以高端加工中心為基礎(chǔ)的零公差加工

Eclipse Mold模具公司為高端加工中心進(jìn)行有效的零公差加工樹立了一個(gè)良好的榜樣。

　　對(duì)于模具制造商來說，都強(qiáng)烈希望模具的切削加工能夠達(dá)到無余量的零公差切削水平，而Eclipse Mold模具公司就恰恰證明了這一事實(shí)。該公司有一個(gè)模具加工車間，每年大約能生產(chǎn)140套左右的模具，其中還包括相當(dāng)數(shù)量的模具維修服務(wù)，但這一業(yè)務(wù)只占其總工作量的約40%。該公司其他60%的收益來自于它的3個(gè)注塑模工廠，這些廠房坐落在底特律的郊區(qū)。事實(shí)上，該公司的廠房內(nèi)共有42臺(tái)注塑機(jī)，其工作壓力范圍從22～750t不等。

　　圖1  這一汽車模具的型芯表面經(jīng)過精加工以后，不留任何余量。除了采用很輕的介質(zhì)進(jìn)行拋光以外，實(shí)際上模具不需要手工拋光。圖中可以看到型腔的側(cè)面，在其閉合面上可以看到其酷似經(jīng)過加工的表面質(zhì)量

 　　在Eclipse Mold模具公司這些注塑壓力機(jī)上使用的模具都由該公司Clinton Township總部的總廠生產(chǎn)制造，該工廠位于底特律的西北方向，離市區(qū)約20英里。從某種程度而言，該公司對(duì)所有這些模具的加工生產(chǎn)幾乎都采用了零公差切削加工工藝。該公司的副總裁兼總經(jīng)理Steve Craprotta先生說：“采用無公差切削加工的模具運(yùn)行更快速、使用壽命較長、維修費(fèi)用低廉，其模壓成型的零件質(zhì)量和清潔度良好。我們每天依靠這些成果為生，因此我們深知這些加工方法的珍貴意義。”

　　對(duì)于Cra-protta先生的說法，他的顧客也深表同意。Eclipse模具公司每年生產(chǎn)的模具，只有15%應(yīng)用于該公司自己的工廠內(nèi)，其余的模具發(fā)運(yùn)到大型的Tier 1汽車供貨商使用，其中包括許多大家所熟悉的美國和日本汽車制造廠。Craprotta先生毫不夸張地說：“我們所有的客戶都認(rèn)為我們公司的模具車間是最優(yōu)秀的。”他之所以強(qiáng)調(diào)這一觀點(diǎn)，其主要原因是要讓人們確信：如果想要使一個(gè)加工車間在市場(chǎng)中保持其競(jìng)爭的地位，達(dá)到零公差加工的水平是其不可缺少的一個(gè)部分。

　　1976年，Steve先生的父親—Fred Craprotta先生創(chuàng)建了Eclipse模具公司，到目前為止，其父親還在積極地領(lǐng)導(dǎo)和管理著這一公司。公司曾經(jīng)擴(kuò)建過好幾次，1989年，公司才搬遷到現(xiàn)在的這個(gè)總部所在地。該公司三個(gè)工廠的雇員人數(shù)加在一起有150人。

　　Eclipse模具公司專門從事二次注塑模的模具生產(chǎn)。這類模具一般由一個(gè)型芯或型腔組成，但必須與其他兩個(gè)半拉模具或旋轉(zhuǎn)180°的側(cè)模配合，以適應(yīng)模具的第二次注塑。Craprotta先生解釋說：“如果這些模具采用普通的工藝加工，然后再采用手工拋光和逐點(diǎn)打磨作業(yè)，那勢(shì)必會(huì)花費(fèi)我們的許多寶貴時(shí)間，即難以滿足交貨時(shí)間要求也無法滿足我們自己的生產(chǎn)進(jìn)度要求。” 如果能夠?qū)⒛＞叩拈]合面加工到零公差尺寸（在許多情況下，甚至加工到負(fù)余量的程度），就可以大大節(jié)約模具的逐點(diǎn)打磨工時(shí)。他說，這樣當(dāng)模具的一面與另一面配合時(shí)，以及當(dāng)模具旋轉(zhuǎn)或與另一半模具配合時(shí)，幾乎可使其配合面達(dá)到完美無缺的程度。

　　Eclipse模具公司所生產(chǎn)的大部分模具都是高精密、多型腔的復(fù)雜模具，最大型的模具尺寸為40×50 in，小型模具的尺寸為8×8 in，而最通用的中型模具應(yīng)用于300～700t的注塑壓力機(jī)上。在這些模具中，大約有70%到80%的模具采用機(jī)械動(dòng)作的方式工作，例如采用滑板、提升機(jī)、伸縮式型芯及其它相類似的一些工具。

　　圖2  Eclipse模具公司認(rèn)為其加工中心的剛性是零公差加工中的一個(gè)關(guān)鍵因素。牧野公司的V55型立式加工中心，其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)20000 r/min，帶有HSK接口和利用熱配合安裝的刀柄。從插圖中可以看到在這臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行半精加工的情況

 　　采用零公差加工工藝不僅取代了大量的模具逐點(diǎn)打磨工時(shí)，同時(shí)也提高了機(jī)械零件的流水生產(chǎn)作業(yè)水平。例如，提升機(jī)可以直接落放到隱窩內(nèi)，而且只需要少量的調(diào)節(jié)，或者干脆不需要任何調(diào)節(jié)。

　　模具的零公差加工主要依賴于車間內(nèi)安裝的3臺(tái)最新式的加工中心，其中V55型和V56 型立式加工中心由牧野公司（在俄亥俄州的Mason地區(qū)）提供，另一臺(tái)DMC-1500型加工中心由Johnford公司提供。所有這些機(jī)床都通過密歇根州Auburn Hills地區(qū)的經(jīng)銷商—Single Source Technologies 技術(shù)公司(SST)引進(jìn)。

　　Craprotta 先生說：“牧野公司機(jī)床的剛性和精度特別適合于我們的模具零公差加工。”而Johnford公司提供的機(jī)床，配有30×50 in的大型工作臺(tái)，可滿足我們車間日益增長的加工大型模具的需要。按照Craprotta先生的說法，這一機(jī)床的零公差切削加工水平不亞于小型的立式加工中心。

硬質(zhì)材料的銑削加工

　　Eclipse模具公司于1992開始與SST技術(shù)公司合作，當(dāng)時(shí)該公司從牧野公司引進(jìn)了第一臺(tái)高速銑床，用于石墨電極的加工生產(chǎn)。Craprotta先生回憶說：“我們從這一機(jī)床的加工經(jīng)驗(yàn)中，學(xué)到了有關(guān)高速加工的新概念。”當(dāng)該經(jīng)銷商開始推銷這種用硬銑削加工模具零件的零公差加工概念時(shí)，引起了Eclipse模具公司的注意。2001年，該公司通過這一經(jīng)銷商購置了第一套加工中心，用于硬質(zhì)材料的銑削加工。

　　與普通的銑削工藝相比較，當(dāng)我們第一次碰到硬質(zhì)材料的銑削加工時(shí)，似乎感到有一定的困難并具有一定的冒險(xiǎn)性。如果發(fā)生刀具斷裂或燒損而導(dǎo)致昂貴的模具報(bào)廢，這將成為令人難咽的苦果。每天要面臨這樣的高精度硬質(zhì)材料銑削加工的壓力，這對(duì)機(jī)床操作人員而言實(shí)在是難以想象的。他說：“壓力實(shí)在是太大了。”

　　Craprotta先生說：“我們公司是最早涉足這一工藝領(lǐng)域的，我們走在了其他加工車間的前面，對(duì)于向這種工藝過渡，我們留有一定的回旋余地。”最初，加工車間根據(jù)其對(duì)機(jī)床、刀具和刀具路徑的確信程度，開始降低模具的加工余量，將其從原來的0.003 in降低到0.002 in和0.001 in。

　　對(duì)零公差加工的一切適當(dāng)?shù)募夹g(shù)支持力量經(jīng)過深入調(diào)研以后，證明我們的做法也是比較明智的。例如，加工車間開始采用熱脹冷縮刀夾的平衡刀具及HSK接口，并且將CAM編程軟件升級(jí)。當(dāng)操作人員看到采用這種新的操作原理和操作程序非常舒適時(shí)，并且感受到該工藝如何能夠得心應(yīng)手地工作時(shí)，終于改變了他們?cè)�先的工作態(tài)度。

　　Craprotta先生說，后來，他們不但更急切地希望參與模具的零公差切削加工，而且還開始對(duì)模具的閉合面試行負(fù)公差切削。這一態(tài)度的轉(zhuǎn)變大概經(jīng)歷了一年的時(shí)間。最后，Craprotta先生得出了這樣的結(jié)論：“在這一時(shí)期內(nèi)，加工車間曾出現(xiàn)過一些緊張、不安和焦慮的情緒，這的確是一件很不容易的事情。”

　　他自己首先起到模范帶頭的作用，對(duì)編程人員非常信任。當(dāng)編程人員對(duì)模具閉合面編制出越來越高的加工公差精度時(shí)，保證使機(jī)床操作員確信刀具的加工路徑是值得信賴的。加工車間采用 PowerMill軟件，該軟件由Delcam 公司（在安大略省的Windsor地區(qū)）提供，用于生成零公差切削的刀具路徑。

　　加工車間內(nèi)經(jīng)驗(yàn)最豐富的一位編程員John Zube先生說，編程人員與機(jī)床操作人員之間的良好聯(lián)系和交流是十分關(guān)鍵的。作為車間內(nèi)的一位編程人員，Zube先生說：“在技術(shù)過渡時(shí)期，我曾在車間內(nèi)度過了很長的時(shí)間，而且現(xiàn)在還在從事這一工作。”他還補(bǔ)充說，從車間內(nèi)得到的一些評(píng)價(jià)和建議告訴他應(yīng)該做些什么工作，怎么做才可能使工作干得更加出色。“ 我們彼此之間需要相互學(xué)習(xí)。”

　　從模具制造業(yè)務(wù)部門獲得相應(yīng)的反饋意見也是非常重要。來自這些工作中的報(bào)告給編程人員和機(jī)床操作人員帶來了很大的幫助，有利于進(jìn)一步提高他們的工作成績。

機(jī)床的剛性、精確及高效的加工

　　Craprotta 先生對(duì)硬質(zhì)材料銑削加工用的機(jī)床選用要求歸納如下：盡量購置剛性最好和加工精度很高的機(jī)床。機(jī)床的剛性是十分關(guān)鍵的，因?yàn)閯傂愿叩臋C(jī)床，可以使機(jī)床上刀尖的振動(dòng)降到最低限度。他補(bǔ)充說，當(dāng)然，刀具其他部分的設(shè)計(jì)也必須十分合理，而且還要求其徑向跳動(dòng)率低，穩(wěn)定性好。牧野公司提供的立式加工中心，除了其良好的剛性結(jié)構(gòu)以外，還包括其裝有線性滾珠軸承的箱式導(dǎo)軌、其床身和立柱具備適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，及其兩端帶有支撐的絲杠。

　　牧野公司的機(jī)床其主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000 r/min。當(dāng)機(jī)床上小型刀具在高速進(jìn)給和低切削深度的條件下運(yùn)行工作時(shí)，為了達(dá)到適當(dāng)?shù)那行钾?fù)荷，采用這樣高速旋轉(zhuǎn)的主軸是十分必要的。 Craprotta先生解釋說：“在這些機(jī)床上加工時(shí)，我們可以看到主軸上的熱量不會(huì)迅速增加。我們的這些機(jī)床每天連續(xù)工作10h，從來沒有發(fā)生過Z軸的深度問題。”

　　Craprotta先生補(bǔ)充說：“機(jī)床必須具有很高的精度—不但包括機(jī)床的中心范圍，而且整個(gè)機(jī)床的任何工作范圍都必須保持同樣足夠的精度。”為了確保超小型刀具的微小移動(dòng)，機(jī)床上還必須配置分辨率達(dá)百萬分之一英寸的玻璃光柵尺。刀具精加工時(shí)的切削精度可達(dá)0.010 in，一般可達(dá)0.030 in。Eclipse模具公司日常切削加工型芯和型腔表面時(shí)的公差精度可達(dá)±0.0004 in。其表面粗糙度的范圍可達(dá)到16～24 rms。

  　　加工車間對(duì)于有效切削的定量分析還存在一定的困難。與其他機(jī)床的加工情況相比較，很少有機(jī)會(huì)能看到牧野公司機(jī)床上的刀具究竟能以多快的速度執(zhí)行刀具的路徑程序。Craprotta先生對(duì)小型機(jī)床控制系統(tǒng)中使用的軟件遵循SST技術(shù)公司的說法。超幾何智能軟件（Super Geometric Intelligence）的特點(diǎn)使這些機(jī)床能夠在最小限度前瞻性的條件下高速處理伺服指令，可避免表面受到影響，并且不妨礙處理速度。

　　Craprotta 先生說，Johnford公司的機(jī)床具有很大的優(yōu)點(diǎn)。他說：“其突出的價(jià)值就在于其有很高的性價(jià)比。”這一機(jī)床裝有90°的橋式橫梁和偏置式Y(jié)軸導(dǎo)軌，從而使延伸行程的偏差降低到最低限度，這是加工大型模具所需要的一個(gè)條件。Y軸和Z軸上的箱體式導(dǎo)軌有利于增加機(jī)床的剛性，但X軸上使用的則是線性導(dǎo)軌，有利于較重工件的精確移動(dòng)。

　　然而，Craprotta先生說，該加工車間從這臺(tái)機(jī)床上獲得了最佳的效果，因?yàn)樵诎l(fā)貨前，SST技術(shù)公司對(duì)機(jī)床各軸進(jìn)行了調(diào)試，從而使其更適合于硬質(zhì)材料的銑削加工。Craprotta先生聲稱：“我們已經(jīng)充分發(fā)揮了這臺(tái)機(jī)床上的大部分優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@臺(tái)機(jī)床適合于高速精密切削加工。這就是說，我們還必須對(duì)這臺(tái)機(jī)床作些小小的改進(jìn)，以使其能夠滿足零公差切削加工的要求。”而更為重要的是，這臺(tái)機(jī)床的延伸行程可使加工車間生產(chǎn)多型腔模具，以滿足大型的汽車內(nèi)飾件的生產(chǎn)要求。Craprotta先生說：“對(duì)于我們而言，這一直是一個(gè)發(fā)展最快的領(lǐng)域。”

　　圖4  Steve Craprotta先生（圖右）與模具生產(chǎn)經(jīng)理John Montalbano先生正在一起檢查一個(gè)已經(jīng)模壓成形的零件，該零件由這個(gè)4型腔的模具生產(chǎn)而成。模具的表面和機(jī)械零件采用零公差工藝切削加工。有關(guān)模具的細(xì)節(jié)如上面的近視圖所示

　　最后，在硬質(zhì)材料的銑削加工方面，他強(qiáng)調(diào)了采用無人化操作模式的重要性，每天至少有一個(gè)班次采用無人化操作模式。一般來說，Eclipse Mold模具公司每天的第一班和第二班工作，由一名操作員值班，負(fù)責(zé)7臺(tái)CNC數(shù)控機(jī)床的監(jiān)控。在第三班工作時(shí)，凡是立式加工中心上的硬質(zhì)材料銑削加工操作均采用無人化運(yùn)行模式，盡管車間內(nèi)實(shí)際工作的負(fù)荷并不總是對(duì)此提出這樣的要求。

希望以此帶來更大收益

　　由于采用零公差加工使Eclipse模具公司提高了生產(chǎn)效率，因此Craprotta先生確信，在其原有傳統(tǒng)的客戶基礎(chǔ)上，他的加工車間還能夠全面承接其它類零件的加工生產(chǎn)。該加工車間的目標(biāo)是為醫(yī)療器械或航空航天行業(yè)的客戶提供高型腔、高精度的工件加工服務(wù)。Craprotta先生確信，他們不需要像汽車行業(yè)的同行那樣，急于尋求海外模具制造商來提供模具，而且對(duì)密歇根州東南部地區(qū)先進(jìn)的模具加工車間及其生產(chǎn)能力表示特別的贊賞。

　　Craprotta 先生代表Eclipse Mold模具公司和該地區(qū)的其他模具制造商說：“這個(gè)州的許多模具加工車間已經(jīng)開發(fā)了具有全球性競(jìng)爭能力的模具制造工藝。我們并不想成為保密最好的公司，而一些大型模具制造廠往往忽視了這一問題，他們認(rèn)為，只有低成本國家才能提供成本效益最高的方案。”

　　當(dāng)然他確信，Eclipse Mold模具公司在加工質(zhì)量和提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)方面能夠勝過其他任何加工車間。他說：“零公差加工為我們公司爭取到這一地位作出了很大的貢獻(xiàn)。”現(xiàn)在，該加工車間為了進(jìn)一步提高效率，開始將其注意力轉(zhuǎn)移到公司的精益生產(chǎn)技術(shù)上來。

　　圖3  這臺(tái)注塑壓力機(jī)上的二次注塑�？梢栽趬喊迳闲�轉(zhuǎn)180°，然后對(duì)軟性塑料進(jìn)行第二次注塑成形。由于模具的閉合面必須在兩個(gè)方向上同時(shí)密封，因此在模具完工后，其無手工作業(yè)的精密加工可保證使模具的逐點(diǎn)打磨時(shí)間降低到最低限度