以高端加工中心为基础的零公差加工

　　对于模具制造商来说，都强烈希望模具的切削加工能够达到无余量的零公差切削水平，而Eclipse Mold模具公司就恰恰证明了这一事实。该公司有一个模具加工车间，每年大约能生产140套左右的模具，其中还包括相当数量的模具维修服务，但这一业务只占其总工作量的约40%。该公司其他60%的收益来自于它的3个注塑模工厂，这些厂房坐落在底特律的郊区。事实上，该公司的厂房内共有42台注塑机，其工作压力范围从22～750t不等。

　　图1  这一汽车模具的型芯表面经过精加工以后，不留任何余量。除了采用很轻的介质进行抛光以外，实际上模具不需要手工抛光。图中可以看到型腔的侧面，在其闭合面上可以看到其酷似经过加工的表面质量

　　在Eclipse Mold模具公司这些注塑压力机上使用的模具都由该公司Clinton Township总部的总厂生产制造，该工厂位于底特律的西北方向，离市区约20英里。从某种程度而言，该公司对所有这些模具的加工生产几乎都采用了零公差切削加工工艺。该公司的副总裁兼总经理Steve Craprotta先生说：“采用无公差切削加工的模具运行更快速、使用寿命较长、维修费用低廉，其模压成型的零件质量和清洁度良好。我们每天依靠这些成果为生，因此我们深知这些加工方法的珍贵意义。”

　　对于Cra-protta先生的说法，他的顾客也深表同意。Eclipse模具公司每年生产的模具，只有15%应用于该公司自己的工厂内，其余的模具发运到大型的Tier 1汽车供货商使用，其中包括许多大家所熟悉的美国和日本汽车制造厂。Craprotta先生毫不夸张地说：“我们所有的客户都认为我们公司的模具车间是最优秀的。”他之所以强调这一观点，其主要原因是要让人们确信：如果想要使一个加工车间在市场中保持其竞争的地位，达到零公差加工的水平是其不可缺少的一个部分。

　　1976年，Steve先生的父亲—Fred Craprotta先生创建了Eclipse模具公司，到目前为止，其父亲还在积极地领导和管理着这一公司。公司曾经扩建过好几次，1989年，公司才搬迁到现在的这个总部所在地。该公司三个工厂的雇员人数加在一起有150人。

　　Eclipse模具公司专门从事二次注塑模的模具生产。这类模具一般由一个型芯或型腔组成，但必须与其他两个半拉模具或旋转180°的侧模配合，以适应模具的第二次注塑。Craprotta先生解释说：“如果这些模具采用普通的工艺加工，然后再采用手工抛光和逐点打磨作业，那势必会花费我们的许多宝贵时间，即难以满足交货时间要求也无法满足我们自己的生产进度要求。” 如果能够将模具的闭合面加工到零公差尺寸（在许多情况下，甚至加工到负余量的程度），就可以大大节约模具的逐点打磨工时。他说，这样当模具的一面与另一面配合时，以及当模具旋转或与另一半模具配合时，几乎可使其配合面达到完美无缺的程度。

　　Eclipse模具公司所生产的大部分模具都是高精密、多型腔的复杂模具，最大型的模具尺寸为40×50 in，小型模具的尺寸为8×8 in，而最通用的中型模具应用于300～700t的注塑压力机上。在这些模具中，大约有70%到80%的模具采用机械动作的方式工作，例如采用滑板、提升机、伸缩式型芯及其它相类似的一些工具。

　　图2  Eclipse模具公司认为其加工中心的刚性是零公差加工中的一个关键因素。牧野公司的V55型立式加工中心，其主轴转速高达20000 r/min，带有HSK接口和利用热配合安装的刀柄。从插图中可以看到在这台机床上进行半精加工的情况

　　采用零公差加工工艺不仅取代了大量的模具逐点打磨工时，同时也提高了机械零件的流水生产作业水平。例如，提升机可以直接落放到隐窝内，而且只需要少量的调节，或者干脆不需要任何调节。

　　模具的零公差加工主要依赖于车间内安装的3台最新式的加工中心，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地区）提供，另一台DMC-1500型加工中心由Johnford公司提供。所有这些机床都通过密歇根州Auburn Hills地区的经销商—Single Source Technologies 技术公司(SST)引进。

　　Craprotta 先生说：“牧野公司机床的刚性和精度特别适合于我们的模具零公差加工。”而Johnford公司提供的机床，配有30×50 in的大型工作台，可满足我们车间日益增长的加工大型模具的需要。按照Craprotta先生的说法，这一机床的零公差切削加工水平不亚于小型的立式加工中心。

硬质材料的铣削加工

　　Eclipse模具公司于1992开始与SST技术公司合作，当时该公司从牧野公司引进了第一台高速铣床，用于石墨电极的加工生产。Craprotta先生回忆说：“我们从这一机床的加工经验中，学到了有关高速加工的新概念。”当该经销商开始推销这种用硬铣削加工模具零件的零公差加工概念时，引起了Eclipse模具公司的注意。2001年，该公司通过这一经销商购置了第一套加工中心，用于硬质材料的铣削加工。

　　与普通的铣削工艺相比较，当我们第一次碰到硬质材料的铣削加工时，似乎感到有一定的困难并具有一定的冒险性。如果发生刀具断裂或烧损而导致昂贵的模具报废，这将成为令人难咽的苦果。每天要面临这样的高精度硬质材料铣削加工的压力，这对机床操作人员而言实在是难以想象的。他说：“压力实在是太大了。”

　　Craprotta先生说：“我们公司是最早涉足这一工艺领域的，我们走在了其他加工车间的前面，对于向这种工艺过渡，我们留有一定的回旋余地。”最初，加工车间根据其对机床、刀具和刀具路径的确信程度，开始降低模具的加工余量，将其从原来的0.003 in降低到0.002 in和0.001 in。

　　对零公差加工的一切适当的技术支持力量经过深入调研以后，证明我们的做法也是比较明智的。例如，加工车间开始采用热胀冷缩刀夹的平衡刀具及HSK接口，并且将CAM编程软件升级。当操作人员看到采用这种新的操作原理和操作程序非常舒适时，并且感受到该工艺如何能够得心应手地工作时，终于改变了他们原先的工作态度。

　　Craprotta先生说，后来，他们不但更急切地希望参与模具的零公差切削加工，而且还开始对模具的闭合面试行负公差切削。这一态度的转变大概经历了一年的时间。最后，Craprotta先生得出了这样的结论：“在这一时期内，加工车间曾出现过一些紧张、不安和焦虑的情绪，这的确是一件很不容易的事情。”

　　他自己首先起到模范带头的作用，对编程人员非常信任。当编程人员对模具闭合面编制出越来越高的加工公差精度时，保证使机床操作员确信刀具的加工路径是值得信赖的。加工车间采用 PowerMill软件，该软件由Delcam 公司（在安大略省的Windsor地区）提供，用于生成零公差切削的刀具路径。

　　加工车间内经验最丰富的一位编程员John Zube先生说，编程人员与机床操作人员之间的良好联系和交流是十分关键的。作为车间内的一位编程人员，Zube先生说：“在技术过渡时期，我曾在车间内度过了很长的时间，而且现在还在从事这一工作。”他还补充说，从车间内得到的一些评价和建议告诉他应该做些什么工作，怎么做才可能使工作干得更加出色。“ 我们彼此之间需要相互学习。”

　　从模具制造业务部门获得相应的反馈意见也是非常重要。来自这些工作中的报告给编程人员和机床操作人员带来了很大的帮助，有利于进一步提高他们的工作成绩。

机床的刚性、精确及高效的加工

　　Craprotta 先生对硬质材料铣削加工用的机床选用要求归纳如下：尽量购置刚性最好和加工精度很高的机床。机床的刚性是十分关键的，因为刚性高的机床，可以使机床上刀尖的振动降到最低限度。他补充说，当然，刀具其他部分的设计也必须十分合理，而且还要求其径向跳动率低，稳定性好。牧野公司提供的立式加工中心，除了其良好的刚性结构以外，还包括其装有线性滚珠轴承的箱式导轨、其床身和立柱具备适当的质量，及其两端带有支撑的丝杠。

　　牧野公司的机床其主轴最高转速可达20000 r/min。当机床上小型刀具在高速进给和低切削深度的条件下运行工作时，为了达到适当的切屑负荷，采用这样高速旋转的主轴是十分必要的。 Craprotta先生解释说：“在这些机床上加工时，我们可以看到主轴上的热量不会迅速增加。我们的这些机床每天连续工作10h，从来没有发生过Z轴的深度问题。”

　　Craprotta先生补充说：“机床必须具有很高的精度—不但包括机床的中心范围，而且整个机床的任何工作范围都必须保持同样足够的精度。”为了确保超小型刀具的微小移动，机床上还必须配置分辨率达百万分之一英寸的玻璃光栅尺。刀具精加工时的切削精度可达0.010 in，一般可达0.030 in。Eclipse模具公司日常切削加工型芯和型腔表面时的公差精度可达±0.0004 in。其表面粗糙度的范围可达到16～24 rms。

　　图3  这台注塑压力机上的二次注塑模可以在压板上旋转180°，然后对软性塑料进行第二次注塑成形。由于模具的闭合面必须在两个方向上同时密封，因此在模具完工后，其无手工作业的精密加工可保证使模具的逐点打磨时间降低到最低限度

　　加工车间对于有效切削的定量分析还存在一定的困难。与其他机床的加工情况相比较，很少有机会能看到牧野公司机床上的刀具究竟能以多快的速度执行刀具的路径程序。Craprotta先生对小型机床控制系统中使用的软件遵循SST技术公司的说法。超几何智能软件（Super Geometric Intelligence）的特点使这些机床能够在最小限度前瞻性的条件下高速处理伺服指令，可避免表面受到影响，并且不妨碍处理速度。

　　Craprotta 先生说，Johnford公司的机床具有很大的优点。他说：“其突出的价值就在于其有很高的性价比。”这一机床装有90°的桥式横梁和偏置式Y轴导轨，从而使延伸行程的偏差降低到最低限度，这是加工大型模具所需要的一个条件。Y轴和Z轴上的箱体式导轨有利于增加机床的刚性，但X轴上使用的则是线性导轨，有利于较重工件的精确移动。

　　然而，Craprotta先生说，该加工车间从这台机床上获得了最佳的效果，因为在发货前，SST技术公司对机床各轴进行了调试，从而使其更适合于硬质材料的铣削加工。Craprotta先生声称：“我们已经充分发挥了这台机床上的大部分优势，因为这台机床适合于高速精密切削加工。这就是说，我们还必须对这台机床作些小小的改进，以使其能够满足零公差切削加工的要求。”而更为重要的是，这台机床的延伸行程可使加工车间生产多型腔模具，以满足大型的汽车内饰件的生产要求。Craprotta先生说：“对于我们而言，这一直是一个发展最快的领域。”

　　图4  Steve Craprotta先生（图右）与模具生产经理John Montalbano先生正在一起检查一个已经模压成形的零件，该零件由这个4型腔的模具生产而成。模具的表面和机械零件采用零公差工艺切削加工。有关模具的细节如上面的近视图所示

　　最后，在硬质材料的铣削加工方面，他强调了采用无人化操作模式的重要性，每天至少有一个班次采用无人化操作模式。一般来说，Eclipse Mold模具公司每天的第一班和第二班工作，由一名操作员值班，负责7台CNC数控机床的监控。在第三班工作时，凡是立式加工中心上的硬质材料铣削加工操作均采用无人化运行模式，尽管车间内实际工作的负荷并不总是对此提出这样的要求。

希望以此带来更大收益

　　由于采用零公差加工使Eclipse模具公司提高了生产效率，因此Craprotta先生确信，在其原有传统的客户基础上，他的加工车间还能够全面承接其它类零件的加工生产。该加工车间的目标是为医疗器械或航空航天行业的客户提供高型腔、高精度的工件加工服务。Craprotta先生确信，他们不需要像汽车行业的同行那样，急于寻求海外模具制造商来提供模具，而且对密歇根州东南部地区先进的模具加工车间及其生产能力表示特别的赞赏。

　　Craprotta 先生代表Eclipse Mold模具公司和该地区的其他模具制造商说：“这个州的许多模具加工车间已经开发了具有全球性竞争能力的模具制造工艺。我们并不想成为保密最好的公司，而一些大型模具制造厂往往忽视了这一问题，他们认为，只有低成本国家才能提供成本效益最高的方案。”

　　当然他确信，Eclipse Mold模具公司在加工质量和提供优质服务方面能够胜过其他任何加工车间。他说：“零公差加工为我们公司争取到这一地位作出了很大的贡献。”现在，该加工车间为了进一步提高效率，开始将其注意力转移到公司的精益生产技术上来。