Оптимизация производства: снижение затрат за счет обработки в одной установке

Как минимизировать себестоимость сложных деталей, требующих точения, фрезерования и сверления? Для Стива Хаттори ответ прост: обрабатывайте их в одной установке — и сделайте эту установку максимально простой.

Президент подрядной мастерской Salinas Valley Precision (Салинас, Калифорния), г-н Хаттори, раньше нуждался минимум в трех станках для производства любой сложной круглой детали из полного бруска: ленточной пиле для раскроя заготовки, токарном станке и machining-центре для добавления фасок и отверстий. Теперь мастерская позволяет одному станку выполнять всю эту работу — автоматически превращая необработанный брусок в готовые детали, эффективно заменяя множество установок одной.

«Тот, кто будет спорить в пользу старого метода, никогда не пытался обработать корпус рыболовной катушки», — говорит г-н Хаттори. Фактически, когда местный производитель спортивных товаров впервые предложил ему деталь катушки, Хаттори отказался. Тогда деталь была слишком сложной для прибыльной обработки. Вырезанная из цельного алюминия с удалением 90% материала, катушка диаметром 3,25 дюйма состоит из двух легко деформирующихся фланцев толщиной менее 0,1 дюйма, соединенных полым ядром со стенками не намного толще.

Деталь должна обрабатываться со всех сторон. Каждый фланец пронизан 12 отверстиями диаметром 0,45 дюйма для облегчения веса. Окружность ядра включает 12 овальных щелей для облегчения. Наконец, противозакрутка на одной грани включает 36 засечек для механизма créмальеры удочки, а также посадочное отверстие под подшипник с прессовкой с общим допуском 0,0002 дюйма по диаметру.

«И вся эта геометрия была лишь половиной проблемы», — говорит г-н Хаттори. — «Остальное — размер партии. Мы могли бы обработать деталь, используя сложные приспособления на machining-центре вместе с имевшимся тогда ЧПУ-точарным станком. Но это повлекло бы большие затраты на наладку, которые невозможно было бы амортизировать на мелкой серии, часто всего 100 штук».

Г-н Хаттори изготовил прототип катушки, но не стал участвовать в тендере на серийное производство. По крайней мере, не сразу. С тех пор, однако, эта деталь стала важным источником дохода для мастерской в 10 человек. Это произошло после того, как Хаттори пересмотрел свой процесс.

Обработка «все в одном»

Ключевым результатом изобретательности г-на Хаттори стал процесс, где все операции точения, фрезерования и сверления объединены на одном станке — ЧПУ-точарном центре Mazak «Super Quick Turn» (SQT) 15MS-Y. Помимо комплекта вращающихся инструментов для фрезерования и противостоящего второго шпинделя для точения со второй стороны, станок оснащен программируемой осью Y с ходом 4 дюйма. Эта способность позволяет выполнять фрезерование вне центра, пока заготовка закреплена в основном или вспомогательном шпинделе.

Благодаря скоординированной автоматической передаче между двумя шпинделями, к каждой поверхности детали можно получить доступ без участия человека. Все операции точения, фрезерования и сверления выполняются без «отпускания» детали, таким образом критические опорные точки положения заготовки сохраняются на протяжении всего процесса обработки.

Заготовки подаются на станок с помощью загрузочного устройства Mazak Cut-Feeder. Так же как фрезерно-сверльные возможности позволяют токарному центру заменить machining-центр, Cut-Feeder исключает ленточную пилу из процесса и сокращает задержку между последовательными циклами деталей до нескольких секунд. Cut-Feeder не только продвигает брусок, но и отрезает его до длины от 0,60 до 5,11 дюймов. Он выполняет отрезку, пока SQT обрабатывает текущую деталь, а затем загружает новую заготовку через патрон, как только токарный станок готов к следующему циклу.

Автоматический загрузчик помогает минимизировать время наладки. Устройство хранит до пяти брусков диаметром 3,25 дюйма, используемых для катушек, и продвигает и отрезает каждый без вращения. В отличие от традиционной подачи бруска, Cut-Feeder удерживает брусок неподвижным, пока режущие инструменты вращаются вокруг заготовки, медленно вступая в контакт до завершения отрезки. Поскольку бруски не вращаются, не требуется предварительная обработка для придания им круглой формы (работают даже квадратные или шестигранные профили). В результате г-н Хаттори может просто бросить один или несколько брусков в загрузчик и позволить токарному центру превратить их в готовые детали. Финальная зачистка — единственная операция, выполняемая вне станка.

Процесс обработки включает 20 смен инструмента, но не требует оператора, поэтому г-н Хаттори часто запускает его в беспилотном режиме — получая 90 катушек с каждого 12-футового бруска, который он загружает.

Возврат на воображение

Катушки выходят из токарного центра со скоростью одна каждые восемь минут. Хотя цикл использует высокие скорости шпинделя станка — 5000 об/мин для основного и второго шпинделей, 3000 для вращающихся инструментов — г-н Хаттори считает творческое программирование основной причиной такого низкого времени цикла. Бывший специалист по обработке для научно-исследовательской аэрокосмической фирмы, Хаттори открыл свою мастерскую 10 лет назад, чтобы продолжать разрабатывать сложные стратегии ЧПУ-обработки после закрытия работодателя.

«Многофункциональный токарный станок обеспечивает большую отдачу за воображение программиста, чем любой другой, которым я пользовался», — говорит он. — «С таким количеством вариантов в одном станке всегда есть другой способ — и часто лучший — для производства любого элемента».

Например, г-н Хаттори нашел необычный метод точения тонких фланцев алюминиевой катушки на высокой скорости без деформации. После того как все элементы на одной грани обработаны, пока деталь в основном патроне, его программа заставляет второй патрон схватить деталь, сохраняя хват основного патрона. Хват детали с двух сторон таким образом устраняет проблему деформации. Пока два шпинделя вращаются в унисон, металл между двумя фланцами выточется так, будто это одна глубокая канавка глубиной 0,75 дюйма.

Возможность оси Y используется для производства засечек créмальеры. Вместо индексирования детали шпинделем для резки каждой впадины — как это делалось бы на традиционном токарном станке с приводными инструментами — г-н Хаттори заставляет основной шпиндель удерживать деталь неподвижной, пока револьвер перемещается от одной засечки к следующей, используя интерполяцию X-Y. Хотя револьвер движется лишь немного быстрее индексирующего шпинделя, когда эта разница умножается на 36 засечек, прирост производительности становится выраженным.

В других случаях ось Y производит элементы, которые можно было бы обработать на обычном трехосевом (X, Y и C) токарно-фрезерном станке. Одним примером является звездочка из стали 4340 для механизма синхронизации роботизированной сборочной системы. Деталь диаметром 3,25 дюйма с диском толщиной 3/16 дюйма и более широкой интегральной втулкой выглядит как пила с 12 зубьями по окружности. Ось Y позволяет обработать 12 фасок по окружности лезвия. «Каждая фаска — простой проход», — говорит г-н Хаттори. «Раньше нам нужен был machining-центр для этой детали, но теперь, когда я могу обработать её полностью в одной установке, партия из 100 звездочек занимает на три часа меньше».

Трехосевая интерполяция

Эта деталь — еще один случай «дьявола в засечках». Для местного производителя медицинского оборудования г-н Хаттори изготавливает опорный элемент диаметром 2 дюйма для блока управления кардиальным электронным картографирующим катетером. Половина шарнирного соединения, удерживающая блок управления в многочисленных ориентациях, деталь имеет длинную фаску вдоль центральной линии, где удалена половина верхней части. Эта фаска образует поверхность сопряжения двух половин шарнира и включает отверстие для оси, соединяющей их. Вокруг этой оси расположены 30 пилообразных засечек. Позволяя шарниру вступать в зацепление и блокироваться в нескольких положениях, засечки образуют симметричный лучевой узор с осью в центре и зацепляются с похожим узором на другой половине шарнира.

«Двух линейных осей недостаточно для обработки этого элемента; нужны три», — говорит г-н Хаттори. — «Хотя вершины засечек лежат в одной плоскости, траектории инструмента — нет. Мы используем специально заточенную концевую фрезу, соответствующую углу впадины между двумя засечками, но даже с этим инструментом двухосевая траектория не может вырезать правильную форму. Вместо необходимого острого пика до самой окружности узора, двухосевая траектория дала бы веерообразный пик, потому что пространство между двумя проходами расширялось бы по мере удаления инструмента от втулки».

Для решения этой проблемы г-н Хаттори интерполирует по трем осям для каждого прохода. Диаметр специального инструмента примерно равен расстоянию пик-пик на окружности. Поэтому он начинает у втулки — где инструмент режет только верхушкой — и подает инструмент вниз по Y, пока он движется наружу по радиусу узора в X и Z. Таким образом, обработанные засечки имеют одинаковую толщину пика на окружности и у втулки, и они обрабатываются за один проход. Деталь шарнира опоры также обрабатывается из полного бруска — начиная с бруска алюминия. Общее время цикла составляет около 12 минут на деталь.

В отличие от рыболовной катушки, опорный шарнир был в заказе у г-на Хаттори еще до покупки многофункционального токарного центра. Детали изначально резались на ЧПУ-точарном станке и вертикальном machining-центре. Для получения круглого конуса точение шло первым. «Гладкий профиль делал наладку на вертикальном machining-центре трудоемкой», — говорит г-н Хаттори. «Мы не могли использовать тиски, поэтому приходилось крепить деталь в специальное приспособление».

Теперь этой проблемы нет — потому что патроны токарного центра держат деталь и для точения, и для фрезерования. «Время фрезерования на SQT такое же, как было на machining-центре, но теперь никто не должен приболчивать и откручивать деталь», — говорит г-н Хаттори. «Это большая разница. Только за счет этого одного улучшения мы сократили время цикла для детали шарнира значительно более чем на 30 процентов».