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球桿儀可實現“比新出廠還要好”的機床精度
閱讀：466 發布時間：2021-8-19
對于非傳統硅晶片加工車間而言，高級球桿儀培訓可幫助其實現“比新出廠還要好”的機床精度，并延長機床使用壽命。 現在，半導體行業的供應商比OEM服務工程師更了解其機床的性能。球桿儀數據支持TPM及新興的SPC和OEE程序。
球桿儀測試對于那些已熟練使用各種機床的工程師而言并不陌生，其中便包括Wayne Ross和Jacob Hebbeler，他們是位于美國俄亥俄州伊頓的Silfex公司的工程師。這兩位工程師在最近的十多年中一直使用球桿儀分析方法來維持和提高工廠內超過50臺機床的精度。但現在證明，在接受高級培訓后，即使是經驗豐富的球桿儀用戶仍可學到一些新的技巧，最終這些技巧將為企業帶來收益。在升級到QC20-W無線球桿儀并參加了雷尼紹高級球桿儀培訓課程后，TPM經理Ross和機床操作員Hebbeler現已能夠更好地利用采集的球桿儀數據來評估機床，對其進行精確校準與調整，使其達到比新出廠還要好的精度，并延長機床部件的使用壽命。他們還改變了公司驗證機床性能、制定維護計劃和評估購買新機床需求的方式。“我們在多年前便已開展了球桿儀測試，但直到我們參加高級球桿儀培訓課程之前，都沒有做到對測試結果的充分利用，”Ross說，“現在我們使用球桿儀確保測量結果準確、制定維護計劃、實施TPM和SPC，甚至預測機床使用壽命。它正在幫助我們以之前難以想象的方式制定運營和固定設備投資決策。”
使用傳統設備進行非傳統加工
Silfex公司的加工應用環境就像是一個機床的軍事試驗場，因此機床診斷對于他們而言是生活方式之一。公司的車床和立式加工中心（主要是Haas和Mazak）通過鉆石刀具打磨拋光半導體行業使用的硅晶片和石英，因此會產生類似玻璃一樣的碎屑和鉆石微粒，這些有研磨作用的混合物會在數月內使相關機床部件*磨損。這家目前正在快速發展的公司從屬于Lam Research公司，有290名員工，作為用于Lam等離子體蝕刻室的電極和硅晶片夾具的首要一站式供應商，Silfex公司在相關領域逐步贏得了聲譽。這些自耗零件將為計算機芯片制造過程中的蝕刻處理提供支持，零件的價值可高達30,000美元。
“我們是世界上少數幾家能夠生產直徑達460 mm的無缺陷單晶硅的公司之一，”Ross解釋道，“我們在同一車間內完成從始至終的全部制造過程 — 這一點非常重要，因為半導體行業要求從材料來源到加工零件所有方面的可溯源性，而我們對全部過程都有著直接的控制，”Ross補充道，“滿足客戶的要求，這是一個采購經理的夢想。”
工廠的環境是可控的，配有多個潔凈度從10,000至100的潔凈室。“一個污點便能*毀掉許多個計算機芯片，”Ross強調道。處理硅晶片的過程包括線鋸切割、水射流切割、銑削、鉆孔、磨削和拋光，并在測量室中使用坐標測量機和虛擬坐標測量機進行檢測。部件隨后進入現場的潔凈室進行封裝。生產流程為每個批次生產5至100件，而要求的公差通常為±0.001英寸，一些甚至達到±0.0005英寸。
打磨硅晶片會產生惡劣的加工環境。“我們使用傳統機床進行非傳統的加工作業，并使用球桿儀診斷方法確保機床在這種高磨損應用環境下能夠高效穩定工作，”Ross說。“我們使用球桿儀每6個月診斷一次滾珠絲杠的磨損情況，但通常在此之前就已經先對機床進行過測試了。高級球桿儀培訓課程使我們了解，何時可以調整機床，何時必須更換滾珠絲杠。這使得我們能夠控制停機計劃，并隨著機床部件的磨損保持機床精度，而不是根據成品件的質量來判斷機床性能。這些機床的運行強度很大，分為三個班次，每周五天，單次運行的時間都很長，而且打磨環境對于設備而言非常惡劣。考慮到加工環境的迅速變化，我對這些機床能夠保持如此高的精度感到驚喜。我們的立式加工中心的精度甚至可以和一些更加的機床媲美。而且，雖然機床的速度更快，而我們的打磨速度沒有那么快，但我們并不需要‘更快'，只需要‘保證精確'即可。”
高級球桿儀培訓課程提高了公司的加工能力
學習完雷尼紹高級球桿儀培訓課程后，Ross和Hebbeler對他們的球桿儀數據以及如何使用這些數據有了更加深刻的理解。這些實操課程是在位于美國伊利諾伊州Hoffman Estates的雷尼紹美國分公司開展的，參與者在一間學習實驗室內可以練習針對多種不同機床的球桿儀設定和數據分析。“我已經使用球桿儀13年了，自認為對它了如指掌，”Hebbeler說，“但是僅僅過了10分鐘，我便學到了新的技巧。其中，我們學習了如何解決比例不匹配的問題，這將幫助我們更精確地調整圓弧插補，并延長機床機械部件的使用壽命。我們還了解了用于測量直線導軌狀態的橫向間隙。”
“完成高級培訓后，我們集中精力分析球桿儀獲得的數據，希望得到更多有意義的細節，”Ross解釋道，“Jacob已非常擅長調整反向間隙和反向躍沖，因此我們可以延長滾珠絲杠的使用壽命，這是我們的優勢，因為這可以推遲維護工程師更換滾珠絲杠的時間。有時我們可以進行兩到三項調整，這樣便能夠顯著增加機床的運行時間，從而使得我們更加高效地制定機床離線維護計劃。”
精度現在始自水平地面
Silfex公司使用球桿儀診斷方法確定機床的垂直度，這是分析反向間隙和反向躍沖的前提。“許多車間都忽略了地面對車床水平狀態的影響，我們之前也發生了這種情況，”Ross說，“我們很幸運，我們的混凝土地面足夠堅固，能夠支撐機床的全部重量，在安裝時就檢查并調整了機床的水平狀態。設定好水平狀態后，就可以診斷反向躍沖、反向間隙和比例不匹配，而在參加課程之前我們并不知道如何檢測。”
Ross和Hebbeler現在能夠處理機床水平狀態，主要是因為他們能夠達到規格要求，而一些技術人員還無法實現這些要求。“20%的氣泡水平儀工程師能夠滿足我們的要求，但50%的氣泡水平儀工程師不能，”Hebbeler說，“現在我們的水平調節非常精確，我們經常希望水平調節螺釘上有更小的螺距。”
培訓后Ross和Hebbeler用新的知識將機床精度提升到新的水平。“我們在垂直度上的目標是0.000050英寸/英寸，而我決定嘗試0.000025英寸/英寸，”Ross說，“當我對Jacob提到這一點時，他表示懷疑，但我向他顯示了數據，證明他之前已經3次實現這一精度了。”
以球桿儀的成功作為基礎，Ross和Hebbeler正在逐步擴展機床診斷。“球桿儀告訴我們基礎數據：直線導軌、滾珠絲杠和桁架軸承，這是機床的底端，是機械公差確立的位置，也證實了我們的測量結果，”Ross說，“我們也開始使用一些振動分析，這告訴了我們機床頂端的情況，它決定著拋光質量。因此，在兩者之間，我們將分析影響尺寸和最終質量的所有因素。我們將使用球桿儀進行空間補償測試。我們目前在立式加工中心上測試X和Y，在車床上測試X和Z，并在過去在一些機床上進行完整Y-Z測試，但使用空間測試，我們也能實現X-Z測試，我認為能夠在球桿儀可以執行的220度部分圓弧測試中得到所需的結果。”
無線纜，無擔憂
升級到無線球桿儀簡化了數據采集過程，更加安全。“使用有線球桿儀時，在測試中我花費大量時間照看機床，”Hebbeler解釋道，“我必須從機床后面不斷將線纜送進去，如果我離開幾分鐘，再回來就會看到線纜纏繞在一起。我始終有一個不安的想法，認為測試中任何輕微的線纜拖拽都會使結果產生偏差。無線操作沒有這些擔憂。設定好后，我可以做其他工作，等待測試完成?，F在也更加安全，因為測試時不需要打開機床防護門。”
球桿儀數據為新程序提供無限機會
Silfex公司現在使用球桿儀數據作為入口，建立其與各種流程的關系，并確定流程處理能力。“現在我們使用診斷數據作為推斷機床狀態的依據，”Ross說，“這些數據正用于我們的TPM程序和SPC的實施，未來將用于OEE（整體設備有效性）監控。完整SPC使我們無需進行檢測。我們還根據機床性能、維護成本和加工質量的一致性努力確定機床的有效使用壽命。”
即使是機床工程師也對Silfex公司展示出的專業知識印象深刻。“一些人會說，‘噢，這臺機床的狀態像新的一樣好'，而我們會告訴他們，我們還需要更好，”Hebbeler說，“他們的回答是，‘那么告訴我們該做什么'，在進行展示后，他們會問我們是如何做到的。高級培訓為我們提供了技術層面的知識，在今后的某些情況下，這些數據將為我們的思考與判斷提供支持。”
通過球桿儀分析生成的數據甚至得到了公司高層管理者的重視。“每次出具機床合格證明時總公司的管理層都希望看到一份球桿儀報告，”Hebbeler說，“這份報告包含在機床文檔中，現已成為車間向總部常規匯報流程的一部分。制造行業的精度門檻不斷提升，而球桿儀分析可幫助我們達到更高的位置。”Ross補充道，“世界繞著數字旋轉，而球桿儀分析是我們的放大鏡，可以幫助我們作出更好的商業決策。”