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精益制造塑造加工单元

2019-02-13 00:00410
        美还是丑?当然得看你怎么看待它了。有些人会说图1中所显示的推车上的物件一点也不好看。上面放了四把去毛刺刀具的纸板脏而简陋。旁边的木架子上面有缺口,且已磨损。悬挂在推车手柄上的电池电源式红色刀具满是脏兮兮的痕迹。
        
        然而,对Brenda Franklin而言,这辆推车连同其内容物都是一些美丽的物件。Franklin女士是一个加工单元的生产专家之一,在这个加工单元中推车在生产航空工业的“尾翼”方面起着关键作用。对她而言,这辆推车代表了一种在将每个加工好的尾翼运到检测工位之前用于清理、去毛刺和搬运的灵活、简单而有效的方式。多亏这辆推车以及加工单元中其他仔细设计的工作站,Franklin女士得以在CNC卧式加工中心(HMC)上加工另外四个工件的空隙,完成四个尾翼的大量手动加工。该单元提供了连续物流过程,让每个尾翼几乎通过了整个生产过程。这正是处于精益制造环境中的单元其关键所在。
         图1. 尽管图中这辆推车看起来
不怎么样,但它却是让去毛刺
和其他零件预备步骤进入(一
个单元中包含各种加工过程的)
连续加工流的一种效率非常高
的方式。
        单元设计方面的科学
        
        该单元位于精密加工和制造厂——一个位于俄克拉荷马州Tulsa市的航空工业机加工厂。它主要为大量波音飞机以及其他生产商用和非商用飞机的航空公司生产精密零件。飞行控制表面也即他们车间所称的尾翼,是在这里加工的比较简单的零件中的一部分。许多其他复杂的铝和钛工件譬如都是在五坐标加工中心上完成的。
        
        该公司从1994年开始首次生产尾翼。在那时,生产的数量非常低,每个月只有456件。针对该合同专门安排了一台机床和一名操作员。但是,1999年,定单数量剧烈上升,在很短的时间内达到每月1600件。在那时,公司对波音旨在帮助其供应商实施精益制造技术的行动一直积极响应。
        
        改善尾翼生产过程是一种应用制造技术的理想机会——“精密”厂人员一直将这种技术作为“精益”思维要转换的协调努力的一部分而采用。2001年,公司举办了一系列加速改善讨论班(AIW),将焦点集中在尾翼生产过程上。TechSolve, 一个基地在辛辛那提的精益制造和加工咨询公司,与来自波音公司的代表们一起,在这期间充当促进员的角色。最显著的成就是在2002年安装了一个由三台机床组成的单元。
        
        公司制造经理之一Joe McWethy说:“我们学到的第一件事是,重心必须放在整个生产过程,即价值链上。精益制造的根本是创建一种可以精确生产客户所需、并在精确需要的时间采用精确的数量进行生产的生产系统。”
        他说精益制造提供了一种创建该系统的方法。McWethy先生说,精益思维使得设计这样一个单元几乎成了一种科学的过程。对于单元中的每个元件,存在一个清晰的原理以及一个可测量的方式来证明每个元件是否实现了自己的目的。
         图2. “精密”厂的加工单元设计强调快速流通
而不是快速加工。
        在这种情况中实施的最重要的精益制造工具之一是价值链图。价值链图是一个找出减少浪费的零件生产方式之图形技术。第一步是捕捉“当前状态”以绘制清晰的图形,找出在现有过程中在什么地方提高了价值——什么地方没有。在这种情况下,当前状态图帮助公司确认了必须处理的具体问题。
        
        ◆尾翼的未来需求将在几个月时间内翻两番。
        ◆手动上料、搬运和去毛刺过程存在严重的安全问题。
        ◆由质量测量显示出低于所需能力水准的过程中的变化。
        ◆各个过程分别发挥功效而无须考虑下游操作的需要。
        ◆未来需求将包含大小尾翼之间混合的更高波动。
        
        然后价值流图形展望“未来状态”,表明生产资源如何可以重新布置以降低浪费。在创建未来状态图时,计划人员展望一个其中所有非机加工过程都在单元内部进行的单元。其目标是基于预先计算的节拍时间来生产尾翼。节拍时间表明,某个零件必须以多高的频率生产以满足客户要求。节拍时间帮助车间确定该单元应该拥有多少机床,必须达到什么样的循环时间,以及为了让所有其他步骤都完成在机床循环过程中应该用多长时间。
        
        这些数字可以表明适合采用多高的自动化(如果有的话)。例如,在可交换式托盘上采用液压夹具是合理的,但是此时安装机器人却不必要。同样,所有的非加工过程都经过仔细审查,以尽量减少没有附加值的活动或运动。然后对这些过程加以适当布置,从而尾翼可以以连续流的方式从一个工序移到另一个工序——也就是无须在不同工序之间对它们进行分批。
        
        该单元的构造
        
        该单元由三台卧式加工中心组成。它生产两种规格的尾翼——大的大约重7.5磅,小的大约为大者重量的1/3,尺寸的1/2。大尾翼在Kiwa KNH400 HMC,小的则在Toyoda FA450 HMC上加工。这两台机床均配备回转式托盘交换器。每个托盘带一个特制夹具,专门针对大、小尾翼,可以让四个尾翼在一个循环中一起加工。第三台机床,另一台Kiwa KNH400,是设置用于加工或大或小尾翼的。采用一个托盘交换器,可以在机床上装上四个托盘中的任何两个(两个用于小尾翼、两个用于大尾翼)。图2显示了该单元的布局。
        在Kiwa 和 Toyoda加工中心之间布置了两个工位。一个工位把用于检测多个关键特征的检查用夹具固定在每个尾翼上,而另一个则用于插入两个衬套。借助检查用夹具台上的个人计算机(PC),可以将检测数据在现场输入。检查用夹具和个人计算机位于转座上,因此位于台板任何一侧的机床操作员都可以方便地用它们。
         图3. 带特制夹具
的托盘可以自动
交换,从而几乎
消除了任何上/下间。
        由本文一开始所描述的丑陋/美丽的推车担当零件输送器,它可以将尾翼从一个工位移到另一个工位,并充当可移动式去毛刺中心的作用。三台机床各有自己的一辆推车。
        
        进入该单元的尾翼为铝铸件。离开单元待发送给客户的是经过加工、去毛刺、清理、检测、阳极氧化处理并装有衬套的尾翼。由一个外部分包商在离开单元的地方完成阳极氧化处理,但是离开单元的尾翼每天以匹配的数量被经过阳极氧化处理的尾翼加以替代,因此阳极氧化工序对单元中零件流和处理时间都是见缝插针式的,对它们不产生任何影响。
        
        目的不在于提高加工速度
        
        一定要注意,单元上的加工循环时间与原来用于生产尾翼的机床上的循环时间没有多大差异。所有生产率方面的提高以及质量的改善都是通过添加新机床并在加工的同时进行所有其他生产工序而实现的。换言之,这些步骤可以以多台机床的循环时间完成(不到半小时)。
        
        然而,托盘上下料也是流水线式的。这里主要的贡献因素是在每个托盘上都具有一套特制夹具。这些夹具包含四个彼此成直角形式垂直安装的板,如图3所示。这些夹具是在公司内部设计制造的。板上的每个开口允许接触到尾翼的两侧,从而每侧的凹槽可以通过一次装夹就铣削好。夹紧是通过液压完成的,提供快速、一致而可重复性工件夹紧。夹具的液压系统设计和安装需要采用VekTek有限公司(Elwood, Kansas)的专有知识,这是一个专门致力于工夹自动化的公司。以前的手动夹紧方式需要采用六方孔扳手转动很多圈,这是一种容易疲劳并且一致性很不好的方式。改善装夹同时还导致加工结果一致性更高。
         图4. Brenda Franklin每次对一
个尾翼进行去毛刺加工,在一
个木架子上翻转零件,以便方
便地接触到两面。通过前后翻
动成组的尾翼,她可以在搬运
量最少的情况下将它们全部处
理好。
        用于其他加工活动的时间也必须压缩。推车就是一个很好的例子。它们被用来将尾翼运往指定加工它们的机床处的托盘上料工位,并在加工好后从机床处运走。由一个简单的木架子以V形槽支撑四个尾翼。
        
        第一个槽中的尾翼始终被从夹具第一个工位中卸下的加工好的尾翼所替代。第二个槽中的尾翼始终被第二个工位中卸下的尾翼替代,依次类推。通过维持这些位置,每次从一个工序往另一个工序移动一个尾翼,尾翼可以顺次保存而无须对它们做标记。以前,需要在每个尾翼从机床上下来时对它们做标记,但是在阳极氧化处理前去掉标记会引起时间的延迟以及质量问题。
        
        当尾翼从卧式加工中心上卸下来时,推车成为一个便携式去毛刺工位。利用V形槽,可以翻转尾翼,从而操作员可以在移到下一个尾翼之前对前一个尾翼的两面去毛刺。一旦取下某把去毛刺刀具,在所有四个尾翼的这个特定工序都完成之前,这把刀具不会放回到推车顶部浅盘中指定给它的开口中。最后,用去油脂剂将尾翼擦干净。依据Franklin女士的经验,她注意到,每步中将所有尾翼翻转一个方向,在下一步中再翻回来,累积起来可以大大节省时间,并且需要的重复运动更少。
        
        从检测工位的布置中也得出了类似的时间和劳动力方面的节省。在检测台上,每个尾翼要经过若干计量和检测过程,然后返回到架子上它原来的插槽,此后再处理下一个尾翼。
        
        在检测后,操作员将推车推到一个箱子处,将尾翼交给阳极氧化处理者,并替换上早先由阳极氧化处理者返回的经过阳极氧化处理的尾翼。进出尾翼的发送(3天一次)是通过协调的,从而零件的流动可以实现无缝性。
        
        然后推车移到衬套插入工位处,此处的活动也已经变成流水线形式。例如,由一个液压压力机替换以前手动将衬套插入到尾翼下侧的机床。在检测了所安装的衬套以及用橡皮图章印制一个独一无二的零件号后,操作员取下成品尾翼交给发货集装箱。空推车再装上新的铸件,并被推到HMC处,其中一个等候操作但已经上料的托盘正在与一个准备好卸料的托盘进行交换。
        
        这种循环一直重复。在高峰生产时,机床单元每天24小时分两班工作,每周工作5天。对附加值和非附加值时间进行的分析如在单元规划过程中编制的当前和未来状态图中所揭示的那样,显示出流过单元的某零件其附加值时间总共为453分钟,以前没有安装该单元时为458分钟。但是,非附加值时间从以前的52.5天降低到了现在的4天。
        
        生产混合的平衡
        
        单元中第三台机床的作用值得注意。因为它可以加工或大或小的尾翼,因此它对单元中的其他两台机床提供了备份,让它们可以停机进行计划(或非计划)的维护而不中断零件流。最重要的是,该机床还帮助平衡了生产组合。
        由于两种规格的尾翼订货量是不同的(大规格的尾翼通常订货量高),第三台机床可以生产出客户所订购的超出其他两台机床产量的组合量。托盘交换装置减少了从一种规格往另一种规格的切换过程。
        
        未来状态
        
        由于精益制造是一种不断进行的、消除生产过程浪费的技术,并且由于“精密”厂非常严肃地对待精益制造,因此该公司已经在展望对尾翼单元进行进一步改善。当前最紧迫的问题是建立在铸件供应商和“精密”厂之间以及“精密”厂与客户之间更好的物料管理工具。
        
        McWethy先生说:“我们当前尚没有真正的牵制体系。”作为证据,他特别提到车间存储了大量铸件库存来协调铸造厂家的生产调度要求而不仅仅是支持该单元要求所需要的小得多的量。
        
        同样,工厂和客户正在研究一种对发货要求提供可视信号的方式。一个建议是提议在客户的设施中安装一个摄像机。该摄像机将与因特网相连,从而“精密”厂可以访问其视频显示,看看多少发货集装箱需要补满产品。通过这种访问,将无须一个星期将该消息发送若干次。
        
        McWethy先生说,预计尾翼订单将最终减少。这一点意味着,要针对尺寸减少的单元开发一个继续满足成本和生产率目标的未来状态图。他说:“我们认为这样将有助于重新将设备以更及时针对订单的方式定位。”减少单元尺寸的远景会突出以精益原理设计单元的好处。
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