超越模具加工

    兩年前，D&M工具公司（位于印第安納州史普林維爾市）決心加大模具加工業(yè)務(wù)的投資。這個(gè)決定并不容易下。公司的基本業(yè)務(wù)為注塑模制造，主要提供給汽車生產(chǎn)供應(yīng)商。該業(yè)務(wù)兩年前還不見起色，而且沒有好轉(zhuǎn)的跡象，但是公司仍然決定，不管如何，必須加大投入，使公司能趕在市場需求復(fù)蘇前有機(jī)會(huì)提高生產(chǎn)能力。D&M公司購買了一臺(tái)36,000轉(zhuǎn)的高速加工中心，可以說，該加工中心是公司歷史上所擁有的最尖端的機(jī)床設(shè)備。

    在機(jī)床的投資之后，公司接著投入了大量的時(shí)間和精力，使得模具車間學(xué)會(huì)了如何有效地使用高速加工手段。雖然付出了大量試驗(yàn)和失敗的代價(jià)，但是經(jīng)過對失敗的總結(jié)，公司意識(shí)到并非每次都需要使用高轉(zhuǎn)速的加工。

    所有這些努力的付出換來的最重要的結(jié)果是總結(jié)出了模具加工的更為有效的工藝。D&M公司在對淬硬鋼的高速加工過程中使用輕刀作為結(jié)束動(dòng)作，從而有效地形成最終面，并良好地生成復(fù)雜細(xì)節(jié)。相應(yīng)地，手工精磨該動(dòng)作，則因?yàn)楹臅r(shí)太長以及大量人力投入，被很大程度地減少。而曾經(jīng)一度被用來加工結(jié)束動(dòng)作的EDM，如今被深入關(guān)注。EDM現(xiàn)在被用來加工銑削無法完成的細(xì)節(jié)部分。

    然而，對于此項(xiàng)高速加工的投資還有一個(gè)重要收獲，盡管這個(gè)收獲的全部意義仍然未被定性。模具車間獲取的經(jīng)驗(yàn)被證明可以運(yùn)用到另一種完全不同的加工過程之中。具有了這種加工能力，該模具車間發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)完全沒有預(yù)料到的發(fā)展機(jī)遇。

保護(hù)刀具

    D&M公司的高速加工中心購自Roeders of America公司（位于紐約的奧蘭治堡）。D&M公司的CAD/CAM程序設(shè)計(jì)師Mike Baker，也是該模具車間最早使用加工中心的人員之一，在談到加工中心的采購情況時(shí)說，公司本打算從其他公司購買加工中心，但是由于Roeders公司銷售人員的堅(jiān)持，終于選擇了現(xiàn)在的設(shè)備。由于具備更高的轉(zhuǎn)速，該設(shè)備保證了更高的加工速度。而且，更重要的是，該加工中心似乎是為高速銑加工模具而專門設(shè)計(jì)的。

    該機(jī)床的另一個(gè)重要特征，也是對于模具車間非常重要的一個(gè)特征，就是其非接觸式刀具的裝置。刀具沿著激光標(biāo)明的路徑進(jìn)刀，同時(shí)自身高速旋轉(zhuǎn)。刀具的偏心測量系統(tǒng)不僅能精確地計(jì)算出細(xì)小的偏移值，也能計(jì)算出高速旋轉(zhuǎn)使刀具和主軸產(chǎn)生的偏移值。

    “保護(hù)刀具”的宗旨概括了Baker先生關(guān)于高速加工的主要經(jīng)驗(yàn)。在購買該加工中心時(shí)，D&M公司一并采購了用于該機(jī)床的熱套配合系統(tǒng)。該熱套配合刀架可以剛性，低偏轉(zhuǎn)地夾緊刀具。Baker先生強(qiáng)調(diào)必須非常仔細(xì)地編程，以防止刀具在工作中停頓。

    “千萬別讓刀具停下來，”他如此建議。刀具一停頓，就會(huì)產(chǎn)生摩擦。在高轉(zhuǎn)速底下，刀具摩擦即意味著磨損。因此，他總是使用思美創(chuàng)（Cimatron）的CAD/CAM軟件最優(yōu)化刀具路徑，防止刀具在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的任何變慢或停頓的現(xiàn)象。

    采用了刀具保護(hù)措施的結(jié)果之一就是公司比預(yù)期減少了對刀具的投資。

    Baker先生稱：“剛買來加工中心的時(shí)候，每個(gè)人都拿來刀具測試其熱套刀具系統(tǒng)－都說那是很貴的東西”。但是，最終還是肯定了機(jī)床和熱套刀具系統(tǒng)的確提供了非常穩(wěn)定的加工能力。非接觸式刀具系統(tǒng)解決了刀具與刀具之間因?yàn)槠�轉(zhuǎn)、離心力和不匹配產(chǎn)生的變化現(xiàn)象。Baker先生在編程中對此也特別小心。綜合考慮了所有這些因素，刀具的經(jīng)濟(jì)性問題得到了很好的解決。從長遠(yuǎn)講，很貴的東西其實(shí)并不貴。

仿照模具加工 

    D&M公司副總裁Bill Maddox先生稱 ：“加工的精確度是真正讓我們驚嘆之處。”在購入該高速加工中心之前，車間最快的加工中心速度為每分鐘10,000轉(zhuǎn)。如今，高速銑削一如既往地保證三維尺寸的準(zhǔn)確和表面公差的合格，但是，能在比過去高的多的走刀速度下保證同樣的加工質(zhì)量就不容易了。當(dāng)車間開始掌握在高走刀速度下進(jìn)行輕銑，就標(biāo)志著公司已經(jīng)能既快又好地生產(chǎn)復(fù)雜部件。

那么簡易件怎么加工呢？

    D&M公司位于的母公司Specialty制造公司有很多醫(yī)療行業(yè)的客戶。其中一家客戶急于解決其最新研發(fā)的外科手術(shù)儀器的試生產(chǎn)加工工作。盡管并非模具制造工作，D&M公司仍然接下了任務(wù)。但是，怎樣使用高速加工中心既快又省地完成此項(xiàng)任務(wù)呢？

    答案就是將此項(xiàng)生產(chǎn)加工任務(wù)轉(zhuǎn)化為模具制造－至少看起來如此。

    更確切地說，答案就是通過長路徑銑削，將一批零部件轉(zhuǎn)變成一個(gè)簡單而復(fù)雜的部件進(jìn)行加工處理。

    每個(gè)零件本身的幾何形狀也許都很簡單，但是把10個(gè)甚至更多部件放在一塊大部件之內(nèi)，就可以充分發(fā)揮高速加工中心的能力，即在快速走刀的情況下，精確地銑削出復(fù)雜的形狀。不同的只是，這個(gè)優(yōu)勢被運(yùn)用到一批零件上面，而不僅僅是一個(gè)芯或者一個(gè)洞。車間加工的任務(wù)主要是鋁零件，可以使走刀速度達(dá)到750ipm。這種循環(huán)加工的最后一步，是通過細(xì)小的末端銑，將每個(gè)部件從整體的大塊中分離開。

下一個(gè)學(xué)習(xí)階段

    該模具車間迄今為止已經(jīng)為三個(gè)客戶提供過類似的加工服務(wù)，但是學(xué)習(xí)的過程仍在繼續(xù)。這次，學(xué)習(xí)的并非技術(shù)，而是相關(guān)的商業(yè)領(lǐng)域。這是因?yàn)檐囬g常常不清楚自己的工作和另外一些專業(yè)車間相比，如何才能更吸引市場。盡管如此，車間還是日益認(rèn)識(shí)到通過自己的高速加工中心和累積的使用的經(jīng)驗(yàn)，可以為小批量的緊急任務(wù)提供高效加工。

    有趣的是，D&M公司，如同美國其他模具制造公司一樣，仍然在與國外具有廉價(jià)勞動(dòng)力優(yōu)勢的模具制造廠商苦苦競爭。但是現(xiàn)在，通過對新轉(zhuǎn)機(jī)的開創(chuàng)，模具公司反而可以為海外的緊急任務(wù)提供生產(chǎn)加工。

模具熱處理技術(shù)

    模具熱處理是保證模具性能的重要工藝過程，對模具的制造精度、模具的強(qiáng)度、模具的工作壽命、模具的制造成本等有著直接的影響。20世紀(jì)80年代以來，國際模具熱處理技術(shù)發(fā)展較快的領(lǐng)域是真空熱處理技術(shù)、模具的表面強(qiáng)化技術(shù)和模具材料的預(yù)硬化技術(shù)。

模具的真空熱處理技術(shù)

    真空熱處理技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新型的熱處理技術(shù)，它所具備的特點(diǎn)，正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加熱氧化和不脫碳、真空脫氣或除氣，消除氫脆，從而提高材料（零件）的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度。真空加熱緩慢、零件內(nèi)外溫差較小等因素，決定了真空熱處理工藝造成的零件變形小等。

    模具真空熱處理中主要應(yīng)用的是真空油冷淬火、真空氣冷淬火和真空回火。為保持工件（如模具）真空加熱的優(yōu)良特性，冷卻劑和冷卻工藝的選擇及制定非常重要，模具淬火過程主要采用油冷和氣冷。對于熱處理后不再進(jìn)行機(jī)械加工的模具工作面，淬火后盡可能采用真空回火，特別是真空淬火的工件（模具），它可以提高與表面質(zhì)量相關(guān)的機(jī)械性能，如疲勞性能、表面光亮度、耐腐蝕性等。

模具的表面處理技術(shù)

    模具在工作中除了要求基體具有足夠高的強(qiáng)度和韌性的合理配合外，其表面性能對模具的工作性能和使用壽命至關(guān)重要。模具的表面處理技術(shù)，是通過表面涂覆、表面改性或復(fù)合處理技術(shù)，改變模具表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。目前在模具制造中應(yīng)用較多的主要是滲氮、滲碳和硬化膜沉積。

    由于滲氮技術(shù)可形成優(yōu)良性能的表面，并且滲氮工藝與模具鋼的淬火工藝有良好的協(xié)調(diào)性，同時(shí)滲氮溫度低，滲氮后不需激烈冷卻，模具的變形極小，因此模具的表面強(qiáng)化是采用滲氮技術(shù)較早，也是應(yīng)用最廣泛的。

模具材料的預(yù)硬化技術(shù)

    自上個(gè)世紀(jì)70年代開始，國際上就提出預(yù)硬化的想法，但由于加工機(jī)床剛度和切削刀具的制約，預(yù)硬化的硬度無法達(dá)到模具的使用硬度，所以預(yù)硬化技術(shù)的研發(fā)投入不大。隨著加工機(jī)床和切削刀具性能的提高，模具材料的預(yù)硬化技術(shù)開發(fā)速度加快，到上個(gè)世紀(jì)80年代，國際上工業(yè)發(fā)達(dá)國家在塑料模用材上使用預(yù)硬化模塊的比例已達(dá)到30%（目前在60%以上）。