Новый способ сверления титанаВнедрение одной из новинок при сверлении отверстий позволило качественно улучшить производство компонента, имеющего огромное значение при лечении заболеваний позвоночника. Однако дальнейшее продвижение программы сулит новые перспективы в будущем.

Возможность просверлить всего одно отверстие в полиаксиальном костном винте, появившаяся в компании Alphatec Spine, уменьшила ежедневные затраты на производственный процесс более чем на 1000 долларов в день, при этом отверстие было довольно сложным.

Alphatec производит сверхценные детали. Их значимость заключается не только в том, сколько денег было вложено в проектирование и изготовление, но и в действии на конечного потребителя. Линейка продукции Alphatec представлена спинальными имплантами и хирургическими инструментами, целью которых является улучшение качества жизни пациентов с заболеваниями позвоночника.

В миссии компании центральное место занимает производственная экспертиза. Только владея полным пониманием ключевых производственных процессов, компания может постоянно их совершенствовать, таким образом повышая качество и надежность своей продукции. Компания – не сторонник тенденции к избавлению от производственных процессов путем их передачи сторонним подрядчикам, так называемый аутсорсинг. Наоборот, компания ставит целью сосредоточить максимальное количество стадий производства на своих производственных площадях – инсорсинг.

Управляющий персонал компании постоянно находится в поиске способов осуществления всё новых и новых этапов производства силами предприятия  – от сырья до готовой продукции. В прошлом году в калифорнийском отделении компании, фирме Carlsbad, произошло внедрение одного из наиболее важных процессов производства – развития персонала. Для новой программы производится набор наиболее одаренных выпускников высших учебных заведений в это отделение и их дообучение, после которого те вольются в штат специалистов предприятия, занимающихся обеспечением производственных процессов. На сегодняшний день в штате числится 120 человек.

В число этих 120 специалистов входят и программист CNC-ЧПУ Гектор Акоста с оператором Фрэнком Фэном, которым удалось разработать и реализовать новый способ сверления отверстия в костном винте, что привело к снижению затрат предприятия. Костный винт, присоединяющий систему коррекции позвоночника к кости таза – это часть специальной линейки продукции предприятия для минимального вмешательства в организм пациента. Во время операции вживления через этот винт продевается направляющая проволока с целью уменьшения размера операционного разреза в человеческих тканях.

Новый способ сверления титанаЧерез весь винт проходит отверстие диаметром почти 1.6 мм, а сам болт может достигать 68 мм в длину. Получившееся соотношение длины к диаметру, таким образом, превышает 40 единиц. Закономерно, что эффективное сверление такого отверстия даже в мягком металле – довольно сложная задача, а болт сделан из титана. В результате анализа сначала появилось первое решение этой задачи, а затем и второе, более совершенное, что прекрасно демонстрирует, как компании Alphatec удается поддерживать процессы производства и каких результатов добиваются специалисты высочайшей квалификации.

Недостатки сверления

Для того, чтобы проделать такое длинное отверстие, идеальным выбором всегда было сверление на станке с ЧПУ в том же стиле, что и обработка остальных частей этой же детали. Костные винты производства Alphatec изготавливаются на высокоточных токарных станках с ЧПУ производства фирм Tornos и Tsugami. В управляющих модулях этих станков есть программы сверления отверстий больших диаметров с помощью пушечных свёрл, но попытки таким же образом просверлить отверстие малого диаметра оказались проблематичными по двум причинам:

  1. Первая из них – это скорость. Тонкое сверло необходимо нежно и постепенно вводить в титановую деталь. При этом время обработки всей детали становится недопустимо большим, в большей степени благодаря именно длительности этого этапа сверления.
  2. Вторая причина – это поведение инструмента. Инструмент не только быстро изнашивается, но и работает абсолютно непредсказуемо. Клейкая титановая стружка в один прекрасный момент внезапно набивается в отверстие и обламывает сверло. «В некоторые дни мы на этих сверлах просто разорялись!» – говорит Акоста.

Учитывая совокупные затраты на сверла и длительную обработку, специалисты Alphatec решили, что, хоть и вынужденным, но лучшим выбором в данном случае будет всё-таки изготавливать винты из титановых заготовок, в которых отверстие формуется на этапе отливки. Металл такой формы стоил в десять раз дороже по сравнению с обычной титановой полосой. Однако со стоимостью решили смириться по причине отсутствия более эффективного способа проделать это отверстие. В любом случае, специалисты по производству продолжали поиск альтернатив титановой трубке, и в сентябре 2010 года на выставке IMTS в Чикаго они, наконец, нашли решение.

Обработка с модулированным воздействием

В выставочную программу Tsugami входила технология сверления со ступенчатой подачей с использованием пушечных сверл на высокоточных токарных автоматах с ЧПУ. Сверление со ступенчатой подачей само по себе не является новшеством – Alphatec пыталась использовать периодический откат сверла в своей технологии, но это лишь увеличивало время обработки, в то же время не избавляя от скопления стружки. В этой технологии новой была лишь частота откатов сверла. На выставке была продемонстрирована система, которая осуществляла откаты с частотой 1000 раз в секунду.

Технология получила название MAM – Modulation-Assisted Machining, что переводится как «Механическая обработка с модуляцией»; русский аналог названия – «высокочастотное вибросверление» (прим. перев.). Она была разработана фирмой M4 Sciences в Западном Лафайете, штат Индиана. Изделие «TriboMAM» – это патрон со встроенным электродвигателем, заставляющий сверло производить продольные колебания при сверлении. Частота колебаний задается пользователем и составляет, обычно, несколько сотен раз в секунду, при фиксированной минутной подаче. Эта система работает с режущим инструментом до 5 мм в диаметре на токарных автоматах, используя простой управляющий контроллер, устанавливаемый рядом со станком. С помощью модулятора TriboMAM обработка получается гораздо эффективней, чем при программировании обычным способом. Кроме того, обработка осуществляется без увеличения длительности цикла. Колебания производятся настолько быстро, что задержки не происходит. На самом деле скорость подачи с использованием этой системы почти всегда увеличивается, поскольку в процессе модулированной обработки получается настолько мелкая стружка, что риск её сцепления полностью исчезает.

Новый способ сверления титанаАкоста и Фэн, в тесном сотрудничестве с заводской командой специалистов по производству, довели этот процесс до совершенства и, в результате использования TriboMAM, получили время цикла обработки винта равное 6.9 минут, что значительно лучше, чем  11.9 минут, получавшиеся ранее, до использования заготовок с готовым отверстием. Инструмент не только стал служить намного дольше, но и получился гораздо более управляемым. Это новшество позволило предприятию уйти от использования дорогостоящего сырья и избавиться от значительной части затрат. К тому же винт, обработанный с использованием TriboMAM, оказался намного лучше по качеству, чем оба предыдущих варианта – как после обычной обработки пушечным сверлом, так и при использовании проката с готовым отверстием. Благодаря более гладкой поверхности отверстия винта увеличилась легкость продевания тончайшей проволоки сквозь него, во время наиболее ответственного момента операции, когда хирург устанавливает винт в кость.

Тим Мартин, менеджер по технологиям машиностроения компании Alphatec, вероятно, лучше других понимает экономическую эффективность нового способа сверления. По его словам, при экономии издержек в размере 1000 долларов в день, затраты на организацию процесса дважды окупили себя только за первый год использования. Позже компания закупила ещё одно устройство TriboMAM для использования на другом токарном автомате.

Кермит Стотт, вице-президент по технологическим операциям компании Alphatec, заверяет, что технологии позволили компании реализовать это нововведение, однако при этом не стоит забывать ещё об одном факторе, без которого реализация преимущества этого способа обработки была бы невозможна: «Это люди, специалисты, способные как разглядеть потенциал использования того или иного новшества в технологических процессах компании, так и реализовать этот потенциал применительно к нашим технологиям. Старожилы, настоящие профессионалы, со временем выходят на пенсию, покидая команду предприятия, а молодых людей, стремящихся работать в производственных отраслях, остается всё меньше и меньше. При этом фонд производственных талантов постоянно истощается. В долгосрочной перспективе нехватка свежих производственных идей окажется намного большим препятствием для Alphatec, чем любое отверстие в винте».

Для решения этой проблемы и обеспечения себя талантливыми специалистами на десятилетия вперёд, Alphatec приняло решение начать взращивать молодых специалистов своими силами.

Учебная программа

Два специалиста Alphatec в настоящий момент заняты в этой области – менеджер по производству Виджаян Абхай и оператор-преподаватель Шон Тиллет. Господин Тиллет, недавно влившийся в ряды персонала компании, ранее был менеджером по обучению в компании, занимающейся выпуском металлообрабатывающего инструмента. В Alphatec он будет одновременно работать с девятью молодыми людьми, поскольку компания планирует ежегодно набирать трех новых выпускников высших учебных заведений в течение трех лет. Сейчас он работает с первой тройкой, принятой в компанию этим летом.

По его словам, в компании Alphatec вовремя поняли, что «одними надеждами квалифицированная рабочая сила на предприятии не появится». Компания ранее занималась набором персонала по объявлениям, но эффективность объявлений падала год от года. Программы подготовки производственных специалистов в близлежащих колледжах были свернуты за отсутствием спроса, поэтому на рынок рабочей силы поступало всё меньше и меньше кандидатов. В результате при количестве откликов на объявления, остающемся стабильно высоким, качество вновь поступающей рабочей силы неуклонно падает. В трудовой функции Тиллета компания Alphatec видит не только обучение студентов основам современного производства, но и прививание им собственных культурных ценностей и целей компании.

Г-н Тиллет начал с того, что проводил презентации в близлежащих вузах, обучающих производственным специальностям:

– Компании Alphatec требовались трое выпускников, заинтересованных в поступлении на работу. Окончание вуза было ключевой точкой. Студенты должны сначала окончить учебу. После получения диплома их принимали на работу на полный оплачиваемый рабочий день. Они должны были работать в течение 40 часов в неделю и после работы посещать занятия. За три года каждый из новичков должен получить 5700 часов производственного обучения и практики, плюс 436 часов классных занятий. После этого обучаемые получат сертификат подмастерья, являющийся официальным документом штата Калифорния, плюс высокую вероятность, что им предложат продолжение сотрудничества с компанией Alphatec.

По итогам презентаций было отобрано шесть кандидатов; за три места шло сильное соперничество. Кандидаты по одному приглашались в компанию, после чего для них проводилась серия экскурсий на производство, тестов и интервью. Интервью проводили сам Тиллет и ещё двое сотрудников компании. Затем они оценивали кандидатов и сравнивали баллы, полученные каждым из кандидатов, для определения трёх победителей. Их лица с тех пор уже давно примелькались на рабочих площадках Alphatec.

Этот год, первый год обучения, был посвящён разработке учебной программы и подбору наиболее подходящих рабочих мест для учеников. Целью являлось не только ознакомление с технологическими операциями и требованиями к качеству Alphatec, но и привлечение к работе, напрямую связанной с конечной продукцией.

Сотрудники Alphatec SpineПо словам г-на Тиллета, включение учеников в каждодневные производственные процессы привело к неожиданной побочной выгоде, проявившейся в улучшении общей рабочей атмосферы в цехах. Опытные сотрудники привыкали к тому, что им теперь приходилось иногда объяснять нюансы своей работы. То, что они поняли и приняли это, а также сама необходимость формулировать то, что ранее делалось мастерски, но без слов, намного увеличило обмен информацией в компании.

Относительно же трех выбранных кандидатов г-н Тиллет сказал, что он отметил важную черту, объединявшую всех троих (родители, заинтересованные в успехе своих чад, могут взять это на заметку). Кандидаты оценивались не по пониманию производственных процессов, поскольку этого понимания у них ещё не было, и быть не могло. Вместо этого оценивался уровень интереса кандидатов к тому, что они увидели во время экскурсий на производство, любопытство, проявленное ими, уверенность в себе и активность. Только после того, как все трое были отобраны, выявилась общая черта, которая была у них в резюме, а у других не было – все трое отобранных кандидатов уже имели какую-либо работу.

Глубокое сверление на высокоточных токарных автоматах

Сверление с модуляцией MAM – сверление с высокочастотными колебаниями, создаваемыми с помощью разработки компании M4 Sciences – явилось ключом к решению проблемы сверления сложного отверстия в компании Alphatec Spine. Однако проблема решалась гораздо более комплексно, не только путем установки устройства модуляции. Специалисты компании Гектор Акоста и Фрэнк Фэн также провели серию экспериментов, изменяя параметры обработки, для оптимизации процесса. Вот некоторое из того, что они узнали.

Тип сверла

По сравнению со сверлами с твердосплавными напайками, цельные твердосплавные пушечные сверла показали значительно лучшую производительность в этом проекте, полностью окупив свою более высокую стоимость. Инструмент с отверстиями для подачи СОЖ в форме полумесяца, по сравнению с круглыми отверстиями, обеспечивает лучшее охлаждение. Из-за этой особенности Alphatec использует свёрла производства Eldorado Tool и Guhring – мастеров в производстве свёрл. В качестве охлаждающей жидкости используется жидкость на растительной основе Vasco производства Blaser Swisslube.

Качество цанг

Целостность уплотнительного кольца цанги имеет огромное значение для охлаждения, поскольку при нарушении целостности жидкость перестает поступать в сверло, уходя в разрывы и неплотности в кольце.

Предварительное сверление

Цикл обработки включает в себя засверливание непосредственно перед основным проходом пушечным сверлом. Глубина засверливания в три диаметра оказалась достаточной.

Скорость

Станки, осуществляющие сверление, способны выдавать и 10000 оборотов, и даже больше. Alphatec не эксплуатирует станки на максимальной скорости, используя стандартные 8000 оборотов.

Частая замена фильтра

Сверление с модуляцией вносит свои особенности в обслуживание станка. Крошечный размер частиц стружки приводит к тому, что намного большая часть металла уносится током охлаждающей жидкости. В результате фильтры нуждаются в более частой замене.

Давление

Слишком малое давление смазочно-охлаждающей жидкости не позволит эффективно проводить сверление, а при слишком высоком давлении начинаются колебания сверла. В данном проекте для сверления с модуляцией специалистами Alphatec было найдено оптимальное значение давления между 850 и 1250 psi (от 58 до 85 атмосфер).

Узнайте все об изготовлении и обработке отверстий – в рубрике «Сверление» вы найдете материалы обо всех видах сверл, универсальных пластинах и современных сплавах, картриджах, многофункциональном инструменте для сверления и снятия фасок за один заход, а также приемах и секретах отрасли.

Перевод статьи
Advancing Manufacturing, Tomorrow and Today
автора Питера Зелински (Peter Zelinski), Modern Machine Shop.



Понравилась статья? Поделитесь: