發布日期：2022-10-09 點擊率：86
金屬注塑模（MIM）加工車間依靠一臺專門設計的微型工件專用加工中心來生產微型模具。
在俄勒岡州McMinnville地區的World Class Technology公司（世界級技術公司）將直徑0.3 mm的端面銑刀與直徑0.5 mm的端面銑刀采取區別對待的方式。而另一加工車間則認為這是兩種無足輕重的小型刀具。然而對于世界級技術公司的模具制造商而言，認為其中一種刀具是屬于精加工的刀具，而另一種則是屬于粗加工的刀具。直徑0.3 mm刀具的體積很小，只適合于輕型切削和復雜的細節加工，而直徑至少在0.5 mm以上的刀具，才足以適合于車間的粗加工生產，甚至可加工經過熱處理、硬度達到60 Rc的工具鋼。
世界級技術公司是一家金屬注塑模制造商。正如模具生產經理John Ashton先生所解釋的那樣，與塑料注塑模相比，塑料注塑模本身的加工精度要求很高，而金屬注塑模則需要更高精度的小型切削刀具。他說，金屬注塑模可形成更大的飛邊傾向，因此，MIM金屬注塑模的閉合面需要高精密的加工。另一個需要考慮的因素是MIM零件的比例較小。在世界級技術公司，其主要的成品是畸齒矯正模—特別是畸齒金屬矯正支架。這些金屬支架通過MIM金屬注塑模生產制造，其型芯和型腔插件由該模具車間加工。
圖1 該加工車間使用了一種專門為高精度小型模具加工而設計的專用
立式加工中心。機床上的行程不超過12 in，機床內部安裝有工件更換裝置，
允許這一系列小型零件排成長隊按次序進行加工
Ashton先生說，最后提到的這個零件特別重要。保持車間內的專業化水平和模具生產能力可以讓加工車間引進新的產品設計，并使其更快地走向市場。即使這樣，過去這個模具車間的模具制造工藝一直沒有實現這一目標。
在過去，該加工車間一直試圖在其普通的立式加工中心上，將其加工精度保持在±0.0002 in的公差尺寸范圍之內。事實上，該車間竭盡全力，采取各種措施，其中包括在正式切削加工前，將機床運行2h，事先使機床的溫度達到穩定的效果。盡管采取了這樣的一些措施，還需要經常考慮采用相應的其他措施，例如在車間內使用手工磨削方法，使加工的零件達到規格要求。后來，該加工車間從德國的機床制造商—Kern Micro-und Feinwerktechnik公司那里引進了一臺加工中心，這臺設備主要是為微型加工而專門設計的，引進這臺機床以后，該加工車間的工藝水平才有了進一步的提高。
其“微米”級的加工精度立即在機床的行程上顯示出來。立式加工中心的體積較小，機床上XYZ軸的行程分別為12×11×10 in。在機床的剩余容積中包含一個工件更換系統，這一系統可以使機床像一套柔性加工單元那樣操作運行，讓微小的零件列隊按次序加工。機床容積的其余部分包括機床的內部設計部分，可以使加工精度的穩定性保持在±2μm的公差之內。現在，在同樣穩定性的基礎之上，可以使世界級技術公司采用0.5 mm的刀具對硬質鋼材進行粗切削加工，而對模具進行精加工以后，不再需要手工磨削。
圖2 下面的零件（與硬幣）已經經過熱處理，然后再進行各種加工，
例如在60 Rc的硬度條件下進行銑削加工。
上邊的零件是在熱處理前材料較軟的情況下進行粗加工的
振動和溫度的影響
Burkhard Rother先生是這家機床制造廠的常務董事。他所描述的某些特點可讓Kern公司機床有效地采用微型銑削和鉆削刀具。他說，其成功的部分原因應歸功于大批量生產。在總重量為3t的機床上采用了一個專用的聚合體混凝土結構件。這一結構件不但具有很好的防振性能（他說，其防振性能要比一般機床的結構件強800%），而且其對溫度的反應也要比鑄鐵或鋼材更加緩慢。在該機床的設計中，X軸和Y軸是與機床的工作臺結合在一起的，只有Z軸是分離的。因此，盡管機床的本身重量很大，但Z軸的移動只需30kgf(1kgf=9.8N)—只比主軸的重量略微高一些。
圖3 該機床也應用于EDM電極的加工生產
還有其他一些特點與主軸有關。隨著刀具的直徑越來越小，因此徑向跳動的公差更應精確地控制。Rother先生說，Kern公司機床的主軸設計，其徑向跳動誤差小于1μm。該機床的主軸還包括以下特點：
(1)尺寸補償 由于熱變化的結果，不但主軸上的Z長度能夠變化，而且X軸和Y軸的定位也會發生變化。機床制造廠根據其對三維尺寸變化規律的研究和每臺機床的特點，專門創建了一套補償算法。此外，除了按這一方法單獨補償外，主軸還采用水冷卻的方法，使其溫度保持在±0.25℃的范圍之內；
(2)矢量控制 控制系統本身就能夠識別主軸的精確角度位置。當刀庫中被安裝的刀具返回到刀庫時總是按照它們原先的同樣角度方向就位。這對于接觸式測試探針而言是特別重要的，因為探針總是能夠按照其最初的相同方向接近零件。部分原因得益于這一效應，由Kern公司提供的某一型號探針可應用于這一機床上來進行測量，其測量精度可達到±400nm的水平。
硬質材料或軟質材料的銑削加工
世界級技術公司所擁有的機床采用5軸聯動控制（在工件之下有兩根旋轉軸），其主軸轉速高達50000r/min。該公司的生產工程師Juergen Bathen先生和機械師Randy Gillepsie先生對這臺機床進行了探索研究，看其究竟能為公司做些什么工作，如何最有效地利用這臺機床。該機床除了能夠直接加工型芯和型腔以外，還可用于生產EDM的電極，以便加工模具中比較深的隱窩或難以達到的內部轉角。這些電極是用銅加工而成的。
圖4 測量對于小型零件的加工是十分關鍵的。在刀庫中，儲存在探針旁邊
的是一種用于校驗另一臺測量裝置的工具—機床的非接觸式對刀裝置
模具可以在熱處理前或熱處理后進行粗銑削加工。是否采用硬銑削加工的方法則取決于不同的工件，往往需要經過電話咨詢，才能作出最后的判斷。對于這一機床的加工能力而言，采用亞毫米級的刀具進行硬銑削加工是毫無疑問的，其問題是在于生產成本。采用硬銑削加工方法會加速刀具的磨損，而微型刀具的價格很昂貴。相對來說，需要使用大量刀具進行切削加工的模具，因其具有復雜的特點，一般都愿意采用軟銑削加工的方法，這主要是為了使刀具能夠長期地保持鋒利的程度。
Bathen先生說，這從來也不是加工車間的意圖，希望將這臺機床變成一種萬能工具。加工車間可以在其他的加工中心上執行它能夠完成的一切工作，甚至可以在精度不太高的機床上，為Kern公司完成工件的預備性工作。而且，仍然可以在帶有24個工位的自動工件交換裝置上，很容易使一系列的模具和電極列隊，按次序進行連續加工生產。此外，該加工車間還發現了這一機床的新用途，其中之一就是新支架模型樣機的快速生產。因此，對這一機床的需求正在不斷增加，但同時也給加工車間帶來了一個新的瓶頸問題——即編程能力受到限制。
圖5 世界級技術公司的內部刀具車間縮短了向金屬注塑模成形設備交付模具所需的時間
許多模具制造車間熟悉這一瓶頸問題。在任何情況下，凡是機床能以足夠快的速度，并以比刀具路徑所能提供的速度更快得工作時，那么對編程的需求就會成為一個尖銳突出的問題。Bathen先生說，世界級技術公司所面臨的挑戰并沒有什么不同，實際上小型零件使問題變得更加嚴重。對于這樣小的零件而言，其加工收益是非常迅速的，然而編程往往比較困難。刀具路徑的方向必須精心選擇，以免不經意產生的毛刺影響小型零件的公差尺寸。
Bathen先生和Gillepsie先生所面臨的主要問題是，Kern公司的機床似乎需要經常等待著程序的到來（加工車間需要盡快地解決這一問題）。具有某種諷刺意味的是，小型模具似乎擴大了對編程人員的需求。
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