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格，而且常常能夠用比較短的時間交付產(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)陣地的最強大武器之一；HSM使他們可把整個制造過程砍掉幾個星期。
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給在機床上的簡單結(jié)合。為了支持這樣的機床，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，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決沒有詳細的配方或訣竅，因為HSM仍然在不斷地發(fā)展。
幾乎每一個實施HSM的工廠都會告訴你，他們依然在改進，依然在試驗，依然在學(xué)習(xí)，而且往往從錯誤和失敗之中學(xué)習(xí)。實施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驗室才能驗證的概念，而是切實可行的技術(shù)。現(xiàn)在有數(shù)十個模具廠采用HSM，更有數(shù)百家工廠正在積極努力地準(zhǔn)備實施。本文用幾個潛心從事HSM的工廠的概況來闡明這種局面，真實世界的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65人的模具設(shè)計制造公司，HSM對這個公司很重要，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10,000磅，工作范圍從手機到輪罩乃至更大的零件。
在Minnmold ，評價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。”不單是機械加工，一切工作都必須達到最高的效率。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)濟性，該公司可以通過比較低的報價贏得定單，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平方英尺的擴建工程于去年春季破土動工。
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 Roku-Roku GR655 的主軸速度達 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最初為了擴大EDM加工能力而涉及到HSM。1995年初，新安裝的一臺沖壓機比它取代的機器快40%，為了讓這臺新機器保持繁忙狀態(tài)，Minnmold必須加快石墨電極的生產(chǎn)速度。
Minnmold當(dāng)時著眼于石墨高速銑床，但是發(fā)現(xiàn)其中一臺銑床刀具路徑的建立會給公司的程序設(shè)計部門造成瓶頸，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)進行升級，才購買了第一臺石墨銑床。
就在那時安裝了一臺最大主軸速度15000 rpm、快速橫進630 ipm 的Makino SNC64，另外又從Roku-Roku購買一臺石墨銑床，填補了石墨電極銑削能力的不足。
高速銑削石墨電極的經(jīng)驗促使Minnmold公司添置一臺切削鋼件的高速機床，這臺來自O(shè)KK的VM5型機床于1998年秋季安裝到位，今天該公司所制造的每個淬硬鑲塊在某種程度上都用這臺OKK機床加工過。
開一個好頭
HSM成功的起點在哪里?Minnmold 從客戶的型模或壓鑄模必須建立的3D實體模型開始。許多客戶可以提供3D實體模型，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)高級設(shè)計師Brian Bussmann說，下個步驟是把包括全部公差要求和細部設(shè)計在內(nèi)的完整模具設(shè)計建成3D實體模型CAD數(shù)據(jù)庫。非外購模具的每一個特征都體現(xiàn)在這個數(shù)據(jù)庫中，如每個尺寸和公差標(biāo)注。正象Bussmann 先生指出的，“有效的設(shè)計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)計必須合理，而且必須快捷。”
該公司有6名專職設(shè)計員，其中2人主要和Parametric Technologies 公司的ProEngineer設(shè)計軟件打交道，其余的設(shè)計員則主要使用Baystate Technologies 公司的CADKEY 98。Minnmold 公司的設(shè)計員根據(jù)客戶零件的3D 模型完成模具設(shè)計。
包括全套細部設(shè)計和公差的3D數(shù)據(jù)庫非常有用， 因為該公司制造的每個零件必須符合設(shè)計和公差要求：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，因為我們希望客戶能夠回來加工替換件或修理鑲塊等，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，供本公司計算機網(wǎng)絡(luò)的每臺PC 機訪問(65名員工的公司擁有30臺PC)，書面印刷資料已成為罕見之物。
無論如何，設(shè)計員所完成的模具設(shè)計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，在這個“開球儀式”上，設(shè)計員，編程員和工具制造者對設(shè)計項目“評頭論足”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間以及在進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)計的問題也適用于程序設(shè)計， Minnmold公司的程序設(shè)計總監(jiān)Mike Myers指出，快速編程非常重要。各項編程任務(wù)的完成時間都有精確的計劃，和加工車間每一道工序的進度一樣精確。在Minnmold公司，程序設(shè)計是不分晝夜的事情，白班有5名程序員，其中2名專職于2D項目 ，3名專職于3D ，外加編程部的負責(zé)人臨時補缺，哪里需要到哪里，并充當(dāng)調(diào)度員和程序設(shè)計部與加工現(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個夜班。
目前程序設(shè)計在PC機上完成，所有程序員都能熟練應(yīng)用CNC 軟件公司最新版本的計算機輔助制造軟件MasterCAM，MasterCAM提供許多有助于HSM的實用程序，如“快進切削(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。最近還安裝了Sescoi USA 公司的2套自動3D銑削CAM 軟件WorkNC。
一般說來，粗加工會給精加工保留0.02英寸的余量。在OKK機床上采用1英寸球頭銑刀粗加工時，通常采用進給速度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)計比較復(fù)雜，因為涉及到的變量多一些，很難一概而論。進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，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。因為OKK機床的主軸速度限定為8000 rpm，所以進給速度一般是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踐作了改進。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，每個工廠有責(zé)任根據(jù)經(jīng)驗制定自己的HSM成套標(biāo)準(zhǔn)。
最后是校核刀具路徑，即采用MasterCAM軟件在工件的實體模型上仿真切削刀具的動作；只有簡單的2D程序不經(jīng)過審核。完整或經(jīng)過確認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算機網(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機連接，使數(shù)據(jù)在全公司的網(wǎng)絡(luò)上“虛擬不中斷”流動。
刀具路徑長文件的下載既快又可靠，即使幾個工作站同時下載也一樣。高速切削機床的CNC 系統(tǒng)帶有硬盤驅(qū)動器，因此可以用本機存儲器存取整個程序。
Minnmold的高級設(shè)計師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值，凡是同某件工作或項目有關(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中央數(shù)據(jù)庫地址，他說：“每個人都能夠找到自己想要的信息：設(shè)計員可以存取零件模型，細部設(shè)計員和程序員可以存取模具設(shè)計文件，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機床上檢查
一個零件，這臺機床適合于以高主軸速度(最大 8000 rpm)和高時給速度(切削時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。這個公司的HSM刀具由自己的工具室單獨供應(yīng)和維護，只購買經(jīng)過動平衡的高級鋼制刀柄。每更換一次刀具，都要在機床上校核刀具的徑向跳動和同軸度。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工藝負責(zé)人Bill Carter提倡試驗和摸索。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OKK高速銑床，這臺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密的軌跡間隔獲得的，使圓端刀具所形成的會切點最小。一方面，提高主軸轉(zhuǎn)速可以在適當(dāng)?shù)那邢髁ο逻_到有效的切削量，另一方面加大進給速度可以避免不必要的加工時間。尺寸精度由高靈敏度的伺服系統(tǒng)和專用銑床的其它機電功能給以保證。
在不必進行后續(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。
