通過(guò)優(yōu)化粉末冶金工具鋼的微加工工藝，這家車間已經(jīng)降低了生產(chǎn)成本、交貨時(shí)間和復(fù)雜模具元件的鉗工二次打磨工作量。
　　
　　在我采訪賓夕法尼亞州SaintMarys鎮(zhèn)的Quala-Die公司即將結(jié)束的時(shí)候，該公司的負(fù)責(zé)人指著一些過(guò)時(shí)的EDM放電加工設(shè)備說(shuō)，這些機(jī)床正在等待銷售處理。當(dāng)然，這里指的是那些還未被新型EDM放電加工設(shè)備所取代的機(jī)床（圖1）。那是因?yàn)镼uala-Die公司在推行淬火模具元件的微加工技術(shù)中，取得了良好的效果，這些元件用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)緊密的粉末冶金件，而微加工技術(shù)的使用，已大大減少了該車間正在執(zhí)行的放電加工的工作量。
　　
　　Quala-Die公司的采購(gòu)項(xiàng)目RyanMagaro擔(dān)任了我當(dāng)天的導(dǎo)游，他說(shuō)，該車間從淬火工具鋼元件精密細(xì)節(jié)的微加工工藝中，獲益匪淺，這些元件也是由粉末冶金材料制成，但采用了不同的方式。采用微加工技術(shù)可節(jié)約加工EDM電極所需要的額外費(fèi)用和時(shí)間。此外，它大大減少了鉗工在拋光清除重鑄材料時(shí)所需的二次工作量。因此，該車間的工裝周轉(zhuǎn)時(shí)間加快了很多，而鉗工工作量平均減少了20%。
　　
　　該車間已經(jīng)建立了其微加工方法。Magaro確信，由SecoTools公司產(chǎn)品技術(shù)員JayBall提供的支持和指導(dǎo)，對(duì)Quala-Die公司的成功一直起著很大的作用。在訪問(wèn)該公司期間，Magaro介紹了該車間在采用一種*不同的方式來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的粉末冶金模具元件時(shí)所取得一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。
　　
　　向微加工方向發(fā)展
　　
　　DennisSchatz于1978年創(chuàng)建了Quala-Die公司，當(dāng)時(shí)，這是一家只有兩個(gè)人的操作車間，以地下室為生產(chǎn)基地。今天，其90人的加工車間坐落在一個(gè)帶有空調(diào)的45000ft2（1ft2=0.093m2）工廠內(nèi)，其加工能力包括EDM線切割機(jī)床和EDM模具加工機(jī)床、數(shù)控銑床和車床以及各種磨床。
　　
　　Quala-Die公司專門從事模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，用于創(chuàng)建粉末冶金金屬元件。事實(shí)上，該車間是美國(guó)zui大的粉末冶金壓縮模具供應(yīng)商。Quala-Die公司的重點(diǎn)集中在復(fù)雜模具的加工上（其中大部分為汽車應(yīng)用領(lǐng)域提供服務(wù)），并且以其通過(guò)四軸CNC數(shù)控銑削加工，創(chuàng)建螺旋齒輪模具組件的生產(chǎn)能力而聞名。
　　
　　大多數(shù)模具組件是由粉末冶金材料創(chuàng)建而成，例如CPM的1V、3V和9V材料（這些都是由CrucibleIndustries公司提供的粉末冶金工具鋼）。粉末冶金部件由一系列微量金屬合金元素經(jīng)過(guò)混合、壓縮和燒結(jié)制成。在熱處理后，這些材料的表面硬度可達(dá)55~64HRc。然而，Magaro指出，CPM材料中的各種顆粒仍保持其各自的硬度，zui高可達(dá)70HRc。因此，一把加工這類材料的立銑刀，在銑削穿透很小、很硬的金屬顆粒后將很快會(huì)壽終正寢。由于這些材料的研磨特性，其結(jié)果是：刀具往往會(huì)發(fā)生過(guò)量和難以預(yù)見(jiàn)的磨損，甚至引起刀刃斷裂。
　　
　　在Quala-Die公司對(duì)銅鎢電極微加工取得成功后，該車間開(kāi)始對(duì)淬火模具組件采用微加工技術(shù)。四年前，該車間從MCMachinerySystems公司（當(dāng)時(shí)MCMachinery公司的經(jīng)銷商為SharplesMachinery公司）購(gòu)置了一臺(tái)四軸Roku-RokuHC-658型高速立式加工中心，用于銑削加工這些電極中的細(xì)節(jié)部位。根據(jù)MCMachinery公司提出的建議，Magaro與JayBall進(jìn)行了，后者是SecoTools公司JabroMini系列實(shí)心硬質(zhì)合金刀具的專家。（所提供的JabroMini刀具系列直徑范圍從0.0039~0.0590in）（1in=25.4mm，下同）。Ball不但建議該車間在開(kāi)始時(shí)應(yīng)該使用哪些刀具，而且還大力支持該車間為哪類電極的加工努力建立一個(gè)有效的微加工工藝。
　　
　　Magaro認(rèn)為，他可以將這些成功經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)一種適用于淬火粉末冶金模具生產(chǎn)的微加工工藝，以減少對(duì)費(fèi)時(shí)的EDM放電加工機(jī)床的需求。Magaro說(shuō)：“隨著編程員JimCecchetti與Ball的再一次密切合作，建立了一個(gè)在淬火狀態(tài)下對(duì)粉末冶金模具組件進(jìn)行微加工的穩(wěn)定一致的工藝。”為了使這類材料中銑削微細(xì)部分的公差尺寸保持在小至0.0001in的范圍之內(nèi)，加工工藝的各個(gè)方面，包括機(jī)床、CAM軟件包、刀柄和刀具都必須同心協(xié)力。這是因?yàn)樵谶@么一個(gè)小比例工件上銑削加工時(shí)，諸如切屑負(fù)荷、跳動(dòng)誤差和整體工藝穩(wěn)定性等問(wèn)題都會(huì)被放大。這里讓我們快速地瀏覽一下Quala-Die公司采用微加工方法加工的一些關(guān)鍵部件。
　　
　　（1）機(jī)床
　　
　　該車間對(duì)粉末冶金模具的微加工工作是在轉(zhuǎn)速高達(dá)32000r/min的HC-658型機(jī)床以及在另一臺(tái)Roku-RokuVMC立式加工中心上執(zhí)行的，后者是一臺(tái)轉(zhuǎn)速高達(dá)30000r/min的VS-652型四軸加工機(jī)床，該車間在購(gòu)買前一臺(tái)機(jī)床的一年半之后購(gòu)置了這臺(tái)機(jī)床（圖2）。這兩臺(tái)機(jī)床都具備了硬質(zhì)材料微加工所需的主軸轉(zhuǎn)速和功率，其各自的靜態(tài)定位精度和重復(fù)精度分別為±0.000060in和±0.000020in。Magaro說(shuō)：“每臺(tái)機(jī)床配有油霧冷卻液輸送系統(tǒng)，這兩臺(tái)機(jī)床都提供有均勻的微加工所需的油霧傳送功能和微調(diào)功能。
　　
　　此外，這些機(jī)床的Z軸上還帶有熱膨脹補(bǔ)償功能，以滿足車間內(nèi)環(huán)境溫度微小變化的需要。”在這些機(jī)床上，采用測(cè)量長(zhǎng)度和直徑的激光來(lái)執(zhí)行刀具的測(cè)量，是非常重要的。
　　
　　（2）刀柄
　　
　　Quala-Die公司將熱套刀柄應(yīng)用于微加工工藝，據(jù)說(shuō)這種方法的跳動(dòng)誤差極小。然而，該車間發(fā)現(xiàn)由于反復(fù)加熱和循環(huán)冷卻，因此隨著時(shí)間的推移，這類熱套刀柄會(huì)逐漸變形。變形的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致微加工工作時(shí)的跳動(dòng)誤差過(guò)量。現(xiàn)在，這個(gè)車間使用來(lái)自Rego-Fix公司的powRgrip刀柄系統(tǒng)。該系統(tǒng)由精密套筒式刀柄和用于套筒從夾座插入和拆卸的臺(tái)式液壓機(jī)組成（圖3）。標(biāo)準(zhǔn)的刀柄經(jīng)過(guò)25000r/min的轉(zhuǎn)速平衡，雖然該車間也經(jīng)常使用經(jīng)42000r/min轉(zhuǎn)速平衡的刀柄。
　　
　　除了提供0.00012in的TIR和1100N.m的夾緊力之外，這種刀柄系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)刀具的快速更換。采用熱套系統(tǒng)方式換刀需要花費(fèi)4min時(shí)間，而操作員采用powRgrip系統(tǒng)換刀，只需24s時(shí)間（圖4）。Magaro指出：“這是非常重要的，因?yàn)椴僮鲉T每天必須完成很多次的換刀作業(yè)。”現(xiàn)在，這個(gè)車間在執(zhí)行足夠量的微加工工作時(shí)，每天將消耗高達(dá)90把的微型刀具。
　　　　（3）刀具
　　
　　該車間使用的大部分JabroMini立銑刀直徑在0.004~0.019in。這些實(shí)心硬質(zhì)合金刀具的直徑公差在+0/-0.0004in的范圍之內(nèi)，其跳動(dòng)誤差可以忽略不計(jì)。這種微晶粒結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金刀具帶有耐熱抗磨的AlTiN涂層和雙溝槽設(shè)計(jì)，以方便排屑和提供足夠的幅面強(qiáng)度。方頭立銑刀的幾何形狀是中性的，傾角為0°，螺旋角也為0°，而球頭立銑刀的傾角為0°，螺旋角很小。
　　
　　（4）編程
　　
　　該車間采用了一套中等價(jià)位的CAM軟件包，用于“標(biāo)準(zhǔn)尺寸”的工件編程，這種軟件在這樣的應(yīng)用領(lǐng)域中執(zhí)行得很好。然而，情況很快變得十分明朗，微加工需要更強(qiáng)大的功能，因?yàn)榈毒呗窂降募?xì)微差別，例如坡道角度和參與加工的速率，對(duì)zui大程度地延長(zhǎng)小直徑刀具的使用壽命是非常關(guān)鍵的。Quala-Die公司現(xiàn)在使用來(lái)自西門子公司的NXCAM軟件，Cecchetti承認(rèn)，此種軟件對(duì)編程具有更大的挑戰(zhàn)性，但卻具有微加工所需的靈活性和編程選項(xiàng)。該車間擁有這一軟件的四個(gè)席位，而每個(gè)編程員的每個(gè)工作站擁有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)。一種手動(dòng)開(kāi)關(guān)箱可以使編程員設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，讓其驗(yàn)證一個(gè)程序（這項(xiàng)工作可能需要花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)2h的時(shí)間，此時(shí)，該計(jì)算機(jī)基本上無(wú)法執(zhí)行其他任務(wù)），然后切換到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上工作。
　　
　　在建立粉末冶金模具的編程參數(shù)時(shí)，該車間假定每個(gè)工件的硬度明顯地超過(guò)額定硬度值。Ball指出：“對(duì)那些材料進(jìn)行微加工期間，切削深度和跨步不要過(guò)分，這一點(diǎn)非常重要。”螺旋插補(bǔ)和螺旋傾斜是有效工作的微加工刀具路徑策略。Ball建議：螺旋斜坡的傾角在粗加工時(shí)不應(yīng)該大于1°，精加工時(shí)不應(yīng)大于0.5°。這可以zui大限度地減少刀尖所受的壓力，以防止其斷裂。
　　
　　Ball說(shuō)：“微加工的關(guān)鍵之一是，使整個(gè)切削過(guò)程保持一致的切屑負(fù)荷。”這就是為什么它很重要的原因，以確定編程進(jìn)給速度是否與機(jī)床能夠保持的實(shí)際進(jìn)給速度相匹配。他指出，如果一臺(tái)機(jī)床不能使可編程進(jìn)給速度，至少保持80%的周期時(shí)間，那么該可編程進(jìn)給速度應(yīng)該下調(diào)到該機(jī)床保持的進(jìn)給速度，以幫助確保一致的切屑負(fù)載。例如，如果該程序要求調(diào)用40000r/min的轉(zhuǎn)速和100in/min的進(jìn)給速度，但機(jī)床只能保持50in/min的進(jìn)給速度，那么該主軸速度必須削減一半，以確保其一致的切屑負(fù)荷。
　　　　新方法的管理
　　
　　在Quala-Die公司，機(jī)床的操作員在微加工操作中起著重要的作用。他們必須關(guān)注這一工藝，因?yàn)榈毒邏勖梢允遣煌模@取決于被加工的粉末金屬的等級(jí)。雖然對(duì)各級(jí)別粉末金屬加工時(shí)的刀具使用壽命大致上是了解的，但操作員在每次運(yùn)行后，仍需卸下刀具，并在該車間的MicroVu視頻測(cè)量系統(tǒng)上檢查其磨損的狀況（圖5）。Cecchetti指出，是在半精加工后進(jìn)行檢查，這一點(diǎn)特別重要。如果在半精加工后刀具出現(xiàn)磨損跡象，建議操作員用一把新的刀具重新進(jìn)行一次半精密加工操作，以確保清除合適的加工裕量。這可以防止精加工刀具碰到比預(yù)期中更多的材料。只需要萬(wàn)分之幾英寸的裕量，就足以應(yīng)付精加工刀具的微加工切削（圖6）。
　　　　由于該車間目前執(zhí)行著較大批量的微加工操作業(yè)務(wù)，因此維持刀具的庫(kù)存量已成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的任務(wù)。Quala-Die公司zui近安裝了一套從Iscar公司引進(jìn)的雙控制箱Matrix矩陣式刀具管理系統(tǒng)，以減輕其工作負(fù)擔(dān)。操作人員使用該系統(tǒng)的觸摸屏登錄和輸入作業(yè)信息，該系統(tǒng)會(huì)顯示出該刀具的抽屜位置。Magaro說(shuō)，該系統(tǒng)可以使車間確定每一項(xiàng)加工業(yè)務(wù)所需的刀具準(zhǔn)確成本。此外，他設(shè)置好電子郵件，將信息自動(dòng)地發(fā)送給刀具經(jīng)銷商，以補(bǔ)充其所需的刀具。
　　　　充分利用現(xiàn)有輔助資源
　　
　　Magaro非常重視Ball多年來(lái)所給予的支持，他確信車間并不總是可以利用來(lái)自供應(yīng)商的幫助（圖7、圖8）。當(dāng)然，設(shè)備專家是從事產(chǎn)品銷售業(yè)務(wù)的，但許多專家也提供與離散零件生產(chǎn)方面相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，車間可以利用這些知識(shí)提高他們的工藝水平。他不斷地向他們學(xué)習(xí)，并且他覺(jué)得只要保持開(kāi)放的機(jī)會(huì)，別人也一定可以做到。

　　（作者：Derek Korn 來(lái)源：Modern Machine Shop）