零公差加工

Eclipse Mold模具公司以高端加工中心为基础，为有效地实现零公差加工树立了一个良好的榜样。

Eclipse Mold模具公司的模具工已明显地感觉到，模具的零余量切削加工具有很多优点，他们可以用事实证明。目前，该公司有一个模具加工车间，每年大约可以生产140套模具，在这项业务中还包括大量的模具修复服务，约占总业务量的40%左右。该公司其余的60%收入来自于3个注塑成型工厂，所有这些工厂都坐落在底特律市郊。事实上，该公司共拥有42台注塑机，其压力范围从22~750t不等。

图1 这一汽车模具在精加工以后，其型芯一侧的表面已没有多余的余量。除了采用较轻介质进行抛光处理之外，实际上模具不需要手工抛光。从图中可以看到型腔的一个侧面，其中还可以看到闭合面的加工表面质量

Eclipse Mold模具公司的工厂设立在Clinton Township，上述注塑机使用的模具都是由其工厂生产的。该公司几乎在所有的这些模具上，都不同程度地采用了零公差加工方式。该公司的副总裁兼总经理Steve Craprotta先生说：“采用净切削加工的模具，其工作速度较快、使用寿命较长、维护保养费用较低，其生产的零件质量较好，而且非常清洁干净。我们每天就是以这样的生产成果维持生存，因此我们深知，这种方法对我们来说是何等的宝贵。”

Eclipse公司每年生产的模具，只有15%是在他们自己的工厂内使用的。其余的模具都发运到那些大型的一级汽车供货商那里，他们的客户包括人们所熟悉的美国和日本汽车制造商。Craprotta先生毫不夸张地说：“我们的所有客户都认为我们的模具加工车间是最棒的。”他之所以强调这一点的目的是为了进一步让人们确信：零公差加工是确立其加工车间在这一市场竞争地位中不可缺少的一部分。

为满足模具生产的需要，Eclipse公司专门提供二次注射模具。这类模具通常只有一个型芯或一个型腔，它们必须适合其他两半模具的安装，或其一侧需要旋转180°，以满足第二次注塑的需要。Craprotta先生解释说：“如果这些模具采用普通的方法加工，那么接着还需要手工加工和手工打磨，花费的时间实在太长，无法满足交货期或满足我们自己的生产计划。”如果能将模具的闭合面加工到零公差尺寸（在很多情况下，甚至加工到负公差余量），那么就可以使手工打磨时间减少到几个小时。他说，其中一面可以与另一面配合，当其旋转或与另一半配合时，其配合的紧密度几乎是十全十美的。

Eclipse公司生产的大部分模具是非常复杂的多型腔、高精度模具，虽然用于300~700t压力机的中型模具非常普遍，但其最大的模具可达40 in ×50 in(1in=25.4mm)，最小可达到8 in×8 in。其中70%~80%的模具与机械动作的零件有关，如滑板、推杆、可收缩型芯以及与此类似的零件。

采用零公差加工不但削减了大量的逐点打磨时间，而且提高了机械零件的流水线生产水平。例如，推杆直接安装在模具的隐窝之内，其调节量很少甚至无需调节。

该车间的零公差加工主要依靠3台最新型的加工中心，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台Johnford公司的DMC-1500型加工中心。

Craprotta先生说：“牧野公司机床的刚性和精度是达到零公差加工能力的根本保证。”Johnford公司机床的30 in × 50 in大型工作台可满足该车间加工大型模具的需要。按照Craprotta先生的说法，该机床已经实现了零公差切削，几乎可以与小型的VMC立式加工中心相媲美。

图2  Eclipse公司认为，其加工中心的刚性对零余量加工是十分关键的。上图所示的牧野V55型VMC立式加工中心，其主轴转速高达20 000r/min，配有HSK接口。从图中可以看到，该机床正在进行半精加工

适合铣削硬质材料

Eclipse Mold模具公司于1992年开始与SST公司合作，当时该车间刚刚从牧野公司购置了第一台高速铣床，用于生产石墨电极。Craprotta先生回忆说：“我们通过这些机床的生产经验，学会了高速加工。”当牧野开始销售零余量加工模具零件的硬质材料铣床时，引起了Eclipse公司的注意。于是在2001年，该公司购置了第一台用于硬质材料铣削加工的加工中心。

与普通的铣削加工相比，硬质材料铣削具有一定的“风险”，而且在初次加工的时候，会碰到一定的困难，可能会引起刀具断裂或烧蚀，也有可能造成昂贵模具材料的报废。每天要进行硬质材料的高精度铣削加工，对于一名机械操作工而言，确实是难以想象的，他们几乎想放弃这种加工方法。

Craprotta先生叙述说：“由于我们在很早的时候就开始应用这一加工工艺，我们比其他加工车间早走了一步，因此我们有一定的转换余地，易于过渡。”首先，车间开始逐渐减少通常所需的加工余量，从0.003 in减少到0.002 in和0.001 in，在这一过程中，加工车间对机床、刀具和刀具路径等方面的经验逐步积累。

事实证明，直接向零公差加工有关的一切辅助技术投资也是一种明智的做法。例如，加工车间开始使用HSK接口以及经过平衡的刀具。公司的CAM编程软件也进一步升级。当操作人员看到这一工艺产生了如此好的效果以后，他们的态度也开始转变，乐于接受新的训练和新的操作规范。Craprotta先生说，最后他们不但急切地希望采用零公差切削工艺，而且开始在模具的闭合面上实施负公差切削。采用这一工艺约花费了一年左右的过渡时期。

随着编程人员对模具表面的编程越来越精密，从而保证了机械操作人员对刀具路径的充分信任。该加工车间应用了由Delcam公司（在安大略省的Windsor市）提供的PowerMill软件来生成零公差切削的刀具路径。该车间一名最有经验的编程员John Zube先生说：“编程员与机械操作员建立良好的关系是十分关键的，来自车间的意见和建议告诉他应该如何去工作，如何工作才能做得更好。”

模压成形车间的反馈意见也很重要。来自这些业务部门的报告对编程员和机械操作员都很有帮助，有利于他们进一步改进工作。

图3  在这台注塑机上二次注射模具可在压板上旋转180°，以便于软性塑料件的二次注塑成形。由于两个方向上的闭合面必须密封，因此采用了精密加工工艺，无需手工加工，这就保证使模具完工时所需的逐点打磨时间降低到最低限度

机床的刚性好、精度高，加工效率高

Craprotta先生选购铣削硬质材料铣床的原则可归结如下：应尽量购置刚性最好的精密机床。机床的刚性是一个非常关键的因素，因为它可使刀尖的振动降低到最低限度。他补充说，当然，刀具其他部分的设计也非常重要，稳定性要好、径向跳动误差要低。牧野公司的VMC立式加工中心具有以下特点：机床结构的刚性好，包括其主轴箱和导轨、线性滚子轴承，质量过硬的基座和立柱，还有两端支撑的滚珠丝杠。

牧野公司的机床主轴，其最高转速可达20 000r/min。对于小刀具加工而言，当其在高进给速率和低切削深度的条件下工作时，如要达到适当的切屑负荷，采用这样高的转速是完全必要的。Craprotta先生认为：“在这些机床上我们可以看到这样一个现象：在高速运行下，机床主轴的热量并没有升高。这些机床每天一直运行10h以上，从来没有发生过Z深度的问题。”

Craprotta先生补充说：“机床加工必须保持精度，不光是保持其中心范围内的精度，而且还必须保持其整个工作范围内的全面精度。”当亚微型级的刀具在做微型运动时，也需要使用百万分之几英寸分辨率的玻璃光栅尺。最终的精加工切削采用小至0.010in的刀具，但比较典型的刀具是0.030in。Eclipse公司在切削型芯和型腔表面时，其公差精度常常达到±0.0004in，其表面光洁度在16~24rms的范围之间。

Craprotta先生说，Johnford公司机床的主要优点是比较经济。他说：“这种机床在价格和功能方面具有突出的价值优势。”这一机床配置了90°的龙门式桥架和Y轴偏置导轨，在加工大型模具时，可使其延伸行程的偏差降低到最低限度。Y轴和Z轴方向上的主轴箱导轨有助于提高刚性，而X轴上则采用线性导轨，有助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成果，因为在该机床发货前SST公司对机床的各轴进行了调整，因此其对硬质材料的铣削加工十分理想。Craprotta先生声称：“我们从这台机床获得了大量好处，该机床特别适合于高精度切削加工。那就是说，采用这台机床可以满足零公差切削加工的需求。”更重要的是，这台机床的延伸行程可以让车间生产多模腔模具，用于汽车内部大型仪表板一类零件的注塑成形。Craprotta先生说：“对我们来说，这一直是一个大有发展前途的领域。”最后，他进一步强调了硬质材料铣削加工的重要性，每天至少需要有一个班次从事无人化操作。一般来说，在每天的第一班和第二班上班时间，Eclipse Mold模具公司有一名操作员值班，负责监控7台CNC数控机床的加工生产，但根据生产负荷的变化情况，并不是经常需要有一名操作员值班。

图4 Steve Craprotta先生（右）和模具生产经理John Montalbano先生正在检查由这一4型腔模具注塑成形的一个零件。零件的表面和机械零件采用零余量方式切削加工

进一步扩大业务

由于零公差加工工艺帮助Eclipse公司进一步提高了生产率，因此Craprotta先生确信，他的车间必须扩大加工范围，在传统客户的基础上承担它能够承揽的一切业务工作。该加工车间的努力目标是，为医疗和宇航工业的客户提供高品质、高精度模具加工服务。Craprotta先生并没有像他们汽车工业中的同行那样，急切地向海外制造商寻求模具的外协加工，特别是在密执安州的东南部地区，其他的模具加工车间完全有能力承担这一加工业务。他说：“零公差加工为我公司达到目前的这一地位作出了巨大的贡献。”现在，该加工车间已开始将其注意力转移到精益生产技术方面，以进一步提高生产效益。