金屬注塑模（MIM）加工車(chē)間依靠一臺(tái)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的微型工件專(zhuān)用加工中心來(lái)生產(chǎn)微型模具。
在俄勒岡州McMinnville地區(qū)的World Class Technology公司（世界級(jí)技術(shù)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(qū)別對(duì)待的方式。而另一加工車(chē)間則認(rèn)為這是兩種無(wú)足輕重的小型刀具。然而對(duì)于世界級(jí)技術(shù)公司的模具制造商而言，認(rèn)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(fù)雜的細(xì)節(jié)加工，而直徑至少在0.5 mm以上的刀具，才足以適合于車(chē)間的粗加工生產(chǎn)，甚至可加工經(jīng)過(guò)熱處理、硬度達(dá)到60 Rc的工具鋼。
世界級(jí)技術(shù)公司是一家金屬注塑模制造商。正如模具生產(chǎn)經(jīng)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(shuō)，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(gè)需要考慮的因素是MIM零件的比例較小。在世界級(jí)技術(shù)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(guò)MIM金屬注塑模生產(chǎn)制造，其型芯和型腔插件由該模具車(chē)間加工。
圖1 該加工車(chē)間使用了一種專(zhuān)門(mén)為高精度小型模具加工而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用
立式加工中心。機(jī)床上的行程不超過(guò)12 in，機(jī)床內(nèi)部安裝有工件更換裝置，
允許這一系列小型零件排成長(zhǎng)隊(duì)按次序進(jìn)行加工
Ashton先生說(shuō)，最后提到的這個(gè)零件特別重要。保持車(chē)間內(nèi)的專(zhuān)業(yè)化水平和模具生產(chǎn)能力可以讓加工車(chē)間引進(jìn)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并使其更快地走向市場(chǎng)。即使這樣，過(guò)去這個(gè)模具車(chē)間的模具制造工藝一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
在過(guò)去，該加工車(chē)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(nèi)。事實(shí)上，該車(chē)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(jī)床運(yùn)行2h，事先使機(jī)床的溫度達(dá)到穩(wěn)定的效果。盡管采取了這樣的一些措施，還需要經(jīng)常考慮采用相應(yīng)的其他措施，例如在車(chē)間內(nèi)使用手工磨削方法，使加工的零件達(dá)到規(guī)格要求。后來(lái)，該加工車(chē)間從德國(guó)的機(jī)床制造商—Kern Micro-und Feinwerktechnik公司那里引進(jìn)了一臺(tái)加工中心，這臺(tái)設(shè)備主要是為微型加工而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，引進(jìn)這臺(tái)機(jī)床以后，該加工車(chē)間的工藝水平才有了進(jìn)一步的提高。
其“微米”級(jí)的加工精度立即在機(jī)床的行程上顯示出來(lái)。立式加工中心的體積較小，機(jī)床上XYZ軸的行程分別為12×11×10 in。在機(jī)床的剩余容積中包含一個(gè)工件更換系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以使機(jī)床像一套柔性加工單元那樣操作運(yùn)行，讓微小的零件列隊(duì)按次序加工。機(jī)床容積的其余部分包括機(jī)床的內(nèi)部設(shè)計(jì)部分，可以使加工精度的穩(wěn)定性保持在±2μm的公差之內(nèi)。現(xiàn)在，在同樣穩(wěn)定性的基礎(chǔ)之上，可以使世界級(jí)技術(shù)公司采用0.5 mm的刀具對(duì)硬質(zhì)鋼材進(jìn)行粗切削加工，而對(duì)模具進(jìn)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(jīng)經(jīng)過(guò)熱處理，然后再進(jìn)行各種加工，
例如在60 Rc的硬度條件下進(jìn)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(jìn)行粗加工的
振動(dòng)和溫度的影響
Burkhard Rother先生是這家機(jī)床制造廠的常務(wù)董事。他所描述的某些特點(diǎn)可讓Kern公司機(jī)床有效地采用微型銑削和鉆削刀具。他說(shuō)，其成功的部分原因應(yīng)歸功于大批量生產(chǎn)。在總重量為3t的機(jī)床上采用了一個(gè)專(zhuān)用的聚合體混凝土結(jié)構(gòu)件。這一結(jié)構(gòu)件不但具有很好的防振性能（他說(shuō)，其防振性能要比一般機(jī)床的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)800%），而且其對(duì)溫度的反應(yīng)也要比鑄鐵或鋼材更加緩慢。在該機(jī)床的設(shè)計(jì)中，X軸和Y軸是與機(jī)床的工作臺(tái)結(jié)合在一起的，只有Z軸是分離的。因此，盡管機(jī)床的本身重量很大，但Z軸的移動(dòng)只需30kgf(1kgf=9.8N)—只比主軸的重量略微高一些。
圖3 該機(jī)床也應(yīng)用于EDM電極的加工生產(chǎn)
還有其他一些特點(diǎn)與主軸有關(guān)。隨著刀具的直徑越來(lái)越小，因此徑向跳動(dòng)的公差更應(yīng)精確地控制。Rother先生說(shuō)，Kern公司機(jī)床的主軸設(shè)計(jì)，其徑向跳動(dòng)誤差小于1μm。該機(jī)床的主軸還包括以下特點(diǎn)：
(1)尺寸補(bǔ)償 由于熱變化的結(jié)果，不但主軸上的Z長(zhǎng)度能夠變化，而且X軸和Y軸的定位也會(huì)發(fā)生變化。機(jī)床制造廠根據(jù)其對(duì)三維尺寸變化規(guī)律的研究和每臺(tái)機(jī)床的特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)創(chuàng)建了一套補(bǔ)償算法。此外，除了按這一方法單獨(dú)補(bǔ)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(nèi)；
(2)矢量控制 控制系統(tǒng)本身就能夠識(shí)別主軸的精確角度位置。當(dāng)?shù)稁?kù)中被安裝的刀具返回到刀庫(kù)時(shí)總是按照它們?cè)鹊耐瑯咏嵌确较蚓臀弧＿@對(duì)于接觸式測(cè)試探針而言是特別重要的，因?yàn)樘结樋偸悄軌虬凑掌渥畛醯南嗤较蚪咏慵２糠衷虻靡嬗谶@一效應(yīng)，由Kern公司提供的某一型號(hào)探針可應(yīng)用于這一機(jī)床上來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度可達(dá)到±400nm的水平。
硬質(zhì)材料或軟質(zhì)材料的銑削加工
世界級(jí)技術(shù)公司所擁有的機(jī)床采用5軸聯(lián)動(dòng)控制（在工件之下有兩根旋轉(zhuǎn)軸），其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)50000r/min。該公司的生產(chǎn)工程師Juergen Bathen先生和機(jī)械師Randy Gillepsie先生對(duì)這臺(tái)機(jī)床進(jìn)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(tái)機(jī)床。該機(jī)床除了能夠直接加工型芯和型腔以外，還可用于生產(chǎn)EDM的電極，以便加工模具中比較深的隱窩或難以達(dá)到的內(nèi)部轉(zhuǎn)角。這些電極是用銅加工而成的。
圖4 測(cè)量對(duì)于小型零件的加工是十分關(guān)鍵的。在刀庫(kù)中，儲(chǔ)存在探針旁邊
的是一種用于校驗(yàn)另一臺(tái)測(cè)量裝置的工具—機(jī)床的非接觸式對(duì)刀裝置
模具可以在熱處理前或熱處理后進(jìn)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(jīng)過(guò)電話(huà)咨詢(xún)，才能作出最后的判斷。對(duì)于這一機(jī)床的加工能力而言，采用亞毫米級(jí)的刀具進(jìn)行硬銑削加工是毫無(wú)疑問(wèn)的，其問(wèn)題是在于生產(chǎn)成本。采用硬銑削加工方法會(huì)加速刀具的磨損，而微型刀具的價(jià)格很昂貴。相對(duì)來(lái)說(shuō)，需要使用大量刀具進(jìn)行切削加工的模具，因其具有復(fù)雜的特點(diǎn)，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(zhǎng)期地保持鋒利的程度。
Bathen先生說(shuō)，這從來(lái)也不是加工車(chē)間的意圖，希望將這臺(tái)機(jī)床變成一種萬(wàn)能工具。加工車(chē)間可以在其他的加工中心上執(zhí)行它能夠完成的一切工作，甚至可以在精度不太高的機(jī)床上，為Kern公司完成工件的預(yù)備性工作。而且，仍然可以在帶有24個(gè)工位的自動(dòng)工件交換裝置上，很容易使一系列的模具和電極列隊(duì)，按次序進(jìn)行連續(xù)加工生產(chǎn)。此外，該加工車(chē)間還發(fā)現(xiàn)了這一機(jī)床的新用途，其中之一就是新支架模型樣機(jī)的快速生產(chǎn)。因此，對(duì)這一機(jī)床的需求正在不斷增加，但同時(shí)也給加工車(chē)間帶來(lái)了一個(gè)新的瓶頸問(wèn)題——即編程能力受到限制。
圖5 世界級(jí)技術(shù)公司的內(nèi)部刀具車(chē)間縮短了向金屬注塑模成形設(shè)備交付模具所需的時(shí)間
許多模具制造車(chē)間熟悉這一瓶頸問(wèn)題。在任何情況下，凡是機(jī)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(shí)，那么對(duì)編程的需求就會(huì)成為一個(gè)尖銳突出的問(wèn)題。Bathen先生說(shuō)，世界級(jí)技術(shù)公司所面臨的挑戰(zhàn)并沒(méi)有什么不同，實(shí)際上小型零件使問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。對(duì)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(jīng)意產(chǎn)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(wèn)題是，Kern公司的機(jī)床似乎需要經(jīng)常等待著程序的到來(lái)（加工車(chē)間需要盡快地解決這一問(wèn)題）。具有某種諷刺意味的是，小型模具似乎擴(kuò)大了對(duì)編程人員的需求。
