如何通过优化生产扩大规模

这是夹具侠（jiajoin）发布的第 1497 篇技术文章

图1

计算机的软件功能可以帮助这家加工车间有效地处理不同批量的工件，特别是在白班结束以后为无人化生产所做的准备工作。

如果您的一个大客户希望大幅度地提高他的需求量，那么您该怎么办？也许对您来说碰到这种问题是一件好事，但它仍然是一个问题。本文介绍的是一个小型加工车间，它需要继续发展，但目前还没有准备购置新的机床。该车间希望在其特创性和现有设备的基础上寻求和发挥更大的加工潜力。于是，他们设法将过去的一台立式加工中心改造成一套可进行无人化作业的柔性自动化生产中心。

为了使一个加工车间“兴旺发达”，需要的不仅仅是一个车间，需要的更是一部分客户。

Georgia州Winder市的G&G Precision公司就是一个很好的例子。对其最大的客户而言，这家加工承包商看起来并不足是一个加工车间。相反，这个客户——一家脊椎植入元件制造商，将G&G公司看作其产品研究和开发的合作伙伴。

在开始那段时间里，有几个月的业务还算很不错。可惜好景不长，美梦逐一破灭。有很多人开始怀疑：该车间是否已经永远不能取得成功了？Griffith先生说：“该车间确实已经处于两难的境地了。”

然而，这家脊椎植入件客户改变了他们的困境。Griffith先生的一位朋友来到了这家公司工作。于是，该车间将其现有的加工能力和专业技术结合起来为这个客户提供了服务。这样，G&G公司逐渐地与该客户建立了稳定的关系，为获取稳定的经济收益奠定了稳定的基础。

获取这份可靠的收益对该公司来讲具有特别重要的意义。看到稳定的资金流通使车间能够正常运作，给这个车间的两位老板就如何经营加工业务这个话题上了重要的一课。确实，使车间“兴旺发达”的关键可能不只是将自己作为一个加工车间。对于一个“年青”的车间而言，单是为了生存，它至少需要有一个可以预见的和可持续发展的收入来源。

该车间的老板们表示，仅仅是寻找新业务是徒劳无益的，还需要充分体现时间的价值，提高对加工的重视度，特别是老板自己的时间观和重视程度。

相反，车间恢复加工生产就必须要提高其生产效率。事实上，采用成功的管理和经营手段，提高生产效率是完全有可能的。

今天，G&G公司开始完全朝着这样的方向发展了。客户的加工需求量正在不断上升，不久以后，需求量还将进一步增加。不过，这个结果也使G&G公司处于另一种两难的境地。如果该车间不能满足该客户的需求，那么就会产生某种风险，影响到他们与客户的关系，保持这种关系对该车间而言是十分必要的。然而，如果为了达到客户期望的水平，车间就需要增加投资，添置新的加工设备，但是万一这个客户改变了计划，缩减生产量或不能按目前提出的建议和预测速度增加其需求量，那么该车间就会遇到很大的风险，其加工设备如果不能得到充分的利用，就会影响其投资费用的回收。

当然，新设备将会进入到这个车间，G&G公司将会继续发展。然而，车间目前必须采取具有创造性的解决方案。它下一步的发展计划不是依靠扩大规模来提高生产能力，而是优化其生产能力，也就是说必须发挥其独创性，更好地使用其现有的资源。

为了使这些零件成为更好的无灯光和无人化生产的候选件，该车间意识到它必须改变生产工艺，使其更加灵活地适应小批量生产。实际上，一台基本型和易于接近的立式加工中心已经成为了该车间精密、灵活和无人化加工的可靠生产资源。该车间原先在购置这台机床时，只是将它用于加工一些带角度的斜孔。

Gombar父子为了使这台机床能够达到这种生产水平，做出了许多努力。Gombar Sr.先生创制了硬件，设计和制作了分度夹具，使该机床能够在一次性调试装卡中完成脊椎板多个零件和多道工序的加工。这个夹具采用水平夹持的方式，可以夹紧特定数量的零件，并且能够在每次夹具定位的过程中迅速自动地更换零件。

现在，Gombar Jr.先生希望采用这种夹具系统来解决与编程相关的问题，使其达到更高的自动化水平。对该车间而言，如果利用相当多的白天的工作时间准备无人化作业指令，那么无人化加工只能获得很小的利益。为了避免这种负面影响，Gombar Jr.先生开始应用探针检测和CAD/CAM技术，使这个加工中心和车间内其他的机床能迅速、有效地进行调试和设置，以便在正常的白班工作以后，根据车间所需的工件和数量在晚间进行加工生产。

图2

Griffith先生（上图）正在使用自己开发的机械装置组装脊椎板，通过加工中心的玻璃窗可以看到Gombar Jr.先生，在机床附近工作的是编程员Joey Chumbler先生

一、接触才能了解

能够进行带角度加工的是一台VF-1型加工中心，来自于Haas Automation公司，该公司也制造机床的分度装置。

机床在加工由钛金属6-4制成的脊椎板工件时，采用了更为复杂的操作。脊椎板是一个带曲面的支架，这种椎板应与脊椎受损病人的脊柱外形相吻合，将两个或三个软脊椎盘连接在一起，使病人的脊柱能灵活运动。脊椎板将脊椎与邻近受损的脊椎盘紧固在一起，使脊椎盘保持紧固不动，确保病人安全，防止脊椎再度受损，并起到止疼的作用。

目前，至少有30种不同型式的脊椎板在该车间加工，每一种型式具有不同的曲面。曲面的不同会影响加工的角度，特别是穿插固定螺丝的孔径。起初，该车间试图采用正弦板，以确保刚性。由于涉及到调试设置的时间问题，车间很快就放弃了这个方法。此后发现，采用带有旋转分度台的VMC立式加工中心是一种最有发展潜力、最简单，而且具有最好成本效益的解决方案。采用水平式夹具夹紧工件，由分度盘将其固定到所需的角度，以满足每一工位加工特性的需要。

夹具在其周围的各个平面上设计了许多工位，这主要是因为需要加工的脊椎板类型很多。零件号用代码方式打印在夹具周围的各个平面上。这说明分度盘的位置是根据打印的代码编程。因此，每一个NC数控程序将包括特殊的A轴位置，分度盘需旋转到这个位置，才能找到那个需要加工的工件。只有当这个带有代码的数值变成一个变量时，才有可能真正实现灵活的加工工艺。这就是说，由于这种思想上的变化，使车间走出了最重要的一步，并使其达到了新的加工能力。

事实上，Gombar Sr.先生似乎已经预料到了这件事。夹具的各个平面可以根据不同形式的工件进行互换。不同的零件号码可以重新编号定位，甚至可以在加工过程中分派到各个夹持平面，只要程序能识别每个零件的所在位置即可。Gombar Jr.先生深知如何达到这一目的：即只要采用加工中心上的主轴，以及安装在上面的探针，使其接触到每一个调试设置的工位上，就可以识别每个零件的所在位置。

为了夹持探针，他在每个零件号的夹具上增加了一个小孔，每个孔的大小不同。因此，孔径的大小可以与NC数控程序相匹配。这样做的结果是，加工中心的CNC系统不需要知道所生产的是什么零件，即使分度盘旋转到下一个需要加工的零件。相反，机床会自动地测量参考孔的直径，保证在控制系统中安装相应的正确的程序。

分度盘的刚性一直不存在任何问题。在最后，工艺可能比较灵活，但分度盘不是很灵活。车间最初比较关心的是使用一个在一端支持的夹具，从分度盘向外延伸，事实证明没有发生影响工件精度的偏置情况。实际上，分度盘上的调试设置证明了其具有很高的刚性，如果在现有夹具的自由端再增加另一个同样的夹具，可使无人化加工能力提高一倍，甚至可以使工件延伸得更远。这样做可以使VMC立式加工中心能够进行无人化加工的批量生产，该VMC机床利用其CAD/CAM特性，快速地确定一个适合于车间所需的精确批量加工程序。

图3

G&G公司帮助客户开发了最新的脊椎板设计图形，采用8字形护板，紧固性好，手术后不会松动

二、重要的变量因素

在进行无人化加工操作时，刀具的品牌是一个非常重要的变量因素。

刀具的使用寿命对无人化加工起着非常关键的作用。Griffith先生和Gombar先生都强调了这点。无人化生产工艺要求刀具具有较长的使用寿命。这样，机床有限的刀具位置不需要配备太多的刀具。更重要的是，生产工艺需要预先知道刀具的使用寿命。这样，加工车间就可以知道一把特定的刀具可以加工多少个零件。Gombar先生说：“不同的刀具在不同的应用领域，其加工性能也是不同的，当你发现一把刀具在生产工艺中显示出了这些优点时，那么你就不应该更换刀具。”

他通过经验学到了这些知识。一把球端立铣刀能够可靠地铣削加工脊椎板零件的弧形端面，刀具的使用寿命达75h。这种特殊的刀具由Niagara Cutter刀具公司提供。由另一家供货商提供的另一种刀具似乎可以与这种刀具互换。但实际上，刀具的寿命变化很大，有时候有的刀具不到2h就磨损了。

Gombar先生说：“对于无人化生产工艺而言，找到合适的刀具像找到刀具的合适速度或进给率一样重要。刀具的品牌是各不相同的，品牌本身是一个变量，如果无人化生产工艺能够保持稳定不变，那么刀具的品牌也应保持不变。

图4

适合于4轴加工的工件分度夹具将成为实现高度自动化加工的基础，使用它可在一夜之内完成脊椎板工件的加工任务

三、夹具的弯曲性能

Haas加工中心上的角形铣削和钻削功能用于脊椎板的第二次加工。第一次加工（第一次调试装卡）主要是加工脊椎板上的简单平面，不需要采用角形铣削。这项工作是在两台老式的加工中心上完成的，这两台机床是在车间开业时购置的。

相比较而言，脊椎板较小，而这些加工中心的工作区较大。车间可以很容易地按照40件的零件，安排单批量、长时间的无人化作业。车间拥有自己开发的高密度夹具，将所有这类工件紧密地夹持在机床的工作台上。然而，一般来说，日常加工运行的批量并没有这么大。也许需要运行加工的只有5~6个零件，无论白班还是夜班。处于这种运行状态时，夹具上的大部分工位是空置的。因此，为40个工件批量加工而设计的NC程序，大部分将处于非切削加工状态。

Gombar Jr.先生说：“车间CAD/CAM软件的特点对适应批量变化生产是至关重要的，NC数控程序本身并不需要变化。Delcam公司的FeatureCAM软件的‘多功能夹具’的特点，使车间能够适应已知零件的批量生产变化，不需要增加编程时间。编程人员在编制零件程序时，似乎只有一个零件在运行加工，然后以独立步骤的形式，设计多个零件的夹具布局。软件会把这种布局当作一个独立的文件处理。可以对同一部件的多个元件进行分组或以这种方法对多个零件的号码进行分组。然后按照特定时间夹具中实际夹持的零件数确定加工周期，编程人员只需用鼠标点击每个夹具的位置，标出该位置‘包括在计划内’或‘排除在计划外’即可。该结果允许软件产生一个多工件的NC数控程序，用来反映车间需要加工的特定工件。

同一特性也可通过A轴分度，加速在加工中心上的调试设置，并根据实际使用的夹具位置数确定加工时间。这里唯一不同的是，无需识别CAM软件中的零件号。所有的零件都将编入到CAM程序之中，当通过探针检测其孔径，识别每一个零件以后，机床本身会选择一套适合的刀具路径。

图5

以更加有效和更加自动化的方式加工脊椎板，会给车间留出更多时间去寻求新的业务，这常常是指承接困难和异形工件的加工

四、切削加工以后

任何零件在切削加工之前，都会进行与无人化批量生产的快速编程和零件程序自动匹配相关的考虑，这关系到自动化加工周期的前段。Gombar Jr.先生指出：“对车间真正有效的无人化操作工艺，应该能够自动地执行这个步骤。除了要求准时地用手工执行这个步骤外，它为人们在进行测量和记录测量值时所造成的人为误差留下了一定的余地。”

他也将加工中心的探针看作是执行这个步骤的关键。探针所获得的关键特性测量值，对于确认零件是否正确加工已经足够了。也就是说，当没有人在现场确定所存在的问题时，不允许刀具的断裂、磨损或夹具的故障造成零件的错误加工。

然而，这个信息需要储存起来。车间正在考虑应用数据库选件，当其通过DNC从机床的控制系统中获得报告时，就会记录和组织数据。例如，一个产品数据管理（PDM）的软件位置可以捕捉到所有被加工脊椎板的检验数据。一些较大的单位和供应链普遍使用了这种软件，其数据库可以储存加工车间想要指定的所有生产的历史信息，包括零件加工使用的NC数控程序，以及车间发送的电子邮件或接收与特殊零件号相关的修改信息。

换句话说，通过对加工工艺的进一步自动化，具有医疗工业加工特点的要求可能会成为一个不可接触，甚至无法看见的工艺部分。

因此，这项工作可能会出现这样的情况：转了一圈又回到原地。现在，围绕这些工件设计一项更为有效的工艺，以及为生产这些工件所做出的努力将要比预计的少得多。

- End -

出品 |夹具侠