]也對產線平衡率進行了深入研究，解決了瓶頸工序，提高了產線平衡率。

這些研究均是基于現(xiàn)有一定精益管理基礎的生產線進行的效率研究，均未涉及集群式作業(yè)過程的精益管理推行。本文將運用工業(yè)工程中的改善工具從動作分析、價值分析、人機工程、人員優(yōu)化等方面闡述工業(yè)工程在汽車制造業(yè)中的應用以及集群式作業(yè)如何推行精益管理。

1 理論概述

1.1 工業(yè)工程

工業(yè)工程是從科學管理發(fā)展起來的一門應用性工程專業(yè)技術，也是由人員、物料、設備、能源和信息等組成的集成系統(tǒng)，同時也是進行設計、改善和實施的一門專業(yè)，其綜合運用數(shù)學、物理和社會科學的專業(yè)知識和技術，結合工程分析和設計原理以及方法對該系統(tǒng)所取得的成果進行確認、預測和評價[7]。

1.2 精益生產與工業(yè)工程

精益生產是當前工業(yè)界最佳的一種生產組織體系和方式，也是現(xiàn)代工業(yè)工程發(fā)展的最高級表現(xiàn)，其可以使企業(yè)產品能盡量滿足客戶需求，且通過對各個環(huán)節(jié)與階段采用的一些方法來杜絕一切浪費，精益生產要求企業(yè)通過精益求精不斷改善，精簡生產過程中一切無用流程。

工業(yè)工程是完成精益生產方式的工程基礎，也是精益生產的重要組成部分及方案結果的評價方法。

1.3 工業(yè)工程發(fā)展前景

為了使工業(yè)工程在我國企業(yè)生產中產生更大地作用，首先需要做好傳統(tǒng)工業(yè)工程（Industrial Engineering, IE），傳統(tǒng)IE就是通過時間與動作研究、工廠布置、物料搬運、生產計劃及日程安排等，以提高企業(yè)的勞動生產率，從而達到降本增效的目標。

我國制造業(yè)的管理基礎相較于工業(yè)發(fā)達國家有著一定差距，其工業(yè)工程的應用起步也比較晚，我國的工業(yè)工程基礎相對薄弱。因此，工業(yè)工程正是我國企業(yè)所需要的重要管理技術，通過工業(yè)工程的推行與深入，提高企業(yè)管理基礎，不斷增強企業(yè)的核心競爭力。

可以預見，隨著社會主義市場經濟的發(fā)展，我國必然成為世界制造中心，制造業(yè)在今后很長一段時間都會是國民經濟的重要支柱，這為工業(yè)工程的應用與研究提供了廣闊的發(fā)展前景[8]。

2 實際應用分析

2.1 案例背景

熱處理生產班組長期以來都采用傳統(tǒng)集體作業(yè)模式，作業(yè)過程太過依賴員工的自覺性及其崗位經驗，因此，生產效率及產品質量處于失控狀態(tài)。本次針對熱處理氮化過程，運用精益思想以及工業(yè)工程所涉及的改善工具來進行分析與優(yōu)化。

2.2 問題描述

1）在集群式作業(yè)中，員工作業(yè)過程無標準，作業(yè)過程無工序或崗位之分，人員作業(yè)內容及范圍不清晰，質量、效率沒有保證；2）員工作業(yè)負荷普遍偏低，人員定編無科學依據(jù)；3）員工作業(yè)靠經驗，過程質量無管控措施，存在嚴重質量風險。

2.3 問題分析

2.3.1價值流圖分析

基于整個氮化作業(yè)過程，運用工業(yè)工程的改善工具——價值流圖，將作業(yè)過程具象化，從價值流圖中區(qū)分出增值時間與非增值時間（增值時間：產品在增加著價值的時間，一般來說，制造業(yè)中有效的物理變化或化學變化時間屬于增值時間），應減少非增值時間，使增值比變大，增值比越大說明客戶愿意為其買單的比例越多，意味著制造這個產品的成本越低。

成立專項改善小組，對熱處理氮化作業(yè)過程進行全程跟進，充分了解氮化作業(yè)完整流程，繪制當前價值流圖，然后組織改善小組成員對當前價值流圖進行評審并尋找改善點，根據(jù)評審意見繪制未來價值流圖，最后以未來價值流圖為目標，制定改善方案，從而優(yōu)化作業(yè)過程，如圖1所示。

圖1 墊片加工未來價值流圖

2.3.2影像分析

從價值流圖分析出增值與非增值時間后，運用工業(yè)工程分析工具——影像分析法，首先對作業(yè)過程進行視頻采集，然后針對非增值時間進行分析研究，尋找非增值時間對應的具體動作或具體作業(yè)流程，同時討論優(yōu)化此類動作，減少非增值時間的方案。

改善小組跟進員工作業(yè)過程的同時，也拍攝了其作業(yè)視頻，后期通過影像分析，逐崗位識別員工作業(yè)過程中的勞動強度問題，完成噴砂彎腰、墊片轉運、清洗彎腰等勞動強度優(yōu)化。

2.3.3識別改善點

通過對作業(yè)過程中非增值作業(yè)內容逐項評審以及視頻的細致分析，最后識別出主要改善點14項，其中最主要的4個改善點如下：

1）產品清洗轉運周期長、勞動強度大；2）墊片燒油工序為非增值時間，存在明顯浪費，影響生產效率，經評估可以取消該工序；3）墊片打包工序周期長、人員浪費大，非增值時間太長，經評估導入低成本自動化替代員工進行打包作業(yè)，從而減少非增值時間，還能實現(xiàn)少人化作業(yè)；4）作業(yè)過程無標準，員工勞動強度大且質量和效率無法保障，需制定標準作業(yè)文件規(guī)范，從而規(guī)范員工動作，做到過程管控。

2.4 改善方法

2.4.1動作分析

通過影像動作觀察法，以18種動素為基礎元素對員工作業(yè)過程進行動作分析，然后通過動作經濟原則和ECRS四原則來進行優(yōu)化和改善，最后形成改善方案來矯正員工的作業(yè)動作，使員工動作更簡化、更合理且更高效。

ECRS四原則包括：1）取消：針對非增值活動進行反思，完成了什么動作，產生了什么效果？是否有必要？為什么？能不能取消？2）合并：如果該動作無法取消，則考慮是否跟其他工作合并，從而減少人員浪費；3）調整順序：對不合理的工作順序或工藝流程進行重排，使整個流程簡單順暢；4）簡化：指對工作內容和步驟的簡化，亦指動作的簡化、能量的節(jié)省等。

動作經濟原則包括：1）合理地減少作業(yè)動作數(shù)量，用更少的動作產生更大的價值；2）追求動作平衡，長時工作不易出現(xiàn)疲勞；3）縮短動作移動距離，降低動作等級；4）使動作節(jié)奏輕松自然，減少失誤，提高效率。

了解了以上改善方法，就可以通過5W1H分析尋找工序流程的改善方向，構思新的工作方法，以取代現(xiàn)行的工作方法。運用ECRS四原則可以輔助找到更好的效能和更佳的工序方法。

2.4.2科學管理時間

泰勒于1881年首創(chuàng)時間研究，其主張設法尋求最適宜的工作方法，但其重點仍在規(guī)定每一工作之時間標準，故稱之為時間研究[9]。

工業(yè)工程分析工具——模特（Modapts, MOD）法：在動作分析的基礎上運用MOD法對員工的作業(yè)時間進行研究分析，對照MOD法中的21個基礎動作，將員工的作業(yè)動作劃分等級，根據(jù)每個動作所需要的時間來確定正常時間，最后結合寬放率確定作業(yè)標準時間，即

標準時間=正常時間×（1+寬放率） （1）

式中，標準時間為一名熟練員工在正常操作條件下工作，以合理的勞動強度，按照規(guī)定的方法和質量要求，完成一個符合質量標準的產品的最短時間，即1MOD為0.129 s。

熟練程度指中上水平操作者了解流程，懂得機器操作或工具使用，做某項工作達到2 000次以上；勞動強度指工作允許的強度范圍，如女工搬運重量不超過4.5 kg；規(guī)定方法即操作標準，以及下文講到的作業(yè)指導書的內容；質量標準指能長期保證產品功能及外觀要求的基準；正常操作條件指生產設計應保證員工不要在引起疲勞的情況下工作。

通過對照動作等級表（表1），即MOD法動作匯總，再結合員工的作業(yè)視頻，便可以分析出單一動作所需要的標準時間，從而模擬出整個作業(yè)流程所需的標準作業(yè)時間，這個過程中也可以對待改善的動作及步驟進行優(yōu)化。

例如：員工從平臺上拿起墊片進行測量，然后放回平臺這一套動作，用MOD法分析過程如下：

先拿取墊片至右手，需要伸大臂，動作等級為M4，簡單拿取為手指動作，動作等級為M1，再拿回胸前，收回大臂為M4，用量具測量為手腕動作，等級為M2，目視量具刻度為目視動作E2，有判斷動作為D3，最后放回墊片為M4，簡單放置動作為P0，因此，綜合這個動作的MOD分析式為M4M1M4M2E2D3P0，共用時15MOD，即15×0.129=1.94 s。

也就是說，這一套測量墊片尺寸的動作用MOD法模擬出的標準用時為1.94 s，以此類推，將所有動作進行MOD法分析后便可得出標準作業(yè)時間，同時相對應的標準作業(yè)動作也已經確定，只需要將標準動作固化至文件，便形成了標準作業(yè)指導書。

表1 動作等級表

動作類型 動作等級 基本動作移動動作M1手指動作 M2手腕動作 M3小臂動作 M4大臂動作 M5大臂盡伸直動作 終結動作G0觸摸動作 G1簡單抓取動作 G3復雜抓取動作 P0簡單放置動作 P2需要注意的放置動作 P5需要注意的復雜放置動作 身體及其他動作下肢動作F3腳踏動作 W5步行動作 附加因素L1搬運動作的重量因素 其他動作E2目視動作 R2矯正動作 D3判斷動作 A4施壓動作 C4旋轉動作 B17身體彎曲動作 S30站起來再坐下去的動作

2.4.3低成本智能自動化

低成本智能自動化（Low Cost Intelligent Automation, LCIA）的特征包括，1）裝置簡單、安全可靠，其構造簡單，故障少；2）成本低，投資少，其投資限制能激發(fā)更好地創(chuàng)新；3）柔性強，易維護，其拆裝簡單，更改速度快；4）節(jié)能環(huán)保；5）開發(fā)周期短，內部員工能并快速響應；6）員工參與度高，員工可參與制作，實現(xiàn)自我價值。

本次改善以LCIA的幾大特征為導向，設備技術人員針對墊片分揀過程中的產品整理、計數(shù)、打包等作業(yè)內容設計自動分揀裝置，完全自主設計制造，以極少的投資實現(xiàn)了作業(yè)自動化，解放人工勞動的同時提升了效率。

2.5 解決方案

2.5.1產品清洗改善方案

1）改善前：清洗機在機加工車間，從線體下線到熱處理裝爐，需2次鏟車轉運，清洗過程需4名工人，同時熱處理裝架要天車配合，存在安全隱患，且裝爐人員勞動強度大。

2）改善后：將清洗機搬遷至熱處理車間，并配置液壓升降平臺，清洗過程由熱處理員工實施。

3）改善效果：優(yōu)化后可以減少2次人員搬運，1次鏟車轉運，縮減人員4名，降低員工彎腰幅度，提升產品裝夾安全保障。

2.5.2墊片免燒油改善方案

1）改善前：機加工廠家供應的各類墊片表面均存在防銹油，氮化裝爐（爐子設定溫度為400 ℃，保溫約為4.5 h）前需進行燒油清理，且燒油后表面存在氧化皮，需進行噴砂處理，噴砂約25 min/爐。

2）改善后：取消產品表面防銹油和產品燒油過程，領取產品后直接噴砂，加工時間約15～ 20 min/爐、噴砂約15 min/爐。

3）改善效果：優(yōu)化加工周期8 h/次（其中燒油過程4.5 h，等待降溫過程3.5 h），噴砂加工時間優(yōu)化為10 min/爐，噴砂產能提升至6 100件，產能提升190.4%，節(jié)約時間參與齒圈、差殼清洗。

2.5.3墊片打包自動化

1）改善前：所有墊片打包需要人員進行整理、計數(shù)、碼放、裝箱，人員長期彎腰、勞動強度大，且計數(shù)存在差異。

2）改善后：自主設計自動分揀設備，無需人員進行計數(shù)、整理等。

3）改善效果：取消人員產品整理、計數(shù)、打包等作業(yè)內容，實現(xiàn)產品自動打包，同時優(yōu)化人員4名。

2.5.4勞動強度改善

1）改善前：通過影像分析逐崗位識別員工作業(yè)過程，噴砂機布局不合理，員工移動距離太長，墊片轉運需彎腰搬運，勞動強度大，且上下料需頻繁彎腰蹲起，員工疲勞度過高。

2）改善后：優(yōu)化噴砂機設備布局，縮短員工移動距離，設計工作臺，優(yōu)化員工上下料方式，消除員工彎腰和蹲起動作，降低疲勞度，同時優(yōu)化轉運方式，用轉運小車替換叉車，消除員工彎腰搬運動作，降低勞動強度。

3）改善效果：從移動距離、上下料方式以及轉運方式三方面降低了員工的勞動強度。

2.5.5作業(yè)標準化

工業(yè)工程改善工具——標準化，即對各個崗位的工作制定相應的標準，同時在工作中嚴格按標準執(zhí)行[10]。

經過動作分析及時間研究后確定的最優(yōu)作業(yè)方式必須以文件的形式固化，因此，實行標準作業(yè)來規(guī)范員工作業(yè)過程，實現(xiàn)了集中式作業(yè)過程標準作業(yè)的首次應用，本次作業(yè)標準文件包括《作業(yè)要領書》和《質量檢測要領書》，分別將員工的作業(yè)動作和質量檢測標準化，既固化了員工的作業(yè)動作，又管控了產品的過程質量。

最后完成了作業(yè)過程工序劃分、作業(yè)內容確定、完成作業(yè)測試、加工能力核算、人員組合及定編需求，制定了作業(yè)指導文件，規(guī)范了員工的作業(yè)過程以及作業(yè)現(xiàn)場。

2.6 結果評價

通過精益改善實現(xiàn)了熱處理車間集中式作業(yè)過程標準作業(yè)的首次應用，進一步增強了公司推行精益管理的信心。

1）實現(xiàn)人員作業(yè)范圍劃分，人員定編優(yōu)化；2）制定作業(yè)指導文件，規(guī)范員工的作業(yè)過程以及作業(yè)現(xiàn)場；3）墊片庫存由112萬元降低至70萬，庫存降低37.5%；4）優(yōu)化6名作業(yè)人員，實現(xiàn)降本目的。

3 結語

此次針對熱處理氮化作業(yè)過程的改善，從利用影像分析和價值流圖發(fā)現(xiàn)氮化作業(yè)過程中非增值活動，到利用動作分析、ECRS、低成本自動化等改善工具進行改善，最后到MOD法分析確定標準作業(yè)及時間，完成標準作業(yè)文件的編制，效果較為理想，在公司相關部門的推廣下，讓更多人通過此案例了解到了工業(yè)工程的思想與工具，同時也認識到了工業(yè)工程在企業(yè)中的巨大作用，這也更加堅定了公司將工業(yè)工程及精益思想推行下去的決心。

由上述案例可見，工業(yè)工程是一項收益十分顯著的專業(yè)技術，它的特點就是投入小、收益高、見效快，在很多工業(yè)工程推行初期甚至不需要投入，僅通過工業(yè)工程的一些思維方法以及精益工具去改善就能創(chuàng)造巨大價值。例如本次熱處理作業(yè)過程改善，僅通過操作方法的改進、設備布局的調整、生產流程的優(yōu)化、工作現(xiàn)場秩序的整頓以及作業(yè)文件的標準化就將整個生產的潛力激發(fā)出來，為公司創(chuàng)造了巨大價值。

因此，工業(yè)工程正是我國擴大工業(yè)道路所需要的技術，是適合我國國情的先進技術，企業(yè)通過推行工業(yè)工程，運用工業(yè)工程的各種方法工具，可以更好地改善企業(yè)的生產模式和管理水平，提高競爭性和適應性，從而在競爭如此激烈的環(huán)境中獲得更好的發(fā)展。而隨著更多企業(yè)推行，相信工業(yè)工程一定會在我國各個領域發(fā)揮應有的價值。

[1] 張建政.基于工業(yè)工程的產線效率改善研究[J].價值工程,2020(15):280-284.

[2] 陳進.基于工業(yè)工程的車間現(xiàn)場改善研究[J].新絲路,2020(10):1-15.

[3] 雷斌.工業(yè)工程方法在車身生產線現(xiàn)場改善研究[J].輕型汽車技術,2020(6):57-60.

[4] 曹文彬.智能制造背景下工業(yè)工程專業(yè)課程體系分 析及改善對策[J].中國設備工程,2020(18):230-231.

[5] 張偉.工業(yè)工程分析與改善方法在T企業(yè)的應用研究[D].西安:西安科技大學,2017.

[6] 陳子旸.基于工業(yè)工程的生產線平衡的研究和改善[J].當代化工研究,2019(12):125-126.

[7] 易樹平,郭伏.基礎工業(yè)工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[8] 張吉陽.工業(yè)工程的發(fā)展前景[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2012.

[9] 魏紅美.工業(yè)工程在生產效率方面改善之應用[D].天津:天津大學,2007.

[10] 齊亮.基于精益生產的現(xiàn)場改善方法研究[D].大連:大連理工大學,2006.

Optimization Scheme of Heat Treatment Nitride Operation Process Based on Industrial Engineering Technology

LIU Qi, SONG Pingping, LUO Yan, XUE Shihao, LI Heng

( Shaanxi Hande Axle Company Limited, Baoji 722408, China )

In recent years, with the continuous development of the national manufacturing industry, in order to make the lean thinking and industrial engineering technology gradually spread to various enterprises, this paper describes HD company's application of the improvement tool of industrial engineering—value stream map, to make the operation process concrete, distinguish value-added time and non-value-added time from the value stream map, and optimize and improve its heat treatment nitriding operation process combined with lean thinking. At the same time, a special improvement team is set up to follow up the whole process of heat treatment nitriding operation, fully understand the complete process of nitriding operation, draw the current value stream map, and then organize the members of the improvement team to review the current value stream map and look for improvement points, and finally achieve the cost reduction and efficiency of the enterprise, reflecting the great value of industrial engineering technology in the automobile manufacturing industry.

Industrial engineering technology;Lean production;Value flow diagram; Image analysis;Heat reatment nitride operation process;Improvement case;Optimization scheme

U466

A

1671-7988(2023)10-187-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.038

劉啟（1988—），男，碩士，助理工程師，研究方向為工業(yè)工程技術、精益管理應用，E-mail:liuqi@handeaxle.com。