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家电的集成式柔性制造 |
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作者：新西兰SCOTT技术股份有限公司上海代表处 潘海滨 |
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SCOTT技术股份有限公司是位于新西兰南岛的工程公司，为全球家电行业设计并制造专用生产设备已有二十多年之久。其最大的分公司完全集中服务于家电行业，在全球12个国家中，已有超过100条SCOTT生产线在运行。客户包括国际知名家电企业通用电气、惠尔浦、美泰克、伊莱克斯、墨西哥的Mabe、波兰的Amica、加拿大的Camco和中国的小天鹅等。
难题的提出
SCOTT曾经用简单方法解决了许多复杂的制造难题。其解决的难题之一是在同一设备上用不同类型的板材生产高质量的产品，即在同一条生产线上用冷轧钢板、彩色钢板和不锈钢板生产家电箱体和零部件。例如，在同一设备上可以既生产不锈钢门，又可以进行碳钢的加工吗？
在同一条SCOTT线上用彩板和不锈钢板生产出
的洗衣机箱体
现代设备需要加工的材料包括：中碳钢（平滑的、带纹理的、光板、油漆和乙烯预涂板）、不锈钢（各种等级和成分）以及各种不同厚度的材料。带纹理的和上漆的碳钢其基体和表面材料的厚度、硬度和滑润性不尽相同。碳钢和不锈钢是不同的，即使同为不锈钢，也会因为其内部合金组分及晶体结构的不同，而存在着巨大的差异。
在家电制造过程中，金属板材需要经过以下加工：成型（拉伸和压筋）、折弯、冲孔和铆接（钉牢）。材料特性的差别如剪切强度、硬度和拉伸强度的差别都会在这些加工过程中产生许多问题。
剪切强度的差异对于冲裁加工有重要影响。材料剪切强度的不同对模具间隙和冲裁力的大小有不同的要求。加大冲裁力会增加设备载荷，制动时容易产生震动。
拉伸强度和硬度的变化对于成型和折弯加工具有重大影响。材料特性的差异可能产生成型加工部分的不同反弹，有时甚至导致拉伸部件的撕裂，材料拉伸强度的增加通常要求加大设备载荷。
许多预涂和不锈钢材料都采用无铆钉铆接，而不采用可能对材料表面造成损伤的焊接技术。铆接加工的质量取决于上述三个材料特性，最重要的是要达到所需的铆接强度。
解决方案
SCOTT公司在加工处理上述材料方面积累了数十年的经验，并成功地开发出了在同一设备上加工不同材料的一系列关键技术。
很明显，要解决上述问题，首先需要解决的是缩小所加工材料的差异。虽然现代家电营销要求不同产品型号在外观和材料表面处理上要有差别，我们仍然可以通过合理地选用材料来缩小材料特性上的差异。
正确的材料选择往往决定了制造过程的成败，在一些情况下，选用最适当的材料往往会产生额外的费用，但每个部件的小额额外材料费用可能会远远低于因材料选择不正确而产生的设备使用维护费用。
厚度—许多家用电器是由预涂材料生产的，产品设计通常包括可见的带弧度的弯角。成型加工的成败在于能否尽量缩小材料总体厚度的差异。这类加工通常要压缩处于弯角处的材料—成功与否主要取决于对模具间隙的严格控制。保持总的材料厚度是维持成型工具模具间隙的最简易方法。加工预涂碳钢板的设备通常要加工不带涂层的不锈钢板。现在也有人开始在不锈钢板上增加透明涂层，使其更容易清洁。带有透明涂层的不锈钢板在保护板材表面、提高润滑性和增加材料总体厚度，以达到与预涂碳钢相近厚度方面都提高了其可加工性。
在裁切金属时，涂层的厚度几乎是不相关的，保持基材的厚度是最重要的。当裁切相同厚度的不同材料（例如不锈钢和碳钢）时，剪切强度成为主要因素—要求相应的裁切力和在某些情况下理想的模具间隙。显然，要选择合理的材料厚度和裁切间隔，以尽可能减小不同材料剪切强度的差异。
剪切强度—正如以上所述，剪切强度对于裁切过程影响最大。当裁切不同金属材料时，整个剪切压力通过合理选择材料厚度进行优化管理，但也要注意到材料厚度可能对后续的成型加工产生相反的影响。材料的剪切性能很大程度上受金属中的合金成分影响。在同一设备加工碳钢和不锈钢时，正确选择不锈钢等级，通常能够减少两种材料剪切性能之间的容差。
拉力强度和硬度—拉力的强度和硬度影响形成材料的能力，硬且高张力的材料很难绘制—尤其是具有很多显像度起皱的形式。材料的绘制是弹性的，可以很容易的进行压缩和加厚。拉紧形成最好由那些在破裂前能够忍耐高水平拉力的材料进行，能够展示出绘制和装饰性能的材料最为理想。
相反的，硬且高张力的材料很难依据“柔软”缺少显像度的形式进行折叠。尖的，具有良好定义折叠且褶皱，并可以由弹性阶段变形至塑料阶段的材料相对容易处理，但是大半径和柔和的形状要求工具形式的重大变更，从而获得区别材料的同一结果。柔软的，具有较少弹性点但通常缺少对于缺口抵制力的绘制质量材料，可以用于特定产品的生产。例如，冰箱门。
就如其它的钢材料，拉力强度属于材料成分中合金元素的性能。在很多情况下，材料的使用是更表面性的而不是结构性的，合金可以用于使拉力材料通过一系列的材料安排成为相似的。如果此情况不可行，就必须通过特定形成设备的使用发现并克服困难。简易的解决方法为对于每一种不同的材料设立分离的工具，但是由于时间是今天最有价值的资源，许多生产商不愿意因为工具的改换而延长生产时间。
SCOTT公司制定了大量的革新方法用以克服此类困难。解决方案由不同的机器项目到灵活多变的能够自动将单一工具转换成生产所需形状的形成设备，这些机器是“学习过程中的机器”，它们能够感知机器的变换，修正它们的参数以确保产品满足需求。 
在SCOTT可“自我学习”生产线上生产出的不锈钢冰箱门
案例分析
● 前开盖滚筒洗衣机生产线
几年前，SCOTT公司应一个欧洲家电制造商的要求为其新工厂提供设备，新工厂计划用不锈钢板和碳钢彩板生产三种尺寸的滚筒洗衣机，SCOTT公司为该项目提供了滚筒洗衣机外箱体、两块前面板以及不锈钢内筒的前后盖生产设备。设计箱体时，针对滚筒洗衣机动态载荷大的特点，材料选择上对材料强度的考虑多于对材料可加工性（可成型性）的考虑。原材料不锈钢板表面有一层透明的薄膜，其表面状况类似于碳钢彩板。
两种不同材料的可加工性相差很大，尤其是在对拉伸、凸筋加工和裁切加工所需力的要求大为不同。为解决这个问题，对设备的刚性和动力进行了相应的提高和强化，而在设计裁切刀具时，通过试验对裁切间隙进行优化，以保证用最小的裁切力达到最长的刀具使用寿命。
两种材料的第二个主要差别是其可成型性。因此，设计时采用了各种方法以减少这种差异的影响。比较容易看到的一个措施是在成型模具里采用液压动力的而不是氮气充填的衬垫，衬垫由比例压力卸载阀控制，同时由临近的液压动力装置主动补充液压油。多级加工模具上的衬垫由线性传感器根据冲头所在的位置在整个冲压行程上较大范围地调整，根据材料的不同设计不同的控制程序。而不锈钢内筒端盖的加工，也采用了一项适用于两种不同材料厚度的技术。
一项不太容易被观察到的措施是最大限度地减少加工后的回弹。加工不锈钢板材时，通过把板材保持在受压位置一段时间，就能大幅度地降低回弹，达到极佳的加工效果。在编制控制系统的程序时，加入相关停滞点，这些短暂停滞对设备生产节拍会产生少许影响，考虑到加工质量的提高，这点影响是值得的。
● 冰箱门生产线
家电领域最近的流行趋势是几乎所有的家电企业都在生产带不锈钢门的冰箱。最近，在北美建成投产的一个冰箱厂就采用了四种不同材料生产冰箱门，这里的不同是指基板、表面涂层以及纹理的不同，具体的是指平的和带纹理的彩板、带聚酯涂层的碳钢板和没有涂层的不锈钢板。采用不同厚度的不锈钢板使得加工材料之间的差异进一步加大。基于多年从事制造彩板加工的经验，该家生产商选用了SCOTT公司提供的对开式冰箱门的生产设备。
冰箱门有两种基本设计，平面的或成弧面的，两种门的装铰链的边是相同的，往往是一个大圆角。无论哪种设计，其靠中间隔柱的一边的圆角直径较小。根据门的形状、尺寸和门体厚度的不同，门的边角、弯角角度也不同。所有门的上下端盖都是金属的，并铆接在翻过去的边上。所有门的生产是按照“适时制造”设计的，尺寸、形状和材料的变化在一个生产节拍内完成。
该项目在材料上遇到的问题有一些与洗衣机箱体设备上的相同，有一些则不同，需要全新的解决办法。设计时冲压模具需放在加工件的外面，以处理不同材料所产生的载荷和其它变化。优化设计裁切间隙并反复测试铆接模具，取得理想的冲头/冲模尺寸比，从而保证所有材料都能有效地铆接在一起。生产线上采用了四个折弯工作站以加工冰箱门的可见弯角和翻边，这些折弯加工中应用了许多新的工艺技术。为适应不同的折弯角度，以及折完后的不同反弹，所有折弯头都采用伺服驱动。为加工不同尺寸的门，折弯头位置的调整也是伺服驱动的，这为SCOTT生产满足尺寸公差要求的冰箱门的控制系统奠定了基础。
经验表明，大折弯半径的折弯反弹产生两个变化：一是折弯角度的变化，二是随折弯角度变化产生的折弯半径的变化。后一个变化在小半径折弯时也有，但因为此时变化很小以至于可以忽略不计。因此，在本套设备上，用四种不同材料生产各个尺寸的冰箱门时，只需要考虑六个折弯角度和一个折弯半径的问题。
SCOTT公司的解决方案由三部分组成：一是在折弯头上装有传感器，以提供折弯状况的反馈信息，这些传感器提供的信息用来控制伺服驱动装置。二是提高设备对不同材料的识别功能，尤其是对这些材料特性的识别。为此，SCOTT公司随设备提供了一个单机测试装置，该装置可以对每一个托盘上的材料进行检测，经过简单的检测，数据随后与其它材料参数（表面纹理、表面性状、基板材料和厚度）一起被输入PLC控制系统。三是从机器上采集有关材料的加工数据，并用这些数据来控制伺服驱动的折弯工作站。采用折弯传感器能保证加工出符合要求的折弯角度和折弯半径，如果没达到要求，操作员可以根据PLC上的显示参数对机器进行调整（系统可以根据用户需要设计成“闭环控制回路”）；这些调整数据是与产品和材料数据连在一起的，在下次进行同样的加工时，数据便会被调出来再次使用。
高质量的大半径折弯是通过对两个相互对应的折弯头进行程序控制来实现
的；这两个折弯头的调整是相对独立的，以保证加工件的尺寸精度。
所有上述技术的采用产生了这样一个结果，一台“能够自我学习”的机器，随着材料参数的变化能够自动调整，并在下次遇到相同情况时重复使用。
这些简捷的、以控制为主的解决方案，及专门设计的零部件，结合材料选择上的常规经验和测试数据，使得在一台机器上加工多种材料不再是一个世纪难题。
原载《国际电器制造商情》(end)
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(3/11/2006) |
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