數(shù)控設備綜合效率提升的分析與應用

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

1 序言

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。

2 問題分析

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)

3 解決措施

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 。

3.1 提高設備的有效使用性

（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

3.2 減少準備時間

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(jié)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)拦ば颍瑢Ｓ眯詮姡?，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(jié)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。

3.3 減少切削加工時間

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(jié)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?？兆叩妒菙?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

4 結(jié)束語

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%。