精益3P工具应用实践探索

刘晓功

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

中国航空发动机集团公司HCY研究院（以下简称HCY）成立于1956年，隶属于中国航空发动机集团公司，是我国唯一面向航空的综合性材料研究院，也是我国最大的材料工程研究中心之一。为满足国防武器装备对单晶叶片日益增加的需求，2008年，HCY立项为单晶叶片新建1座目标产能为5万件叶片的现代化厂房（A#厂房），于2012年4月封顶。由于国家重点型号先进航空发动机显著增加了对单晶叶片的需求，原规划的目标产能已不能完全满足重点型号任务的需要。此外，新厂房的原工艺布局设计是继承了传统的集群式工艺布局思路，而不是按照产品工艺流程的“流程型布局”，不利于精益生产的开展和生产效益的持续提升。

因此，HCY把A#厂房工艺布局改善和生产流程再梳理作为工作重点，要求结合先进的生产管理方法，以提高单晶叶片产能及质量稳定性、降低制造成本、缩短生产周期为目的，对厂房的布局进行优化设计。

1 改善思路与流程

1.1 改善思路

整个改善流程可分为数据收集、现状分析、方案设计、方案评审和现场施工等5个阶段，如图1所示。

1.2 项目所使用的精益管理工具

在本项目的实施过程中将用到以下工具：PQ分析、产品与工艺流程的矩阵分析、价值流图分析、生产节拍计算、生产准备流程(3P)。

图1 项目改善流程图

2 项目的实施过程

2.1 成立项目团队

本项目召开项目启动会，在启动会上组建了集管理、质量、技术、设备、财务等跨专业跨部门的团队，并决定由HTM研究所牵头整个项目的推进。明确了各部门及各团队人员的职责，安排了具体的工作。

2.2 改善计划

项目实施过程的每个阶段都制定了详细的工作计划。各组人员每天进行汇报，由总负责人汇总项目的进展情况，并组织相关人员对存在的问题立即进行头脑风暴予以解决。

2.3 数据收集

（1）PQ分析。我们用PQ分析工具对HTM研究所承担的近百种产品的需求数量进行统计分析，利用博拉图找出了关键的五种产品，这些产品无论在重要性、附加值和需求量上都应该是首选的关注目标。从PQ分析表（见表1）可以看出，目前A#厂房应具有满足年产至少5万件产品的产能，而且根据发展的需要还应预留出年产20万件的产能空间。

表1 客户需求统计分析表

（2）工艺流程分析。产品的工艺流程是划分产品家族、建设流程型生产单元和设计物流线路的重要依据，对工艺流程进行合理优化是减少浪费、降低成本、缩短生产周期及稳定产品质量的重要途径。我们分别针对上述五种关键产品，梳理出每个工段的生产工艺流程，并细化到各工序工布。我们将工艺流程按照增值与非增值的原则进行优化，划分成主流程和辅流程，所有辅流程都将设计成线外操作。

（3）产品与工艺流程的矩阵分析。不同产品按照生产工艺流程及使用的关键设备进行分类,这样的类别就是产品族。产品族可以用来确定生产线的种类及数量。我们按照各工段的工艺流程对这五种产品划分出产品家族，在制模工段划分为空心铸件家族和实心铸件家族，而在制壳工段划分为定向单晶铸件家族和等轴晶铸件家族。通过以上的分族矩阵可以看出，在制模、制壳工段这五种产品分别都可以被划分为两个家族，所以在这两个工段考虑各建两条生产线。特别应注意的是，定向单晶铸件家族与等轴晶铸件家族的产品因工艺上要求，这两条生产线须采用物理隔离。

（4）生产节拍计算。Takt Time生产节拍又称客户需求周期、产距时间，是指在一定时间长度内，总有效生产时间与客户需求数量的比值，是客户需求一件产品的市场必要时间。节拍平衡是实现流动的必要条件。首先根据产量需求确定生产节拍，然后根据节拍与各工序生产周期的差异分析，确定瓶颈环节的解决方向。然后，收集各工序的加工信息，掌握各个工序在有效时间下的生产能力、工作量大小和人员配置关系等管理资源的配置结构。

按照生产节拍计算公式，考虑到人员休息时间和生产班次，分别计算出每种产品的生产节拍，特别考虑存在合格率比值关系的工序。分别收集每种产品在各工段生产中各工序里每一操作步骤的时间，汇总为该工序的周期时间。把收集到的数据与计算得到的生产节拍相比较，得出工序生产周期与节拍时间的柱状图。

2.4 现状分析

（1）厂房原布局设计分析。在得到产品的需求信息及生产节拍后，随即对A#厂房原布局设计进行分析评估。我们利用A#厂房原工艺布局方案图纸，用精益的思想来找到原设计的问题点。原厂房的工艺布局属于集群式的功能区布局，同种设备及相同的工位分别集中在几个不同的区域里。从各工段物流线路图可以看到上下游工序与工序之间、工位与工位之间相隔的距离较远，移动距离长（见表2），孤岛工位较多，物流路线往复交叉。在制芯和制壳工段，对在原材料上有交叉污染的产品仍然是混线操作，没有进行物理隔离。通过对A#厂房原布局设计图的分析结果显示：一方面，这样的布局无法满足生产节拍的要求，势必会造成产品生产周期长、质量不稳定，影响产品交付。另一方面，集群式的功能区设计使得厂房面积不能合理、充分利用，空间使用率低，没有预留发展空间，而且设备和人员一次性投入量大，将占用大量资金（见表3）。

表2 原厂房物流移动距离

表3 原厂房工艺布局设计各项指标统计

因此，我们必须引入精益生产的理念，运用精益3P工具对A#厂房布局重新设计，使其既能满足生产节拍要求，同时又能降低成本，预留发展空间。

（2）价值流分析。按照做价值流分析的顺序从最后一道工序开始向上游移动，制作当前价值流图，通过价值流分析找出瓶颈点和改善点，绘制未来价值流图。

（3）改善目标。针对原厂房工艺设计的分析出的问题，设定该项目的改善目标：①缩短移动距离；②建立流程型生产单元；③提高设备使用率或减少设备投入；④减少人员投入；⑤为发展预留空间。

2.5 方案设计

（1）生产资源需求分析。根据产品的生产节拍来计算生产该产品所需的生产资源，包括设备、人员、班次等。对于工序柱状图显示的瓶颈工序，用生产周期/生产节拍得到为满足该产品的生产需求而在该工序应提供的设备及人员等生产资源的数量，在生产运行中可通过均衡生产和建立超市等方法平衡节拍。

（2）布局方案设计。厂房的布局必须符合工艺要求，生产流程及物流方向合理，共享设施和厂房的布置协调一致，单位面积产出值高，人机关系和各设备之间配合协调，便于设备安装维修和保养，还要考虑生产线进一步发展以及节能、环保、安全、采光等。实现从材料进厂直至成品出厂的生产过程中，人员、材料、机器、设备能安排在最适宜的位置上，使生产能以最短的流程、最少的操作、最快的周期、最低的成本实现。我们在布局设计时考虑了厂房的几大部分：生产部分，包括各种生产设备和条件配套设备；辅助生产部分，如工装模具与设备检修等；仓库部分，如原材料、半成品、工具存放处；通道部分，包括各种主辅通道；管理部分，如工段办公室、资料室等；生活部分，如休息室、更衣室、盥洗室等。各团队利用厂房平面图和按比例缩小的设备、工装、料架等模板设计出了5～7套实施方案（见图2）。

图2 布局方案图例

2.6 方案评审

（1）平面设计评审。完成平面布局设计后，院战略发展部牵头组织相关专家对各个方案进行点评把关。项目团队汇总各方面的意见和建议对方案进行优化，最后拿出最佳方案。

（2）制作1:1模型。按照精益思想的“三现”原则，利用苯板制作1:1的工装、设备及产品模型，用线棒制作周转车，用胶带做通道线和区域线，画出区域标识，对最优布局方案进行现场模拟。

（3）现场生产模拟。我们按照最佳方案利用各种模型实地进行生产及配送模拟，从而验证设计方案的可靠性，包括设备距离、操作空间、物流通道等方面，并在模拟过程中再度找到进一步的改善点。模拟现场通过操作员的操作展示，讲解员的过程讲解把方案的设计思想和详细的生产流程充分展示给评审专家。

（4）优化后的厂房布局图。在进行厂房的优化设计及现场运行模拟后，经过专家评审形成了优化后的厂房布局图。从新的制芯布局图中可见，改善后制芯区的工艺布局属于流程型布局，将设备和工位按照工艺流程的顺序布置，同时在扫芯区实现了不同工艺产品的物理隔离，避免了交叉污染。制芯区物流配送通道清晰，减少了交叉往复运输，减少了移动的浪费，优化后移动距离为128m。

从新的制模布局图中可见，改善后制模区的工艺布局属于流程型布局，将设备和工位按照工艺流程的顺序布置。改善后的制模区工艺布局使得工序及工位间距离减少，上下游工序连接紧密。建立了一条空心铸件家族的U型生产单元、一条实心铸件家族的直线型生产单元和一条制作浇注系统的直线型生产单元。

从新的制壳布局图中可见在改善后的制壳区建立了定向单晶铸件家族和等轴晶铸件家族两条生产线，实现了物理隔离，避免了两类产品在生产过程中材料的交叉污染，保证了产品的质量稳定。同时，改善后的制壳区工艺布局属于流程型布局，将设备和工位按照工艺流程的顺序布置，移动距离为268m。

从新的后处理工序布局图中可见改善后的后工序工段的工艺布局属于流程型布局，将设备和工位按照工艺流程的顺序布置，移动距离为520m。

2.7 布局施工

按照优化后的厂房布局图， HTM研究所组织施工队伍进行原厂房配套条件的更改和新建，按计划完成了设备的搬迁与安装调试工作。

3 项目成果

3.1 项目显性成果

通过此次精益改善项目，完成了客户对发动机叶片需求的梳理，优化了叶片制造的工艺流程；以生产节拍为依据，以精益理念为指导，A#厂房实现了的整体精益布局，减少移动距离，减少设备和人员的投入，建立流程型生产单元，缩短生产周期，降低成本的目标，为最终实现精益生产奠定了坚实的基础。同时，在保证2013年产能目标的前提下，与原规划相比，厂房面积节省了3551m2（见表4），为提高航空发动机叶片的产能预留出足够的空间，可以满足2020年前先进航空发动机叶片的需求，从而确保了重点型号武器装备的需求保障。

表4 项目改善前后指标对比表

3.2 经济效益

（1）减少设备投入资金=减少设备投入数×单台设备价值：总减少设备投入 117-68=49台；价值约50万的设备5台：5×50=250万；价值约10万的设备10台：10×10=100万；价值约5万的设备18台：18×5=90万；价值约1万的设备16台：16×1=16万；减少设备投入资金=250+100+90+16=456万元。

（2）年减少人员成本=减少人员数×（人均年收入+人均年管理费用）=（150-104）×（4+1.2）=239.2万元。

（3）对未来增加产能可节省的面积费用=节省的厂房面积×厂房建筑成本=（7075-3524）×3500=1242.85万元。

3.3 无形效益

随着项目的推进，近140名员工加入到精益活动中来，建立了查找并消除浪费的意识，增强了凝聚力。提高了生产管理水平和生产技术人员的精益管理水平，为A#厂房实现精益生产奠定基础。目前已把节省下来的、短期未使用的部分作为员工的休息及活动空间，增加了员工幸福指数，提高了士气，为HCY其他生产单位的精益管理积累了经验。

4 结语

通过本项目的实施，我们认识到精益布局的过程，不是简单的设备、工装和人员的搬迁，而是建立在非常缜密的逻辑思维和大量的数据收集基础之上，经过一系列的认证和模拟，最后才能实现理想的目标，取得满意的成果。而且我们还清楚地认识到：实现精益布局仅仅是迈出精益生产的第一步，在实际的科研生产过程中由于众多的产品订单因素和内部管理的原因，可能会导致产能的不平衡性，也同时会带来许多的不确定性。对此，我们要做的是坚持持续精益改善的态度，不断导入更多的精益生产理念和方式，这样才能加大发展步伐，逐步适应市场的瞬息变化。