важное преимущество трехмерного твердотельного моделирования состоит в том, что оно ускоряет изготовление моделей для отливки, важный этап процесса изготовления штампов в Toyota.

Изготовление моделей в NAC

и ускоренное изготовление моделей в Toyota

Для отливки штампов используются модели из вспененного материала. Зна­ чительную часть процесса изготовления моделей в NAC составляет ручной труд. Обработка модели на 60-70% выполняется на станке, после чего она дорабатывается вручную в соответствии с конфигурацией формообразую­ щей поверхности штампа (зависит от типа штампа/детали), разработанной конструкторами. Качество обработки поверхности таких моделей, как пра­ вило, слишком низкое, чтобы использовать их для литья, поэтому здесь тоже требуется доводка вручную.

В Toyota трехмерное твердотельное моделирование штампов позволи­ ло ускорить изготовление моделей за счет автоматизации процесса. Toyota осуществляет моделирование с помощью программного пакета CADSEUS. Он выполняет послойную разбивку трехмерной модели, что дает возмож­ ность на 95% изготавливать модель из вспененного материала с помощью станочной обработки. Из вспененного материала вырезаются три-четыре прямоугольных пластины заданного размера, которым с помощью станоч­ ной обработки придается нужная форма. Затем пластины склеивают и по­ лучают готовую модель штампа. Такой автоматизированный процесс уско­ ряет изготовление моделей в четыре раза и не требует привлечения высоко­ оплачиваемых квалифицированных рабочих, которые обрабатывают модель вручную, без чего не обходится традиционная технология изготовления моделей, применяемая в NAC.

Станочная обработка штампов в Toyota и в NAC

NAC вложила значительные средства в приобретение нескольких больших обрабатывающих центров с ЧПУ типа CNC. На этих станках можно обра­ батывать детали штампов размером до 4000 х2500 мм со скоростью подачи заготовки 250 дюймов (635 см) в минуту. За счет высокой скорости подачи заготовки NAC смогла снизить шаг подачи до 0,5 мм и благодаря этому со­ кратить объем ручных операций при изготовлении штампов для внутренних деталей, не требующих высокого класса чистоты обработки.

Однако NAC не внесла существенных корректив в технологию станочной обработки штампов, и качество изготавливаемых штампов не изменилось.

С точки зрения бережливого производства сокращение цикла одних опе­ раций при неизменной продолжительности других приводит к тому, что операции с более длительным циклом становятся узким местом. Поэтому использование станков с ЧПУ не позволило ощутимо повысить произво­ дительность или сократить время выполнения заказа. К тому же NAC имеет гораздо меньше (около дюжины) станков с ЧПУ типа CNC, чем Toyota. Это крупногабаритные станки, на которых обрабатывается огромное количество штампов, порой значительно превышающее реальные потребности. Таким образом, компания занимается перепроизводством. И наконец, на станочную обработку приходится всего 60% общего объема работ по изготовлению мо­ дели, а остальная работа выполняется вручную, и ее результаты во многом зависят от конкретного работника.

Toyota тоже вложила немало средств в станки с ЧПУ типа CNC, однако она закупила множество разных станков, поскольку штампы для большинства деталей можно делать на небольших станках. Ведущее предприятие Toyota по изготовлению инструментов и штампов имеет примерно в два раза больше станков с ЧПУ типа CNC, чем NAC. Эти станки сгруппированы в поточные линии в соответствии с видом штампов от А до Е. Как и следовало ожидать, Toyota, будучи бережливым предприятием, объединила однотипные детали в семейства и создала несколько поточных линий, каждая из которых специа­ лизируется на штампах определенного размера. Это позволило значительно снизить время выполнения заказа и повысить общую производительность. При этом при изготовлении конкретного штампа стараются использовать станки с возможно меньшими габаритами.

В основном Toyota использует высокоскоростные фрезерные станки с шагом подачи ниже 0,2 мм, поэтому даже при обработке поверхностей, тре­ бующих высокого класса чистовой обработки, почти не требуется доводка вручную (даже на радиусах). Кроме того, Toyota разработала и запатентовала множество специальных обрабатывающих инструментов и резцов, которые позволяют значительно повысить точность изготовления направляющих элементов (колонок и втулок) штампов. В Toyota стандартизированные опе­ рации прецизионной обработки составляют более 85% процесса изготовле­ ния штампов. Объем ручной работы сводится к минимуму.

Кроме того, Toyota уделяет огромное внимание режиму прецизион­ ной обработки. Операции станочной обработки каждой детали каждого штампа расписаны по часам. Для визуального контроля процесса рядом со станками установлены доски с графиком работы. Оператор записывает фактическое время работы, и эти данные ежедневно проверяются руко­ водством во время обходов завода. Необходимые инструменты, заготов­ ки деталей и данные о траектории движения инструмента поступают на

рабочие места точно вовремя, что увеличивает время реальной работы эксплуатации станка.

Высокая точность изготовления деталей штампов в Toyota значительно ускоряет сборку штампов, их установку на пресс и последующую отлад­ ку. Кроме того, высокая точность изготовления обеспечивает стабильность эксплуатационных характеристик штампов. Уровень вариации при наладке однотипных штампов значительно ниже, чем при смене штампов (Hammett et al., 1999). В Toyota считают, что высокая точность обработки (малые до­ пуски) упрощает смену штампов на прессе. Это способствует ускорению переналадки при выполнении операций штамповки и чрезвычайно важно для любой системы бережливой разработки продукции.

Сборка штампов в Toyota осуществляется в ячейках. Прецизионная об­ работка, стандартизированная сборка штампов и принципы бережливого производства в совокупности способствуют высокой эффективности сборки штампов в специализированных ячейках, сгруппированных в соответст­ вии с категорией штампов (от А до Е). В ячейках, которые не всегда имеют U-образную планировку, есть все оборудование и материалы, необходимые для выполнения стандартизированной работы в течение времени, отведен­ ного на соответствующую операцию. Материалы и детали, прошедшие ста­ ночную обработку, подаются в соответствующую ячейку по принципу точно вовремя. Детальный анализ сборочных операций позволил значительно сократить продолжительность сборки штампов за счет стандартизированной работы. Стандартизированная работа и инспектирование на рабочем месте осуществляются с помощью контрольных листков. Доски для визуального контроля процесса показывают ход сборки штампов относительно времени такта, а в случае сбоя оператор подает сигнал андон, чтобы получить помощь и вернуться в ритм графика.

Прессы для отладки штампов в NAC и в Toyota

Поскольку обычно штампы NAC требуют довольно длительной отладки, в компании в основном используются огромные, мощные штамповочные прессы, оснащенные выдвижными плитами, которые дают возможность осуществлять шлифовку вне рабочей зоны пресса и быстро возвращать штампы на прежнее место. Toyota тратит на отладку значительно меньше времени и использует по большей части вырубные прессы. Они не так до­ роги, как штамповочные прессы, и нужны лишь для того, чтобы проверить базовую функциональность штампов. Планировка оборудования в Toyota позволяет без труда перемещать штампы с пресса для предварительной отладки на штамповочный пресс, где изготавливается опытная партия из

сорока деталей. С помощью выдвижных плит штампы снимаются с пресса для предварительной отладки и помещаются на специальный поворотный механизм, который подает их на штамповочный пресс. Любые дополнитель­ ные перемещения осуществляются с помощью мостового крана. Это основа быстрой переналадки штампов, позволяющая эффективно использовать пресс для отладки.

Сборка без подгонки в NAC и функциональная сборка в Toyota

Одним из основных инструментов выявления и решения проблем, каса­ ющихся отдельных деталей, технологической оснастки и сборки кузова автомобиля является функциональная сборка кузова или «отверточная» сборка. Это системный подход к анализу всех деталей и узлов кузова, ко­ торый предполагает внесение корректив, необходимых для окончательной подгонки деталей кузова. Первоначально при такой сборке детали действи­ тельно скреплялись болтами (впоследствии их стали соединять заклепками), после чего «кузов на болтах» оценивался проектными командами. Позд­ нее в Toyota переключились на виртуальную сборку трехмерных моделей «изготовленных» деталей. Так или иначе, философия остается прежней: принятие решений в сложных условиях определяется системным подходом к ценности, поставляемой потребителю (Hammett et al., 1999; Ward et al., 1995b). Чтобы заблаговременно выявить проблемы, связанные с подгонкой деталей, инженеры выполняют предварительную функциональную сборку деталей опытного образца. Пробная сборка помогает эффективному при­ нятию решений и обучению при проектировании кузова. Осуществление этого сложного процесса требует от инженеров обширных знаний и опыта, а центральную роль в формировании комплекса необходимых навыков играет наставничество.

Когда инженеров, не работающих в Toyota, знакомят с этим процессом, они часто спрашивают, на каком основании выносится решение о допус­ тимости отклонений от номинальных размеров. Свобода действий, пре­ доставленная инженерам Toyota при принятии таких решений, потрясает их до глубины души. Однако глава 9 свидетельствует о том, что инженеры Toyota заслужили это право, — все они прошли основательную подготовку, позволившую им получить необходимые знания и опыт.

Не следует забывать, что Toyota — это компания, которая постоянно меняется. Процесс функциональной сборки был важнейшей составляю­ щей методики проектирования кузова. Компания понимала, что штам­ повка — это скорее искусство, чем наука, и получить штампованные де­ тали, размеры которых точно соответствуют номинальным размерам в

базе данных САПР, невозможно. Чтобы добиться полного соответствия номиналу, требовалась шлифовка штампа, а это дорогостоящая и трудо­ емкая операция. В настоящее время Toyota изменила свою философию и стремится попасть в номинал без дополнительной шлифовки. Инженеры Toyota уверены, что с помощью новых технологий моделирования им удастся приблизиться к номиналу гораздо ближе, чем в прошлом, когда они только начали применять пробную сборку. В условиях глобализации, разнообразия производственного оборудования, использования единых платформ, общей компоновки и одинаковых комплектующих при созда­ нии разных автомобилей важность соответствия деталей и инструментов номиналу возросла. Теперь многие конкуренты Toyota добились таких успехов в освоении функциональной сборки, что могли бы потягаться с Toyota, однако та уже успела уйти вперед.

Хотя NAC тоже экспериментировала с пробной сборкой, она придер­ живается иной философии, считая, что сборка — это соединение деталей

сзаданными размерами для получения кузова автомобиля с заданными размерами. Руководствуясь этим принципом, NAC придает первостепенное значение соблюдению унифицированных допусков при штамповке деталей, причем допуски рассчитываются для жестких конструкций, изготовленных

спомощью станочной обработки. Инженеры-разработчики и технологи, отвечающие за процесс сборки в NAC, строго следят за соблюдением тре­ бований к размерам и допускам, порой игнорируя реалии процесса разра­ ботки штампов. В действительности при листовой штамповке невозможно соблюсти те же допуски, что и при изготовлении деталей методом станочной обработки. Стремление добиться невозможного ведет к повышению затрат на доводку штампов, увеличивает продолжительность их отладки и время выполнения заказов при проектировании и порождает проблемы при запуске продукции в производство.

Процесс пробной сборки в Toyota нацелен на выявление геометрических характеристик, значимых для сборки и отделки автомобиля и его эксплу­ атационных качеств. Многие допуски уже не играют особой роли, когда автомобиль собран. К примеру, при соединении менее прочной и массивной детали с более прочной и массивной деталью точность конфигурации будет обеспечена за счет адаптации формы первой детали. Тратить массу времени на отладку штампов, предназначенных для изготовления деталей относи­ тельно малой толщины, бессмысленно, поскольку когда такая деталь станет частью узла, ее форма будет автоматически подогнана к детали, выполнен­ ной из более толстого листа. К тому же при реализации типового проекта такая отладка требует крупных затрат. Примерно 20% затрат на создание штампов составляют затраты на их доводку, что в денежном выражении

может превышать $20 млн. Значительная часть этих средств тратится на то, чтобы добиться получения номинальных размеров, а в итоге 80-90% затрат на доводку штампов позволяет решить 10-20% проблем, связанных с размерами деталей (Hammett, Walil, and Baron, 1999).

Пробная сборка позволяет повысить качество конечного продукта, расши­ ряя пределы допусков и экономя время и деньги (Hammett, Walil, and Baron, 1999). Она дает возможность сосредоточиться на системной оптимизации и повысить качество автомобиля в целом. Если при отладке производственной линии в Toyota параметры какой-либо детали не соответствуют специфика­ ции, эти проблемы зачастую решаются на последующих процессах или за счет изменения одной из сопрягаемых деталей (какой именно определяется, исходя из соображений удобства и целесообразности). Занимаясь пробной сборкой, Toyota не переставала учиться. Она усовершенствовала конструкцию штампов и моделирование поверхностей, научилась прогнозировать упругое последействие и обеспечивать высокую точность изготовления штампов. В итоге она постепенно отказывается от пробной сборки и переключается на изготовление деталей, размеры которых соответствуют номинальным. NAC пока не обладает подобным потенциалом, поэтому ей по-прежнему может пойти на пользу применение пробной сборки, которая требует изменения культуры работы инженеров.

Бесконтактные объемные измерения

Оптическое сканирование — одно из технологических достижений, кото­ рое позволило Toyota перейти к виртуальной пробной сборке. Используя результаты сканирования деталей, которые изготавливаются на разных площадках, Toyota создает их трехмерные цифровые модели. Это дает воз­ можность выполнить виртуальную сборку до того, как детали поступят на сборочный завод. Инженеры используют эту технологию и для измерения деталей между отдельными технологическими операциями, чтобы быстро выявлять источники вариабельности в производственном процессе. Toyota использует эту технологию не только на производстве, но и в процессе про­ ектирования.

На протяжении всего процесса проектирования кузова требуется прове­ рять функциональные характеристики, размеры и технологичность сборки деталей. Для этого используется технологическая оснастка, часто весьма до­ рогая, — например, одно крупное контрольное приспособление в NAC стоит $250 000. NAC тратит огромное количество энергии и ресурсов на создание сложных контрольных приспособлений. Хотя это резко увеличивает объ­ емы поступающей информации, зато группы проверки качества постоянно заняты, анализируя результаты бесконечных измерений.