当航空金属公司购置了一个功能强大的新型立式加工中心，它考虑到了机床本身以外的能力。作为坚守精益生产和持续改进原则的拥护者，精铸公司将机床的购置视为构建立式加工单元的契机，以便完美地适应其生产越来越多系列零件的需求，并以超越迄今为止水平的高度，实现更快速、有效和符合人体工程学的加工工艺。使机床的正常运行时间从约40%的水平提升至平均80%。

如何实现这一点?通过利用外部夹具工程技术公司的内部工程资源，构建一个单元，使它在其他托盘上忙于切削零件的同时，在机床外部的快速变换托盘上夹紧零件。每次在这些可重复的自坐型托盘被安装时，将工件放置在同一位置，减少安装时间(从数小时减少到数分钟)。一个专门设计的耳轴台可为额外的加工灵活性提供第四个轴，同时可赋予一次加载多个托盘的能力。

工艺工程师Ryan Hart讲道：“使我们与其他精铸公司区分开来的一件事情就是：从模具、混合/浇注金属，以及从加工到装配的整个工艺过程均由我们自己来完成。这个夹具系统已使正常运行时间增加，使安装/设置时间减少，使我们能够快速转换作业内容，并更快地响应客户的各种需求。”

工件夹紧的挑战

航空金属公司成立于1961年，总部设在印第安娜州的拉波特，主要通过精铸、浸蜡型或模型铸模，反复放入混合有二氧化硅浆料的锆英砂中。一旦干燥，蜡就会在型的内部熔化，然后将熔化的金属倒入由此得到的模具中。这些模具在冷却之后会裂掉并露出各种零件的铸成品(从船的螺旋桨到枪械部件)。

图1 该系列零件的加工室被设计为可生产由316不锈钢制成的各种几何形状的电气导体。在这个加工站进行的工艺加工过程主要涉及螺纹铣削、攻螺纹和钻孔

航空金属公司加工单元的零件系列被设计为由316不锈钢制成、具有各种几何形状的电导体。约200个不同的零件通过加工单元。在本加工站中进行的工艺过程主要涉及螺纹铣削(在吹心机储砂斗中可能会遇到一些)，一些攻螺纹和钻孔，但通常情况下，均使用标准工艺装备。

公司传统上会在更老旧的VMC(立式加工中心)中制造这些零件，但由于机床正失去其保持精密公差的能力，故决定投资购置一款新型的斗山DNM 500 II VMC(立式加工中心)。然而，围绕设置的中心问题仍然存在：要想在机床内安装单一工件，需要花费太多的时间。精简工艺流程的合理第一步就是需要开发出一个用于夹紧工件的更有效方法。

工件夹紧解决方案

经过对各种不同类型工件夹具和系统的比较，公司确定 Schunk(北卡罗莱纳州莫里斯维尔)的VERO-S NSE，链条138快速转换托盘系统更适用于这个应用场合，它配有可在内部进行加工的轻型夹具装置。

图2 附有固定装置的备用托盘已准备好装载螺纹铣削加工的工件，每个零件的加工时间不到2min

这个解决方案的目标是双重的。首先，快速的安装设置可减少了机床的停机时间，将原先2～4h的时间减少到仅需几分钟。Schunk系统包括一个夹紧站，用于接收托盘，可提供0.0002in的重复定位精度。公司一般在机床上放置两个零件，而另外两个托盘在机床外待命。断开所花费的时间不足一分钟。一旦两个零件被加工，则两个已附着于托盘的新工件就会被加载进来。即使这个阶段已经得到仔细检查，公司也在寻求方法，使整个装配尽可能地轻，以便于处理。例如，已加载的托盘重量在开始时会达到8lb，但Hart发现斗山的定轴性可使操作人员更为积极地移除材料，并可将修整预装托盘的重量降至6 lb。此外，机加工车间还在VMC(立式加工中心)的旁边设计了一款工作台，使其长到足够容纳四个托盘。工作台的表面略向操作人员所处位置倾斜，这样一来，操作人员就不必弯腰去加载和卸载零件，与此同时，工装夹具柜也被安装到位，以便使所有必要的工具都可以触手可及。

图3 在这里，已从VMC（立式加工中心）中移除的加工件被夹住，并为无螺纹的工件所取代

对于工件夹紧方案而言，航空金属公司的第二目标就是要委托制作一个定制的耳轴工作台，便于托盘的装/卸载，并使多个零件一次完成加工。基本上讲，耳轴工作台类似于一个摇篮，或者说是一个一侧扁平、绕其纵向轴旋转的圆筒。当工件被安装时，工作台旋转，以提供额外的第四轴加工角度。Hart勉强接受耳轴工作台的所有者Elsemere Stan Martin和Schunk公司的销售代表Lester Adair对其需求加以描述。

基于一些最初的对话，以及Adair的介入，Martin能够按照Hart的精确规格来设计工作台，确保航空金属公司的操作人员能够轻易地通过配备工作台，使其与现用的Schunk工件夹紧装置相配合，处理安装事宜。据Hart称，新单元一到货，公司的操作人员就使其安装妥当并投入运转。他评论道：“Stan真是很棒的合作伙伴，Lester也是如此。他们两个都精通自己的业务，我所要做的无非是描述一下我的想法，接着他们就去着手按我的要求开展工作了。Stan也为我们提供了我们所需要的一切，从软件到布线，以便使所有设备能够被快速地连接起来。这真的是一次完美的安装。”

图4 马丁加工服务公司生产的这款四站耳轴台专门用于匹配已选定的德国Schunk夹紧航空金属公司。多亏提前计划安排到位，故仅花费了不到一天的时间就完成了单元各构件的连接，并投入运转

工件夹紧的好处

那么，自新单元被组装后，航空金属公司的业务发生了什么变化?据Hart称，变化甚大，具体包括：除了主轴的正常运行时间大幅增加之外，重复性和精度也有了很大改善，由于具备了在飞轮上改变设置的能力，可使夹具快速转换，以应对最后关头的急件，从而让公司能够变得更敏捷地响应客户。

增加的生产效益也降低了单元运转的成本，其中包括所需的电力以及监视系统运行所需的操作人员。Hart指出VMC(立式加工中心)曾在所有三个工作班次全时运行。但扩充的能力现在能够使斗山满足两个班次期间的需求。

对于大于电器外罩的零件来讲，无法移除耳轴。工作台可一次处理来自同一零件系列、多达四个托盘，尽管通常只有两个零件被加载进来，这是由于随着速度的增加，只能有两个新托盘被加载，而另外两个处于被加工状态。

由于航空金属公司机工车间中所有其他的VMC(立式加工中心)均配备有相同的控件，故DNM 500 II的发那科控件也可将转换简化到新机床中。由于这些机床中绝大部分为第四轴机床，对于新的VMC(立式加工中心)来讲，所需要做的事情就是准备一些额外的代码来打开夹紧接收装置。

图5 Carl Simpson是数控机床的程序员 操作员，将已装载的托盘转移到VMC（立式加工中心）。每个托盘的重量不到6lb，可减少操作者的疲劳，并可使更多的零件在每天结束之前，被加载到机床中

相较于以往系统，新单元的配置更注重于人机工程学，从而使加工区很容易实现导航和减少操作者产生身体紧张。这也意味着每天会有更多的零件穿过加工单元。

新的加工单元允许航空金属公司追求连接盘(以往无法竞标的合同，如枪械的某些零件)。VMC(立式加工中心)的高精度、工件夹紧系统所赋予的设置和转换简易性使公司能够追求制造出新零件，或者涉足新市场。，新技术也促使公司开始在机械工厂的其他领域寻求更高的效率。

朝着未来方向努力

在机加工车间拥有这种新技术唤醒了公司在其他领域挖掘各种的潜在利益。受到Schunk公司液压刀夹设计的启发，公司将其作为冷缩配合和压合系统的对照标准。Hart讲道：“我们觉得它们的表现优于我们尝试过的一切。事实上，它使我们的工装使用寿命提高了四或五倍，所以我们立即将它们切换到我们所有的机床上。”

VMC(立式加工中心)和工件夹紧系统运转的如此出色，以至于Hart正计划在不久的将来安装一个复制单元，同时，也将有重建旧的机床，然后把各种服务集成进去。

除了提高车间的生产率外，加工单元也可为客户提供各种好处。例如只要能实现每个零件成本的显著节省，航空金属公司基本上会将这些节省，与客户均分。这种方法不仅有助于实现公平或深化合作关系，同时也可促使客户在制造零件时运行采用新的工艺流程和技术，这样可为每个参与方节省资金。

公司还利用生产单元吸引学生涉足制造业的职业生涯。航空金属公司拥有约300名员工，是拉波特最大的企业雇主，它积极地将自身触角延伸到当地的技术学校、社区和高中。公司将举办工厂参观，给学生一睹现代加工风采的机会，操作人员和工程师也参与当地的招聘会，并深入教室给学生介绍实现制造业生涯需要哪些条件以及这种职业会给从业者何种回报。

Hart讲道：“这是一个工程师所要做的事情，这是航空金属公司所从事的业务，如果你准备今后进入此行业，这就是你需要做的事情，公司提供有薪的暑期实习机会。”

“一旦这些学生看到加工单元，就可能会改变他们对制造业的想法。而这种类型的第一手接触是帮助克服技能差距的一个更加强大的方法，可以确保我们在未来拥有合格的工程师和机床操作人员以及程序员。”