數(shù)控設(shè)備綜合效率提升的分析與應(yīng)用

田東縉，宋文

中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司六〇分廠 陜西西安 710077

1 序言

隨著數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)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(jìn)數(shù)控設(shè)備，來(lái)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(shè)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(shè)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(fù)雜、加工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，隨著型號(hào)任務(wù)的增加，其產(chǎn)值占比越來(lái)越高。為了避免丟失訂單，我分廠不斷提高數(shù)控設(shè)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(jī)內(nèi)加工時(shí)間，確保數(shù)控設(shè)備的產(chǎn)出率持續(xù)增長(zhǎng)，滿足客戶日益增長(zhǎng)的需求。

2 問(wèn)題分析

統(tǒng)計(jì)箱體零件加工的重點(diǎn)設(shè)備DMU60P、DMU80P連續(xù)20個(gè)工作日316h的日常工作數(shù)據(jù)，通過(guò)觀察與工作數(shù)據(jù)同步的視頻，分析停機(jī)中的1160條信息，發(fā)現(xiàn)影響設(shè)備停頓的時(shí)間共189.8h，其中停機(jī)損失包括換型、測(cè)量、生產(chǎn)準(zhǔn)備和設(shè)備故障等，占總停機(jī)損失的60.1%；速度損失包括打點(diǎn)檢查毛坯、測(cè)量、吹鋁屑、倒壓板和程序運(yùn)行等，占停機(jī)損失的28.3%；計(jì)劃內(nèi)停機(jī)包括保養(yǎng)、交接班和開(kāi)會(huì)生產(chǎn)安排等，占整個(gè)停機(jī)損失的11.5%。設(shè)備停機(jī)損失具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，設(shè)備停機(jī)損失分析如圖1所示。

圖1 設(shè)備停機(jī)損失分析柏拉圖

表1 設(shè)備停機(jī)損失具體數(shù)據(jù)

3 解決措施

通過(guò)以上分析，可知要想提高數(shù)控設(shè)備的綜合效率，首先必須減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，其次還需提高主軸的有效使用時(shí)間和零件加工時(shí)的切削效率，并同時(shí)保證產(chǎn)品的合格率，具體實(shí)施的方法主要有以下幾個(gè)方面 。

3.1 提高設(shè)備的有效使用性

（1）減少設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)等待時(shí)間 箱體類零件具有工序多、加工周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，復(fù)雜箱體的加工工序都在200道以上，加工時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)工序之間相互干涉而需要停機(jī)等待的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象，必須對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃不斷地細(xì)化。為此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的加工狀態(tài)，每個(gè)星期以班組的形式，提前3天核對(duì)和調(diào)整生產(chǎn)任務(wù)，周計(jì)劃安排流程如圖2所示。利用此方法，可以實(shí)時(shí)細(xì)化生產(chǎn)計(jì)劃，有效減少非計(jì)劃停機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 周計(jì)劃安排流程

（2）減少設(shè)備故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī) 設(shè)備是零件產(chǎn)出的基礎(chǔ)條件，隨著設(shè)備使用年限的延長(zhǎng)，會(huì)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(shí)間和頻次，與設(shè)備部門聯(lián)合，定期對(duì)數(shù)控設(shè)備，按照TPM七步法（見(jiàn)圖3）對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)。從源頭提前對(duì)設(shè)備進(jìn)行清理清潔，制定檢查標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)預(yù)防和杜絕設(shè)備的“隱疾”，減少設(shè)備故障的發(fā)生率，提高了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。

圖3 TPM七步法

3.2 減少準(zhǔn)備時(shí)間

準(zhǔn)備時(shí)間是指在零件切換過(guò)程中，準(zhǔn)備夾具、刀具、程序、調(diào)試、計(jì)量和三檢等所需的時(shí)間。這些步驟在切換過(guò)程中必須存在，只能降低和減少，不能徹底消除。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為了減少切換過(guò)程中的準(zhǔn)備時(shí)間，需從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作，減少加工過(guò)程中的準(zhǔn)備時(shí)間。

（1）減少夾具準(zhǔn)備時(shí)間 夾具是在加工過(guò)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(guò)程中的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)夾具的專用性強(qiáng)，工序在切換過(guò)程中，首先需要對(duì)夾具進(jìn)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(wú)法進(jìn)行程序的使用，另外還需考慮夾具的裝夾會(huì)不會(huì)存在加工的盲區(qū)和干涉的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致夾具調(diào)整的時(shí)間特別長(zhǎng)。

為了消除此類現(xiàn)象，通過(guò)了解夾具行業(yè)的發(fā)展方向，結(jié)合箱體本身加工的實(shí)際狀況，利用零點(diǎn)定位系統(tǒng)，在加工箱體類零件的設(shè)備上，配備互換性和通用性強(qiáng)的底座，設(shè)定統(tǒng)一的加工零點(diǎn)，確保夾具在切換過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)無(wú)差別切換（見(jiàn)圖4），此舉減少了夾具的準(zhǔn)備時(shí)間，提高了夾具裝夾的準(zhǔn)確性。

圖4 無(wú)差別切換夾具

（2）減少刀具準(zhǔn)備時(shí)間 刀具是工業(yè)的“牙齒”，在加工過(guò)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(biāo)準(zhǔn)化差，尺寸總會(huì)存在一定的差異性，導(dǎo)致所使用的刀具種類多，長(zhǎng)短不一，工序在切換過(guò)程時(shí)，往往由于需要準(zhǔn)備大量不同規(guī)格的刀具，造成刀具準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)等待。雖然現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)刀具配送，但在實(shí)際的刀具切換流程中（見(jiàn)圖5），刀具的切換時(shí)間占比相當(dāng)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，箱體零件在切換過(guò)程中，刀具更替所占用的時(shí)間約120min。

圖5 刀具切換流程（改善前）

刀具切換時(shí)間=（流動(dòng)刀具識(shí)別時(shí)間+拆解時(shí)間+安裝時(shí)間+輸入時(shí)間）×單工序平均流動(dòng)刀具數(shù)量+重復(fù)調(diào)整刀具時(shí)間 ≈4min×25把+20min≈120 min。

針對(duì)切換過(guò)程中刀具準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，根據(jù)設(shè)備所加工零件的工序，首先按照箱體的加工特征，對(duì)刀具進(jìn)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(qiáng)；II類刀具是指刀具的使用頻率低，只適用于當(dāng)?shù)拦ば颍瑢Ｓ眯詮?qiáng)），將I類刀具固化在設(shè)備中，不用更換，對(duì)于II類刀具，在設(shè)備旁建立二級(jí)刀具庫(kù)，并對(duì)二級(jí)刀具庫(kù)中的刀具進(jìn)行參數(shù)標(biāo)記和壽命管理，刀具在使用時(shí)，直接從二級(jí)刀具庫(kù)進(jìn)行參數(shù)提取和刀具更換。按照改善后的刀具切換流程（見(jiàn)圖6），刀具的替換時(shí)間明顯縮減，原來(lái)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(shí)間=（流動(dòng)刀具識(shí)別時(shí)間+拆解時(shí)間+安裝時(shí)間+輸入時(shí)間）×單工序平均流動(dòng)刀具數(shù)量 ≈2.5min×10把≈25min。

（3）減少程序準(zhǔn)備時(shí)間 程序是控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)刀具按照軌跡進(jìn)行切削的代碼。零件在加工過(guò)程中，根據(jù)工序加工的尺寸要求，選用相應(yīng)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(jìn)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(duì)于箱體加工而言，常見(jiàn)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(zhǔn)確性對(duì)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(yīng)用的錯(cuò)誤率，通過(guò)對(duì)首件加工零件進(jìn)行全尺寸檢查，檢測(cè)合格后，按照程序固化流程（見(jiàn)圖7）對(duì)程序進(jìn)行固化，后續(xù)在程序使用時(shí)，通過(guò)分布式數(shù)控網(wǎng)絡(luò)（DNC）將程序傳輸?shù)剿枰募庸ぴO(shè)備上，可減少和消除程序編制的錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品加工的質(zhì)量。

圖7 程序固化流程

（4）減少計(jì)量等待時(shí)間 計(jì)量是檢驗(yàn)程序正確方法，進(jìn)行自檢、校檢和專職檢測(cè)，三次檢查加工過(guò)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(fù)雜、尺寸多，平均一道工序的檢測(cè)尺寸的數(shù)量有200～400個(gè)，工作量大，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，且需邊測(cè)量邊記錄實(shí)際值，容易出現(xiàn)遺漏尺寸的現(xiàn)象，為了性的一種檢測(cè)方法，主要用來(lái)檢測(cè)加工工序中孔的位置和幾何公差。由于箱體零件型面復(fù)雜，一次加工孔位較多，特別是帶角度的雙角度斜孔測(cè)量時(shí)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，單工序測(cè)量時(shí)間240～480min。為了減少工序的測(cè)量時(shí)間，與檢測(cè)人員進(jìn)行商定，采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)，將需要檢測(cè)的零件連同托盤(pán)一起進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量人員通過(guò)數(shù)字化編程的方式，提前編制數(shù)字化檢測(cè)流程（見(jiàn)圖8）。測(cè)量時(shí)直接自動(dòng)檢測(cè)加工內(nèi)容，快速輸出檢測(cè)結(jié)果，減少計(jì)量等待的時(shí)間。采用此方法檢測(cè)零件的位置及幾何公差，檢測(cè)時(shí)間縮短為30～60min，檢測(cè)時(shí)間縮短為原測(cè)量時(shí)間的12.5%～25%，效率提升4倍以上。

圖8 數(shù)字化檢測(cè)流程

（5）減少三檢的等待時(shí)間 三檢是采用手工的確保測(cè)量尺寸的完整性，通過(guò)編制電子三檢單（見(jiàn)圖9），固化檢測(cè)內(nèi)容，可以消除尺寸遺漏現(xiàn)象。

3.3 減少切削加工時(shí)間

箱體類零件加工可分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shè)備的加工條件和生產(chǎn)能力，根本無(wú)法滿足產(chǎn)品增產(chǎn)的需求，究其原因，主要是因?yàn)閱喂ば蚣庸r(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致零件加工周期長(zhǎng)。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(shí)間，通過(guò)分析數(shù)控程序的運(yùn)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(guò)程中數(shù)控程序中的中斷點(diǎn)（M0），這樣才能保證加工過(guò)程的連續(xù)性，提高單件零件的加工效率，減少整個(gè)批次的加工時(shí)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(shè)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(diǎn)，但在實(shí)際切削過(guò)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(guò)程中刀具切削過(guò)程的浪費(fèi)，影響產(chǎn)品的產(chǎn)出。為了解決此類問(wèn)題，根據(jù)航空材料的特點(diǎn)，與刀具廠家進(jìn)行溝通，采用適合加工鋁材料的切削參數(shù)，廠家推薦的進(jìn)給量fz為0.1～0.15mm/z，結(jié)合零件的加工方法，建立適合箱體零件的切削參數(shù)庫(kù)，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(shí)，空走刀（刀具沿一定的切削軌跡運(yùn)行完后，回到起始點(diǎn)，進(jìn)行刀具更換）比較多。空走刀是數(shù)控加工過(guò)程中必須存在的動(dòng)作，但會(huì)造成一定的動(dòng)作浪費(fèi)，常見(jiàn)的有換刀、進(jìn)退刀、立臥轉(zhuǎn)換和避讓高點(diǎn)等動(dòng)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(gè)孔系加工的加工方法，逐個(gè)調(diào)用刀具，中間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀具重復(fù)調(diào)用，造成刀具調(diào)用次數(shù)多。為解決此類問(wèn)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(jìn)行刀具切換的方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用此方法可以減少換刀次數(shù)近30%，縮短加工時(shí)間10%以上。

2）進(jìn)退刀距離長(zhǎng)。數(shù)控程序在編制時(shí)，進(jìn)刀按照快速移動(dòng)（G0）的速度移動(dòng)至加工面，再按照某線速度移動(dòng)（G01）進(jìn)行零件的加工，退刀是相反的過(guò)程。但分析零件的加工程序時(shí)發(fā)現(xiàn)程序中的進(jìn)退刀安全距離太長(zhǎng)，零件加工中存在移動(dòng)浪費(fèi)的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)動(dòng)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(dòng)浪費(fèi)，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(shí)主要以五軸設(shè)備加工為主，加工過(guò)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(guò)程中出現(xiàn)立、臥混合的現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換次數(shù)多而浪費(fèi)加工時(shí)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(jìn)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(diǎn) 加工過(guò)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(jī)手工找正，找正時(shí)間長(zhǎng)，停機(jī)等待多，造成零件加工時(shí)間長(zhǎng)的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析零件的加工順序，調(diào)整零件加工過(guò)程中的M0，并通過(guò)使用測(cè)頭自動(dòng)找正功能（見(jiàn)圖10），減少程序中的M0，保證零件加工的連續(xù)性。

圖10 自動(dòng)找正

針對(duì)以上問(wèn)題及采取相應(yīng)的加工對(duì)策對(duì)加工的箱體零件進(jìn)行程序優(yōu)化，完成復(fù)雜箱體xxxx.02.001-6、xxxx-220-01、xxxx.02.002-2和xxxx-210-01（分別簡(jiǎn)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(shí)間明顯減少（見(jiàn)圖11）。單工序加工時(shí)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(shí)間對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析數(shù)控設(shè)備在加工航空產(chǎn)品箱體類零件加工過(guò)程中的速度損失和停機(jī)損失，制定改進(jìn)方案，提高設(shè)備的有效使用性，減少準(zhǔn)備時(shí)間，減少切削加工時(shí)間等多種手段，提升箱體類零件的產(chǎn)出率，保證任務(wù)的順利完成。從2014年至今，在設(shè)備臺(tái)數(shù)及人員不變的情況下，零件的交付臺(tái)數(shù)從每年159臺(tái)增長(zhǎng)至每年285臺(tái)，產(chǎn)能提升79.2%。