ITT公司（國(guó)際電話電報(bào)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(qiáng)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(yàn)，以及豐富的精益設(shè)計(jì)和精益生產(chǎn)實(shí)踐，ITT公司為全球航天業(yè)客戶提供了具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格和相對(duì)較短的交貨期，滿足客戶日益增長(zhǎng)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(yùn)用DFMA? (面向制造及裝配的設(shè)計(jì)) 技術(shù)與方法來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段實(shí)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(jì)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(chǎng)景：在一個(gè)運(yùn)營(yíng)總監(jiān)召開的會(huì)議上，每個(gè)部門的代表都在討論如何讓產(chǎn)量更大、盈利更佳。參會(huì)者首先指出公司內(nèi)某一款主要產(chǎn)品前三個(gè)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(shí)，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(shí)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(dāng)討論越發(fā)激烈，關(guān)于問題原因的意見浮出水面時(shí)，你很快就被指派負(fù)責(zé)這個(gè)產(chǎn)品的“降本”項(xiàng)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(fèi)的原因，并將它們消除。

 

在產(chǎn)品開始生產(chǎn)后的降本，簡(jiǎn)而言之，就是返工：重新修正產(chǎn)品設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，或者是生產(chǎn)過程中的錯(cuò)誤。

 

精益生產(chǎn)對(duì)此是否有幫助？答案是：它們?cè)谝欢ǔ潭壬嫌袔椭?/span>但不要試圖用精益生產(chǎn)來消除設(shè)計(jì)所帶來的浪費(fèi)。你可以暫時(shí)掩蓋一個(gè)低效的可制造性設(shè)計(jì)，但由于沒有切實(shí)的改善，它不會(huì)持續(xù)下去，只有設(shè)計(jì)的可制造性的改變才能系統(tǒng)持續(xù)地維持工藝的改進(jìn)。

 

   什么是可制造性計(jì)劃？

可制造性設(shè)計(jì)——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(jì)階段使用可制造性設(shè)計(jì)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(cè)試、采購、運(yùn)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(dòng)中必不可少的部分。多個(gè)部門成員為該開發(fā)團(tuán)隊(duì)帶來相關(guān)的項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和工作知識(shí)，并一起創(chuàng)建可制造性計(jì)劃。

 

雖然并行工程仍然被認(rèn)為是一個(gè)相對(duì)較新的概念，但是它的定義始于20世紀(jì)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(jì)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(jì)“簡(jiǎn)潔、精細(xì)”的屬性，簡(jiǎn)單、但卻不會(huì)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(duì)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(shí)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(duì)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(diǎn)。

 

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(biāo)是消除單獨(dú)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(shí)間。

 

最低限度使用標(biāo)準(zhǔn)或特殊加工 - 設(shè)計(jì)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(jī)加工設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離裝配線！

 

   可制造性設(shè)計(jì)的基本工具

為實(shí)現(xiàn)“簡(jiǎn)潔、精細(xì)”的設(shè)計(jì)，需要運(yùn)用一個(gè)重要工具：DFMA?軟件，即面向制造及裝配的設(shè)計(jì)軟件。DFMA?軟件包括兩個(gè)模塊——DFA（面向裝配的設(shè)計(jì)）和DFM（面向制造的設(shè)計(jì)）。

 

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

◆ DFA模塊通過評(píng)估裝配時(shí)間和成本，判斷各零件的存在價(jià)值和裝配過程的復(fù)雜度，比較不同的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，得到最佳的設(shè)計(jì)方案。

◆ DFM模塊通過評(píng)估單個(gè)零件的加工工藝時(shí)間和成本，指導(dǎo)工程師在設(shè)計(jì)零件時(shí)合理選擇不同的材料和工藝；并考慮到供應(yīng)商的實(shí)際制造條件，與供應(yīng)商進(jìn)行建設(shè)性的溝通，以達(dá)到最佳的制造成本。

   DFMA?應(yīng)用實(shí)例-商用飛機(jī)上的蝶形風(fēng)道閥

以下是ITT航天控制系統(tǒng)部門所負(fù)責(zé)的一個(gè)項(xiàng)目實(shí)例，客戶需要更換他們商用飛機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的現(xiàn)有閥門。每架飛機(jī)有3個(gè)閥門，安裝在一個(gè)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(gè)專門的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，在了解客戶需求的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中有一項(xiàng)可能滿足客戶需求，但實(shí)際應(yīng)用中遇到了一些問題。

 

首先，該設(shè)計(jì)相當(dāng)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(yùn)行良好，但自從閥門設(shè)計(jì)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(gè)問題：成本。在當(dāng)今的制造業(yè)中，閥體和蝶形組件是非常昂貴的。針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的成本分析完成后，接下來的選擇顯而易見：是時(shí)候進(jìn)行新的閥門設(shè)計(jì)了。

 

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)作為基線，運(yùn)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(jì)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(shí)使產(chǎn)品易于組裝。雖然這是一項(xiàng)很直接的閥門設(shè)計(jì)，但是運(yùn)用DFA方法的設(shè)計(jì)結(jié)果卻相當(dāng)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(jì)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(yán)格的情況下珩磨密封區(qū)域。

 

蝶形組件采用了一個(gè)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(zhǎng)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(shí)需要圍繞蝶形盤推動(dòng)和拉動(dòng)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(jì)—蝶形風(fēng)道閥

 

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)不同的再設(shè)計(jì)方案，分析表明設(shè)計(jì)的可制造性屬性發(fā)生了顯著變化。經(jīng)過幾次反復(fù)分析，確定了最終的再設(shè)計(jì)方案并被客戶接受。下面的圖2顯示了再設(shè)計(jì)的結(jié)果。

 

圖2  新設(shè)計(jì)截面圖和蝶形盤密封細(xì)節(jié)

對(duì)于新設(shè)計(jì)的高成本部件: 機(jī)加工的鋁閥體和蝶型盤組件，由于這兩個(gè)零件滿足DFMA?理論的最少零件標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)這兩個(gè)零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)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(jì)是按原樣成形的，所以當(dāng)時(shí)用矩形坯料加工更經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)僅需老設(shè)計(jì)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(jì)， 右側(cè)為新的簡(jiǎn)化后的設(shè)計(jì)

 

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(jì)算蝶形盤本身和相關(guān)零件的成本，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)朝正確方向進(jìn)行。

 

如圖4所示，更新的蝶形光盤看起來更復(fù)雜，但最終在更現(xiàn)代的多軸機(jī)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(shí)間。新設(shè)計(jì)的整體成本僅為老設(shè)計(jì)的60%.

 

舊蝶形盤設(shè)計(jì)

 

圖4  新蝶形盤設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的密封設(shè)計(jì)不僅更易于組裝，而且改善了密封功能：當(dāng)壓力增加時(shí)，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(jī)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(jì)

 

圖6  新蝶形閥截面面

新設(shè)計(jì)最大的回報(bào)是降低了蝶形風(fēng)道閥的成本，不僅如此，在裝配車間和整個(gè)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(jì)的27件減少到14件。裝配時(shí)間（用DFMA?計(jì)算）從原設(shè)計(jì)的8.08分鐘到2.54分鐘。

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

◆ 現(xiàn)在不僅只需要原設(shè)計(jì)三分之一的時(shí)間進(jìn)行組裝，由于設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化幾乎消除了返工。

◆ 在最初的設(shè)計(jì)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(rùn)滑操作后就可伸展到位。

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

下圖顯示了DFMA?軟件對(duì)比新舊設(shè)計(jì)的結(jié)果。

	原設(shè)計(jì)	新設(shè)計(jì)	減少
零件數(shù)量	27	14	48.1%
裝配時(shí)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(jì)流程中“我設(shè)計(jì)，你制造”的隔閡，結(jié)合了市場(chǎng)、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(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)”來設(shè)計(jì)產(chǎn)品，在產(chǎn)品并行開發(fā)過程中滿足消費(fèi)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(jià)值最高。

 

在利用DFMA?技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，產(chǎn)品工程師對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的制造過程和裝配過程進(jìn)行分析，從材料、人工、設(shè)備和質(zhì)量四個(gè)方面衡量測(cè)算每一個(gè)步驟的成本，以評(píng)估每個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)”方法，研發(fā)人員逐漸改變了“注重功能，忽視成本”的設(shè)計(jì)思想，提高了研發(fā)人員的設(shè)計(jì)成本意識(shí)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)（DFMA?設(shè)計(jì)）實(shí)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(shí)現(xiàn)客戶滿意度與企業(yè)盈利能力的雙贏。