以高端加工中心為基礎(chǔ)的零公差加工

發(fā)布日期：2012-11-18    蘭生客服中心    瀏覽：2979

 

Eclipse Mold模具公司以高端加工中心為基礎(chǔ)，為有效地實(shí)現(xiàn)零公差加工樹立了一個(gè)良好的榜樣。

Eclipse Mold模具公司的模具工已明顯地感覺(jué)到，模具的零余量切削加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，他們可以用事實(shí)證明。目前，該公司有一個(gè)模具加工車間，每年大約可以生產(chǎn) 140套模具，在這項(xiàng)業(yè)務(wù)中還包括大量的模具修復(fù)服務(wù)，約占總業(yè)務(wù)量的40%左右。該公司其余的60%收入來(lái)自于3個(gè)注塑成型工廠，所有這些工廠都坐落在底特律市郊。事實(shí)上，該公司共擁有42臺(tái)注塑機(jī)，其壓力范圍從22~750t不等。

 


圖1 這一汽車模具在精加工以后，其型芯一側(cè)的表面已沒(méi)有多余的余量。除了采用較輕介質(zhì)進(jìn)行拋光處理之外，實(shí)際上模具不需要手工拋光。從圖中可以看到型腔的一個(gè)側(cè)面，其中還可以看到閉合面的加工表面質(zhì)量

Eclipse Mold模具公司的工廠設(shè)立在Clinton Township，上述注塑機(jī)使用的模具都是由其工廠生產(chǎn)的。該公司幾乎在所有的這些模具上，都不同程度地采用了零公差加工方式。該公司的副總裁兼總經(jīng)理 Steve Craprotta先生說(shuō)：“采用凈切削加工的模具，其工作速度較快、使用壽命較長(zhǎng)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較低，其生產(chǎn)的零件質(zhì)量較好，而且非常清潔干凈。我們每天就是以這樣的生產(chǎn)成果維持生存，因此我們深知，這種方法對(duì)我們來(lái)說(shuō)是何等的寶貴。”

Eclipse公司每年生產(chǎn)的模具，只有15%是在他們自己的工廠內(nèi)使用的。其余的模具都發(fā)運(yùn)到那些大型的一級(jí)汽車供貨商那里，他們的客戶包括人們所熟悉的美國(guó)和日本汽車制造商。Craprotta先生毫不夸張地說(shuō)：“我們的所有客戶都認(rèn)為我們的模具加工車間是最棒的。”他之所以強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)的目的是為了進(jìn)一步讓人們確信：零公差加工是確立其加工車間在這一市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)地位中不可缺少的一部分。

為滿足模具生產(chǎn)的需要，Eclipse公司專門提供二次注射模具。這類模具通常只有一個(gè)型芯或一個(gè)型腔，它們必須適合其他兩半模具的安裝，或其一側(cè)需要旋轉(zhuǎn)180°，以滿足第二次注塑的需要。Craprotta先生解釋說(shuō)：“如果這些模具采用普通的方法加工，那么接著還需要手工加工和手工打磨，花費(fèi)的時(shí)間實(shí)在太長(zhǎng)，無(wú)法滿足交貨期或滿足我們自己的生產(chǎn)計(jì)劃。”如果能將模具的閉合面加工到零公差尺寸（在很多情況下，甚至加工到負(fù)公差余量），那么就可以使手工打磨時(shí)間減少到幾個(gè)小時(shí)。他說(shuō)，其中一面可以與另一面配合，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)或與另一半配合時(shí)，其配合的緊密度幾乎是十全十美的。

Eclipse公司生產(chǎn)的大部分模具是非常復(fù)雜的多型腔、高精度模具，雖然用于300~700t壓力機(jī)的中型模具非常普遍，但其最大的模具可達(dá)40 in ×50 in(1in=25.4mm)，最小可達(dá)到8 in×8 in。其中70%~80%的模具與機(jī)械動(dòng)作的零件有關(guān)，如滑板、推桿、可收縮型芯以及與此類似的零件。

采用零公差加工不但削減了大量的逐點(diǎn)打磨時(shí)間，而且提高了機(jī)械零件的流水線生產(chǎn)水平。例如，推桿直接安裝在模具的隱窩之內(nèi)，其調(diào)節(jié)量很少甚至無(wú)需調(diào)節(jié)。

該車間的零公差加工主要依靠3臺(tái)最新型的加工中心，其中包括由牧野公司（在俄亥俄州的Mason市）提供的V55型和V56型VMC立式加工中心以及一臺(tái)Johnford公司的DMC-1500型加工中心。

Craprotta 先生說(shuō)：“牧野公司機(jī)床的剛性和精度是達(dá)到零公差加工能力的根本保證。”Johnford公司機(jī)床的30 in × 50 in大型工作臺(tái)可滿足該車間加工大型模具的需要。按照Craprotta先生的說(shuō)法，該機(jī)床已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了零公差切削，幾乎可以與小型的VMC立式加工中心相媲美。

圖2  Eclipse公司認(rèn)為，其加工中心的剛性對(duì)零余量加工是十分關(guān)鍵的。上圖所示的牧野V55型VMC立式加工中心，其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)20 000r/min，配有HSK接口。從圖中可以看到，該機(jī)床正在進(jìn)行半精加工

適合銑削硬質(zhì)材料

Eclipse Mold模具公司于1992年開(kāi)始與SST公司合作，當(dāng)時(shí)該車間剛剛從牧野公司購(gòu)置了第一臺(tái)高速銑床，用于生產(chǎn)石墨電極。Craprotta先生回憶說(shuō)：“我們通過(guò)這些機(jī)床的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)了高速加工。”當(dāng)牧野開(kāi)始銷售零余量加工模具零件的硬質(zhì)材料銑床時(shí)，引起了Eclipse公司的注意。于是在 2001年，該公司購(gòu)置了第一臺(tái)用于硬質(zhì)材料銑削加工的加工中心。

與普通的銑削加工相比，硬質(zhì)材料銑削具有一定的“風(fēng)險(xiǎn)”，而且在初次加工的時(shí)候，會(huì)碰到一定的困難，可能會(huì)引起刀具斷裂或燒蝕，也有可能造成昂貴模具材料的報(bào)廢。每天要進(jìn)行硬質(zhì)材料的高精度銑削加工，對(duì)于一名機(jī)械操作工而言，確實(shí)是難以想象的，他們幾乎想放棄這種加工方法。

Craprotta先生敘述說(shuō)：“由于我們?cè)诤茉绲臅r(shí)候就開(kāi)始應(yīng)用這一加工工藝，我們比其他加工車間早走了一步，因此我們有一定的轉(zhuǎn)換余地，易于過(guò)渡。”首先，車間開(kāi)始逐漸減少通常所需的加工余量，從0.003 in減少到0.002 in和0.001 in，在這一過(guò)程中，加工車間對(duì)機(jī)床、刀具和刀具路徑等方面的經(jīng)驗(yàn)逐步積累。

事實(shí)證明，直接向零公差加工有關(guān)的一切輔助技術(shù)投資也是一種明智的做法。例如，加工車間開(kāi)始使用HSK接口以及經(jīng)過(guò)平衡的刀具。公司的CAM編程軟件也進(jìn)一步升級(jí)。當(dāng)操作人員看到這一工藝產(chǎn)生了如此好的效果以后，他們的態(tài)度也開(kāi)始轉(zhuǎn)變，樂(lè)于接受新的訓(xùn)練和新的操作規(guī)范。Craprotta先生說(shuō)，最后他們不但急切地希望采用零公差切削工藝，而且開(kāi)始在模具的閉合面上實(shí)施負(fù)公差切削。采用這一工藝約花費(fèi)了一年左右的過(guò)渡時(shí)期。

隨著編程人員對(duì)模具表面的編程越來(lái)越精密，從而保證了機(jī)械操作人員對(duì)刀具路徑的充分信任。該加工車間應(yīng)用了由Delcam公司（在安大略省的Windsor市）提供的PowerMill軟件來(lái)生成零公差切削的刀具路徑。該車間一名最有經(jīng)驗(yàn)的編程員John Zube先生說(shuō)：“編程員與機(jī)械操作員建立良好的關(guān)系是十分關(guān)鍵的，來(lái)自車間的意見(jiàn)和建議告訴他應(yīng)該如何去工作，如何工作才能做得更好。”

模壓成形車間的反饋意見(jiàn)也很重要。來(lái)自這些業(yè)務(wù)部門的報(bào)告對(duì)編程員和機(jī)械操作員都很有幫助，有利于他們進(jìn)一步改進(jìn)工作。

 


圖3  在這臺(tái)注塑機(jī)上二次注射模具可在壓板上旋轉(zhuǎn)180°，以便于軟性塑料件的二次注塑成形。由于兩個(gè)方向上的閉合面必須密封，因此采用了精密加工工藝，無(wú)需手工加工，這就保證使模具完工時(shí)所需的逐點(diǎn)打磨時(shí)間降低到最低限度

機(jī)床的剛性好、精度高，加工效率高

Craprotta 先生選購(gòu)銑削硬質(zhì)材料銑床的原則可歸結(jié)如下：應(yīng)盡量購(gòu)置剛性最好的精密機(jī)床。機(jī)床的剛性是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，因?yàn)樗墒沟都獾恼駝?dòng)降低到最低限度。他補(bǔ)充說(shuō)，當(dāng)然，刀具其他部分的設(shè)計(jì)也非常重要，穩(wěn)定性要好、徑向跳動(dòng)誤差要低。牧野公司的VMC立式加工中心具有以下特點(diǎn)：機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性好，包括其主軸箱和導(dǎo)軌、線性滾子軸承，質(zhì)量過(guò)硬的基座和立柱，還有兩端支撐的滾珠絲杠。

牧野公司的機(jī)床主軸，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000r/min。對(duì)于小刀具加工而言，當(dāng)其在高進(jìn)給速率和低切削深度的條件下工作時(shí)，如要達(dá)到適當(dāng)?shù)那行钾?fù)荷，采用這樣高的轉(zhuǎn)速是完全必要的。 Craprotta先生認(rèn)為：“在這些機(jī)床上我們可以看到這樣一個(gè)現(xiàn)象：在高速運(yùn)行下，機(jī)床主軸的熱量并沒(méi)有升高。這些機(jī)床每天一直運(yùn)行10h以上，從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)Z深度的問(wèn)題。”

Craprotta先生補(bǔ)充說(shuō)：“機(jī)床加工必須保持精度，不光是保持其中心范圍內(nèi)的精度，而且還必須保持其整個(gè)工作范圍內(nèi)的全面精度。”當(dāng)亞微型級(jí)的刀具在做微型運(yùn)動(dòng)時(shí)，也需要使用百萬(wàn)分之幾英寸分辨率的玻璃光柵尺。最終的精加工切削采用小至0.010in的刀具，但比較典型的刀具是0.030in。Eclipse公司在切削型芯和型腔表面時(shí)，其公差精度常常達(dá)到±0.0004in，其表面光潔度在 16~24rms的范圍之間。

Craprotta先生說(shuō)，Johnford公司機(jī)床的主要優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)。他說(shuō)：“這種機(jī)床在價(jià)格和功能方面具有突出的價(jià)值優(yōu)勢(shì)。”這一機(jī)床配置了90°的龍門式橋架和Y軸偏置導(dǎo)軌，在加工大型模具時(shí)，可使其延伸行程的偏差降低到最低限度。Y軸和Z軸方向上的主軸箱導(dǎo)軌有助于提高剛性，而X軸上則采用線性導(dǎo)軌，有助于較重工件的精確移動(dòng)。

然而，Craprotta先生說(shuō)，該加工車間從這臺(tái)機(jī)床上獲得了最佳成果，因?yàn)樵谠摍C(jī)床發(fā)貨前SST公司對(duì)機(jī)床的各軸進(jìn)行了調(diào)整，因此其對(duì)硬質(zhì)材料的銑削加工十分理想。Craprotta先生聲稱：“我們從這臺(tái)機(jī)床獲得了大量好處，該機(jī)床特別適合于高精度切削加工。那就是說(shuō)，采用這臺(tái)機(jī)床可以滿足零公差切削加工的需求。”更重要的是，這臺(tái)機(jī)床的延伸行程可以讓車間生產(chǎn)多模腔模具，用于汽車內(nèi)部大型儀表板一類零件的注塑成形。Craprotta先生說(shuō)：“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這一直是一個(gè)大有發(fā)展前途的領(lǐng)域。”最后，他進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了硬質(zhì)材料銑削加工的重要性，每天至少需要有一個(gè)班次從事無(wú)人化操作。一般來(lái)說(shuō)，在每天的第一班和第二班上班時(shí)間，Eclipse Mold模具公司有一名操作員值班，負(fù)責(zé)監(jiān)控7臺(tái)CNC數(shù)控機(jī)床的加工生產(chǎn)，但根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的變化情況，并不是經(jīng)常需要有一名操作員值班。

圖4 Steve Craprotta先生（右）和模具生產(chǎn)經(jīng)理John Montalbano先生正在檢查由這一4型腔模具注塑成形的一個(gè)零件。零件的表面和機(jī)械零件采用零余量方式切削加工

進(jìn)一步擴(kuò)大業(yè)務(wù)

由于零公差加工工藝幫助Eclipse公司進(jìn)一步提高了生產(chǎn)率，因此Craprotta先生確信，他的車間必須擴(kuò)大加工范圍，在傳統(tǒng)客戶的基礎(chǔ)上承擔(dān)它能夠承攬的一切業(yè)務(wù)工作。該加工車間的努力目標(biāo)是，為醫(yī)療和宇航工業(yè)的客戶提供高品質(zhì)、高精度模具加工服務(wù)。Craprotta先生并沒(méi)有像他們汽車工業(yè)中的同行那樣，急切地向海外制造商尋求模具的外協(xié)加工，特別是在密執(zhí)安州的東南部地區(qū)，其他的模具加工車間完全有能力承擔(dān)這一加工業(yè)務(wù)。他說(shuō)：“零公差加工為我公司達(dá)到目前的這一地位作出了巨大的貢獻(xiàn)。”現(xiàn)在，該加工車間已開(kāi)始將其注意力轉(zhuǎn)移到精益生產(chǎn)技術(shù)方面，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效益。

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