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世界级飞机结构件加工的新境界

半个多世纪之前，歌手 Gene Pitney 以一曲“24 hours from Tulsa”让位于美国中南部的俄克拉何马州为全世界所知。而今又有一个新现象让这一地区再次成为世界瞩目的焦点，那就是 Orizon Aerostructures。Orizon Aerostructures 是一家技术型制造公司，目前正在美国中西部地区建造独特的工厂项目。该公司旗下设有六家分公司，共有员工 763 人，致力于航空航天和复杂部件制造。公司在堪萨斯州、密苏里州以及俄克拉荷马州建有四个工厂，总生产面积近 72,500 m2，生产设备达 100 台数控机床（其中 50 台为五轴或五轴以上）。

在该公司距塔尔萨市 (Tulsa) 不到 90 分钟车程的新工厂里，正在上演一派卓越制造的全新景象。

    该工厂投资项目耗资 5,000 万美元，除了专门建造的厂房外，还包括十台斯达拉格 ECOSPEED F2060 五轴加工中心，并且 Orizon 已将其中九台 Ecospeed 机床组成了柔性制造系统（FMS），此举为飞机结构件加工领域（主要是铣削）树立了新标杆。这一柔性制造系统是西半球同类产品中最大的集成系统，将使该公司实现以下目标：

    • 与原先的方法相比，所有零件的加工时间至少缩短 30%。
    • 大幅提高表面精度，同时大大减少去毛刺和抛光需求。
    • 可观的资本支出-收入比率，人均收入是传统加工方法的 2-3 倍。

    “这一点也不稀奇，”斯达拉格北美区总经理 Udo Herbes 说道，“当 Ecospeed 以 10,000 cm3/min 的最大切削量运转时，可以在不到四个小时内将 550 kg 的铝坯加工成 24 kg 的复杂结构件。”

    这一柔性制造系统由九台高速（进给速度达 50 m/min）Ecospeeds 机床组成，配置带 18 个库位的托盘库系统，通过自动导轨给料，并集成了一套清洗和烘干单元。系统采取两班制，每班只需配置 5 人，就可以确保全天候运转，这使得 Orizon 在飞机结构件加工领域获得非凡的加工效益——主要针对航空航天和国防领域的领先原始设备制造商的翼梁、翼板和舱壁。

    Orizon 的前瞻性加工理念无疑是成效斐然的，而公司对其投资的态度也很明确，正如首席执行官 Charlie Newell 所概括的：“2016 年 10 月，我们构想建造一个独一无二的工厂，并只用 12 个月的时间去实现；这是一个配置全新柔性制造系统的新工厂，其加工效率将达到我们前所未有的水平,”他说道。

    “我们从一开始就选择与 Starrag 合作，并在世界一流的飞机结构件加工领域建立了令人难以置信的强大且非常成功的合作伙伴关系。甚至在一台机床都尚未售出的情况下，斯达拉格也愿意倾听我们的意见，分享知识经验，支持我们的愿景。比如向我们传授高水平的专业知识，协助我们围绕自身业务体系开发合适的工艺流程。” 

    他补充说：“例如（使用标准刀具）对所有零件的加工工序进行标准化，利用在线诊断工具使 Orizon（以及位于门兴格莱德巴赫的斯达拉格工厂）能够通过智能手机、iPad 或台式电脑随时查看系统或单台机床的情况。”

    在线诊断只是斯达拉格集成制造系统（IPS）的其中一个优势。该系统是一个模块化数字平台，符合斯达拉格的“精准开发，想您所想”理念，为用户提供一系列功能以满足不同任务的需求，包括：

    • 云解决方案帮助用户更有针对性地分析和优化工艺，进一步提高生产率；
    • 机床生产系统（MPS）实时监控生产，防止机床发生错误操作或碰撞；
    • 过程质量控制通过颤振监测器监控加工过程中的振动情况，并在发生危险振动时发出警告；
    • 机床监测系统（MQS）可显示机床状态，并在必要时显示相应的维护说明。

    “Orizon 之所以选择带有 Sprint Z3 并联主轴头和角度头的斯达拉格 ECOSPEED F2060 机床，”Orizon 总裁 Henry Newell 说道，“是因为该机床的各方面性能均与斯达拉格承诺的完全一样，包括金属去除率（每台机床每小时达 10 m3）、可靠的运行时间（97%）和出色的表面精度（超高加加速度）。”

    “毫无疑问，斯达拉格是一家真正值得信赖的公司，并且我们在实现世界一流加工效果上有着相同的价值观，”他补充道。“哪怕是一个型腔中的一点切屑没有及时去除，都会导致价值 2 万美元的零件报废——这样大的损失是任何人都承担不起的！”不过，Orizon 无需有此顾虑，因为他们为其柔性制造系统订购了六台斯达拉格机床（计划再增加另外三台机床——未来可能会增加更多）。Orizon 首先安装了一台带 Sprint Z3 并联主轴头的单机版 Ecospeed，全方位测试该机床零部件生产效率及合格率，以实现加工业务部副总裁 Josh Fink 所说的“将为客户提供更快、更好、成本更低的生产方式”。

    Orizon 将最初安装的 ECOSPEED F2060 放在单独的区域，腾出 8,000 m2 的厂房来容纳后续由六台机床组成的柔性制造系统。该系统的第一台 ECOSPEED F2060 安装于 2017 年 1 月，两个月后安装了托盘系统，整个系统于 2017 年 10 月投产。一年后，他们又增加了另外三台 Ecospeed——“最重要的是，”Josh 说道，“后来增加的三台机床并没有给系统增加人工成本；增加的只有收入”。

    斯达拉格 ECOSPEED F2060 的 X、Y 和 Z 轴的行程分别为 6,300 mm、2,500 mm、670 mm（主轴处于水平位置），各轴的进给速度为 50 m/min。此外，行程为 +/- 45 度的 A/B 轴还配置有 30,000 rpm/120 kW 的主轴。该主轴可提供 83 Nm 的扭矩，并且在 S1 模式下能以 30,000 rpm 的转速不间断运转。其中一台机床在原有配置上进一步提高了性能，五轴加速度达 1g、加加速度为 200 m/s³，实现了超高的动态性能。

    在上下料区，托盘处于水平位置，零件（每个托盘最多可容纳 12 个不同的零件——但在每个 2 * 6 米的托盘上，工件尺寸要尽可能标准化，尤其是高度，每个托盘可承载 5,000 kg 的负荷）使用各种真空夹具和机械夹具手动装夹上料。装载后，托盘翻转 90 度，并移动到长 82 米的柔性制造系统中，由精密的单元控制器“决定”由哪台机床加工哪个托盘上的工件。

    这一柔性制造系统是西半球同类产品中最大的集成系统，将使该公司实现以下目标：与原先的方法相比，所有零件的加工时间至少缩短 30%。

    换刀机械手可以抓取放置在每台 Ecospeed 的 129 刀位中任一通用刀具，这意味着任何一台 ECOSPEED F2060 都能以任意顺序加工任何零件，单元控制系统为柔性制造提供终极保障。在与斯达拉格密切合作的基础上，Orizon 对刀具、切削速度、进给以及编程设计进行了标准化，以实现高度灵活的生产。

    加工完成后，托盘将移动到清洗/烘干站，由高压喷嘴直接冲淋，将零件的每个角落清洗干净，然后进行烘干。即通过使用最小量润滑（MQL）技术，使工件在进入清洗站时携带相对较少的切屑/切削液。卸载时，托盘返回到水平位置，所有零件离开柔性系统进入下一工序——去毛刺，然后进入三坐标测量机进行全面检测。

    Orizon 的每台 Ecospeed 都带有一个 Sprint Z3 并联主轴头，大大提高了机床的高动态五轴联动/五面铣削和钻削能力。三个平行的直线轴沿径向均布在筒形主轴箱内。主轴头通过一端带有简易枢轴的刚性连杆与每个驱动连接起来。

    当全部三根轴同步移动时，主轴沿 Z 轴方向直线移动；A，B 和 Z 轴联动可以使主轴在一个 +/– 45 度的球锥形区域内沿任何轨迹运动，最大摆动速度 80 度/秒。如果三个直线轴的运动不同步，主轴头在 A/B 平面内摆动。

    每台机床都带有集成的 C 轴，允许使用可自动交换的角度头，工作角度范围为 -135 到 +135 度。这些加工头使每台机床实际变为六轴，可以进入和加工难以达到的区域。

    机床可以采用标准的 HSK A63/80 刀柄，也可以选择最大直径到 50 mm 的整体式刀具。所有刀具都带有 RFID 芯片，以便实现有效的刀具管理。衡量 Orizon 与斯达拉格合作的一个标志表现在为了满足 Orizon 的需求，斯达拉格对其最近安装的三台 Ecospeed 进行了设计“微调”——例如对安全门进行了调整，改进了机内摄像头的照明，改进了用于日常维护的检修门。

    Orizon 的操作员负责日常基础维护，斯达拉格的 ServicePlus 预防性维护计划为其提供了有力的补充——每年的服务费涵盖所有可能发生的意外故障，并能保障服务响应时间、检查和维修。
    尽管在加工效率上取得了如此大的成绩，Orizon 并未因此而自满，如 Josh Fink 所说：“系统性能需要不断的审视，我们每周都要和斯达拉格开会讨论机床的可用性水平（目前为 97%）和主轴利用率（目标是达到 87%）。有明确的目标固然好，但关键是要能去实现它。这就要求我们持续不断地改进。”

    斯达拉格北美公司：以服务为本

    目前全美有超过 700 台斯达拉格机床在运转中，Udo Herbes 非常清楚公司在当下和不久的未来的雄心所在。 “航空航天市场确实将提高斯达拉格在美国市场的占有率，其次是通用工业和重型车辆（例如采矿车和非道路车辆）部门。很显然，我们必须继续壮大自己的团队，培养更多的服务技术人员，以此来满足客户对超长机床运行时间的需求。我们必须做到让每一位客户都满意。”

    他补充说：“凭借肯塔基州的中央零备件中心（如有需要，零件可以隔夜送达）以及遍布全美各地的服务技术人员，我们将一如既往地保证，不管出现任何问题，我们都能在 48 小时内对机床进行备份并使其恢复运转。” 

    Orizon Aerostructures

    Aircraft manufacturers and their supply chain partners place extremely high demands on high quality and reliable production processes. A prime example is Orizon Aerostructures, who partnered with Starrag to build something very unique in the American Mid-West. The ECOSPEED F 2060 FMS is the largest, fully automated system of its type in the western hemisphere, consisting of a total of nine Ecospeed 5-axis high-speed machining centers. 

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