關(guān)于“制造過程研發(fā)”的新認知

“很多工廠認為：制造過程研發(fā)需要投入大量費用和時間。除非是重要客戶的特殊要求，工廠一般不會主動進行生產(chǎn)過程研發(fā)。但我相信，如果抱著這種理念經(jīng)營工廠，在十年內(nèi)很可能被市場所淘汰。”——ADEX制造技術(shù)公司，技術(shù)與運營總監(jiān)Charles Anthony。
 

目前原材料供應商，機床制造廠，控制器廠商，刀具供應商，冷卻液廠商，夾具制造商和CAM軟件開發(fā)人員正從各個領域?qū)χ圃旖鉀Q方案進行迅速升級和迭代。新的產(chǎn)品或技術(shù)很可能會顯著降低生產(chǎn)成本或提高生產(chǎn)效率。例如使用新型工裝夾具，通過對工藝流程的改善，可以減少裝夾次數(shù)，大幅縮短停機時間。
 

更大挑戰(zhàn)是將制造業(yè)各個環(huán)節(jié)中各種新技術(shù)進行靈活整合。測試研究制造過程中這些新技術(shù)的復合運用，深入優(yōu)化制造工藝，使生產(chǎn)效率的提升達到現(xiàn)有技術(shù)的極致，這個過程被稱為“制造過程研發(fā)”。舉一個簡單的例子：
 

穩(wěn)定負載切削(Constant Chipload Machining)
 

ADEX制造技術(shù)公司(ADEX Machining Technologies)于2007年在美國南卡羅來納州格林維爾成立，該公司的擁有多臺五軸加工中心、立式車削中心，EDM線切割機，CAD / CAM軟件和三坐標測量儀。其重要客戶來自于航空航天、國防、能源等高端行業(yè)。加工的零件材質(zhì)，包括鉻鎳鐵合金(Inconel)、鈦合金、高鎳合金，鈷基合金等高硬材料。ADEX想通過針對制造過程的研發(fā)，實現(xiàn)7天/24小時全天候生產(chǎn)。
 

ADEX公司的制造過程研發(fā)重點是優(yōu)化5軸制造工藝，減少不必要的預設置，減少循環(huán)時間，降低運營成本。其中一個重要因素是控制刀具的均勻磨損。ADEX使用CAM軟件(來自CNCSoftware的Mastercam®CAD / CAM軟件)令刀具磨損情況得到了很大的改善。ADEX是Mastercam動態(tài)加工技術(shù)(Dynamic MotionTM)的早期用戶。動態(tài)加工技術(shù)會根據(jù)坯料的情況，智能調(diào)整刀具運行的軌跡，保證刀具在加工中處于穩(wěn)定負載切削狀態(tài)。
 

在粗加工中，動態(tài)加工技術(shù)在刀具均勻磨損的前提下，令材料去除率最大化。通過單個參數(shù)控制切削速度，根據(jù)刀具制造商的建議值維持合理的刀具負載。使用更小的硬質(zhì)合金刀具，以小于傳統(tǒng)切削方式50%的步進切削。這種加工技術(shù)顛覆了CNC程序員的認知。這項技術(shù)在工廠的運用，幫助ADEX縮短了交貨時間，降低了生產(chǎn)成本。
 

為了最大限度地利用好這一技術(shù)，必須考慮許多不同的因素，包括材料種類，切削條件，切削刀具和冷卻液。ADEX進行了深入的內(nèi)部研究，詳細的測試了這些因素對切削的影響。ADEX還與客戶、刀具供應商，冷卻液供應商和Mastercam的經(jīng)銷商(Barefoot CNC)合作，共同實現(xiàn)動態(tài)切削在車間中的應用。實踐證明此項技術(shù)為公司帶來顯著的競爭優(yōu)勢。

制造過程時間分析
 

機床廠商，刀具供應商和軟件供應商進行相互協(xié)作，利用各個領域中最新的技術(shù)發(fā)展，幫助ADEX在工廠中實現(xiàn)穩(wěn)定負載切削。但Charles意識到：除了這些值得信賴的合作伙伴告訴ADEX最新的技術(shù)，根據(jù)自身實際情況，研究和改進工廠自己的制造流程更為重要。
 

因此，ADEX對生產(chǎn)流程進行了為期18個月的“時間研究分析”(Time Study Analysis)，得出了令人吃驚的結(jié)論：機床處在M01(程序條件暫停)的時間，使ADEX失去了15-50%的可用生產(chǎn)時間。ADEX的業(yè)務范圍包括制造大型及中型精密零件，零件單價從5,000美元到15萬美元不等。ADEX的CNC程序員將M01插入他們的程序指導，要求機床操作員檢查零件和切削刀具以確保一切正常，杜絕廢料的產(chǎn)生。

由于機床操作員會同時負責多臺機床，某臺機床出現(xiàn)條件停止后，在機床操作員趕到這臺機床之前，會停機相當長的時間。當機床操作工到達待機機床之后，可能會花費更多的時間來進行測量和調(diào)整偏移，決定繼續(xù)加工或重新開始加工，確保一切都處于正常狀態(tài)。有時精密的序中檢測需要將零件從機床上取下，移動到三坐標測量儀進行測量，然后將夾具及零件重新在機床上定位。當在處理.0001英寸公差的零件時，這可能成為一個大問題。這些人工干預措施非常耗費時間，同時還可能出現(xiàn)人為錯誤。
 

這些制造時間分析的結(jié)論為ADEX持續(xù)改進計劃中的下一步指明了方向。

以CAM驅(qū)動的在線序中測量
 

這個問題的理想解決方案是使用5軸設備的主軸測頭在制造過程中的特定點測量零件，驗證尺寸是否超出公差，并啟動刀具補償校正，而不會暫停制造過程。這個方法理論可行已經(jīng)多年，但實踐中依然遇到很多問題：需要在CAM軟件之外使用專門的測量程序來創(chuàng)建探測過程，并根據(jù)測量結(jié)果啟動序中控制。這種方法要求CNC程序員精通在線測量或CNC程序員以及測量系統(tǒng)編程人員一起工作來編寫制造過程中的測量程序。這個辦法是可行的，但非常繁瑣而效率低下，并且增加了成本。而工廠的目標是在昂貴的精密零件制造中普遍應用序中測量控制來減少(而不是增加)交貨時間，運營成本和NRE費用(一次性工程費用)。
 

2014年，Mastercam推出了“Productivity+”模塊，允許CAM程序員在Mastercam編程環(huán)境中創(chuàng)建并調(diào)用雷尼紹測頭。大大降低了對測頭進行序中控制編程的難度。 ADEX立即嘗試測頭及“Productivity+”在其制造過程中的使用效果。
 

經(jīng)過為期一年的研發(fā)項目，ADEX開始將新技術(shù)應用于來自航空航天，國防和能源行業(yè)的業(yè)務中。ADEX發(fā)現(xiàn)了序中測量的潛在巨大優(yōu)勢，并將其作為業(yè)務重點。ADEX將Mastercam經(jīng)銷商，BarefootCNC，納入該項目的合作伙伴。他們?yōu)?Productivity+提供了后置處理程序，并獲得了CNC Software總部Mastercam制造實驗室的測試支持，Barefoot還指導了ADEX的CNC程序員和操作員如何使用測頭編程模塊及后處理。

在2015年10月，包含在線測量功能的五軸加工程序以及三臺五軸Mazak機床向ADEX的客戶交出了滿意的答卷。一個案例中，通過自動化序中測量，在加工過程中減少了75%停機時間。ADEX準備在工廠所有的五軸加工中心，三軸銑床及立式車削中心上都采用序中測量技術(shù)，預計在保證產(chǎn)品合格率的同時，可將生產(chǎn)效率提高25%-40%。