数控机床及生产模式

另类 · 发表于 2024-8-13 15:16

上个帖子，版友（此处 @qp6g3o

）对机加工工厂感兴趣，刚好前段时间写过相关内容，发在这里大家看。对机加工行业，我不是内行；但我的视角和大家一样，都是观察如何用数控机床实现产品，希望有助于了解这个行业，有错误的地方请包涵。
原文最初是邮件，所以没注意格式。

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最近台灯零件生产启动，工厂跑得多，对数控机床有了进一步了解。需要说明，这些认知多建立在观察之上，而非亲自动手操作；还有一些通过与工人沟通得到，因此不全是一手材料。

数控机床另有个叫法：“加工中心”，这个名字更贴切。因为这些设备已经构成整个加工过程的中心，不应简单视作由计算机控制的机床。

设备大致由操作平台、控制单元、电机、机械结构（轴、底座等）、刀库、测量单元、辅助单元（切削液喷淋等）构成。

典型业务流程：
1、客户提供3D模型文件和2D设计图（通常用作校对）；
2、客供或外购铝材（通常涉及铝挤，用简易模具，将铝材挤出最基本的外框，以减少后续工作量，这个步骤也使得铝材一致性更好，成品品质更高）；
3、工程师在电脑上编程（确定加工行程、使用刀具等），将程序导入数控机床，准备对应刀具，对机器做相应调整；
4、操作工将材料固定在设备上（用夹具或直接胶粘），启动加工；
5、加工结束后，将零件取下，送后道处理（打磨去除表面刀痕或直接阳极氧化，作为成品交付）。

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加工过程分解到每一项动作，无非车、铣、‌钻、‌磨和‌焊，在历史上早已出现，很多甚至继承自木工。数控机床的价值在于：提升零件加工精度（至少±0.05mm），使复杂结构零件的制造成为可能，压缩从设计图到成品上市的时间，降低对最小起订量的要求。
数控机床大规模应用，对当代工业生产组织，是实实在在的质变：
其一，生产过程中，人的参与度大为降低。过去培养一个高级钳工相当不易，甚至要看天份；传统机床操作员与设备一一对应，无法提高人工效率；执行层面，人的稳定性远不如机器。
数控机床时代，一个车间通常只要一到两位编程师傅（负责编程和调机），配合若干操作员（加工开始前，将材料固定在设备上；加工完成后，取下零件送后道工序）。
如果生产规模足够大，持续时间足够长，操作员甚至可以被自动化设备替代——并非高大上的机械臂才叫自动化，也可以是简单的输送结构。这种模式也叫“专机”生产，效率极高，能把制造成本降到最低——灯具行业，中山曾以成本优势打败义乌，近几年深圳的成本竟然比中山还低，靠的就是这种模式。
其二，高精度、高复杂度零件的制造门槛大大降低。需要注意，对大多数传统应用，过去不是做不到，而是代价太大——对人员、设备要求高，成品良率低，成本高昂。对机器人等新应用来说，复杂结构（关节、手指等）过去确实难以实现，即使勉强做出来，也难大规模应用；如果设计阶段拆件分别加工，最后组合在一起的结构强度等都会成为隐患，且尺寸控制不住。
有多个加工面、需要多种工艺的零件，以前受设备限制，每次只能加工一面或采用一种工艺，完成全部加工需要多次装夹、定位，过程中累计误差足以造成成品不合格。现在只要编好程序，加工行程、刀具切换等完全自动；多轴机床甚至可以实现一次装夹完成全部加工。
同时，工艺的进步反过来会影响设计，以前不敢想、不敢用的设计，现在不再担心无法实现。
第三，改变生产模式。
传统思维，模具生产意味着批量，机加工生产意味着单件。有量的前提下，模具生产确实能控制成本，但“量”意味着门槛：资金、销售、管理等等。模具制造启动成本巨大，生产启动前要反复评估销售前景；模具本身的加工周期较长，从设计到实现、从试产到修模、再到最终定型，都需要时间；模具生产零件，有一定技术限制，复杂度高的零件需要拆件，后续组装需更多的安装空间，还存在组配精度、结构强度等问题；模具生产对量有持续要求，一旦启动，轻易不能停，结束生产后再想重启代价巨大；模具本身有寿命，也会磨损，不同批次的一致性有差异。
之前多次聊起在买手店casacasa看到的大牌灯具，制造水平远不如咱们，原因也就在这。模具生产的加工精度、组配水平已远远落后于数控机床生产。他们一个款型往往要用几十年，就是因为传统生产模式下，推新品的代价太大。
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数控机床加工的成本组项：基础费用（水、电、场地、管理）、人工（工程师和操作人员）、电费（占比最高）、正常损耗（刀具磨损、切削液消耗）、维保（设备故障维修、备件替换等）。计算成本时，通常以“机时”统算。
例如加工某零件耗时40分钟，每小时机时费300元，则加工费报价200元。如果这个零件有多个加工面，需要多次装夹定位，则多出来这部分操作时间也要折算成机时，计入总成本。假设上例加工面有两个，装夹时间20分钟，则总加工成本500元。

因此，与成本相关的优化，主要方向是“机时”，减少机加工时间；次要方向是材料，因为机加工是 “减材”制造——材料减得越少，则成本越低。
机加工时代的设计，大多会走向“极简”，通常薄而浅、减少特征、避免装饰，以降低加工量，控制成本。典型例子如iPhone、OLED台灯、电动汽车底盘等等。延伸一点，通过器物讨论社会风貌，可能会更关注审美（设计），忽视技术（包括意识形态的讨论，似乎也有忽视技术的倾向）。咱们现在能接触到的舆论（或明或暗的营销）也总往那个方向引导，而背后的技术因素往往被忽略，容易造成推导的错误。假设三千年后的考古学家拿着咱们这个时代的遗存，认定生活在公元21世纪20年代的人就喜欢极简设计，并推导出“这个时期的人就是喜欢将事物简化”的结论，很可能不正确；更大的可能是物质的生产塑造了审美。
另有个小八卦，iPhone边框从平面到曲面再到平面，营销制造的舆论说是风格的调整，实际原因是苹果和供应链间的博弈。

数控机床一直有，在欧美多是高端应用。去年看到荷兰金宝（CAMBO，做技术相机、云台等）在领英上招聘工程师，要求和国内工厂招“操机仔”几乎一样。另一家技术相机公司，瑞士阿尔帕（Alpa）引以为傲的“精密”，其实就是数控机床生产的标准精度，其机身上也有大量加工痕迹。
数控机床从单件生产到批量制造，关键的推动者是苹果和富士康。这个变革类似二战前，古德里安等军事家将坦克集中使用，而不再只用作掩护步兵。最初iPhone上市那段时间，经常听到苹果出资为供应商采购设备的新闻；深圳观澜（富士康在大陆最早的工厂）成为机加工行业黄埔军校，诞生无数百万富翁。
传说iPhone启动初期，乔帮主对机身尺寸等有严苛要求——一定要区别传统手机，营造出科技感、未来感。这些差异化、精致感，主要通过极简设计和极致尺寸来表现。至于先有iPhone设计，还是先意识到数控机床大规模集中使用的价值，恐怕只有当事人了解。
苹果和富士康的工作有一定开创性，主要表现在两方面：其一是打通全流程，其二是从量变到质变。需要强调，并不是采购足够多的设备，放在同一个车间，按下启动键，就能实现这种转化。
从原料开始，铝挤工艺得到强化，“苹果料”成为市场上高水平原料的代名词，这种材料也被称作均质棒。数控机床编程越来越简单，辅助软件的使用门槛逐步降低。配套设施逐步齐全，甚至演化出众多专业分工。有这些准备，才使得数控机床大规模应用成为可能。
通常车间装备几十到上千台设备，每个操作工最多可以“看”四十台机器。工作中，他们只要看设备顶部指示灯，找到停机设备，取下已完成零件，装上新的材料，启动加工，不断重复——这也是我说数控机床生产像古代织机的原因。这些管理设备的工作，只需要几小时培训，完全没有技术门槛。

前些年深圳、苏州等发达地区清退落后生产力，将大量机加工企业迁往外部合作工业区。苏州企业的去向大多是苏北，典型模式是当地政府提供场地，为设备采购担保，企业花少量的钱（主要是人工）就能在苏北新建几倍于原规模的工厂。
后续运营中，这个模式出现若干问题：其一，难招技术工人，虽然数控机床对工人的要求已大大降低，但编程和调机人员还是有一定门槛；其二，成本占比最大的是电费，经济发达地区的电价基本一致，而欠发达地区的虽然人力成本有优势，但这部分在总成本中的占比有限；其三，机加工完成后，通常要进行阳极氧化等表面处理，运输过程中的磕碰伤、划痕等会造成不良品，无法交付，经济欠发达地区后道制程缺乏，通常还要拉回苏南处理；其四，客户物理距离和响应速度，当时苏北各地还没通高铁，往返一趟需要一天时间，沟通效率大打折扣。所以后来很多工厂部分迁回苏南，留在苏北的机台主要用来“开粗”，将材料加工成半成品，细活还是回苏南处理。

过度扩张在当时造成不大不小的危机，其一，2018年前后，智能手机市场饱和，需求减少；其二，新的工业区（当时还没通高铁）偏远，接单困难。最严重的时候，长江沿线就有几十万套“未撕膜”的新机器闲置。

但危机并未爆发，因为2020年**机、呼吸机；21年欧美居家办公，笔记本需求旺盛；21年开始大量产线自动化改造，持续至今；22年开始电动汽车借助3C产业链制造零件；23年开始机器人逐步热门。与之前悲观预期不同，这几年机加工行业一直发展的较好。
对**机，数控机床生产的主要优势在速度——从设计到成品，机加工模式的周期以天计，模具生产的周期以月甚至季度计。对自动化产线，数控机床生产的主要优势在灵活，过去几年大企业纷纷上马自动化产线，不同企业、不同生产流程，对自动化组件的要求不一致，达不到开模生产的量级，数控机床制造组件的单价较高，但还在可接受范围，且自动化产线一次投入可以使用很久。对电动汽车，数控机床生产的主要优势在速度和综合成本，电动车设计中，“电池仓”等关键部位已经“扁平化”，不存在传统汽车发动机外壳之类深度较大的零件。对机器人，数控机床生产的主要优势在复杂结构和精度，传统模式很难实现。
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此外，数控机床加工也深度融合到其他生产模式中，比如使用模具的生产，为了提升精度，通常会对半成品“光一刀”，以保证关键部位的精度。甚至木制品加工，也大量使用数控机床。

最后说一下其他有前途的工艺：
3D打印，“增材制造”在材料成本上有优势，但目前综合成本较高，精度较差，只能说未来可期。塑料、硅胶之外，铝、钢、钛都可以打印，做艺术品挺合适。3D打印目前只有正公差，这点要当心。
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激光切割的发展势头也不错，高精度设备主要用于血管支架等小巧、纤细的应用。但成本限制，没法大规模普及。

qp6g3o · 发表于 2024-8-13 15:44

太牛了 ~硬货！

cutedemon1010 · 发表于 2024-8-13 16:59

机械狗路过，俺们厂只有数控车床

SUNZKpope · 发表于 2024-8-13 17:20

CHH居然有这样的帖子~
楼主贴图的设备，严格来说只能算机加专机，不能算加工中心
机加成本要看加工精度的要求，精度越高，成本最高的应该是设备备件和刀具成本
加工铝件和铸铁件的冷却系统也是有区别的，循环切削液也不一样
机加完工后，铝件做阳极氧化的多，铸铁件大多数表面处理都是电镀，镀锌，好点的镀锌镍

qp6g3o · 发表于 2024-8-13 22:16

SUNZKpope 发表于 2024-8-13 17:20
CHH居然有这样的帖子~
楼主贴图的设备，严格来说只能算机加专机，不能算加工中心
机加成本要看加工精度的要 ...

是吧有点意思的帖子

Wolverine · 发表于 2024-8-13 22:46

挺有趣的,好多字,基本都看完啦

hammers · 发表于 2024-8-14 08:21

重装备工厂路过，工人素养或者说责任心质量意识很重要，培养需要大量时间和试错成本
我这边卧车1米直径转子公差0.0127-0.02

383287449 · 发表于 2024-8-14 09:04

楼主有CNC加工厂推荐么

mich · 发表于 2024-8-14 13:50

这个帖子很可以呀，很科普了已经

另类 · 发表于 2024-8-15 16:34

SUNZKpope 发表于 2024-8-13 17:20
CHH居然有这样的帖子~
楼主贴图的设备，严格来说只能算机加专机，不能算加工中心
机加成本要看加工精度的要 ...

受教了

这也是CHH好玩的地方，各种内容都有。而且版友年龄、喜好、关注点相近，讨论过程非常舒服。

备件问题，现阶段成本确实高，不过国产替代发展也快。我在车间拍摄，看到工人测试备件，说是进口的四百，国产的几十。

阳极氧化的好处是生产资源多，丰俭由人——能找到做苹果级别的，也有给工业品配套那种普通的。
电镀工艺最大的困难是供货商

，江苏这边好的供货商越来越少，而且没量很难谈。另外，PVD工艺值得关注，只是更适合小件。

另类 · 发表于 2024-8-16 11:29

Wolverine 发表于 2024-8-13 22:46
挺有趣的,好多字,基本都看完啦

一方面，上个帖子有版友问。另一方面，坛子里喜欢DIY或者想把创意变成产品的朋友有不少

把这些经历记录下来，希望大家少走弯路

主帖没说的地方：
其一，CNC确实可以提供高品质组件，降低产品启动阶段门槛，但成本总归高于模具生产。产品做出来，能不能卖掉？能否在对应价位卖掉？是个更关键的问题。如果没有把握，尤其自己不能做到，则是否启动需要三思。

其二，这些年生产逐渐集中、规模化，小批量生产需要供应链配合（机加工只是其中一环），这方面难度反倒比几年前大。而一些新工艺，要把成品稳定性考虑在先。
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另类 · 发表于 2024-8-16 11:33

hammers 发表于 2024-8-14 08:21
重装备工厂路过，工人素养或者说责任心质量意识很重要，培养需要大量时间和试错成本
我这边卧车1米直径转子 ...

确实如此。

另外似乎和环境相关。比如搬出去的工厂，管理班子不变，成品水平就是不如过去在苏州昆山一带的时候。

mzaith · 发表于 2024-8-16 11:55

这个主要是加工铝么？
加工不锈钢呢？
最近咖啡磨豆机刀盘什么的，好像都是不锈钢精度要求很高，用这个车精度是不是就OK了？

hammers · 发表于 2024-8-16 12:05

mzaith 发表于 2024-8-16 11:55
这个主要是加工铝么？
加工不锈钢呢？
最近咖啡磨豆机刀盘什么的，好像都是不锈钢精度要求很高，用这个车精 ...

刀具的制造需要专门机床，要求很高

另类 · 发表于 2024-8-16 12:07

383287449 发表于 2024-8-14 09:04
楼主有CNC加工厂推荐么

要看规模和技术要求。
对精度和表面处理要求不高，只做一两件，3D打印也能满足要求，塑料之外，铝、316、钛、模具钢都能打印。只是注意只有正公差，图纸要做出调整；表面很难打磨好，不大好做外观件。
对精度和表面处理要求高，只做一两件，建议模型厂。他们处理这种订单有经验，而且各种工艺齐备，不用担心配套问题。
产品复杂度高（尤其机器人相关），对精度、交付时间有要求，我帮忙问问朋友。
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