高速铣削加工颠覆模具生成方式

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高速铣削加工颠覆模具生成方式




高速铣削加工颠覆了这家汽车零件锻造公司的十几年旧加工习惯，重新使模具制造返回到室内生产。
一位潜在的客户在Trenton锻造公司的参观访问中，看到了一个锻造的零件，非常像他要求该公司报价生产的零件。




位于密西根州的Trenton锻造公司就是在参观的前一星期收到了由这一客户邮寄来的报价材料。然而，该客户得知这并不是类似的零件，正是他所需要的那个零件。在收到客户打印资料的一星期内，Trenton锻造公司模仿这一工件，加工制造了一套模具，而且试制了一批很好的锻件。




Trenton公司展示了他们的实力。同时，也展示了他们在重点工作方面所具备的新能力。由于在如何加工模具和谁能加工这一模具方面的情况发生了变化，现在这家汽车锻模供货商就能够向客户保证，在非常紧迫的时间内交货。原因是适于这一工作的模具在一星期之内就完工了；Trenton公司可以承诺在两星期之内交付任何模具。然而在一年前的这个时候，该公司根本不敢做出这样的承诺。




2000年10月，Trenton公司安装了两台转速高达18000r/min的模具铣削加工中心。2000年9月，该公司完成了安装这两台机床的厂房建设。建成新的车间和雇佣适当的工作人员以后，该锻模供应商就能发挥自己加工模具的潜力，使公司能承包十几年来未曾想像的加工任务。只通过铣削加工制造模具的能力就足以说明为什么这一工作现在可以在室内完成的原因。




铣削加工的优缺点




Trenton锻造公司的模具制造主要依*EDM放电加工机床。为什么Trenton公司的老板David Moxiow先生决定要购置两台加工中心，来替代EDM放电加工机床呢？快速而精确的加工中心，可以通过快速而轻巧的切削，直接在钢块上铣削加工出复杂的模具，而且成本效益很好。因此，Trenton公司现在可以通过一次调试装卡，就能从硬度42 RC的钢块上加工完成一个模具。




项目工程师Jason Van Buren先生解释了为什么在室内加工制造模具能如此吸引人的原因。采用EDM机床加工模具需要很多加工工序和步骤，其所需的工作量一般要比锻模供货商制作模具所花费的工时更大。其加工工序一般包括模型的制作、电极铣削加工、通过人工加工准备制作模具的钢块以及EDM机床本身的放电加工。除了只有一个工序以外，其他全部离不开手工作业。也就是说在执行放电加工时，只有一个工序不需要人工参与。正因为有如此多的原因，所以Trenton公司以前一直需要有较长时间的交货期。




采用高速铣削加工的方法，模具的加工速度较快，而且易于得到技术支持。以前这么多的加工工序，现在只保留了模型的制作。由于采用了新的工艺，因此大部分加工工作不需人工参与。如果需要加工的是一个老的准备翻新的模具，那么就完全不需人工参与，因为在翻新加工一个磨损的模具时，只需采用一个经过多次实践验证的程序，就能自动完成再次铣削的加工任务。




Van Buren先生说，采用铣削加工的精度较高。而采用EDM加工，经过多次处理会导致累积误差。Trenton公司过去的加工公差高达0.13mm，但在采用一次性装卡铣削加工方法以后，该公司生产同样特点的模具，其公差可以缩减到0.03mm以下。




所有这些优点可以将铣削加工所存在的一大缺点平衡抵消：即其初期投资费用较高。只将前期的投资偿还以后才能显示出铣削加工的优越性。




沉模加工的费用以及二次沉模加工




新模具加工车间所需的主要费用包括购置加工中心、刀具、CAD和CAM、计算机和车间本身的建设费用。




其他的初始起动费用与上述特定的价格清单无关。例如公司要物色CAD/CAM工段所需的人才非常困难，而且也很费时间。Trenton公司目前在这一领域聘用了3名技术人员，加上Van Buren先生，共4人。在该公司工作的5年中，Van Buren先生一直是模具车间的高级人才，但并非是一名最有经验的技术人员。编程员Walt Schultz先生已在锻造行业有25年的工作经验，过去也曾经拥有过自己的模具车间。CAD设计员Randy Kruse先生和Jeff Paton先生已分别在汽车设计行业工作了13年和5年。模具车间的另一关键人物是其经理Steve Thornsbury先生，他已经在Trenton公司工作了10年时间。

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为支持加工中心而从事计算机操作的共有4人，看起来人数似乎有点过量，但对于Trenton锻造公司来说，这一人员的配置比例非常合适。因为大多数工作都采用二维图纸的形式，而零件必须刮研成型。花费在CAD和CAM工作上的时间很多，其中大部分花费在CAD上，往往很容易超过铣削加工时间。事实上，铣削加工使模型成型时间增加。电极是锻造零件的一个“正极”，因此，一个电极铣削程序可能会忽视模型表面内发生的非连续性。模具加工可以将这一模型从里面翻到外面。因此Van Buren先生说：“模型必须密封防水。”在模型成型加工过程中，更需要密切关注的是找到更有效的方法，使铣削加工的费用完全符合前期费用的要求。

但对于锻模铣削加工而言，来自模型的NC数控程序可以多次使用。制造锻模不同于生产其他类型的模具，一般来说，同样的模具需要分几次加工。Trenton锻模公司生产的模具可锻压10000～100000个零件（取决于零件的复杂程度），但这之后并不意味着它已失去有效的使用寿命。模具车间可对这一模具块的模腔同一几何形状再次加工，加工深度为1.59～6.35mm, 这样，这一模具又获得了新的生命。这种模具的翻新就称为“二次沉模加工”，这是EDM加工工艺中的一个术语。现在该公司采用铣削加工的方法，可以使加工速度大大提高。Trenton公司还没有足够长的加工中心，可以通过铣削加工来制造模具，使其返回到车间进行二次沉模加工。然而，当发生这种情况时，该工艺将成为真正的“按电钮”加工方式。模具使用的材料特性没有发生根本的变化，因此经过实践验证而开发的铣削加工程序将可以同样有效地进行再次使用。二次沉模加工就是将模具放到加工中心上进行重新车削加工，然后就可以用于循环起动（Cycle Start）锻压。

通过铣削加工的二次沉模加工，其潜在的效率很大，Trenton公司希望使其现有的模具从这一工艺中获得好处。如果价格合适，公司将启用一家数字化承包商来绘制这些模具的电子模型，这样也可为这些模具准备好铣削加工程序。这两台加工中心组合在一起，包括无人化二次沉模加工，每年最终可铣削加工200~300套模具。要达到这一产量水平，要求机床在夜间和周末也投入无人化加工作业。在这里，简单的战略起着一个重要的作用。Van Buren先生对模具加工做了周密的计划安排，白天进行粗加工作业，而晚上进行较长周期的精加工作业。他说，制定该计划的惟一目的就是为了能够最有效地利用机床的夜间无人化作业时间。某些有效的技术也能够或将能够起到作用。这些技术包括以下内容。

（1）非接触式刀具测量。在机床工作区内采用激光对刀系统，这样就很容易迅速地设置刀具的补偿值。在无人化加工作业时，该装置还允许进行快速的安全检测，在没有操作人员可以用肉眼确认的情况下，保证使正确的刀具能够装入到主轴之中。

（2）CNC刀具替换。CNC数控机床具有“替换刀具”的特性，它可允许刀具库中的某一特定刀位标注成另一刀位的刀具替换位置。当最初的刀具达到特定的切削时间以后，CNC数控机床就会把此刀具取出来，然后采用更换的刀具来代替原先的刀具。

对于每一项工作，Trenton公司在刀库中始终保持着同样内容的刀具。只要看一眼所指派的备用刀具就可以了解模具车间是如何大量地依赖于冗余替换刀具。

（3）互联网。互联网还没有成为无人化加工作业的一项模具，但不久以后也许能成为现实。Trenton公司对这一简单的设想很感兴趣，Van Buren先生确信这一时代将一定能够到来。这一设想就是创建一个由密码保护的网页，通过“网页凸轮”，实时观察控制机床的流水作业。这一设施可以增加机床的生产时间，因为雇员可以远距离验证机床是否仍然在正常运转，如果没有处于正常的运转状态，就可以通过视屏决定是否需要紧急访问模具车间，以便确定和解决所发生的任何问题。Van Buren先生的父亲，他拥有一台婴儿监控器。他说，也许不久，他将会拥有一台利用这种网络控制的加工中心监控器。

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采购清单

赋予Trenton锻造公司具有新的室内模具制造能力的加工中心为两台DMC 100 V型机床，由美国DMG公司在伊利诺斯州的Schaumburg提供。Trenton公司的项目工程师Van Buren先生说，公司考虑有三家制造商可以提供性能水平较高的机床型号。型号的选用因素包括机床的运输距离和培训情况。机床的工作范围应相当于该公司的最大模具尺寸。于是Trenton公司要求对方提出一个详细的综合性培训计划，因为该公司在以前还没有使用过高端加工中心和高速加工的经验。然而，这些机床只能代表装备新模具车间所需采购的主要设备的其中一部分。另一大采购任务是模具车间本身。

建造单独的厂房是十分必要的，因为Trenton公司营地的其他厂房会受到锻锤的振动影响，而且这些厂房内的温度变化也比较大。新的模具车间十分干净、宽敞、安静，而且保持72℉的恒温。主要的采购任务还包括下述内容。

（1）刀具。为了使机床能在高速运转条件下有效地工作，车间需要配置高度平衡的刀座和适合于高速加工的刀具。该车间选购的刀具经销商都是高速模具加工应用领域中的专业供货商。刀座由Nikken公司提供，镶刀片刀具由Millstar公司提供，而实心的碳化钨硬质合金刀具由YG-1公司提供。

（2）Trenton公司全部采用夹头式刀座。公司曾考虑采用紧缩配合型刀座作为替代，但最后决定采用优质的夹头式刀座，因为这种刀座的夹紧力和同心度已经足够。公司的经验证明，采用这种刀座的决策就目前而言是完全正确的。

（3）软件。软件的选用也同样非常重要，但其选用的难度与选购机床一样。就来自客户打印资料的CAD模型制作软件而言，Trenton公司选用了Pro/Engineer软件，主要原因在于其易于使用。而CAM软件，该公司则选择了Delcam公司的PowerMill软件。

CAM软件的选用涉及到两个系统，这两个系统都可以直接读入到ProEngineer软件模型之中。其中一个决定因素就是Delcam软件的优化特性，它可以根据切削条件改变进给速度，使其尽量保持最高进给率。根据Van Buren先生的估计，采用这一软件的特性可以使周期时间比采用其他CAM软件节约20%~30%。

（4）计算机。计算机硬件设备在模具车间的投资中也占有很重要的地位。Van Buren先生对每一项工作都采用不同的刀具轨迹战略做了试验，以便找到可提供最有效周期的方法。试验要求采用一台能够快速更新的计算机。因此，CAM的每一点工作都要求使用强大的计算机，正如CAD工作那样。不管在哪种情况下，计算机的要求是直接了当的。他说：“您需要尽可能获得更多的RAM。”