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模具交货期的挑战
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在金属加工业中,几乎没有别的工厂象模具厂那样承受很大的压力。来自国外的竞争日趋激烈,一些海外模具制造厂商不仅能够比美国的同行喊出较低的价格,而且常常能够用比较短的时间交付产品。
不过美国的许多模具厂正在迎头反击并且取得胜利,高速切削(HSM)是他们用来保持、甚至收复阵地的最强大武器之一;HSM使他们可把整个制造过程砍掉几个星期。  

技术大成


HSM是加工零件的全新途径,它集多种技术之大成 — 当然不仅仅是高速主轴和快速精密进给在机床上的简单结合。为了支持这样的机床,加工厂必须建立另一种“大成” — 把必不可少的新功能和必不可少的新技巧荟萃一体。同时,工厂的“精神文化”和物质设施也必须发生质的变化。
当然HSM只是达到目的的一种手段,就缩短产品的交付周期和降低成本而言,HSM可以发挥作用并且很有价值。任何寻求HSM的工厂都应经过深思熟虑,对生产现场内外可以加快生产周期的一切技术给以重视。成功的HSM决没有详细的配方或诀窍,因为HSM仍然在不断地发展。
几乎每一个实施HSM的工厂都会告诉你,他们依然在改进,依然在试验,依然在学习,而且往往从错误和失败之中学习。实施HSM没有唯一正确的途径,每种情况应当如何应用HSM也没有严格不变或立竿见影的准则。
值得注意的是,HSM终究不是理论或只有实验室才能验证的概念,而是切实可行的技术。现在有数十个模具厂采用HSM,更有数百家工厂正在积极努力地准备实施。本文用几个潜心从事HSM的工厂的概况来阐明这种局面,真实世界的HSM就是这样。

图1:只要上下序合理化,HSM就具有降低成本和大幅度缩短交付周期的巨大潜力。

5周内交付模具


明尼苏达州Vadnais Heights的Minnesota Mold & Engineering或Minnmold公司(借用该公司的电子邮件地址)是一个65人的模具设计制造公司,HSM对这个公司很重要,但是比HSM更重要的是高速模具制造。
人们可能对主轴速度、进给率、轨迹间隔和切削力的要求谈论不已,但是同Minnmold悠悠相关的是在5周内完成复杂的模具 — 大批量生产使用的注塑或压铸A类模具,通常有一至四腔,重量可达10,000磅,工作范围从手机到轮罩乃至更大的零件。
在Minnmold ,评价HSM必须以高速模具制造为前提。总经理Bob Archambault 一言以蔽之:“我们精简、精简再精简。”不单是机械加工,一切工作都必须达到最高的效率。除非把支持HSM的上、下游工序全部理顺和简化,否则HSM不可能奏效或者效果不大。
Archambault 先生把HSM 誉为本公司在当前疲软的模具市场上招徕业务的主要因素。借助于HSM 所产生的经济性,该公司可以通过比较低的报价赢得定单,并且由于业务量的增加而获得更多的利润;同采用HSM前相比,每年多加工30%的模具。另外,该公司增添了技术娴熟的员工,18000平方英尺的扩建工程于去年春季破土动工。

图2:为了赶上比较快的EDM加工速度,Minnmold 公司改用高速铣床加工石墨,这台 Roku-Roku GR655 的主轴速度达 15,000rpm,电极几乎不再需要磨削或抛光。

电极生产的瓶颈


和许多模具厂一样,Minnmold最初为了扩大EDM加工能力而涉及到HSM。1995年初,新安装的一台冲压机比它取代的机器快40%,为了让这台新机器保持繁忙状态,Minnmold必须加快石墨电极的生产速度。
Minnmold当时着眼于石墨高速铣床,但是发现其中一台铣床刀具路径的建立会给公司的程序设计部门造成瓶颈,而且相应的刀具路径文件特别长,无法有效地下载给公司的DNC网络,于是,公司不得不对编程软件和通讯网络进行升级,才购买了第一台石墨铣床。
就在那时安装了一台最大主轴速度15000 rpm、快速横进630 ipm 的Makino SNC64,另外又从Roku-Roku购买一台石墨铣床,填补了石墨电极铣削能力的不足。
高速铣削石墨电极的经验促使Minnmold公司添置一台切削钢件的高速机床,这台来自OKK的VM5型机床于1998年秋季安装到位,今天该公司所制造的每个淬硬镶块在某种程度上都用这台OKK机床加工过。

开一个好头


HSM成功的起点在哪里?Minnmold 从客户的型模或压铸模必须建立的3D实体模型开始。许多客户可以提供3D实体模型,但是遇到不能够建模的客户,Minnmold总是依据2D或平面信息(如图纸)代客户建立3D模型。
据高级设计师Brian Bussmann说,下个步骤是把包括全部公差要求和细部设计在内的完整模具设计建成3D实体模型CAD数据库。非外购模具的每一个特征都体现在这个数据库中,如每个尺寸和公差标注。正象Bussmann 先生指出的,“有效的设计能力对高速切削乃至每一道后续操作非常关键,(模具)设计必须合理,而且必须快捷。”
该公司有6名专职设计员,其中2人主要和Parametric Technologies 公司的ProEngineer设计软件打交道,其余的设计员则主要使用Baystate Technologies 公司的CADKEY 98。Minnmold 公司的设计员根据客户零件的3D 模型完成模具设计。
包括全套细部设计和公差的3D数据库非常有用, 因为该公司制造的每个零件必须符合设计和公差要求:关键零件的公差控制在0.0001英寸的范围内。Archambault先生解释,“我们按照数据库加工,车间内没有零件的备件,因为我们希望客户能够回来加工替换件或修理镶块等,而我们要作的一切就是调用档案里的数据并且重新加工新零件,新零件的尺寸和公差与原始零件丝毫不差。客户只须装入新零件,模具就能重新用于生产。”
模具设计一完成便作为档案提交给公司的文件服务器,供本公司计算机网络的每台PC 机访问(65名员工的公司拥有30台PC),书面印刷资料已成为罕见之物。
无论如何,设计员所完成的模具设计只是把所要制作的东西定下来,而不一定必须制作。下一步是召集所有即将参与模具加工和装配的人员开会,在这个“开球仪式”上,设计员,编程员和工具制造者对设计项目“评头论足”并决定切削策略。例如,他们要确定使用什么刀具、需要多少电极、每道工序大约占多长时间以及在进度安排上需要考虑哪些偶然性,还要决定哪些工序要使用HSM 和EDM。

快速编程


以上有关模具设计的问题也适用于程序设计, Minnmold公司的程序设计总监Mike Myers指出,快速编程非常重要。各项编程任务的完成时间都有精确的计划,和加工车间每一道工序的进度一样精确。在Minnmold公司,程序设计是不分昼夜的事情,白班有5名程序员,其中2名专职于2D项目 ,3名专职于3D ,外加编程部的负责人临时补缺,哪里需要到哪里,并充当调度员和程序设计部与加工现场之间的联络员。除此之外还有两名程序员(2D、3D各一人)每周持续上5个夜班。
目前程序设计在PC机上完成,所有程序员都能熟练应用CNC 软件公司最新版本的计算机辅助制造软件MasterCAM,MasterCAM提供许多有助于HSM的实用程序,如“快进切削(High Feed Machining)”。这一功能包括Minnmold 经常使用的“多型面粗加工”和“多型面精加工”选项。最近还安装了Sescoi USA 公司的2套自动3D铣削CAM 软件WorkNC。
一般说来,粗加工会给精加工保留0.02英寸的余量。在OKK机床上采用1英寸球头铣刀粗加工时,通常采用进给速度120 ipm和主轴转速3500~4000 rpm。据Myers 先生说,切削深度一般是0.05英寸(推荐值为刀具直径的10 %,但是该公司发现这样大的切削深度不如浅切削的效果理想)。根据待加工工件的几何形状,也常使用圆端刀具,不过圆端刀具由于刀刃半径比较小,需要采用比较浅的切削深度。
HSM 精加工的程序设计比较复杂,因为涉及到的变量多一些,很难一概而论。进刀量视工件所要求的表面光洁度而定,在采用直径较大(0.750 ~1.00英寸)的球头铣刀时,切削量为0.010~0.015英寸;小刀具(小到1/16 英寸)则为0.002~0.004 英寸。因为OKK机床的主轴速度限定为8000 rpm,所以进给速度一般是120~180 ipm,大小与切削载荷有关(常用值是每齿0.004或 0.005英寸)。石墨铣削习惯于采用更大胆的切削量,但是在原则上是相同的。
不管怎样,确切的数值是利用公式得出的,这些公式体现了工件材料、硬度、刀具尺寸、表面光度要求等因素的变化及其组合。该公司利用供货商推荐的公式并且通过实践作了改进。程序员统一采用相同的公式,以保证编程结果的一致性。Myers 先生深信,每个工厂有责任根据经验制定自己的HSM成套标准。
最后是校核刀具路径,即采用MasterCAM软件在工件的实体模型上仿真切削刀具的动作;只有简单的2D程序不经过审核。完整或经过确认的程序输入公司的文件服务器。

工厂网络


HSM 要求工厂有适宜的基础设施,其中一个重要组成部分是支持高速传送刀具路径长文件及其它通讯需要的计算机网络。
Minnmold公司的网络基于Dell PowerEdge 6300文件服务器,该服务器通过光纤电缆与全公司的PC机相连接,并通过ISDN(综合业务数字网)和Internet(国际互联网)连接,以便于高速存取。FTP(文件传输协议)同所有PC机连接,使数据在全公司的网络上“虚拟不中断”流动。
刀具路径长文件的下载既快又可靠,即使几个工作站同时下载也一样。高速切削机床的CNC 系统带有硬盘驱动器,因此可以用本机存储器存取整个程序。
Minnmold的高级设计师Brian Bussmann曾帮助确定公司所需要的网络规格,他提到文件服务器/网络的建立具有另一种价值,凡是同某件工作或项目有关的信息,一概采用有条不紊、易于存取的方式存放在同一个中央数据库地址,他说:“每个人都能够找到自己想要的信息:设计员可以存取零件模型,细部设计员和程序员可以存取模具设计文件,车间的工具制造人员可以访问刀具路径文件。”

图3:高速切削至少对Bill Lobin(左)和Bob Archambault是乐趣,他们正在Okk VM5机床上检查一个零件,这台机床适合于以高主轴速度(最大 8000 rpm)和高时给速度(切削时400ipm)加工钢件。

切削刀具


就选择刀具而言,Minnmold公司的作法符合“刀具策略”丛书的指南。这个公司的HSM刀具由自己的工具室单独供应和维护,只购买经过动平衡的高级钢制刀柄。每更换一次刀具,都要在机床上校核刀具的径向跳动和同轴度。总之,在切削刀具上遵循规范化的方法对于HSM的成功至关重要。然而,CNC工艺负责人Bill Carter提倡试验和摸索。他说 :“我们尝试任何事情:新型涂层、新颖镶件和新式夹具。”
该公司制定了一套有趣并有效的石墨铣削策略:采用标准无涂层细晶粒硬质球头铣刀,这些刀具比专用涂层刀具便宜,而且易采购。

新一代钢制刀具


Minnmold下一步是采购第二台OKK高速铣床,这台KCV600/15L型50锥度铣床,最大主轴速度13000 rpm,行程30×60英寸,足以把HSM技术应用到模具底座的加工上。

新工艺


高速铣削可以把复杂形面加工得非常光滑,几乎或者根本不再需要精加工。高光洁度是通过多道浅切削和细密的轨迹间隔获得的,使圆端刀具所形成的会切点最小。一方面,提高主轴转速可以在适当的切削力下达到有效的切削量,另一方面加大进给速度可以避免不必要的加工时间。尺寸精度由高灵敏度的伺服系统和专用铣床的其它机电功能给以保证。
在不必进行后续精加工工序的情况下,对高速切削所产生的表面加以保护可以确保工件的几何尺寸始终符合零件数据库的规定。

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