ITT公司（國際電話電報公司）成立于1920年，總部設(shè)在紐約州白灘市，是一家集工程技術(shù)與制造的世界500強公司。航空航天環(huán)境控制系統(tǒng)(Aerospace Environmental Control Systems) 業(yè)務(wù)部門作為ITT公司的重要組成部分，一直在商業(yè)航空航天業(yè)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新。

 

憑借超過75年的行業(yè)經(jīng)驗，以及豐富的精益設(shè)計和精益生產(chǎn)實踐，ITT公司為全球航天業(yè)客戶提供了具有競爭力的價格和相對較短的交貨期，滿足客戶日益增長的需求。

 

以下案例分享了ITT 航空航天環(huán)境控制系統(tǒng)部門如何運用DFMA? (面向制造及裝配的設(shè)計) 技術(shù)與方法來簡化設(shè)計，在設(shè)計階段實現(xiàn)成本最優(yōu)，并為后續(xù)的制造和裝配提供便捷，從而有效提升企業(yè)的按期交付和盈利能力。

   健康的生產(chǎn)型企業(yè)的關(guān)鍵

健康的生產(chǎn)型企業(yè)和經(jīng)濟的基礎(chǔ)是可持續(xù)生產(chǎn)耐用的產(chǎn)品，而這一切都是有關(guān)收入和盈利能力的。

不知道你是否遇到過這樣的場景：在一個運營總監(jiān)召開的會議上，每個部門的代表都在討論如何讓產(chǎn)量更大、盈利更佳。參會者首先指出公司內(nèi)某一款主要產(chǎn)品前三個月的數(shù)據(jù)并不好看。

 

這款產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表明產(chǎn)品的生產(chǎn)成本以及零部件成本非常高，并且持續(xù)增加，同時，這些零部件的組裝難度高，造成了低效的裝配操作。公司很難在指定日期內(nèi)實現(xiàn)交付承諾，但“按期交付”往往是客戶最重視的要求之一。

 

當討論越發(fā)激烈，關(guān)于問題原因的意見浮出水面時，你很快就被指派負責這個產(chǎn)品的“降本”項目：公司希望你可以找出產(chǎn)品不必要的成本支出以及浪費的原因，并將它們消除。

 

在產(chǎn)品開始生產(chǎn)后的降本，簡而言之，就是返工：重新修正產(chǎn)品設(shè)計的錯誤，或者是生產(chǎn)過程中的錯誤。

 

精益生產(chǎn)對此是否有幫助？答案是：它們在一定程度上有幫助。但不要試圖用精益生產(chǎn)來消除設(shè)計所帶來的浪費。你可以暫時掩蓋一個低效的可制造性設(shè)計，但由于沒有切實的改善，它不會持續(xù)下去，只有設(shè)計的可制造性的改變才能系統(tǒng)持續(xù)地維持工藝的改進。

 

   什么是可制造性計劃？

可制造性設(shè)計——為了確保最佳的成本、質(zhì)量、可靠性、交貨和客戶滿意度，在產(chǎn)品的設(shè)計階段使用可制造性設(shè)計技術(shù)來優(yōu)化產(chǎn)品的所有生產(chǎn)相關(guān)功能，如：制造、組裝、測試、采購、運輸、交貨、服務(wù)修理和保修。

 

并行工程已成為產(chǎn)品開發(fā)活動中必不可少的部分。多個部門成員為該開發(fā)團隊帶來相關(guān)的項目的經(jīng)驗和工作知識，并一起創(chuàng)建可制造性計劃。

 

雖然并行工程仍然被認為是一個相對較新的概念，但是它的定義始于20世紀80年代中期。早期考慮制造相關(guān)因素縮短了開發(fā)周期、最小化了開發(fā)成本，并使得設(shè)計能夠平穩(wěn)過渡到生產(chǎn)。

 

可制造性屬性——可制造性屬性指的是體現(xiàn)設(shè)計“簡潔、精細”的屬性，簡單、但卻不會被客戶直接感知。盡管在面向客戶的層面，這些屬性不被感知，但是在公司生產(chǎn)層面，它們對材料選擇、成本控制、以及生產(chǎn)效率的提高卻有很大幫助。可制造性屬性包括：

 

零件數(shù)量減少 - 使用盡可能少的必需零件來實現(xiàn)產(chǎn)品的功能和質(zhì)量。

 

在裝配過程中易于拿取 - 盡量不要使用在裝配前嵌套或纏結(jié)的零件。避免使用不用工具就難以拿取的零件。

 

易于在裝配中將零件插接到位 - 對所有零件使用單向從上往下的插接，消除裝配中的重新定向。嘗試消除零件插接、接近或?qū)R的困難點。

 

盡量少使用工具（如果有的話）- 幾乎所有的緊固件都使用工具來安裝，因此目標是消除單獨的緊固件。除雙手之外的裝配輔助工具還增加了把零件組裝在一起的時間。

 

最低限度使用標準或特殊加工 - 設(shè)計中應(yīng)使用不需要外部處理的材料，如電鍍或噴漆。鉆孔和機加工設(shè)備應(yīng)遠離裝配線！

 

   可制造性設(shè)計的基本工具

為實現(xiàn)“簡潔、精細”的設(shè)計，需要運用一個重要工具：DFMA?軟件，即面向制造及裝配的設(shè)計軟件。DFMA?軟件包括兩個模塊——DFA（面向裝配的設(shè)計）和DFM（面向制造的設(shè)計）。

 

通過分析整個裝配過程和單個零件的制造，DFMA?軟件幫助工程師們“看到”設(shè)計浪費，它是“發(fā)現(xiàn)浪費”和實現(xiàn)精益設(shè)計的工具。

◆ DFA模塊通過評估裝配時間和成本，判斷各零件的存在價值和裝配過程的復雜度，比較不同的設(shè)計方案，簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)，得到最佳的設(shè)計方案。

◆ DFM模塊通過評估單個零件的加工工藝時間和成本，指導工程師在設(shè)計零件時合理選擇不同的材料和工藝；并考慮到供應(yīng)商的實際制造條件，與供應(yīng)商進行建設(shè)性的溝通，以達到最佳的制造成本。

   DFMA?應(yīng)用實例-商用飛機上的蝶形風道閥

以下是ITT航天控制系統(tǒng)部門所負責的一個項目實例，客戶需要更換他們商用飛機系統(tǒng)內(nèi)的現(xiàn)有閥門。每架飛機有3個閥門，安裝在一個7英寸的空氣管道系統(tǒng)中。

 

ITT航天控制系統(tǒng)部門成立一個專門的設(shè)計團隊，在了解客戶需求的時候，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計中有一項可能滿足客戶需求，但實際應(yīng)用中遇到了一些問題。

 

首先，該設(shè)計相當陳舊，大概在30年前甚至更早就已經(jīng)存在了。盡管在系統(tǒng)中運行良好，但自從閥門設(shè)計誕生以來，制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。

這引出了第二個問題：成本。在當今的制造業(yè)中，閥體和蝶形組件是非常昂貴的。針對現(xiàn)有設(shè)計的成本分析完成后，接下來的選擇顯而易見：是時候進行新的閥門設(shè)計了。

 

設(shè)計團隊利用現(xiàn)有設(shè)計作為基線，運行DFA分析以找出成本的困難所在。分析表明，裝配效率非常低。設(shè)計者現(xiàn)在著手創(chuàng)建包含最少數(shù)量的零件的配置，以獲得客戶期望的功能，同時使產(chǎn)品易于組裝。雖然這是一項很直接的閥門設(shè)計，但是運用DFA方法的設(shè)計結(jié)果卻相當驚人。

 

最重要的改變是閥體、蝶形組件，以及它如何密封到閥體內(nèi)壁。舊閥體設(shè)計涉及多種不同類型設(shè)備的不同設(shè)置，并需要特別注意內(nèi)部表面光潔度，在閥體內(nèi)徑公差要求嚴格的情況下珩磨密封區(qū)域。

 

蝶形組件采用了一個圍繞外徑的多重特征凹槽，其中使用彈性O(shè)形環(huán)來支撐擠出的聚四氟乙烯密封件。密封件長度大約為21英寸，需要在O形環(huán)背襯的壓力下被送入加工后的凹槽中（見圖1），在安裝和切割時需要圍繞蝶形盤推動和拉動密封件。如果密封件在裝配前以任何形式受到損壞，密封件將被取出并予以更換。

 

圖1  原設(shè)計—蝶形風道閥

 

設(shè)計團隊對新設(shè)計的目標：設(shè)計一個合適的閥門，盡量少使用零件和制造工藝，這樣能快速組裝，并且具有超過客戶期望的質(zhì)量和可靠性水平。

在DFMA?軟件中嘗試分析了幾個不同的再設(shè)計方案，分析表明設(shè)計的可制造性屬性發(fā)生了顯著變化。經(jīng)過幾次反復分析，確定了最終的再設(shè)計方案并被客戶接受。下面的圖2顯示了再設(shè)計的結(jié)果。

 

圖2  新設(shè)計截面圖和蝶形盤密封細節(jié)

對于新設(shè)計的高成本部件: 機加工的鋁閥體和蝶型盤組件，由于這兩個零件滿足DFMA?理論的最少零件標準，因此對這兩個零件進行重新設(shè)計是很有必要的。

閥體的成本是整體的外形和加工方法。由于舊設(shè)計是按原樣成形的，所以當時用矩形坯料加工更經(jīng)濟合適。今天的技術(shù)改變了這一切。如圖3所示，與加工矩形坯料相反，較新的設(shè)計可由銑車床上單步設(shè)置加工成接近凈尺寸的圓形。毫無疑問，新的設(shè)計僅需老設(shè)計的大約20%的制造成本便可加工出來。

 

圖3  左側(cè)為加工矩形坯料的原設(shè)計， 右側(cè)為新的簡化后的設(shè)計

 

蝶型盤的主要成本是留存密封件的凹槽結(jié)構(gòu)，以及裝配成本。首先使用DFMA?軟件計算蝶形盤本身和相關(guān)零件的成本，以驗證設(shè)計朝正確方向進行。

 

如圖4所示，更新的蝶形光盤看起來更復雜，但最終在更現(xiàn)代的多軸機床上更容易加工。同樣，更少的加工設(shè)備設(shè)置節(jié)省了一天的加工時間。新設(shè)計的整體成本僅為老設(shè)計的60%.

 

舊蝶形盤設(shè)計

 

圖4  新蝶形盤設(shè)計

改進后的密封設(shè)計不僅更易于組裝，而且改善了密封功能：當壓力增加時，密封變得更緊。

而且，由于它只使用彈性體界面抵靠閥體的內(nèi)壁，鋁的表面光潔度變得不那么關(guān)鍵，消除了不必要的機械加工（珩磨），并且閥體內(nèi)徑的尺寸公差也可適度放松。圖5和圖6展示了新的閥組件。

 

圖5  完整的新蝶形閥設(shè)計

 

圖6  新蝶形閥截面面

新設(shè)計最大的回報是降低了蝶形風道閥的成本，不僅如此，在裝配車間和整個制造鏈中也有同樣吸引人的收益。

◆ 零件數(shù)量從原來設(shè)計的27件減少到14件。裝配時間（用DFMA?計算）從原設(shè)計的8.08分鐘到2.54分鐘。

◆ 隨著零件數(shù)量的減少和裝配時間的縮短，庫存周轉(zhuǎn)率會有明顯的提高。

◆ 現(xiàn)在不僅只需要原設(shè)計三分之一的時間進行組裝，由于設(shè)計的簡化幾乎消除了返工。

◆ 在最初的設(shè)計中，由于裝配的性質(zhì)，聚四氟乙烯密封條失效是一種常見的現(xiàn)象。新的密封件在平穩(wěn)、可靠的潤滑操作后就可伸展到位。

◆ 為了將蝶形盤裝配到原設(shè)計的閥體中，必須使用一個裝配夾具；由于新設(shè)計的蝶形盤幾乎是自對準的，因此現(xiàn)在已經(jīng)取消了這個裝配夾具。

下圖顯示了DFMA?軟件對比新舊設(shè)計的結(jié)果。

	原設(shè)計	新設(shè)計	減少
零件數(shù)量	27	14	48.1%
裝配時間(分鐘)	8.08	2.54	68.6%
材料成本	$5,124.67	$1,199.56	76.6%
人工成本	$3.95	$1.24	68.6%
工裝模具成本	$0.25	$0.00	100.0%
總成本	$5,128.87	$1,200.80	76.6%
DFA指數(shù)	3.1	10.4

 

DFMA?打破了傳統(tǒng)設(shè)計流程中“我設(shè)計，你制造”的隔閡，結(jié)合了市場、性能、專業(yè)、建模、質(zhì)量、工藝流程、供應(yīng)商、采購、成本等各種技術(shù)要求，以“最簡單的結(jié)構(gòu)”來設(shè)計產(chǎn)品，在產(chǎn)品并行開發(fā)過程中滿足消費者的需求。它確保了產(chǎn)品的投入產(chǎn)出比最高，和產(chǎn)品的價值最高。

 

在利用DFMA?技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計的過程中，產(chǎn)品工程師對整個產(chǎn)品的制造過程和裝配過程進行分析，從材料、人工、設(shè)備和質(zhì)量四個方面衡量測算每一個步驟的成本，以評估每個設(shè)計要素是否是必須的和最優(yōu)的。

通過這種“基于成本的設(shè)計”方法，研發(fā)人員逐漸改變了“注重功能，忽視成本”的設(shè)計思想，提高了研發(fā)人員的設(shè)計成本意識，從產(chǎn)品設(shè)計的源頭出發(fā)，將產(chǎn)品生命周期成本控制在70%～80%之間，此為最優(yōu)。最后，通過精益設(shè)計（DFMA?設(shè)計）實現(xiàn)了真正意義上的精益生產(chǎn), 助力企業(yè)以最優(yōu)的成本按期交付滿足客戶需求的產(chǎn)品，實現(xiàn)客戶滿意度與企業(yè)盈利能力的雙贏。