實施以多工序加工為代表的自動化能夠大大縮短模具的交貨周期，具體措施包括減少工序間的輔助工作，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度和協(xié)調(diào)各個有關(guān)工序
模具制造廠在許多方面典型體現(xiàn)了金屬加工技術(shù)和操作范圍的廣度，他們加工的零件大多只有一次成功的機(jī)會，而且由于模具的交付周期日趨苛刻，他們必須使出渾身解數(shù)直對時間的壓力。
典型的模具廠涉及銑削、鉆孔、坐標(biāo)鏜孔、車削、磨削、EDM及熱處理，這是制造模芯和模腔所需要的幾個工序。經(jīng)過模具廠制作的每件模具各不相同，需要模具廠不斷地分析估計自己的加工能力，卻幾乎或者毫無比較基準(zhǔn)。
一般說來，模具廠把各個操作看成生產(chǎn)線上彼此獨立的工序，工件隨著逐道工序通過加工車間，很象“流水作業(yè)”。有些工件需要經(jīng)過模具廠的全部工種，另一些工件可能只需要現(xiàn)有加工能力的一小部分。
在這種生產(chǎn)方式下，自動化普遍被視為約束工作流程靈活變化的羈絆，而模具廠必須保持操作工序的靈捷可變性。在加拿大多倫多市的Unique Mould Makers，我們發(fā)現(xiàn)了重新審視“自動化適合于大批量生產(chǎn)”之成功秘訣的模具廠，本文看看他們在理順、簡化模具生產(chǎn)方面作了哪些工作，該廠采用自動上下料的組合機(jī)床加工包裝蓋和包裝盒的模具，他們的經(jīng)歷很獨特。
產(chǎn)品
許多成品看上去非常簡單，往往令它們背后的技術(shù)黯然失色。例如包裝罐用的塑料蓋、螺旋蓋、兒童安全藥瓶蓋以及其它任何塑料蓋，幾乎都不會得到用戶的注意，除非它們不好使。Unique Mould Makers開辟了良好的業(yè)務(wù)并制造技術(shù)復(fù)雜的模具，他們的復(fù)雜模具使用戶幾乎或絲毫不理會封蓋包裝物的最終產(chǎn)品。
Unique Mould Makers 生產(chǎn)多腔模具，同一組模具的模芯和模腔有96個之多，各個模具的模芯和模腔數(shù)量變化不定，生產(chǎn)批量也變化無常。
每個模芯和模腔可能包括五、六個不同的零件，注塑加工塑料蓋的循環(huán)時間大約是8秒鐘。
同大多數(shù)模具廠一樣，Unique制造的產(chǎn)品規(guī)格齊全，從比較簡單的模具（在模具打開的同時頂出模塑件—蓋子），到復(fù)雜的可拆卸模具（由機(jī)械或液壓傳動使模芯與蓋子的螺紋分離。）
每套模座上的模芯和模腔都非常關(guān)鍵，合模時它們合在一起，從而產(chǎn)生瓶蓋或盒罩。該模具廠基本上有兩條并行的生產(chǎn)線，可以在加工模芯和模腔的同時加工模座。
每件模具通常有一個模座，因此模座很少阻礙生產(chǎn)流程。相反，模芯和模腔由于數(shù)量隨模具變化不定并且比較復(fù)雜，體現(xiàn)了Unique改進(jìn)生產(chǎn)能力的極大潛力。
棘手問題
在Unique Mould Makers服務(wù)的市場上有一條最重要的真理：縮短交付周期是加盟“大模具廠商”行列（如同客戶定義的Procter和Gamble、Lever Brothers以及Kraft等等）的頭號使命。
“我們的客戶不喜歡等待，”Unique 總裁Tony Grossi說，“ 這些大公司一旦決定在某種包裝上采用新的蓋子或盒子，便希望盡快制造出來。假如我們不能夠為這些公司及時地提供良好的模具，別人就會提供。事情就這么簡單。”
兩三年前，Unique對自己的生產(chǎn)運作進(jìn)行了不容懷疑的分析，和大多數(shù)模具廠一樣，每個模具部件的加工須從一臺孤立的機(jī)床轉(zhuǎn)到另一臺孤立的機(jī)床。
加工復(fù)雜模芯和模腔時，車、銑操作成了細(xì)脖子環(huán)節(jié)。在速度較快的車削循環(huán)和比較慢的銑削和鉆孔工序之間也存在顧此失彼的老問題。另外還有工件兩次裝卡和調(diào)整兩臺機(jī)床的麻煩，在車床和加工中心之間來回轉(zhuǎn)件耗費了寶貴的交付期限。
CNC工段段長Will Haire 說：“任務(wù)送到加工車間時，有許多工時分配給車銑組，如果車銑進(jìn)度落在后面，我們就必須轉(zhuǎn)包或者加班才能跟上整個生產(chǎn)進(jìn)度。以前我們大約轉(zhuǎn)包30%的車銑工作量，太多了。”
擺脫車銑瓶頸
因為Unique模芯和模腔是圓形的，車削在加工中的作用很大。另外為了配接冷卻管線，每個模芯和模腔需要鉆一定數(shù)量的精確孔，其中有些孔是斜的，因此至少需要4軸加工。
Grossi說：“我們開始分析車銑工藝時，基本上提出了三個解決車銑瓶頸的方法。第一個也是最顯而易見的，就是直接增加車銑能力。第二個方法是采用帶有活動刀架的車削中心。第三個選擇是以Mazak Integrex 系列為代表的多工序機(jī)床。我們選擇了第三個途徑。”
根據(jù)Grossi及其生產(chǎn)人員估算，添置銑床和車床只會加劇工序間已有的瓶頸問題。
盡管車削/銑削能力當(dāng)時接近工廠的需要，但是由于轉(zhuǎn)塔刀架的刀具容量欠缺，不足以進(jìn)行無人照看的全自動加工。該廠去年5月收到第一臺Integrex機(jī)床，這臺機(jī)床的刀具容量為40個，可根據(jù)需要組合車刀和銑刀的數(shù)量。
多工序機(jī)床給Unique帶來的結(jié)果是把車銑工段工序間的準(zhǔn)備工作幾乎減少到零，該機(jī)床是一臺具有車削功能的加工中心。
毛坯進(jìn)入機(jī)床，出來的便是加工好的零件，只需要一次裝卸，工件自然而然地通過機(jī)床，幾乎或根本不需要操作人員的干預(yù)。
由于工件一次裝卡，所以尺寸精度比較高。大部分模芯和模腔從原始狀態(tài)開始加工，然后從銑床/車床到熱處理。磨削在淬火后進(jìn)行，“我們用這些新機(jī)床達(dá)到了加工精度的一致性，因此可以減小零件的磨削余量。”Grossi說。
Unique所用的這類多工序機(jī)床在模具制造廠比較罕見，更為少見的是該廠去年10月安裝的兩臺Integrex雙主軸、自動上下料機(jī)床。
Grossi回憶說：“我們安裝第二臺和第三臺多工序機(jī)床時，不止一個員工感到疑惑—批量一般只有24～36件，為什么機(jī)床還裝有龍門式的自動上下料機(jī)構(gòu)？”
除了減少工序間的輔助工作以外，Unique 已經(jīng)實現(xiàn)的節(jié)約還包括機(jī)床的設(shè)置時間，現(xiàn)在不再是為了裝卡同一個零件而調(diào)整一臺車床和一臺加工中心，而是讓一臺多工序加工機(jī)床準(zhǔn)備就緒。準(zhǔn)備工作包括適當(dāng)調(diào)整自動上下料器的抓爪以及主軸、輔助主軸的卡盤，正確選擇刀庫的刀具組合，并選擇程序。
Unique添置機(jī)床僅有幾個月，因此程序設(shè)計在準(zhǔn)備時間上占了最大的一塊，通常要用3個小時，多半時間花在程序輸入上，程序輸入在加工現(xiàn)場進(jìn)行。
后臺程序設(shè)計有益于提高效率，使操作人員能夠在運行一個程序的同時輸入另一個零件的程序。Haire 先生深信，隨著CNC經(jīng)驗的增加和程序數(shù)據(jù)庫的建立，編程時間定會明顯減少。
通過標(biāo)準(zhǔn)化提高靈活性
Unique 很快便認(rèn)識到，多工序處理不僅僅是一個加工站，而是關(guān)系到機(jī)床上下工序的全部機(jī)加狀況。
Unique組合模具的大多數(shù)模芯和模腔是用棒料切割的毛坯，材料為H-13和420不銹鋼、D2鋼及鈹銅合金。目前該工廠存儲6種不同規(guī)格的棒料，直徑范圍大概是1.5～7英寸。
“我們希望把倉儲的棒料規(guī)格從現(xiàn)有的6種減少到3種，”Grossi說道，“這樣做的好處是能夠減少上下料機(jī)構(gòu)所用的抓爪和卡盤卡爪的套數(shù)，以簡化裝卡工作。這樣還可節(jié)約材料采購費，因為我們可以購買比較大的批量，同時也能簡化原材料的庫存管理。”
他接著說：“除此之外，盡管某些零件的切削量可能比較大，但是總體的節(jié)約足以補(bǔ)償額外增加的一點兒切削時間。我們不斷學(xué)會根據(jù)所有零件的總和、而不是累加彼此孤立的時間單元來考慮我們的制造工藝。”
這對工作進(jìn)度的安排也有影響，Haire說：“如今當(dāng)我們作運行準(zhǔn)備時，我們會著眼于下一項任務(wù)并盡量調(diào)整計劃，以便讓一族零件迅速流經(jīng)機(jī)床。連續(xù)加工幾何尺寸相似的零件可以節(jié)省更換時間，并有利于保持較高的主軸使用率。這種方式使我們區(qū)別對待不同的作業(yè)計劃。”
刀具標(biāo)準(zhǔn)化是實現(xiàn)大幅度節(jié)約的另一個方面，由于刀庫有40個刀位，Unique技術(shù)部門正在考慮采用標(biāo)準(zhǔn)刀具柜進(jìn)行加工的方法。Grossi說：“我們要求工程師們以圓弧半徑和冷卻液注孔為例進(jìn)行量化分析，證明標(biāo)準(zhǔn)化尺寸非但不會影響模具的性能，反而能夠?qū)δ＞叩目杉庸ば援a(chǎn)生積極的影響。”
效果
在效果方面，添置多工序加工機(jī)床為工廠帶來了額外的加工能力，Unique原先使用的全部車床和銑床現(xiàn)在可以用來加工其它零件。
Grossi說：“過去為了趕進(jìn)度必須對外轉(zhuǎn)包的工作，現(xiàn)在我們基本上能夠完成，必要時在專用車床和銑床上加工，這使20～30% 的車銑任務(wù)重新回到我們的直接控制之下。當(dāng)然，只要需要，我們依然可以轉(zhuǎn)包。”
Unique改進(jìn)車銑操作之前，模具交付周期一般為20 至24周。“我們使用多工序加工機(jī)床完成的第一套模具比報價提前3個星期交付。”Grossi說，“緊接著的一項任務(wù)又提前了3周，所以我們考慮把報價的交付周期縮短到16 或18個星期，這對我們的業(yè)務(wù)是很好的新事物，因為交付周期已經(jīng)成為首當(dāng)其沖的驅(qū)動力。”
另外，由于基本上避免了轉(zhuǎn)包加工，制造成本也在減少，Unique除了根據(jù)客戶的要求定制模具以外（定制模具占其業(yè)務(wù)量的90%），始終在考慮增加標(biāo)準(zhǔn)模具的加工量。Grossi 說 ：“降低制造成本使我們更富競爭力，并為我們開辟了新的潛在市場。”
制訂計劃
一年前車銑操作還是生產(chǎn)上的制約環(huán)節(jié)，采用多工序機(jī)床以來，這些操作的生產(chǎn)量很快得到30~50%的改進(jìn)。
現(xiàn)在，制約生產(chǎn)的環(huán)節(jié)是磨削工序，Unique也在利用新機(jī)床解決這個問題。正如Grossi 所說，“我們已經(jīng)看到車銑加工能力的改進(jìn)，目前正在全廠查找生產(chǎn)上的細(xì)脖子。在改進(jìn)磨削操作后，我們將著眼于下面的EDM工序。激光束加工機(jī)也許可以較快完成現(xiàn)有EDM所加工的任務(wù)。我們的目標(biāo)是縮短模具的交付時間。”
Grossi預(yù)計在不久的將來還會發(fā)生一些改進(jìn)，這就是在多工序機(jī)床上采用“硬車銑”技術(shù)。“我們先加工原始狀態(tài)的模芯和模腔，然后把它們送出去熱處理，零件經(jīng)過熱處理之后再磨削。切削淬硬狀態(tài)的零件可以避免工序之間進(jìn)行熱處理的周轉(zhuǎn)時間，從而縮短整個流程。”
該廠已經(jīng)實現(xiàn)以多工序加工為代表的自動化，并且在經(jīng)營中取得了很好的效果，這是Unique在極其嚴(yán)峻的市場環(huán)境下賴以競爭的利器。了解該模具廠如何制造產(chǎn)品很重要，知道哪些產(chǎn)品使得該模具廠趨于本行業(yè)之首同樣重要。
多工序加工縱橫談
機(jī)床基本上朝著多工序的方向發(fā)展已有相當(dāng)一段時間，加工中心是其中一例。加工中心借助于換刀裝置，可以進(jìn)行銑削、鉆孔、鏜孔、攻絲及其它操作，而在過去每種操作分別屬于不同專用機(jī)床的加工范疇。
同樣，裝有活動刀具的車削中心除了車削以外也可以切削鍵槽、鉆中心孔并進(jìn)行其它中心型切削操作。然而車/銑機(jī)床都受到轉(zhuǎn)塔刀架刀具容量的限制。
Mazak和其它幾個機(jī)床制造廠商提出了制造所謂新型機(jī)床的思想，這些新機(jī)床取消普通的轉(zhuǎn)塔刀架，代之以可供換刀裝置存取刀具的樞軸結(jié)構(gòu)，這樣基本上難以區(qū)分機(jī)床的操作種類。
新機(jī)床本質(zhì)上是安裝在多工位數(shù)控車床床身上的加工中心，其主軸在伺服控制下提供5000 rpm 車削和分度式外形加工雙重功能。主軸中心線上還有一個輔助主軸，使工件可以脫離主軸并接受反向切削。
銑刀軸以10馬力電機(jī)帶動刀具，刀桿轉(zhuǎn)速6000 rpm。銑刀軸托架上的Y軸具有完滿的3向控制能力，與此同時，傾斜軸和外形加工C軸為機(jī)床附加了第4和第5軸切削功能。
支持開發(fā)這些機(jī)床的總體思想很簡單—次裝卡工件并在工件的各個側(cè)面完成車、銑、鉆孔和攻絲操作。有些機(jī)床正在采納多工序加工的原理，除了車銑以外還包括磨削和利用激光器局部淬硬等操作。
在金屬加工方面，實際的用途主宰著工藝技術(shù)的選擇。無論如何，多工序加工機(jī)床這一理念越來越引起Unique及其它模具廠的注意。
