在金屬加工業(yè)中，幾乎沒有別的工廠象模具廠那樣承受很大的壓力。來自國外的競爭日趨激烈，一些海外模具制造廠商不僅能夠比美國的同行喊出較低的價(jià)格，而且常常能夠用比較短的時(shí)間交付產(chǎn)品。
不過美國的許多模具廠正在迎頭反擊并且取得勝利，高速切削(HSM)是他們用來保持、甚至收復(fù)陣地的最強(qiáng)大武器之一；HSM使他們可把整個(gè)制造過程砍掉幾個(gè)星期。
技術(shù)大成
HSM是加工零件的全新途徑，它集多種技術(shù)之大成 — 當(dāng)然不僅僅是高速主軸和快速精密進(jìn)給在機(jī)床上的簡單結(jié)合。為了支持這樣的機(jī)床，加工廠必須建立另一種“大成” — 把必不可少的新功能和必不可少的新技巧薈萃一體。同時(shí)，工廠的“精神文化”和物質(zhì)設(shè)施也必須發(fā)生質(zhì)的變化。
當(dāng)然HSM只是達(dá)到目的的一種手段，就縮短產(chǎn)品的交付周期和降低成本而言，HSM可以發(fā)揮作用并且很有價(jià)值。任何尋求HSM的工廠都應(yīng)經(jīng)過深思熟慮，對生產(chǎn)現(xiàn)場內(nèi)外可以加快生產(chǎn)周期的一切技術(shù)給以重視。成功的HSM決沒有詳細(xì)的配方或訣竅，因?yàn)镠SM仍然在不斷地發(fā)展。
幾乎每一個(gè)實(shí)施HSM的工廠都會(huì)告訴你，他們依然在改進(jìn)，依然在試驗(yàn)，依然在學(xué)習(xí)，而且往往從錯(cuò)誤和失敗之中學(xué)習(xí)。實(shí)施HSM沒有唯一正確的途徑，每種情況應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)用HSM也沒有嚴(yán)格不變或立竿見影的準(zhǔn)則。
值得注意的是，HSM終究不是理論或只有實(shí)驗(yàn)室才能驗(yàn)證的概念，而是切實(shí)可行的技術(shù)。現(xiàn)在有數(shù)十個(gè)模具廠采用HSM，更有數(shù)百家工廠正在積極努力地準(zhǔn)備實(shí)施。本文用幾個(gè)潛心從事HSM的工廠的概況來闡明這種局面，真實(shí)世界的HSM就是這樣。
圖1：只要上下序合理化，HSM就具有降低成本和
大幅度縮短交付周期的巨大潛力。
5周內(nèi)交付模具
明尼蘇達(dá)州Vadnais Heights的Minnesota Mold & Engineering或Minnmold公司(借用該公司的電子郵件地址)是一個(gè)65人的模具設(shè)計(jì)制造公司，HSM對這個(gè)公司很重要，但是比HSM更重要的是高速模具制造。
人們可能對主軸速度、進(jìn)給率、軌跡間隔和切削力的要求談?wù)摬灰眩峭琈innmold悠悠相關(guān)的是在5周內(nèi)完成復(fù)雜的模具 — 大批量生產(chǎn)使用的注塑或壓鑄A類模具，通常有一至四腔，重量可達(dá)10,000磅，工作范圍從手機(jī)到輪罩乃至更大的零件。
在Minnmold ，評(píng)價(jià)HSM必須以高速模具制造為前提。總經(jīng)理Bob Archambault 一言以蔽之：“我們精簡、精簡再精簡。”不單是機(jī)械加工，一切工作都必須達(dá)到最高的效率。除非把支持HSM的上、下游工序全部理順和簡化，否則HSM不可能奏效或者效果不大。
Archambault 先生把HSM 譽(yù)為本公司在當(dāng)前疲軟的模具市場上招徠業(yè)務(wù)的主要因素。借助于HSM 所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性，該公司可以通過比較低的報(bào)價(jià)贏得定單，并且由于業(yè)務(wù)量的增加而獲得更多的利潤；同采用HSM前相比，每年多加工30%的模具。另外，該公司增添了技術(shù)嫻熟的員工，18000平方英尺的擴(kuò)建工程于去年春季破土動(dòng)工。
圖2：為了趕上比較快的EDM加工速度，Minnmold 公司改用高速銑床加工石墨，
這臺(tái) Roku-Roku GR655 的主軸速度達(dá) 15，000rpm，電極幾乎不再需要磨削或拋光。
電極生產(chǎn)的瓶頸
和許多模具廠一樣，Minnmold最初為了擴(kuò)大EDM加工能力而涉及到HSM。1995年初，新安裝的一臺(tái)沖壓機(jī)比它取代的機(jī)器快40%，為了讓這臺(tái)新機(jī)器保持繁忙狀態(tài)，Minnmold必須加快石墨電極的生產(chǎn)速度。
Minnmold當(dāng)時(shí)著眼于石墨高速銑床，但是發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)銑床刀具路徑的建立會(huì)給公司的程序設(shè)計(jì)部門造成瓶頸，而且相應(yīng)的刀具路徑文件特別長，無法有效地下載給公司的DNC網(wǎng)絡(luò)，于是，公司不得不對編程軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)，才購買了第一臺(tái)石墨銑床。
就在那時(shí)安裝了一臺(tái)最大主軸速度15000 rpm、快速橫進(jìn)630 ipm 的Makino SNC64，另外又從Roku-Roku購買一臺(tái)石墨銑床，填補(bǔ)了石墨電極銑削能力的不足。
高速銑削石墨電極的經(jīng)驗(yàn)促使Minnmold公司添置一臺(tái)切削鋼件的高速機(jī)床，這臺(tái)來自O(shè)KK的VM5型機(jī)床于1998年秋季安裝到位，今天該公司所制造的每個(gè)淬硬鑲塊在某種程度上都用這臺(tái)OKK機(jī)床加工過。
開一個(gè)好頭
HSM成功的起點(diǎn)在哪里?Minnmold 從客戶的型模或壓鑄模必須建立的3D實(shí)體模型開始。許多客戶可以提供3D實(shí)體模型，但是遇到不能夠建模的客戶，Minnmold總是依據(jù)2D或平面信息(如圖紙)代客戶建立3D模型。
據(jù)高級(jí)設(shè)計(jì)師Brian Bussmann說，下個(gè)步驟是把包括全部公差要求和細(xì)部設(shè)計(jì)在內(nèi)的完整模具設(shè)計(jì)建成3D實(shí)體模型CAD數(shù)據(jù)庫。非外購模具的每一個(gè)特征都體現(xiàn)在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中，如每個(gè)尺寸和公差標(biāo)注。正象Bussmann 先生指出的，“有效的設(shè)計(jì)能力對高速切削乃至每一道后續(xù)操作非常關(guān)鍵，(模具)設(shè)計(jì)必須合理，而且必須快捷。”
該公司有6名專職設(shè)計(jì)員，其中2人主要和Parametric Technologies 公司的ProEngineer設(shè)計(jì)軟件打交道，其余的設(shè)計(jì)員則主要使用Baystate Technologies 公司的CADKEY 98。Minnmold 公司的設(shè)計(jì)員根據(jù)客戶零件的3D 模型完成模具設(shè)計(jì)。
包括全套細(xì)部設(shè)計(jì)和公差的3D數(shù)據(jù)庫非常有用， 因?yàn)樵摴局圃斓拿總€(gè)零件必須符合設(shè)計(jì)和公差要求：關(guān)鍵零件的公差控制在0.0001英寸的范圍內(nèi)。Archambault先生解釋，“我們按照數(shù)據(jù)庫加工，車間內(nèi)沒有零件的備件，因?yàn)槲覀兿Ｍ蛻裟軌蚧貋砑庸ぬ鎿Q件或修理鑲塊等，而我們要作的一切就是調(diào)用檔案里的數(shù)據(jù)并且重新加工新零件，新零件的尺寸和公差與原始零件絲毫不差。客戶只須裝入新零件，模具就能重新用于生產(chǎn)。”
模具設(shè)計(jì)一完成便作為檔案提交給公司的文件服務(wù)器，供本公司計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的每臺(tái)PC 機(jī)訪問(65名員工的公司擁有30臺(tái)PC)，書面印刷資料已成為罕見之物。
無論如何，設(shè)計(jì)員所完成的模具設(shè)計(jì)只是把所要制作的東西定下來，而不一定必須制作。下一步是召集所有即將參與模具加工和裝配的人員開會(huì)，在這個(gè)“開球儀式”上，設(shè)計(jì)員，編程員和工具制造者對設(shè)計(jì)項(xiàng)目“評(píng)頭論足”并決定切削策略。例如，他們要確定使用什么刀具、需要多少電極、每道工序大約占多長時(shí)間以及在進(jìn)度安排上需要考慮哪些偶然性，還要決定哪些工序要使用HSM 和EDM。
快速編程
以上有關(guān)模具設(shè)計(jì)的問題也適用于程序設(shè)計(jì)， Minnmold公司的程序設(shè)計(jì)總監(jiān)Mike Myers指出，快速編程非常重要。各項(xiàng)編程任務(wù)的完成時(shí)間都有精確的計(jì)劃，和加工車間每一道工序的進(jìn)度一樣精確。在Minnmold公司，程序設(shè)計(jì)是不分晝夜的事情，白班有5名程序員，其中2名專職于2D項(xiàng)目 ，3名專職于3D ，外加編程部的負(fù)責(zé)人臨時(shí)補(bǔ)缺，哪里需要到哪里，并充當(dāng)調(diào)度員和程序設(shè)計(jì)部與加工現(xiàn)場之間的聯(lián)絡(luò)員。除此之外還有兩名程序員(2D、3D各一人)每周持續(xù)上5個(gè)夜班。
目前程序設(shè)計(jì)在PC機(jī)上完成，所有程序員都能熟練應(yīng)用CNC 軟件公司最新版本的計(jì)算機(jī)輔助制造軟件MasterCAM，MasterCAM提供許多有助于HSM的實(shí)用程序，如“快進(jìn)切削(High Feed Machining)”。這一功能包括Minnmold 經(jīng)常使用的“多型面粗加工”和“多型面精加工”選項(xiàng)。最近還安裝了Sescoi USA 公司的2套自動(dòng)3D銑削CAM 軟件WorkNC。
一般說來，粗加工會(huì)給精加工保留0.02英寸的余量。在OKK機(jī)床上采用1英寸球頭銑刀粗加工時(shí)，通常采用進(jìn)給速度120 ipm和主軸轉(zhuǎn)速3500～4000 rpm。據(jù)Myers 先生說，切削深度一般是0.05英寸(推薦值為刀具直徑的10 %，但是該公司發(fā)現(xiàn)這樣大的切削深度不如淺切削的效果理想)。根據(jù)待加工工件的幾何形狀，也常使用圓端刀具，不過圓端刀具由于刀刃半徑比較小，需要采用比較淺的切削深度。
HSM 精加工的程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，因?yàn)樯婕暗降淖兞慷嘁恍茈y一概而論。進(jìn)刀量視工件所要求的表面光潔度而定，在采用直徑較大(0.750 ～1.00英寸)的球頭銑刀時(shí)，切削量為0.010～0.015英寸；小刀具(小到1/16 英寸)則為0.002～0.004 英寸。因?yàn)镺KK機(jī)床的主軸速度限定為8000 rpm，所以進(jìn)給速度一般是120～180 ipm，大小與切削載荷有關(guān)(常用值是每齒0.004或 0.005英寸)。石墨銑削習(xí)慣于采用更大膽的切削量，但是在原則上是相同的。
不管怎樣，確切的數(shù)值是利用公式得出的，這些公式體現(xiàn)了工件材料、硬度、刀具尺寸、表面光度要求等因素的變化及其組合。該公司利用供貨商推薦的公式并且通過實(shí)踐作了改進(jìn)。程序員統(tǒng)一采用相同的公式，以保證編程結(jié)果的一致性。Myers 先生深信，每個(gè)工廠有責(zé)任根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定自己的HSM成套標(biāo)準(zhǔn)。
最后是校核刀具路徑，即采用MasterCAM軟件在工件的實(shí)體模型上仿真切削刀具的動(dòng)作；只有簡單的2D程序不經(jīng)過審核。完整或經(jīng)過確認(rèn)的程序輸入公司的文件服務(wù)器。
工廠網(wǎng)絡(luò)
HSM 要求工廠有適宜的基礎(chǔ)設(shè)施，其中一個(gè)重要組成部分是支持高速傳送刀具路徑長文件及其它通訊需要的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
Minnmold公司的網(wǎng)絡(luò)基于Dell PowerEdge 6300文件服務(wù)器，該服務(wù)器通過光纖電纜與全公司的PC機(jī)相連接，并通過ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))和Internet(國際互聯(lián)網(wǎng))連接，以便于高速存取。FTP(文件傳輸協(xié)議)同所有PC機(jī)連接，使數(shù)據(jù)在全公司的網(wǎng)絡(luò)上“虛擬不中斷”流動(dòng)。
刀具路徑長文件的下載既快又可靠，即使幾個(gè)工作站同時(shí)下載也一樣。高速切削機(jī)床的CNC 系統(tǒng)帶有硬盤驅(qū)動(dòng)器，因此可以用本機(jī)存儲(chǔ)器存取整個(gè)程序。
Minnmold的高級(jí)設(shè)計(jì)師Brian Bussmann曾幫助確定公司所需要的網(wǎng)絡(luò)規(guī)格，他提到文件服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)的建立具有另一種價(jià)值，凡是同某件工作或項(xiàng)目有關(guān)的信息，一概采用有條不紊、易于存取的方式存放在同一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫地址，他說：“每個(gè)人都能夠找到自己想要的信息：設(shè)計(jì)員可以存取零件模型，細(xì)部設(shè)計(jì)員和程序員可以存取模具設(shè)計(jì)文件，車間的工具制造人員可以訪問刀具路徑文件。”
圖3：高速切削至少對Bill Lobin(左)和Bob Archambault是樂趣，他們正在Okk VM5機(jī)床上檢查
一個(gè)零件，這臺(tái)機(jī)床適合于以高主軸速度(最大 8000 rpm)和高時(shí)給速度(切削時(shí)400ipm)加工鋼件。
切削刀具
就選擇刀具而言，Minnmold公司的作法符合“刀具策略”叢書的指南。這個(gè)公司的HSM刀具由自己的工具室單獨(dú)供應(yīng)和維護(hù)，只購買經(jīng)過動(dòng)平衡的高級(jí)鋼制刀柄。每更換一次刀具，都要在機(jī)床上校核刀具的徑向跳動(dòng)和同軸度。總之，在切削刀具上遵循規(guī)范化的方法對于HSM的成功至關(guān)重要。然而，CNC工藝負(fù)責(zé)人Bill Carter提倡試驗(yàn)和摸索。他說 ：“我們嘗試任何事情：新型涂層、新穎鑲件和新式夾具。”
該公司制定了一套有趣并有效的石墨銑削策略：采用標(biāo)準(zhǔn)無涂層細(xì)晶粒硬質(zhì)球頭銑刀，這些刀具比專用涂層刀具便宜，而且易采購。
新一代鋼制刀具
Minnmold下一步是采購第二臺(tái)OKK高速銑床，這臺(tái)KCV600/15L型50錐度銑床，最大主軸速度13000 rpm，行程30×60英寸，足以把HSM技術(shù)應(yīng)用到模具底座的加工上。
新工藝
高速銑削可以把復(fù)雜形面加工得非常光滑，幾乎或者根本不再需要精加工。高光潔度是通過多道淺切削和細(xì)密的軌跡間隔獲得的，使圓端刀具所形成的會(huì)切點(diǎn)最小。一方面，提高主軸轉(zhuǎn)速可以在適當(dāng)?shù)那邢髁ο逻_(dá)到有效的切削量，另一方面加大進(jìn)給速度可以避免不必要的加工時(shí)間。尺寸精度由高靈敏度的伺服系統(tǒng)和專用銑床的其它機(jī)電功能給以保證。
在不必進(jìn)行后續(xù)精加工工序的情況下，對高速切削所產(chǎn)生的表面加以保護(hù)可以確保工件的幾何尺寸始終符合零件數(shù)據(jù)庫的規(guī)定。
