基于工业工程技术的热处理氮化作业过程优化方案

刘 启，宋萍萍，罗 严，薛世豪，李 恒

基于工业工程技术的热处理氮化作业过程优化方案

刘 启，宋萍萍，罗 严，薛世豪，李 恒

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 宝鸡 722408）

近年来，全国制造业不断发展，为使精益思想以及工业工程技术逐渐传播至各个企业，文章就HD公司运用工业工程的改善工具——价值流图，将作业过程具象化，从价值流图中区分出增值时间与非增值时间，结合精益思想对其热处理氮化作业过程进行优化改进，同时成立专项改善小组，对热处理氮化作业过程进行全程跟进，充分了解氮化作业完整流程，绘制当前价值流图，然后组织改善小组成员对当前价值流图进行评审并寻找改善点，最终实现了企业的降本增效，体现了工业工程技术在汽车制造行业的巨大价值。

工业工程技术；精益生产；价值流程图；影像分析；热处理氮化作业过程；改善案例；优化方案

国内工业工程起步较晚，目前仍处于发展阶段，各大企业对工业工程的应用也不够成熟，而国外起步早、发展快，像丰田这类车企的工业工程应用已经相当成熟。

随着国内制造业的迅速发展，相关领域的学者也开始对生产效率、人机平衡、作业时间等进行深入研究，张建政[1]对装配企业从产线节拍方面进行了平衡率研究，提高了企业装配线的生产节拍；陈进[2]利用六何分析法原因、对象、地点、时间、人员、方法（Why, What, Where, When, Who, How, 5W+1H）和取消、合并、调整顺序、简化（Eliminate, Combine, Rearrange, Simplify, ECRS）对装配企业作业过程进行了时间研究，减少了工时浪费，提高了企业生产效率；雷斌[3]针对工位工时进行了作业饱和度研究，平衡各工序作业内容，提高了整体生产效率；曹文斌[4]基于智能制造提出了工业工程人员需掌握的能力，介绍了一些实用的精益改善工具及技能；张伟[5]针对医疗器械制造的产线平衡率，利用仿真分析进行了深入研究，通过仿真分析提高了产线平衡率；陈子旸[6]也对产线平衡率进行了深入研究，解决了瓶颈工序，提高了产线平衡率。

这些研究均是基于现有一定精益管理基础的生产线进行的效率研究，均未涉及集群式作业过程的精益管理推行。本文将运用工业工程中的改善工具从动作分析、价值分析、人机工程、人员优化等方面阐述工业工程在汽车制造业中的应用以及集群式作业如何推行精益管理。

1 理论概述

1.1 工业工程

工业工程是从科学管理发展起来的一门应用性工程专业技术，也是由人员、物料、设备、能源和信息等组成的集成系统，同时也是进行设计、改善和实施的一门专业，其综合运用数学、物理和社会科学的专业知识和技术，结合工程分析和设计原理以及方法对该系统所取得的成果进行确认、预测和评价[7]。

1.2 精益生产与工业工程

精益生产是当前工业界最佳的一种生产组织体系和方式，也是现代工业工程发展的最高级表现，其可以使企业产品能尽量满足客户需求，且通过对各个环节与阶段采用的一些方法来杜绝一切浪费，精益生产要求企业通过精益求精不断改善，精简生产过程中一切无用流程。

工业工程是完成精益生产方式的工程基础，也是精益生产的重要组成部分及方案结果的评价方法。

1.3 工业工程发展前景

为了使工业工程在我国企业生产中产生更大地作用，首先需要做好传统工业工程（Industrial Engineering, IE），传统IE就是通过时间与动作研究、工厂布置、物料搬运、生产计划及日程安排等，以提高企业的劳动生产率，从而达到降本增效的目标。

我国制造业的管理基础相较于工业发达国家有着一定差距，其工业工程的应用起步也比较晚，我国的工业工程基础相对薄弱。因此，工业工程正是我国企业所需要的重要管理技术，通过工业工程的推行与深入，提高企业管理基础，不断增强企业的核心竞争力。

可以预见，随着社会主义市场经济的发展，我国必然成为世界制造中心，制造业在今后很长一段时间都会是国民经济的重要支柱，这为工业工程的应用与研究提供了广阔的发展前景[8]。

2 实际应用分析

2.1 案例背景

热处理生产班组长期以来都采用传统集体作业模式，作业过程太过依赖员工的自觉性及其岗位经验，因此，生产效率及产品质量处于失控状态。本次针对热处理氮化过程，运用精益思想以及工业工程所涉及的改善工具来进行分析与优化。

2.2 问题描述

1）在集群式作业中，员工作业过程无标准，作业过程无工序或岗位之分，人员作业内容及范围不清晰，质量、效率没有保证；2）员工作业负荷普遍偏低，人员定编无科学依据；3）员工作业靠经验，过程质量无管控措施，存在严重质量风险。

2.3 问题分析

2.3.1价值流图分析

基于整个氮化作业过程，运用工业工程的改善工具——价值流图，将作业过程具象化，从价值流图中区分出增值时间与非增值时间（增值时间：产品在增加着价值的时间，一般来说，制造业中有效的物理变化或化学变化时间属于增值时间），应减少非增值时间，使增值比变大，增值比越大说明客户愿意为其买单的比例越多，意味着制造这个产品的成本越低。

成立专项改善小组，对热处理氮化作业过程进行全程跟进，充分了解氮化作业完整流程，绘制当前价值流图，然后组织改善小组成员对当前价值流图进行评审并寻找改善点，根据评审意见绘制未来价值流图，最后以未来价值流图为目标，制定改善方案，从而优化作业过程，如图1所示。

图1 垫片加工未来价值流图

2.3.2影像分析

从价值流图分析出增值与非增值时间后，运用工业工程分析工具——影像分析法，首先对作业过程进行视频采集，然后针对非增值时间进行分析研究，寻找非增值时间对应的具体动作或具体作业流程，同时讨论优化此类动作，减少非增值时间的方案。

改善小组跟进员工作业过程的同时，也拍摄了其作业视频，后期通过影像分析，逐岗位识别员工作业过程中的劳动强度问题，完成喷砂弯腰、垫片转运、清洗弯腰等劳动强度优化。

2.3.3识别改善点

通过对作业过程中非增值作业内容逐项评审以及视频的细致分析，最后识别出主要改善点14项，其中最主要的4个改善点如下：

1）产品清洗转运周期长、劳动强度大；2）垫片烧油工序为非增值时间，存在明显浪费，影响生产效率，经评估可以取消该工序；3）垫片打包工序周期长、人员浪费大，非增值时间太长，经评估导入低成本自动化替代员工进行打包作业，从而减少非增值时间，还能实现少人化作业；4）作业过程无标准，员工劳动强度大且质量和效率无法保障，需制定标准作业文件规范，从而规范员工动作，做到过程管控。

2.4 改善方法

2.4.1动作分析

通过影像动作观察法，以18种动素为基础元素对员工作业过程进行动作分析，然后通过动作经济原则和ECRS四原则来进行优化和改善，最后形成改善方案来矫正员工的作业动作，使员工动作更简化、更合理且更高效。

ECRS四原则包括：1）取消：针对非增值活动进行反思，完成了什么动作，产生了什么效果？是否有必要？为什么？能不能取消？2）合并：如果该动作无法取消，则考虑是否跟其他工作合并，从而减少人员浪费；3）调整顺序：对不合理的工作顺序或工艺流程进行重排，使整个流程简单顺畅；4）简化：指对工作内容和步骤的简化，亦指动作的简化、能量的节省等。

动作经济原则包括：1）合理地减少作业动作数量，用更少的动作产生更大的价值；2）追求动作平衡，长时工作不易出现疲劳；3）缩短动作移动距离，降低动作等级；4）使动作节奏轻松自然，减少失误，提高效率。

了解了以上改善方法，就可以通过5W1H分析寻找工序流程的改善方向，构思新的工作方法，以取代现行的工作方法。运用ECRS四原则可以辅助找到更好的效能和更佳的工序方法。

2.4.2科学管理时间

泰勒于1881年首创时间研究，其主张设法寻求最适宜的工作方法，但其重点仍在规定每一工作之时间标准，故称之为时间研究[9]。

工业工程分析工具——模特（Modapts, MOD）法：在动作分析的基础上运用MOD法对员工的作业时间进行研究分析，对照MOD法中的21个基础动作，将员工的作业动作划分等级，根据每个动作所需要的时间来确定正常时间，最后结合宽放率确定作业标准时间，即

标准时间=正常时间×（1+宽放率） （1）

式中，标准时间为一名熟练员工在正常操作条件下工作，以合理的劳动强度，按照规定的方法和质量要求，完成一个符合质量标准的产品的最短时间，即1MOD为0.129 s。

熟练程度指中上水平操作者了解流程，懂得机器操作或工具使用，做某项工作达到2 000次以上；劳动强度指工作允许的强度范围，如女工搬运重量不超过4.5 kg；规定方法即操作标准，以及下文讲到的作业指导书的内容；质量标准指能长期保证产品功能及外观要求的基准；正常操作条件指生产设计应保证员工不要在引起疲劳的情况下工作。

通过对照动作等级表（表1），即MOD法动作汇总，再结合员工的作业视频，便可以分析出单一动作所需要的标准时间，从而模拟出整个作业流程所需的标准作业时间，这个过程中也可以对待改善的动作及步骤进行优化。

例如：员工从平台上拿起垫片进行测量，然后放回平台这一套动作，用MOD法分析过程如下：

先拿取垫片至右手，需要伸大臂，动作等级为M4，简单拿取为手指动作，动作等级为M1，再拿回胸前，收回大臂为M4，用量具测量为手腕动作，等级为M2，目视量具刻度为目视动作E2，有判断动作为D3，最后放回垫片为M4，简单放置动作为P0，因此，综合这个动作的MOD分析式为M4M1M4M2E2D3P0，共用时15MOD，即15×0.129=1.94 s。

也就是说，这一套测量垫片尺寸的动作用MOD法模拟出的标准用时为1.94 s，以此类推，将所有动作进行MOD法分析后便可得出标准作业时间，同时相对应的标准作业动作也已经确定，只需要将标准动作固化至文件，便形成了标准作业指导书。

表1 动作等级表

动作类型 动作等级 基本动作移动动作M1手指动作 M2手腕动作 M3小臂动作 M4大臂动作 M5大臂尽伸直动作 终结动作G0触摸动作 G1简单抓取动作 G3复杂抓取动作 P0简单放置动作 P2需要注意的放置动作 P5需要注意的复杂放置动作 身体及其他动作下肢动作F3脚踏动作 W5步行动作 附加因素L1搬运动作的重量因素 其他动作E2目视动作 R2矫正动作 D3判断动作 A4施压动作 C4旋转动作 B17身体弯曲动作 S30站起来再坐下去的动作

2.4.3低成本智能自动化

低成本智能自动化（Low Cost Intelligent Automation, LCIA）的特征包括，1）装置简单、安全可靠，其构造简单，故障少；2）成本低，投资少，其投资限制能激发更好地创新；3）柔性强，易维护，其拆装简单，更改速度快；4）节能环保；5）开发周期短，内部员工能并快速响应；6）员工参与度高，员工可参与制作，实现自我价值。

本次改善以LCIA的几大特征为导向，设备技术人员针对垫片分拣过程中的产品整理、计数、打包等作业内容设计自动分拣装置，完全自主设计制造，以极少的投资实现了作业自动化，解放人工劳动的同时提升了效率。

2.5 解决方案

2.5.1产品清洗改善方案

1）改善前：清洗机在机加工车间，从线体下线到热处理装炉，需2次铲车转运，清洗过程需4名工人，同时热处理装架要天车配合，存在安全隐患，且装炉人员劳动强度大。

2）改善后：将清洗机搬迁至热处理车间，并配置液压升降平台，清洗过程由热处理员工实施。

3）改善效果：优化后可以减少2次人员搬运，1次铲车转运，缩减人员4名，降低员工弯腰幅度，提升产品装夹安全保障。

2.5.2垫片免烧油改善方案

1）改善前：机加工厂家供应的各类垫片表面均存在防锈油，氮化装炉（炉子设定温度为400 ℃，保温约为4.5 h）前需进行烧油清理，且烧油后表面存在氧化皮，需进行喷砂处理，喷砂约25 min/炉。

2）改善后：取消产品表面防锈油和产品烧油过程，领取产品后直接喷砂，加工时间约15～ 20 min/炉、喷砂约15 min/炉。

3）改善效果：优化加工周期8 h/次（其中烧油过程4.5 h，等待降温过程3.5 h），喷砂加工时间优化为10 min/炉，喷砂产能提升至6 100件，产能提升190.4%，节约时间参与齿圈、差壳清洗。

2.5.3垫片打包自动化

1）改善前：所有垫片打包需要人员进行整理、计数、码放、装箱，人员长期弯腰、劳动强度大，且计数存在差异。

2）改善后：自主设计自动分拣设备，无需人员进行计数、整理等。

3）改善效果：取消人员产品整理、计数、打包等作业内容，实现产品自动打包，同时优化人员4名。

2.5.4劳动强度改善

1）改善前：通过影像分析逐岗位识别员工作业过程，喷砂机布局不合理，员工移动距离太长，垫片转运需弯腰搬运，劳动强度大，且上下料需频繁弯腰蹲起，员工疲劳度过高。

2）改善后：优化喷砂机设备布局，缩短员工移动距离，设计工作台，优化员工上下料方式，消除员工弯腰和蹲起动作，降低疲劳度，同时优化转运方式，用转运小车替换叉车，消除员工弯腰搬运动作，降低劳动强度。

3）改善效果：从移动距离、上下料方式以及转运方式三方面降低了员工的劳动强度。

2.5.5作业标准化

工业工程改善工具——标准化，即对各个岗位的工作制定相应的标准，同时在工作中严格按标准执行[10]。

经过动作分析及时间研究后确定的最优作业方式必须以文件的形式固化，因此，实行标准作业来规范员工作业过程，实现了集中式作业过程标准作业的首次应用，本次作业标准文件包括《作业要领书》和《质量检测要领书》，分别将员工的作业动作和质量检测标准化，既固化了员工的作业动作，又管控了产品的过程质量。

最后完成了作业过程工序划分、作业内容确定、完成作业测试、加工能力核算、人员组合及定编需求，制定了作业指导文件，规范了员工的作业过程以及作业现场。

2.6 结果评价

通过精益改善实现了热处理车间集中式作业过程标准作业的首次应用，进一步增强了公司推行精益管理的信心。

1）实现人员作业范围划分，人员定编优化；2）制定作业指导文件，规范员工的作业过程以及作业现场；3）垫片库存由112万元降低至70万，库存降低37.5%；4）优化6名作业人员，实现降本目的。

3 结语

此次针对热处理氮化作业过程的改善，从利用影像分析和价值流图发现氮化作业过程中非增值活动，到利用动作分析、ECRS、低成本自动化等改善工具进行改善，最后到MOD法分析确定标准作业及时间，完成标准作业文件的编制，效果较为理想，在公司相关部门的推广下，让更多人通过此案例了解到了工业工程的思想与工具，同时也认识到了工业工程在企业中的巨大作用，这也更加坚定了公司将工业工程及精益思想推行下去的决心。

由上述案例可见，工业工程是一项收益十分显著的专业技术，它的特点就是投入小、收益高、见效快，在很多工业工程推行初期甚至不需要投入，仅通过工业工程的一些思维方法以及精益工具去改善就能创造巨大价值。例如本次热处理作业过程改善，仅通过操作方法的改进、设备布局的调整、生产流程的优化、工作现场秩序的整顿以及作业文件的标准化就将整个生产的潜力激发出来，为公司创造了巨大价值。

因此，工业工程正是我国扩大工业道路所需要的技术，是适合我国国情的先进技术，企业通过推行工业工程，运用工业工程的各种方法工具，可以更好地改善企业的生产模式和管理水平，提高竞争性和适应性，从而在竞争如此激烈的环境中获得更好的发展。而随着更多企业推行，相信工业工程一定会在我国各个领域发挥应有的价值。

[1] 张建政.基于工业工程的产线效率改善研究[J].价值工程,2020(15):280-284.

[2] 陈进.基于工业工程的车间现场改善研究[J].新丝路,2020(10):1-15.

[3] 雷斌.工业工程方法在车身生产线现场改善研究[J].轻型汽车技术,2020(6):57-60.

[4] 曹文彬.智能制造背景下工业工程专业课程体系分 析及改善对策[J].中国设备工程,2020(18):230-231.

[5] 张伟.工业工程分析与改善方法在T企业的应用研究[D].西安:西安科技大学,2017.

[6] 陈子旸.基于工业工程的生产线平衡的研究和改善[J].当代化工研究,2019(12):125-126.

[7] 易树平,郭伏.基础工业工程[M].北京:机械工业出版社,2014.

[8] 张吉阳.工业工程的发展前景[D].沈阳:沈阳航空航天大学,2012.

[9] 魏红美.工业工程在生产效率方面改善之应用[D].天津:天津大学,2007.

[10] 齐亮.基于精益生产的现场改善方法研究[D].大连:大连理工大学,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

刘启（1988—），男，硕士，助理工程师，研究方向为工业工程技术、精益管理应用，E-mail:liuqi@handeaxle.com。