发展中制造业的今天和明天

国际金属加工网 2017年01月22日

钻削加工解决方案,提高了一种对纠正脊椎不正常现象的关键元件的生产效率。

对于Alphatec Spine公司来说,只要在多轴型骨钉螺丝上增加一个钻孔,就可使该公司每天的生产工艺成本降低1000美元以上。坦率地说,这是一个特别具有挑战性的小孔。

Alphatec Spine公司生产高价值零件。其零件的珍贵,不仅体现在其工程设计和生产投资上,而且也体现在其对最终用户的影响上。Alphatec Spine公司的产品系列包括脊柱植入件和外科手术器械,其目的是为了提高脊椎疾病患者的生活质量。

制造技术是完成该公司使命的核心力量。只有拥有和理解关键的生产工艺,该公司才能使其产品精益求精,只有这样,才能提高他们产品的技术水平和性能。2011年,该公司在加利福尼亚州的Carlsbad工厂带来了一项与全部生产息息相关的重要工艺——一项人才开发计划。现在,一新的实习培训计划已经出炉,准备将很有前途的高中毕业生招录到这个工厂,培养他们参加现由120个生产工人组成的制造业队伍。

在今天的员工中,Hector Acosta先生是CNC编程员,Frank Phan先生是机械师,他们努力工作,证明了新的骨钉螺丝钻孔工艺可节约大量的生产成本。这种骨钉螺丝用于骨盆上的脊柱矫正系统,是其一个特殊微创型产品系列的其中一个部分。在外科手术过程中,使用一条导向线通过这个螺钉,尽可能使切口减少到最低限度。通过螺钉长度的通孔直径为1/16in(1in=25.4mm),该螺钉的长度可达2.686in。由此产生的长度与直径之比超过40。因此,在柔软的金属上有效地加工这一小孔可能具有一定的挑战性,更何况该螺钉是由钛金属制成的。

钻削加工的缺点

在骨钉螺丝上加工如此长度的小孔,最理想的选择往往是采用钻削加工,并用同样的CNC加工设备,加工该零件的其余部分。Alphatec公司采用Tornos公司和Tsugami公司的瑞士式CNC车床来加工这些骨钉螺丝,对于直径较大的大型螺丝,通常采用深孔钻的加工方式来加工。实践证明,试图对较小孔径采用深孔钻的加工方法加工是会出问题的,这至少有两个原因:一个是速度问题。细长的钻头不得不小心翼翼地向钛金属零件的内部推进,会导致整个零件的加工周期时间很长;另一个因素是刀具的使用寿命。其使用寿命不但很短,而且也不可预测。像牛皮糖那样的钛金属切屑会突然卡在小孔内,夹住钻头。 “总有一天,会烧毁整个深孔钻头,”Acosta先生说。

考虑到钻头和加工周期的费用问题,Alphatec Spine公司确定其最符合成本效益的选择是:购买中空的备料或带有现成通孔的棒料。这种备料要比实心的钛金属棒料费用高10倍左右。尽管如此,在缺少更有效的孔径加工工艺情况下,这一费用似乎也算合理。然而,生产人员还在继续寻找一种可供替代中空备料的更好方法,在2010年举办的芝加哥国际制造技术博览会上,他们终于找到了这种替代材料。

调制加工

Tsugami公司在这届展会上展出的部分内容是一种在瑞士式CNC机床上,采用深孔钻进行啄木鸟式钻削加工的技术。啄木鸟式钻削加工技术的本身没有什么特别。Alphatec Spine公司曾试图将啄木鸟式加工技术加入到其自己的深孔钻加工周期之中,但这种做法只会增加钻削加工时间,无法避免钛金属切屑出现粘连的问题。与这一技术不同的是在于它所可能达到的加工速度。这里有一套系统,其啄木鸟式钻削加工的频率为1000次/s。

“调制-辅助加工”(简称MAM)是一项技术的名称,由印第安纳州M4 Sciences of West Lafayette公司开发。该公司的“TriboMAM”产品,是一种采用内置电动机的刀架,以微增量级振荡加工的原理和每秒数百次的用户可控频率,钻削加工切削件的内外。该系统在瑞士式和其他紧凑型CNC车床上使用的刀具直径在5mm以下,采用安置在机床附近的简单控制系统。通过其调制,TriboMAM产品的啄木鸟式钻削加工要比典型的编程式啄木鸟加工周期有效得多。此外,这样做不会增加加工周期。其啄木加工速度如此迅速,其延时是无法检测的。事实上,采用这一系统的进给速度始终在增加之中,因为MAM工艺将切屑粉碎成了碎末,因此再也不会出现切屑粘连的危险。

在与厂内生产工程队的合作之中,Acosta先生和Phan先生对该工艺进行了微调,从而通过TriboMAM钻削加工达到了最大的效益。在该车间选用中空备料之前,零件所需的总体加工周期为11.9min,而现在加工骨钉螺丝的时间则保持在6.9min。刀具的使用寿命不但成倍提高,而且加工更加可靠。这些改进使该车间打破了供应商的价格垄断和依赖于供应商提供中空备料的格局。采用TriboMAM加工,甚至提高了元件本身的性能,因为现在的通孔光洁度,既优于以前的深孔钻加工,也优于不得不由供应商提供的中空备料。更加光滑的表面质量意味着外科医生在应用这一螺丝进行手术的关键时刻,丝线更易于穿过这一小孔。

Alphatec Spine公司的生产工程经理St. Martin先生可能比任何人更了解这一新型钻削加工工艺的精确成本效益。在每天节约1000美元以上的情况下,他说,这一工艺在其第一年的使用过程中,已完全收回了相当于其本身两倍的成本。此后,该公司又为其另一台瑞士式机床购置了第二套TrioMAM单元。

Kermit Stott先生是Alphatec公司的运营副总裁。他说,是技术力量使该公司实现了这一解决方案,但也有不容忽视这一成功的另一个方面。如果没有人能够认识到该公司在工艺改进方面所具有的潜力,并朝着发挥这种潜力的方向应用技术,那么该公司将不可能创造出这种创新的方法。随着有经验的、年岁高的生产专业人员的离职,只有很少的年轻人会寻求与制造业相关的培训,制造业的人才储备正在逐渐消失。这种新鲜血液的长期缺失,对Alphatec Spine公司的成功而言,其障碍可能要比任何的钻孔加工难度大得多。为了解决这个问题,并确保今后几十年制造业的创新,Alphatec公司决定迎接这一挑战,培养其自己的工作人才。


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