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DFMA如何帮助企业提升盈利能力(以美国ITT公司航空航天环境控制系统部门为例)

发布时间:2021-10-18作者来源:科理咨询浏览:474


ITT公司(国际电话电报公司成立于1920年,总部设在纽约州白滩市,是一家集工程技术与制造的世界500强公司。航空航天环境控制系统(Aerospace Environmental Control Systems) 业务部门作为ITT公司的重要组成部分,一直在商业航空航天业领域不断创新。

 

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凭借超过75年的行业经验,以及丰富的精益设计和精益生产实践,ITT公司为全球航天业客户提供了具有竞争力的价格和相对较短的交货期,满足客户日益增长的需求。

 

以下案例分享了ITT 航空航天环境控制系统部门如何运用DFMA® (面向制造及装配的设计) 技术与方法来简化设计,在设计阶段实现成本最优,并为后续的制造和装配提供便捷,从而有效提升企业的按期交付和盈利能力。


图片   健康的生产型企业的关键

健康的生产型企业和经济的基础是可持续生产耐用的产品,而这一切都是有关收入和盈利能力的。


不知道你是否遇到过这样的场景:在一个运营总监召开的会议上,每个部门的代表都在讨论如何让产量更大、盈利更佳。参会者首先指出公司内某一款主要产品前三个月的数据并不好看。

 

这款产品的数据表明产品的生产成本以及零部件成本非常高,并且持续增加,同时,这些零部件的组装难度高,造成了低效的装配操作。公司很难在指定日期内实现交付承诺,但“按期交付”往往是客户最重视的要求之一。

 

当讨论越发激烈,关于问题原因的意见浮出水面时,你很快就被指派负责这个产品的“降本”项目:公司希望你可以找出产品不必要的成本支出以及浪费的原因,并将它们消除。

 

在产品开始生产后的降本,简而言之,就是返工:重新修正产品设计的错误,或者是生产过程中的错误。

 

精益生产对此是否有帮助?答案是:它们在一定程度上有帮助。但不要试图用精益生产来消除设计所带来的浪费。你可以暂时掩盖一个低效的可制造性设计,但由于没有切实的改善,它不会持续下去,只有设计的可制造性的改变才能系统持续地维持工艺的改进。

 

   什么是可制造性计划?

可制造性设计——为了确保最佳的成本、质量、可靠性、交货和客户满意度,在产品的设计阶段使用可制造性设计技术来优化产品的所有生产相关功能,如:制造、组装、测试、采购、运输、交货、服务修理和保修。

 

并行工程已成为产品开发活动中必不可少的部分。多个部门成员为该开发团队带来相关的项目的经验和工作知识,并一起创建可制造性计划。

 

虽然并行工程仍然被认为是一个相对较新的概念,但是它的定义始于20世纪80年代中期。早期考虑制造相关因素缩短了开发周期、最小化了开发成本,并使得设计能够平稳过渡到生产。

 

可制造性属性——可制造性属性指的是体现设计“简洁、精细”的属性,简单、但却不会被客户直接感知。尽管在面向客户的层面,这些属性不被感知,但是在公司生产层面,它们对材料选择、成本控制、以及生产效率的提高却有很大帮助。可制造性属性包括:

 

零件数量减少 - 使用尽可能少的必需零件来实现产品的功能和质量。

 

在装配过程中易于拿取 - 尽量不要使用在装配前嵌套或缠结的零件。避免使用不用工具就难以拿取的零件。

 

易于在装配中将零件插接到位 - 对所有零件使用单向从上往下的插接,消除装配中的重新定向。尝试消除零件插接、接近或对齐的困难点。

 

尽量少使用工具(如果有的话)- 几乎所有的紧固件都使用工具来安装,因此目标是消除单独的紧固件。除双手之外的装配辅助工具还增加了把零件组装在一起的时间。

 

最低限度使用标准或特殊加工 - 设计中应使用不需要外部处理的材料,如电镀或喷漆。钻孔和机加工设备应远离装配线!

 

图片   可制造性设计的基本工具

为实现“简洁、精细”的设计,需要运用一个重要工具:DFMA®软件,即面向制造及装配的设计软件。DFMA®软件包括两个模块——DFA(面向装配的设计)和DFM(面向制造的设计)。

 

通过分析整个装配过程和单个零件的制造,DFMA®软件帮助工程师们“看到”设计浪费,它是“发现浪费”和实现精益设计的工具。


◆ DFA模块通过评估装配时间和成本,判断各零件的存在价值和装配过程的复杂度,比较不同的设计方案,简化设计结构,得到最佳的设计方案。


◆ DFM模块通过评估单个零件的加工工艺时间和成本,指导工程师在设计零件时合理选择不同的材料和工艺;并考虑到供应商的实际制造条件,与供应商进行建设性的沟通,以达到最佳的制造成本。


图片   DFMA®应用实例-商用飞机上的蝶形风道阀

以下是ITT航天控制系统部门所负责的一个项目实例,客户需要更换他们商用飞机系统内的现有阀门。每架飞机有3个阀门,安装在一个7英寸的空气管道系统中。

 

ITT航天控制系统部门成立一个专门的设计团队,在了解客户需求的时候,发现现有设计中有一项可能满足客户需求,但实际应用中遇到了一些问题。

 

首先,该设计相当陈旧,大概在30年前甚至更早就已经存在了。尽管在系统中运行良好,但自从阀门设计诞生以来,制造技术已经发生了很大的变化。


这引出了第二个问题:成本。在当今的制造业中,阀体和蝶形组件是非常昂贵的。针对现有设计的成本分析完成后,接下来的选择显而易见:是时候进行新的阀门设计了。

 

设计团队利用现有设计作为基线,运行DFA分析以找出成本的困难所在。分析表明,装配效率非常低。设计者现在着手创建包含最少数量的零件的配置,以获得客户期望的功能,同时使产品易于组装。虽然这是一项很直接的阀门设计,但是运用DFA方法的设计结果却相当惊人。

 

最重要的改变是阀体、蝶形组件,以及它如何密封到阀体内壁。旧阀体设计涉及多种不同类型设备的不同设置,并需要特别注意内部表面光洁度,在阀体内径公差要求严格的情况下珩磨密封区域。

 

蝶形组件采用了一个围绕外径的多重特征凹槽,其中使用弹性O形环来支撑挤出的聚四氟乙烯密封件。密封件长度大约为21英寸,需要在O形环背衬的压力下被送入加工后的凹槽中(见图1),在安装和切割时需要围绕蝶形盘推动和拉动密封件。如果密封件在装配前以任何形式受到损坏,密封件将被取出并予以更换。

 

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图1  原设计—蝶形风道阀

 

设计团队对新设计的目标:设计一个合适的阀门,尽量少使用零件和制造工艺,这样能快速组装,并且具有超过客户期望的质量和可靠性水平。


在DFMA®软件中尝试分析了几个不同的再设计方案,分析表明设计的可制造性属性发生了显著变化。经过几次反复分析,确定了最终的再设计方案并被客户接受。下面的图2显示了再设计的结果。

 

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图2  新设计截面图和蝶形盘密封细节


对于新设计的高成本部件: 机加工的铝阀体和蝶型盘组件,由于这两个零件满足DFMA®理论的最少零件标准,因此对这两个零件进行重新设计是很有必要的。


阀体的成本是整体的外形和加工方法。由于旧设计是按原样成形的,所以当时用矩形坯料加工更经济合适。今天的技术改变了这一切。如图3所示,与加工矩形坯料相反,较新的设计可由铣车床上单步设置加工成接近净尺寸的圆形。毫无疑问,新的设计仅需老设计的大约20%的制造成本便可加工出来。

 

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图3  左侧为加工矩形坯料的原设计, 右侧为新的简化后的设计

 

蝶型盘的主要成本是留存密封件的凹槽结构,以及装配成本。首先使用DFMA®软件计算蝶形盘本身和相关零件的成本,以验证设计朝正确方向进行。

 

如图4所示,更新的蝶形光盘看起来更复杂,但最终在更现代的多轴机床上更容易加工。同样,更少的加工设备设置节省了一天的加工时间。新设计的整体成本仅为老设计的60%.

 

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旧蝶形盘设计

 

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图4  新蝶形盘设计


改进后的密封设计不仅更易于组装,而且改善了密封功能:当压力增加时,密封变得更紧。


而且,由于它只使用弹性体界面抵靠阀体的内壁,铝的表面光洁度变得不那么关键,消除了不必要的机械加工(珩磨),并且阀体内径的尺寸公差也可适度放松。图5和图6展示了新的阀组件。

 

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图5  完整的新蝶形阀设计

 

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图6  新蝶形阀截面面


新设计最大的回报是降低了蝶形风道阀的成本,不仅如此,在装配车间和整个制造链中也有同样吸引人的收益。


◆ 零件数量从原来设计的27件减少到14件。装配时间(用DFMA®计算)从原设计的8.08分钟到2.54分钟。

◆ 随着零件数量的减少和装配时间的缩短,库存周转率会有明显的提高。

◆ 现在不仅只需要原设计三分之一的时间进行组装,由于设计的简化几乎消除了返工。

◆ 在最初的设计中,由于装配的性质,聚四氟乙烯密封条失效是一种常见的现象。新的密封件在平稳、可靠的润滑操作后就可伸展到位。

◆ 为了将蝶形盘装配到原设计的阀体中,必须使用一个装配夹具;由于新设计的蝶形盘几乎是自对准的,因此现在已经取消了这个装配夹具。


下图显示了DFMA®软件对比新旧设计的结果。


原设计 新设计 减少

零件数量

27 14 48.1%

装配时间(分钟)

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%

工装模具成本

$0.25 $0.00 100.0%

总成本

$5,128.87 $1,200.80 76.6%

DFA指数

3.1 10.4

 

DFMA®打破了传统设计流程中“我设计,你制造”的隔阂,结合了市场、性能、专业、建模、质量、工艺流程、供应商、采购、成本等各种技术要求,以“最简单的结构”来设计产品,在产品并行开发过程中满足消费者的需求。它确保了产品的投入产出比最高,和产品的价值最高。

 

在利用DFMA®技术进行产品设计的过程中,产品工程师对整个产品的制造过程和装配过程进行分析,从材料、人工、设备和质量四个方面衡量测算每一个步骤的成本,以评估每个设计要素是否是必须的和最优的。


通过这种“基于成本的设计”方法,研发人员逐渐改变了“注重功能,忽视成本”的设计思想,提高了研发人员的设计成本意识,从产品设计的源头出发,将产品生命周期成本控制在70%~80%之间,此为最优。最后,通过精益设计(DFMA®设计)实现了真正意义上的精益生产, 助力企业以最优的成本按期交付满足客户需求的产品,实现客户满意度与企业盈利能力的双赢。


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