田東縉,宋文
中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司六〇分廠 陜西西安 710077
隨著數(shù)控技術的廣泛應用,為了更好地保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量和精度,航空企業(yè)大量引進數(shù)控設備,來保證產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性和可靠性。為了充分釋放數(shù)控設備高效加工的特性,各制造企業(yè)都在研究如何提升數(shù)控設備的產(chǎn)出效率。
航空燃油加力泵中的箱體類零件具有形狀復雜、加工周期長等特點,隨著型號任務的增加,其產(chǎn)值占比越來越高。為了避免丟失訂單,我分廠不斷提高數(shù)控設備加工效率,以保證產(chǎn)品加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性,降低內(nèi)部損失和縮短機內(nèi)加工時間,確保數(shù)控設備的產(chǎn)出率持續(xù)增長,滿足客戶日益增長的需求。
統(tǒng)計箱體零件加工的重點設備DMU60P、DMU80P連續(xù)20個工作日316h的日常工作數(shù)據(jù),通過觀察與工作數(shù)據(jù)同步的視頻,分析停機中的1160條信息,發(fā)現(xiàn)影響設備停頓的時間共189.8h,其中停機損失包括換型、測量、生產(chǎn)準備和設備故障等,占總停機損失的60.1%;速度損失包括打點檢查毛坯、測量、吹鋁屑、倒壓板和程序運行等,占停機損失的28.3%;計劃內(nèi)停機包括保養(yǎng)、交接班和開會生產(chǎn)安排等,占整個停機損失的11.5%。設備停機損失具體數(shù)據(jù)見表1,設備停機損失分析如圖1所示。
圖1 設備停機損失分析柏拉圖
表1 設備停機損失具體數(shù)據(jù)
通過以上分析,可知要想提高數(shù)控設備的綜合效率,首先必須減少設備的停機時間,其次還需提高主軸的有效使用時間和零件加工時的切削效率,并同時保證產(chǎn)品的合格率,具體實施的方法主要有以下幾個方面 。
(1)減少設備非計劃停機等待時間 箱體類零件具有工序多、加工周期長的特點,復雜箱體的加工工序都在200道以上,加工時,經(jīng)常會出現(xiàn)工序之間相互干涉而需要停機等待的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象,必須對生產(chǎn)計劃不斷地細化。為此,根據(jù)現(xiàn)場的加工狀態(tài),每個星期以班組的形式,提前3天核對和調(diào)整生產(chǎn)任務,周計劃安排流程如圖2所示。利用此方法,可以實時細化生產(chǎn)計劃,有效減少非計劃停機現(xiàn)象的發(fā)生。
圖2 周計劃安排流程
(2)減少設備故障導致的非計劃停機 設備是零件產(chǎn)出的基礎條件,隨著設備使用年限的延長,會出現(xiàn)不同程度的故障,為了減少故障的發(fā)生和降低維修的時間和頻次,與設備部門聯(lián)合,定期對數(shù)控設備,按照TPM七步法(見圖3)對設備進行保養(yǎng)。從源頭提前對設備進行清理清潔,制定檢查標準,及時預防和杜絕設備的“隱疾”,減少設備故障的發(fā)生率,提高了設備運行時間。
圖3 TPM七步法
準備時間是指在零件切換過程中,準備夾具、刀具、程序、調(diào)試、計量和三檢等所需的時間。這些步驟在切換過程中必須存在,只能降低和減少,不能徹底消除。通過對現(xiàn)場加工過程中進行統(tǒng)計分析,為了減少切換過程中的準備時間,需從以下幾個方面開展工作,減少加工過程中的準備時間。
(1)減少夾具準備時間 夾具是在加工過程中用于零件的定位和裝夾的裝置,可以有效地保證零件裝夾的一致性和加工過程中的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)夾具的專用性強,工序在切換過程中,首先需要對夾具進行壓緊和找正,其次需要保證夾具與程序的高度統(tǒng)一,否則無法進行程序的使用,另外還需考慮夾具的裝夾會不會存在加工的盲區(qū)和干涉的現(xiàn)象,這些現(xiàn)象都會導致夾具調(diào)整的時間特別長。
為了消除此類現(xiàn)象,通過了解夾具行業(yè)的發(fā)展方向,結合箱體本身加工的實際狀況,利用零點定位系統(tǒng),在加工箱體類零件的設備上,配備互換性和通用性強的底座,設定統(tǒng)一的加工零點,確保夾具在切換過程中,實現(xiàn)無差別切換(見圖4),此舉減少了夾具的準備時間,提高了夾具裝夾的準確性。
圖4 無差別切換夾具
(2)減少刀具準備時間 刀具是工業(yè)的“牙齒”,在加工過程中不可替代。箱體加工主要是孔系加工,由于被加工孔系標準化差,尺寸總會存在一定的差異性,導致所使用的刀具種類多,長短不一,工序在切換過程時,往往由于需要準備大量不同規(guī)格的刀具,造成刀具準備時間長,設備長時間停機等待。雖然現(xiàn)階段已經(jīng)實現(xiàn)刀具配送,但在實際的刀具切換流程中(見圖5),刀具的切換時間占比相當大。據(jù)統(tǒng)計,箱體零件在切換過程中,刀具更替所占用的時間約120min。
圖5 刀具切換流程(改善前)
刀具切換時間=(流動刀具識別時間+拆解時間+安裝時間+輸入時間)×單工序平均流動刀具數(shù)量+重復調(diào)整刀具時間 ≈4min×25把+20min≈120 min。
針對切換過程中刀具準備時間長的問題,根據(jù)設備所加工零件的工序,首先按照箱體的加工特征,對刀具進行優(yōu)化選用,其次再根據(jù)所使用的刀具種類和使用頻率,將所使用的刀具劃分為I類、II類(I類刀具是指刀具的使用頻率高,通用性強;II類刀具是指刀具的使用頻率低,只適用于當?shù)拦ば?,專用性強),將I類刀具固化在設備中,不用更換,對于II類刀具,在設備旁建立二級刀具庫,并對二級刀具庫中的刀具進行參數(shù)標記和壽命管理,刀具在使用時,直接從二級刀具庫進行參數(shù)提取和刀具更換。按照改善后的刀具切換流程(見圖6),刀具的替換時間明顯縮減,原來刀具切換需要120min,現(xiàn)階段只需25min。
圖6 刀具切換流程(改善后)
工序刀具切換時間=(流動刀具識別時間+拆解時間+安裝時間+輸入時間)×單工序平均流動刀具數(shù)量 ≈2.5min×10把≈25min。
(3)減少程序準備時間 程序是控制機床運動軌跡,實現(xiàn)刀具按照軌跡進行切削的代碼。零件在加工過程中,根據(jù)工序加工的尺寸要求,選用相應的代碼。箱體加工主要是按照孔徑、位置和形狀等要求,選用不同的代碼進行孔的鉆削、銑削及鏜削加工,保證產(chǎn)品的最終尺寸要求。對于箱體加工而言,常見的加工都是孔系加工,但是由于產(chǎn)品的差異性,每組孔系的尺寸和位置都存在一定的差異,因此,保證程序的準確性對產(chǎn)品的加工質(zhì)量特別重要。為了減少程序編制、調(diào)用和應用的錯誤率,通過對首件加工零件進行全尺寸檢查,檢測合格后,按照程序固化流程(見圖7)對程序進行固化,后續(xù)在程序使用時,通過分布式數(shù)控網(wǎng)絡(DNC)將程序傳輸?shù)剿枰募庸ぴO備上,可減少和消除程序編制的錯誤,提高產(chǎn)品加工的質(zhì)量。
圖7 程序固化流程
(4)減少計量等待時間 計量是檢驗程序正確方法,進行自檢、校檢和專職檢測,三次檢查加工過程中的孔徑、深度、螺紋和形狀等尺寸。箱體零件孔系內(nèi)容復雜、尺寸多,平均一道工序的檢測尺寸的數(shù)量有200~400個,工作量大,測量時間長,且需邊測量邊記錄實際值,容易出現(xiàn)遺漏尺寸的現(xiàn)象,為了性的一種檢測方法,主要用來檢測加工工序中孔的位置和幾何公差。由于箱體零件型面復雜,一次加工孔位較多,特別是帶角度的雙角度斜孔測量時,測量時間長,單工序測量時間240~480min。為了減少工序的測量時間,與檢測人員進行商定,采用零點定位系統(tǒng),將需要檢測的零件連同托盤一起進行計量,計量人員通過數(shù)字化編程的方式,提前編制數(shù)字化檢測流程(見圖8)。測量時直接自動檢測加工內(nèi)容,快速輸出檢測結果,減少計量等待的時間。采用此方法檢測零件的位置及幾何公差,檢測時間縮短為30~60min,檢測時間縮短為原測量時間的12.5%~25%,效率提升4倍以上。
圖8 數(shù)字化檢測流程
(5)減少三檢的等待時間 三檢是采用手工的確保測量尺寸的完整性,通過編制電子三檢單(見圖9),固化檢測內(nèi)容,可以消除尺寸遺漏現(xiàn)象。
箱體類零件加工可分為粗加工、半精加工和精加工三個階段。據(jù)統(tǒng)計,箱體類零件加工中85%以上的加工主要由加工中心完成,隨著產(chǎn)品數(shù)量增加,基于現(xiàn)有設備的加工條件和生產(chǎn)能力,根本無法滿足產(chǎn)品增產(chǎn)的需求,究其原因,主要是因為單工序加工時間長,導致零件加工周期長。為了有效提高單工序加工效率,必須縮短零件的單工序切削時間,通過分析數(shù)控程序的運行步驟,首先需提高切削參數(shù)與刀具的匹配度,其次需減少程序中的空走刀 ,最后需減少加工過程中數(shù)控程序中的中斷點(M0),這樣才能保證加工過程的連續(xù)性,提高單件零件的加工效率,減少整個批次的加工時間,縮短零件的加工周期,具體操作方法如下。
(1)提高切削參數(shù)與刀具的匹配度 數(shù)控設備采用的刀具材料一般為硬質(zhì)合金,硬質(zhì)合金具有硬度高、剛性好和切削效率高等特點,但在實際切削過程中,卻發(fā)現(xiàn)刀具與切削參數(shù)的匹配度低,切削效率低,造成產(chǎn)品加工過程中刀具切削過程的浪費,影響產(chǎn)品的產(chǎn)出。為了解決此類問題,根據(jù)航空材料的特點,與刀具廠家進行溝通,采用適合加工鋁材料的切削參數(shù),廠家推薦的進給量fz為0.1~0.15mm/z,結合零件的加工方法,建立適合箱體零件的切削參數(shù)庫,確保切削參數(shù)與刀具的匹配度,保證航空產(chǎn)品的正常產(chǎn)出。
(2)減少程序中的空走刀 分析現(xiàn)有的加工程序,發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序在執(zhí)行時,空走刀(刀具沿一定的切削軌跡運行完后,回到起始點,進行刀具更換)比較多。空走刀是數(shù)控加工過程中必須存在的動作,但會造成一定的動作浪費,常見的有換刀、進退刀、立臥轉(zhuǎn)換和避讓高點等動作,具體表現(xiàn)形式如下。
1)換刀次數(shù)多。箱體類零件主要有孔系、槽、螺紋和型面等加工特征,傳統(tǒng)的加工方法是按照逐個孔系加工的加工方法,逐個調(diào)用刀具,中間經(jīng)常會出現(xiàn)刀具重復調(diào)用,造成刀具調(diào)用次數(shù)多。為解決此類問題,采用一把刀具調(diào)出后將所用能加工的部位全部加工,再進行刀具切換的方法。據(jù)統(tǒng)計,采用此方法可以減少換刀次數(shù)近30%,縮短加工時間10%以上。
2)進退刀距離長。數(shù)控程序在編制時,進刀按照快速移動(G0)的速度移動至加工面,再按照某線速度移動(G01)進行零件的加工,退刀是相反的過程。但分析零件的加工程序時發(fā)現(xiàn)程序中的進退刀安全距離太長,零件加工中存在移動浪費的現(xiàn)象,經(jīng)過動作分析判斷后,可以有效縮短安全距離,將安全距離由5~10mm縮短至1~2mm,這樣就可以有效地減少移動浪費,提高零件的加工效率。
3)立臥轉(zhuǎn)換次數(shù)多。箱體零件加工時主要以五軸設備加工為主,加工過程中,由于斜孔系比較多,需要不斷地變化主軸的姿態(tài),而只有在臥式狀態(tài)下才能換刀。加工過程中出現(xiàn)立、臥混合的現(xiàn)象,導致轉(zhuǎn)換次數(shù)多而浪費加工時間。為了減少此類現(xiàn)象的發(fā)生,根據(jù)各工序加工的內(nèi)容,將立、臥加工內(nèi)容集中化,先臥式加工再進行立式加工,減少立、臥轉(zhuǎn)換次數(shù),縮短零件的加工周期。
(3)減少加工程序中的間斷點 加工過程中為了更好地保證零件的位置尺寸,滿足零件裝配的需求,需要在程序中增加孔的位置校正功能,往往需要停機手工找正,找正時間長,停機等待多,造成零件加工時間長的現(xiàn)象。經(jīng)過分析零件的加工順序,調(diào)整零件加工過程中的M0,并通過使用測頭自動找正功能(見圖10),減少程序中的M0,保證零件加工的連續(xù)性。
圖10 自動找正
針對以上問題及采取相應的加工對策對加工的箱體零件進行程序優(yōu)化,完成復雜箱體xxxx.02.001-6、xxxx-220-01、xxxx.02.002-2和xxxx-210-01(分別簡稱為箱體1、箱體2、箱體3和箱體4)中的23道工序的程序優(yōu)化工作,工序加工時間明顯減少(見圖11)。單工序加工時間平均縮短27.23%,優(yōu)化后的程序加工效率高,且加工尺寸可靠,質(zhì)量穩(wěn)定。
圖11 加工時間對比
通過分析數(shù)控設備在加工航空產(chǎn)品箱體類零件加工過程中的速度損失和停機損失,制定改進方案,提高設備的有效使用性,減少準備時間,減少切削加工時間等多種手段,提升箱體類零件的產(chǎn)出率,保證任務的順利完成。從2014年至今,在設備臺數(shù)及人員不變的情況下,零件的交付臺數(shù)從每年159臺增長至每年285臺,產(chǎn)能提升79.2%。