微型模具

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微型模具
$ \) T) [! g4 d3 C0 y金属注塑模（MIM）加工车间依靠一台专门设计的微型工件专用加工中心来生产微型模具。
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5 P! K* ~  q6 O6 R5 [! ~8 `, B在俄勒冈州McMinnville地区的World Class Technology公司（世界级技术公司）将直径0.3 mm的端面铣刀与直径0.5 mm的端面铣刀采取区别对待的方式。而另一加工车间则认为这是两种无足轻重的小型刀具。然而对于世界级技术公司的模具制造商而言，认为其中一种刀具是属于精加工的刀具，而另一种则是属于粗加工的刀具。直径0.3 mm刀具的体积很小，只适合于轻型切削和复杂的细节加工，而直径至少在0.5 mm以上的刀具，才足以适合于车间的粗加工生产，甚至可加工经过热处理、硬度达到60 Rc的工具钢。

0 Q' d3 T- x# w( C- L$ b% K世界级技术公司是一家金属注塑模制造商。正如模具生产经理John Ashton先生所解释的那样，与塑料注塑模相比，塑料注塑模本身的加工精度要求很高，而金属注塑模则需要更高精度的小型切削刀具。他说，金属注塑模可形成更大的飞边倾向，因此，MIM金属注塑模的闭合面需要高精密的加工。另一个需要考虑的因素是MIM零件的比例较小。在世界级技术公司，其主要的成品是畸齿矫正模—特别是畸齿金属矫正支架。这些金属支架通过MIM金属注塑模生产制造，其型芯和型腔插件由该模具车间加工。

图1 该加工车间使用了一种专门为高精度小型模具加工而设计的专用
立式加工中心。机床上的行程不超过12 in，机床内部安装有工件更换装置，
9 R5 l6 [& ^4 T3 @! l" y" x允许这一系列小型零件排成长队按次序进行加工

! N5 X9 P5 J9 P$ K" lAshton先生说，最后提到的这个零件特别重要。保持车间内的专业化水平和模具生产能力可以让加工车间引进新的产品设计，并使其更快地走向市场。即使这样，过去这个模具车间的模具制造工艺一直没有实现这一目标。
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在过去，该加工车间一直试图在其普通的立式加工中心上，将其加工精度保持在±0.0002 in的公差尺寸范围之内。事实上，该车间竭尽全力，采取各种措施，其中包括在正式切削加工前，将机床运行2h，事先使机床的温度达到稳定的效果。尽管采取了这样的一些措施，还需要经常考虑采用相应的其他措施，例如在车间内使用手工磨削方法，使加工的零件达到规格要求。后来，该加工车间从德国的机床制造商—Kern Micro-und Feinwerktechnik公司那里引进了一台加工中心，这台设备主要是为微型加工而专门设计的，引进这台机床以后，该加工车间的工艺水平才有了进一步的提高。
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其“微米”级的加工精度立即在机床的行程上显示出来。立式加工中心的体积较小，机床上XYZ轴的行程分别为12×11×10 in。在机床的剩余容积中包含一个工件更换系统，这一系统可以使机床像一套柔性加工单元那样操作运行，让微小的零件列队按次序加工。机床容积的其余部分包括机床的内部设计部分，可以使加工精度的稳定性保持在±2μm的公差之内。现在，在同样稳定性的基础之上，可以使世界级技术公司采用0.5 mm的刀具对硬质钢材进行粗切削加工，而对模具进行精加工以后，不再需要手工磨削。

图2 下面的零件（与硬币）已经经过热处理，然后再进行各种加工，
例如在60 Rc的硬度条件下进行铣削加工。
4 J: v7 v* `/ |) h, E9 _8 f& |上边的零件是在热处理前材料较软的情况下进行粗加工的

振动和温度的影响

Burkhard Rother先生是这家机床制造厂的常务董事。他所描述的某些特点可让Kern公司机床有效地采用微型铣削和钻削刀具。他说，其成功的部分原因应归功于大批量生产。在总重量为3t的机床上采用了一个专用的聚合体混凝土结构件。这一结构件不但具有很好的防振性能（他说，其防振性能要比一般机床的结构件强800%），而且其对温度的反应也要比铸铁或钢材更加缓慢。在该机床的设计中，X轴和Y轴是与机床的工作台结合在一起的，只有Z轴是分离的。因此，尽管机床的本身重量很大，但Z轴的移动只需30kgf(1kgf=9.8N)—只比主轴的重量略微高一些。

5 S& T0 d! W2 m% h' X$ Z% c图3 该机床也应用于EDM电极的加工生产

5 ]. h2 F0 e+ Z% l; g$ z# E还有其他一些特点与主轴有关。随着刀具的直径越来越小，因此径向跳动的公差更应精确地控制。Rother先生说，Kern公司机床的主轴设计，其径向跳动误差小于1μm。该机床的主轴还包括以下特点：
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(1)尺寸补偿 由于热变化的结果，不但主轴上的Z长度能够变化，而且X轴和Y轴的定位也会发生变化。机床制造厂根据其对三维尺寸变化规律的研究和每台机床的特点，专门创建了一套补偿算法。此外，除了按这一方法单独补偿外，主轴还采用水冷却的方法，使其温度保持在±0.25℃的范围之内；

( A9 o! E& D+ ^(2)矢量控制 控制系统本身就能够识别主轴的精确角度位置。当刀库中被安装的刀具返回到刀库时总是按照它们原先的同样角度方向就位。这对于接触式测试探针而言是特别重要的，因为探针总是能够按照其最初的相同方向接近零件。部分原因得益于这一效应，由Kern公司提供的某一型号探针可应用于这一机床上来进行测量，其测量精度可达到±400nm的水平。
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  {; T7 g4 Z* E2 S4 m7 D" W硬质材料或软质材料的铣削加工

世界级技术公司所拥有的机床采用5轴联动控制（在工件之下有两根旋转轴），其主轴转速高达50000r/min。该公司的生产工程师Juergen Bathen先生和机械师Randy Gillepsie先生对这台机床进行了探索研究，看其究竟能为公司做些什么工作，如何最有效地利用这台机床。该机床除了能够直接加工型芯和型腔以外，还可用于生产EDM的电极，以便加工模具中比较深的隐窝或难以达到的内部转角。这些电极是用铜加工而成的。

图4 测量对于小型零件的加工是十分关键的。在刀库中，储存在探针旁边
的是一种用于校验另一台测量装置的工具—机床的非接触式对刀装置

模具可以在热处理前或热处理后进行粗铣削加工。是否采用硬铣削加工的方法则取决于不同的工件，往往需要经过电话咨询，才能作出最后的判断。对于这一机床的加工能力而言，采用亚毫米级的刀具进行硬铣削加工是毫无疑问的，其问题是在于生产成本。采用硬铣削加工方法会加速刀具的磨损，而微型刀具的价格很昂贵。相对来说，需要使用大量刀具进行切削加工的模具，因其具有复杂的特点，一般都愿意采用软铣削加工的方法，这主要是为了使刀具能够长期地保持锋利的程度。
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2 @. }% s( D' t) sBathen先生说，这从来也不是加工车间的意图，希望将这台机床变成一种万能工具。加工车间可以在其他的加工中心上执行它能够完成的一切工作，甚至可以在精度不太高的机床上，为Kern公司完成工件的预备性工作。而且，仍然可以在带有24个工位的自动工件交换装置上，很容易使一系列的模具和电极列队，按次序进行连续加工生产。此外，该加工车间还发现了这一机床的新用途，其中之一就是新支架模型样机的快速生产。因此，对这一机床的需求正在不断增加，但同时也给加工车间带来了一个新的瓶颈问题——即编程能力受到限制。

图5 世界级技术公司的内部刀具车间缩短了向金属注塑模成形设备交付模具所需的时间

! }  |, F) h% f" Z许多模具制造车间熟悉这一瓶颈问题。在任何情况下，凡是机床能以足够快的速度，并以比刀具路径所能提供的速度更快得工作时，那么对编程的需求就会成为一个尖锐突出的问题。Bathen先生说，世界级技术公司所面临的挑战并没有什么不同，实际上小型零件使问题变得更加严重。对于这样小的零件而言，其加工收益是非常迅速的，然而编程往往比较困难。刀具路径的方向必须精心选择，以免不经意产生的毛刺影响小型零件的公差尺寸。