马歇尔制造公司:什么塑造了工厂

马歇尔制造公司把数控加工和3D弯曲融合在一起，用小直径棒材和管材生产出结构复杂的医疗组件。客户的需求是促使该厂开拓出成功医疗制造技术的基石。

总的来说，工厂并不塑造自己，而是客户塑造工厂。也就是说，是客户的需求驱动了工厂内部对于设备、产能和工艺做出决策。因此，越来越多的制造厂正在寻找超越传统的“减法”加工工艺，作为补充其“生产碎屑”的设备的替换型制造技术。归根到底，制造业的目标是尽可能以最快、最具成本效益的方法为客户提供其需要的产品。

马歇尔制造公司就是这一发展趋势的好例子。对于在明尼苏达州明尼阿波利斯市的这家厂来说，医疗器械客户对精密加工和螺旋弯曲金属线组件的需求，推动其开发出专有的3D弯曲工艺，再结合厂里的先进的加工设备一同工作。马歇尔制造公司所开发的工艺流程，是用瑞士型车床或线切割机把主要工件特征（形状）加工成直的、小直径的细棒或管，然后在改良型数控弯管机上精确地把工件弯曲到正确的轮廓（图1）（传统上，这个过程是相反的：先做弯曲，然后再加工表面特征，这样机械加工会困难得多）。这家工厂的高效方法，不仅能在弯曲之前沿整个棒材精密加工表面特征，而且也保证了这些表面特征在弯曲作业后最终处于其正确的位置。

图1 插槽、平面及其他特征的加工首先在瑞士型机和
（或）电火花线切割设备上进行，然后由厂里专有的
3D弯管机生成复杂的弯曲，做成像这样的一些医疗器件

开拓新路

马歇尔制造公司起初并没有着手专门用机加工和3D弯曲方法做线和管的医疗装置。该公司在20世纪50年代初创立，主要是制造汽车行业和液压行业的精密车削件。今天，这个机加工企业有40人工作在23000ft2（1ft2=0.093m2）的空调厂房里，60％的工作专做医疗设备，40％向过滤设备发展（主要是机加工过滤筒的塑料芯管）。该厂也做一些普通的机械加工。它可以加工多种材料包括不锈钢、钛、铝、黄铜、青铜、纯铜和各种塑料等,并通过了ISO 9001:2008和ISO13485:2003标准认证。实现后一个标准是其发展医疗设备方面业务的关键。

实践证明，多年前客户对零件进行弯曲加工的要求，改变了马歇尔制造公司的业务取向。最初，客户要求加工的零件只需相对简单的2D弯曲，该厂自己内部便能够对付，没有太多麻烦。但后来，制造工件要求有更复杂的螺旋弯曲。由于没有做3D弯曲的经验，马歇尔制造公司便寻找其他单位来承担这项工作。结果，只有一个愿意尝试这项复杂的弯曲工作的单位，而它其实也根本干不了，于是该厂决定创建自己的3D弯曲工艺流程。然而，在成功开发了手工弯曲工艺后，这种工件的产量需求又增加了。这时显而易见的是，该厂需要一个更高效的数控折弯技术来满足不断增长的产量需求。

先机加工后弯曲

该厂生产的许多弯曲医疗元件有一种是局部过压成形的并带有塑料把手的。其中一个例子就是所谓的导引器，是外科医生在做微创失禁手术时用来定位支持器官吊索的元件。装置制造商不同，这些装置两端的几何形状也不同（可能是直的、楔形的、圆锥形的或开槽的）。

大多数这些线形组件的加工是通过使用瑞士型车床实现的。该厂有九台这样的机器，但大部分工作是在其四台Marubeni Citizen-Cincom公司（新泽西州艾伦代尔）的L20瑞士型机床上进行的（图2）。这些七轴机床适合加工直径0.1~0.75in（1in=2.54cm）的棒材，并带有Marubeni Citizen-Cincom公司自产的CAV20- IS棒料进给系统。虽然该厂的其他瑞士型机床在棒料进给方面整得一团糟，但L20型机床从来没出过问题，因为棒料进给系统就是专为配合这些机器而设计的。这种可靠性以及编程的简单性便是该厂一直以来选定Marubeni Citizen-Cincom公司作为瑞士型机床供应商的重要原因。

图2 4台瑞士型车床，这些L20 Marubeni Citizen-Cincom机器可以单独
运行，也可以使用发那科龙门机器人自动卸载工件以无人参与的模式运行

每台L20机床有一个主轴和一个第二主轴共同加工。主轴最大转速为10000r/min，第二主轴最大转速为8000r/min。这些机器特有的“支撑导向衬套”的设计，对于马歇尔制造公司把长条小直径棒材加工成导引器特别有效。这是因为导向衬套在切削点给工件提供支撑，最大限度地减少了工件变形和振动。

另外，除了铣、钻和车削，这些多功能机床还可以做拉削、珩磨、滚花、抛光、滚齿、螺纹旋风削和滚丝。这通常都不再需要在另一台机器上二次操作。

该厂生产的线形元件大多由不锈钢制成，从12ft长的无心磨削棒材开始。精密棒材几乎总是使用瑞士型车削中心，以确保该材料可通过导向衬套进给而不会卡住。磨削棒的直径精确到0.0002in。当一个塑料把手要在元件上塑造成形时这样的精确度是很重要的，可以确保正确中止工件成形过程。同样，钻交叉孔的精度也很重要，因为这些孔有时用来定位模具里销钉上的工件。这种机床同样适用于加工平面及其他特殊形状，可用于在数控弯曲作业之前帮助定向工件。nextpage

这四台L20瑞士型机床同在一个工作单元。每台都有一个抓手把加工完成的组件从机器取出。当机器在正常模式下运行时，这些工件进入溜槽集中。然而，对于大批量的工作，机器可以作为无人生产单元。单元内有一台发那科龙门式机器人从这些L20机床拣出成品，并把它们送到超声波清洗站。清洗站有自己的小发那科机器人，它拿着每个工件通过三个独立的超声波浴，去除碎屑和切削液。经过清洁和冲洗周期后，工件被吹干。龙门机器人的夹子也要清洗和吹干，然后再把成品交到德莎（Tesa）Scan 50非接触式测量系统进行最后的检查。该装置可以测量圆柱形对称元件的长度、直径、角度、半径等特征。

电火花线切割机通常用于加工管材的尖端特征。该厂有两个发那科Robocut自动送线线切割单元（这些机器是从Methods Machine Tools购置的）。使用System 3R夹持元件（图3），在机器台子上的夹具可以快速搬迁。这样，机器在运行一项任务时，操作工可以在夹具上设置另一项任务。与此同时，车间里还可以把许多要加工的管件堆叠起来。通过电火花切割机生成的狭槽可以保持在0.0002in。

图3 System 3R工件夹紧装置用于加速厂里两台发那科Robocut线
切割单元上的任务转移，这样，操作员可以设置在一个夹具上的
任务，而另一项任务已经安装在机器上，该厂还创造了固定装置
来堆叠众多管件或线件，使得尖端特征可以在所有工件上同时加工

一旦加工完成，管或棒便送到车间的3D数控弯管机。该厂（不透露它使用的弯管机品牌）已开发出一种创新的、可以无人操作的模具成形与自动化的组合体。

八轴弯管机适应直径0.096~0.375in的管材和直径0.08~0.2in的棒材。在运行中，机器的驱动臂从分级储料库拿起一根加工好长度的棒料，传感器保证材料根据加工特征准确定向。一个导向装置帮助把线材送过机器的三个心轴。经过精心设计的心轴和旋转驱动臂的运动，来完成3D弯曲作业（图4、5）。编程工作就在机器上进行，使用厂里开发的宏指令微调基本的弯曲程序。

图4 正在马歇尔制造公司的3D数控弯曲加工设备上金属线成形的一个特写

图5 这种数控折弯工艺实现了复杂螺旋弯医疗器件生产的自动化

为检验而做的机加工

马歇尔制造公司有一些测量设备。然而，机械加工也在弯曲件的检查工作中发挥作用。该厂为其生产的许多2D和3D医疗元件而加工的“通过不通过量规”就像上一页的那种。工件放进量规里，确定工件的特征，通常是尖的，扁平的或长杆的。合适的弯曲件不会碰到量规的（加工过的）轮廓壁或超过（加工过的）通道的高度。该厂执行其100％的弯曲件检查。这是重要的，因为对于不同的材料，与弯曲过程有关的回弹也不同。这也使厂里能检测到有超出公差倾向的弯，可在弯管机的数控上作出偏移补偿（图6）。

图6 该厂加工出像这样的2D块规和像这样的3D
块规来验证组件是否已被弯出了合适的轮廓

该厂一般加工三个量规—— 一个自己使用，第二个给其成形件供应商在成形处理前检查工件，第三个给客户用。弯曲的公差根据设计要求而定。对于这些设备来说，弯曲的一致性是非常重要的。对于一些基本2D弯曲件，厂里将使用一个简单而有效的纸质打印件，勾勒出工件的弯曲轮廓允许限值。

展望未来

厂里有了精通3D数控折弯的能力，又在医疗行业之外寻找哪有合适的单位需要有精确加工特征的弯曲线形或管状元件。该厂也希望能充分发挥其多功能机加工能力及其瑞士型机床所提供的精确度。特别是，它正在调研使用螺纹旋风削做空心骨钉的工作。它的目标是将医疗器件加工发展到占其总业务的75％。