將關(guān)鍵的模具表面銑削加工到最后的尺寸，或是加工到不足“十分之一”裕量的尺寸，從理論上說來已經(jīng)沒有留下任何誤差余量。這樣做需要對加工工藝的每一個步驟都信心十足并且絕對確信。
Redoe Mold公司和Eifel Mold & Engineering公司代表了模具車間類型的兩個極端：Redoe公司是一家擁有100多名雇員和多種模具制造設(shè)備的國際公司；而Eifel公司則是一家只有15名員工的家族式模具企業(yè)。Redoe公司專門從事大型、復(fù)雜的車燈模具生產(chǎn)；Eifel公司則是以方向盤和內(nèi)飾儀表板模具生產(chǎn)而著稱（圖1）。
圖1 零裕量加工的實(shí)踐，適用于大型、復(fù)雜模具的元件，例如圖中Redoe公司生產(chǎn)的這種汽車尾燈模具的型芯
這兩個車間的相同之處是：它們都在全面致力于零裕量加工。也就是說，在關(guān)鍵模具表面的銑削加工中不再保留多余的加工裕量（除了因刀具磨損、精度不足或無法控制的工藝變量所導(dǎo)致的特殊情況），即加工后沒有利用手工打磨進(jìn)行糾正或補(bǔ)償?shù)臋C(jī)會。
然而，在銑床上直接加工出幾乎完美的模具表面，需要繞過幾個增加模具生產(chǎn)時間的步驟。材料淬硬后可采用粗加工、半精加工和精加工操作（對于小型模具而言，通常可以在一臺機(jī)床上通過一次性裝卡調(diào)試就可以完成這些操作）。在加工后很少或根本不需要手工打磨（如果光學(xué)質(zhì)量的模具要達(dá)到鏡面級的表面光潔度，可能會需要采用金剛砂軟膏進(jìn)行拋光，但也僅此而已）。在較小的模具上，花費(fèi)在糾正壓力機(jī)驗(yàn)證型芯與型腔之間對準(zhǔn)度上的時間從幾天減少到幾個小時，花費(fèi)在較大型模具上的時間從幾個星期減少到一兩天。在大多數(shù)情況下，采用零裕量加工生產(chǎn)的模具，可在客戶的注塑模加工生產(chǎn)中更長時間和更有效地運(yùn)行。采用零裕量加工策略達(dá)到的最高效率，能夠幫助這兩家企業(yè)在全球范圍內(nèi)提供價格極具爭力的產(chǎn)品，并及時交貨。Redoe公司和 Eifel公司的實(shí)踐證明：這種技術(shù)既適用于小型模具公司也適用于大型模具公司，并能夠取得良好效果。
成功的零裕量加工依賴于生產(chǎn)技術(shù)中四個領(lǐng)域的協(xié)調(diào)發(fā)展：適合于高速加工的高剛性、超精度加工機(jī)床、靈活和高重復(fù)精度的工件夾具、刀尖半徑極其精確的剛性刀具夾座、在無燈光作業(yè)模式下能夠生成高精度加工刀具路徑的CAM軟件。Redoe公司和Eifel公司對零裕量加工所需的硬件和軟件已準(zhǔn)備就緒。更重要的是，這兩個車間都具備了一支充分理解和掌握無錯加工方法的隊伍，從而可實(shí)現(xiàn)模具加工中所需的零裕量加工。
共同基礎(chǔ)
雖然Redoe公司和Eifel公司在實(shí)施零裕量加工方面存在的區(qū)別令人興趣十足，且非常重要，但這兩個車間之間的共同點(diǎn)也很明顯。雙方負(fù)責(zé)人都是這一策略的支持者，并且保持著科學(xué)客觀的態(tài)度。Eifel公司總裁兼首席執(zhí)行官Rick Hecker先生和Redoe公司Eric Leene先生的工作都是負(fù)責(zé)將零裕量加工技術(shù)應(yīng)用于各自的車間，并確保嚴(yán)格按照程序執(zhí)行，使其與新技術(shù)的發(fā)展保持一致。并且這兩個車間主要從事汽車模具的生產(chǎn)。
Redoe公司專門從事汽車大燈、尾燈和反光鏡模具的加工，這些組件從本質(zhì)上決定了汽車的外觀。“設(shè)計師們正在以微小的拔模角度和光線折射紋理圖案創(chuàng)建較長和較深的3D形狀，以產(chǎn)生令人注目的視覺效果。”Leene先生解釋說。這意味著相應(yīng)的模具要有更深的隱窩、更復(fù)雜的輪廓和更精密的間隙等特點(diǎn)，這使得加工面臨新的挑戰(zhàn)。成型元件的光學(xué)表面質(zhì)量要求會將最細(xì)微的缺陷放大，以至于破壞您所需的表面效果。
圖2 這個方向盤模具型腔的近視圖可顯示出其加工時的表面質(zhì)量，
按照“模型”進(jìn)行零余裕量加工，需要機(jī)床、刀具組裝件和CAM編程具有極高的精度
Eifel公司也面臨著相似的壓力，但這是來自消費(fèi)者從車內(nèi)獲得的感受。“方向盤外觀不但看起來要漂亮，而且手感更要舒適（圖2）。”Hecker解釋說。模具必須滿足這些關(guān)鍵的需求。另一個影響到模具加工審美的實(shí)例是儀表板的框架。這些問題同樣會影響到Eifel公司生產(chǎn)模具的標(biāo)準(zhǔn)。例如，透明框架的部分必須按照型芯和型腔中的 A級表面質(zhì)量進(jìn)行精加工。
小車間的大成就
Eifel公司和Redoe公司全都采用零裕量加工生產(chǎn)，每個車間則是按照自己的方式實(shí)施這一概念。其最大的區(qū)別在于各車間按照其最有效的加工策略進(jìn)行工作。Hecker先生認(rèn)為，在Eifel公司零裕量加工大約在2005年已經(jīng)開始。他在Single Source Technologies公司（以下簡稱“SST”）工作時，就開始接觸這一概念，這是一家在Auburn Hills附近的技術(shù)供應(yīng)商。大約在12年前，SST公司率先推出這一策略，這種工藝為許多模具車間帶來了光明，其中就包括Eifel公司和Redoe公司。
兩臺來自Hermle 公司的立式加工中心是Eifel公司零裕量加工的主要生產(chǎn)設(shè)備。2008年，該公司安裝了一臺C40型機(jī)床；2011年又安裝了一臺微小的C30型機(jī)床。新機(jī)床采用高壓和通過主軸傳送冷卻液的方式進(jìn)行冷卻，并采用帶有冷卻液孔的新一代硬質(zhì)合金涂層刀具，事實(shí)證明其對銑削和鉆削加工是很有價值的。否則，這兩臺機(jī)床將沒有多大的區(qū)別。這兩臺機(jī)床都配有旋轉(zhuǎn)工作臺，在第四根軸和第五軸根軸的兩端，采用耳軸支持（圖3）。
圖3 在Eifel公司的Hermle C40和C30型五軸加工中心上，配有一套旋轉(zhuǎn)工作臺，其兩側(cè)由耳軸支持，提供有第四軸和第五軸
Hecker先生說：“我們之所以選用這些機(jī)床，因?yàn)槠渚哂袠O高的精度和剛性。”對于Eifel公司來說，采用耳軸式的配置是特別重要的，因?yàn)樵撥囬g更傾向于盡可能使用3+2加工。在這種加工模式下，旋轉(zhuǎn)軸被用作工件的導(dǎo)向，這樣三根軸（X、Y和Z軸）就可同時進(jìn)行切削加工。
按照Hercker先生的說法，對于帶有很小很深隱窩和很多凸緣的模具來說，采用3+2加工是非常理想的。
其主要的優(yōu)勢之一是，只要使用較短和剛性更好的組合刀具，就能夠達(dá)到工件的加工面。剛性更高的刀具，增強(qiáng)了零裕量加工概念核心中的高速加工技術(shù)（HSM）。HSM高速加工技術(shù)涉及到用高進(jìn)給速度與緊密間隔的步距進(jìn)行輕切削加工。“一把剛性良好的短刀具將可承受較高的進(jìn)給速度，不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而我們就可以用最佳的切削深度達(dá)到最佳的切屑負(fù)荷，即使是直徑小于1mm的刀具。”Hecker先生解釋說。這也有助于該車間可以在這些機(jī)床轉(zhuǎn)速為18000r/min的主軸上實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷生產(chǎn)。
當(dāng)然，3+2加工所固有的優(yōu)勢刀具策略，得到其他零裕量加工先決條件的支持，例如HSK刀具接口和經(jīng)過平衡的熱套刀夾，如來自Haimer USA公司的Slim-Line式錐形長刀夾。對于半精加工和精密加工而言，Eifel公司通常采用球頭立銑刀。對于直徑為0.020in（1in=25.4mm，下同）或小于該尺寸的刀具，該車間采用來自SST公司的NS Tool刀具產(chǎn)品。如果是較大的刀具，該車間一般從DIJET公司購買。首要考慮的因素是刀尖半徑的精度（精加工操作的標(biāo)準(zhǔn)精度是±0.0002in），精加工走刀時的跨步間隔可能接近0.0005in。
Eifel公司依賴3+2加工對CAM編程也有影響。對于所有的零裕量加工，該車間采用來自Delcam公司的PowerMILL軟件。該車間數(shù)控經(jīng)理Gary Schulz先生說，這款軟件對這個加工策略具有特別的價值：可選用多種方式使刀具接近工件表面。“在達(dá)到深口隱窩底部的狹小空間時，接近角可能會受到限制，所以最好是有多種可選用的方法。這一切都是為了使刀具在接觸工件時能夠得到很好的保護(hù)。”Schulz先生解釋說。
具有亮點(diǎn)的其他功能是其對庫存模型的可視化功能。PowerMILL軟件可顯示出前一把刀具加工操作后遺留在其背后的材料。這允許編程員選擇“其余加工”選項所需的下一把較小的刀具。“此功能有助于我們能夠確定，這把刀具是否會遇到意想不到的材料。”Schulz先生說。
最后，在3+2操作過程中，先進(jìn)的碰撞檢測法將能提供另一個層次的保護(hù)功能。Schulz先生說，在計劃3 +2加工時，可以很容易地想到工件表面和刀尖的問題，而忽視考慮其附近的幾何形狀和整個刀具組裝件的形狀。他解釋說，通過碰撞檢測可能會捕捉到造成刀具斷裂或主軸頭毀損的疏漏問題。
大模具 大效益
由于多種原因，零裕量加工技術(shù)更容易被生產(chǎn)小型模具的車間所接受。生產(chǎn)較大和復(fù)雜模具的車間，起初將零裕量加工看作是一種風(fēng)險很大、很昂貴和很困難的加工。在Redoe公司，Leene先生不同意這種說。隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，已大大緩解了在大型工件上進(jìn)行零裕量加工的風(fēng)險和困難。
Leene先生指著車間內(nèi)兩臺來自牧野公司的MCC 2013型六軸臥式加工中心作為例子向我們介紹，這些機(jī)床是Redoe公司加工大型模具型芯和型腔的核心設(shè)備，精加工后很少或無需后續(xù)手工打磨（圖4）。“這些機(jī)床整天加工的公差精度可保持在±0.001~0.002in。”Leene先生肯定地說，“這種極端精度，既可靠又精確，使我們可以加快模具的生產(chǎn)速度和大幅度減少模具的逐點(diǎn)打磨時間。”
圖4 Redoe公司從牧野公司引進(jìn)的MCC2013VG型機(jī)床是一臺六軸臥式加工中心，
其工作面積為1500mm×1200mm，具有六軸加工能力
在Redoe公司，“零裕量加工”通常意味著關(guān)鍵的模具表面可以切削加工到-0.001in的狀態(tài)。確切地說，達(dá)到CAD所規(guī)定的幾何形狀之下的水平。其原因可以追溯到Redoe公司生產(chǎn)的模具尺寸。“我們經(jīng)常需要用15in或18in長的刀具切削加工，我們可以預(yù)測到會出現(xiàn)略微的偏差。如果發(fā)生這樣的情況，可將其切削加工到負(fù)公差狀態(tài)，允許其出現(xiàn)那種偏差。此外，當(dāng)零件的尺寸被切削加工掉0.001in時，插件和挺桿極有可能會自動下降就位，無需匹配。對我們來說這是非常理想的一點(diǎn)。”Leene先生解釋說。
出現(xiàn)負(fù)裕量的情況，說明他對這些機(jī)床充滿了信心。雖然這種方法看起來會增加其表面達(dá)到低于可接受公差的可能性，但Leene先生并不擔(dān)心。他說：“有了這些機(jī)床，我們從來沒有碰到過需要焊接的情況。
”這里指的是：在實(shí)踐中，將新的材料堆焊在模具的表面上，以便再次加工，作為一種糾正補(bǔ)救措施。
Redoe公司的第一臺MCC2013型機(jī)床在2007年安裝。這臺機(jī)床標(biāo)志著該車間的大型模具零件開始向臥式加工方向過渡。事實(shí)證明，機(jī)床的臥式配置具有一定的優(yōu)越性，因?yàn)樗峁┯懈玫呐判脊δ堋⒏蟮膿Q刀裝置、具有多次調(diào)試設(shè)置的更大空間、減少了每一個模具的調(diào)試設(shè)置次數(shù)，因?yàn)樗梢越咏ぜ亩鄠€加工面。
采用臥式加工鼓勵車間探索使用更加靈活的工裝夾具。而Eifel公司發(fā)現(xiàn)，在立式加工中心上加工小型工件，采用磁性夾座是非常理想的，Redoe公司需要在標(biāo)尺上使用模塊化的集成夾具系統(tǒng)，使其能夠迅速、精確和重復(fù)地夾緊固定大型模具工件。采用FCS系統(tǒng)的夾具組件，它使用精確的參考基準(zhǔn)點(diǎn)，以確保精確的重復(fù)定位精度。
北美市場由SST公司負(fù)責(zé)分銷FCS System公司的夾具，該系統(tǒng)由基板組成，配有公用定位孔網(wǎng)絡(luò)，通過接口與模塊式安裝立柱連接，而安裝立柱以直立的位置附裝于模具基座上（圖5）。將安裝立柱中的夾緊圈在定位孔中擰緊，以提供一個正向的位置。安裝立柱也有夾持模具基座，使其與工作臺保持一定的距離，以增加五軸加工的間隙。支持托盤化作業(yè)為將來實(shí)現(xiàn)更高的自動化生產(chǎn)水平開創(chuàng)了一條道路。
圖5 由FCS System公司提供的一套以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的精密夾具系統(tǒng)，
可以讓Redoe公司將大型模具基座從一臺機(jī)床上搬移到另一臺機(jī)床上，
不需要建立指定的位置，帶定位銷的立柱與每臺機(jī)床上安裝的基板網(wǎng)絡(luò)模型孔接口連接
第二臺MCC2013型機(jī)床在2011年初安裝。與原先這類機(jī)床的明顯區(qū)別是，牧野公司的VG（可變幾何形狀）技術(shù)是為六軸功能服務(wù)的。在這種情況下，第六軸是一個內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)工作臺，具有相同的精度和剛性，但增加了更大的靈活性。Leene先生說，接近模具功能的改進(jìn)是其一個很大的優(yōu)點(diǎn)，這對Redoe公司來說是特別重要的。例如，為了接近深圓角，機(jī)床可以編程處理，除了使A軸和C軸旋轉(zhuǎn)外，還可對B軸進(jìn)行分度。實(shí)際上，這可使壁體傾斜，離開刀具的側(cè)面。
此外，支撐結(jié)構(gòu)一端的設(shè)計具有更好的可接近性，使長度較短的刀具可以伸展到深圓角的位置。“為了以必要的剛性保持我們所需要的精度，對困難的深度加工部分，采用負(fù)裕量加工是十分必要的。”Leene先生解釋說。六軸VG技術(shù)的另一個優(yōu)勢是其可伸展11in的大型關(guān)節(jié)。在典型的多軸機(jī)床上，這個距離要短得多，可能會造成干擾，因此需要更長的刀具組裝件。
Leene先生說：“這里的最主要的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)量更高，我們可以讓這臺機(jī)床保持每天24h和每周7天的切削加工。”
Redoe公司零裕量加工策略另一個值得注意的方面是：決定保留MCC2013型機(jī)床，主要是為半精加工和精加工操作提供服務(wù)。Leene先生說：“我們可以在這些機(jī)床上進(jìn)行粗加工作業(yè)，但我們選擇采用具有較高扭矩和較低主軸轉(zhuǎn)速的東芝鏜銑床。”這一策略之所以可行的一個原因是：當(dāng)工件從一臺機(jī)床轉(zhuǎn)移到另一臺機(jī)床時，其共同的FCS工件夾具系統(tǒng)可最大限度地減少轉(zhuǎn)換時間，而不會降低其定位精度。
當(dāng)然，Redoe公司在刀具和CAM編程能力方面，堅持零裕量加工所要求的原則。直徑3mm和小于3mm的刀具從NS Tool公司采購，而較大的刀具則由OSG Tap and Die公司提供。至于在編程方面，該車間采用來自于CGS North America公司的CAM-Tool軟件，用于要求達(dá)到光學(xué)級表面質(zhì)量的模具編程。Leene先生說，這款CAM產(chǎn)品的強(qiáng)度是一致的，在高速精加工走刀過程中，它始終保持穩(wěn)定的切削負(fù)荷。這些加工通常涉及到一把2mm的球端銑刀，其相互之間的步距間隔為0.0015~0.002in。五軸機(jī)床的所有其他編程都采用Delcam公司的PowerMILL軟件，并在車間內(nèi)進(jìn)行處理。
共同的理念
將零裕量加工稱之為模具車間的一種 “生活方式”，是毫不夸張的。在這種生活方式的背后，有一套哲學(xué)理論，Hecker先生和Leene先生都認(rèn)為其是必不可少的。這些原則分為三部分：人員、工藝流程和技術(shù)。
1.人員
車間的工作人員必須對他們的團(tuán)隊能力充滿信心，確信他們能夠生產(chǎn)出近乎完美的模具表面。在生產(chǎn)技能和工作經(jīng)驗(yàn)方面，機(jī)床操作員和編程員必須在互相溝通和尊重的基礎(chǔ)上，相互信任。每個團(tuán)隊成員都必須承擔(dān)起責(zé)任，使生產(chǎn)原料的產(chǎn)出達(dá)到最大化，包括最充分地利用無人化加工生產(chǎn)的能力。
必須充分理解，諸如零裕量加工這類先進(jìn)技術(shù)，代表了最好的工作安全性，因?yàn)樗鼈儗τ诰哂懈偁幜Φ膬r格和及時交貨是必不可少的。車間里的每個人都是一個利益共享者。
2.工藝流程
在加工后很少需要處理或無需處理的模具表面加工生產(chǎn)，要求采用一套系統(tǒng)的方法。工藝流程中的所有組件必須做到無縫連接，相互配合，中間不能有薄弱的環(huán)節(jié)。
加工后模具表面的精度和平滑度，取決于工藝流程中每一個加工步驟的內(nèi)在固有精度，包括高精度機(jī)床性能、高精度刀具路徑指令以及高精度刀尖半徑。高產(chǎn)量是其首要目標(biāo)之一。零裕量加工技術(shù)大大加速了模具的生產(chǎn)，但并沒有增加車間內(nèi)工作人員的數(shù)量。
3.技術(shù)
車間內(nèi)應(yīng)配置合適的加工設(shè)備，包括機(jī)床、刀具、CAM軟件和工裝夾具，這是一個不能妥協(xié)的要求。根據(jù)整個模具生產(chǎn)過程中的整體節(jié)約總量考慮，作為一個工程包，投資購置全套技術(shù)組件可以而且應(yīng)該是合乎情理的。
技術(shù)并不是一成不變的。致力于零裕量加工的模具車間，應(yīng)該始終不渝地為下一階段尋求最新的發(fā)展前景，并期望繼續(xù)不斷地增加投資。應(yīng)用自動化技術(shù)是至關(guān)重要的。利用自動化技術(shù)縮減勞動時間，使生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)出達(dá)到最大化是其首要目標(biāo)。
塑造未來
根據(jù)其性質(zhì)，零裕量加工要求將全部精力集中在當(dāng)前的時刻。然而，Leene先生和Hecker先生顯然將重點(diǎn)著眼于未來。每個人對其車間下一步需要做什么工作都有一個明確的想法。他們的計劃涉及到更多的自動化生產(chǎn)，以提高機(jī)床的產(chǎn)量，而不增加勞動力的投入。具體來說，Redoe公司正在為另一臺六軸MCC2013 VG機(jī)床，制訂ROI投資回報率計劃。而Eifel公司正在尋找一個新廠房的位置，以便有充足的空間安置機(jī)床，使其具有更好的工作流程和實(shí)現(xiàn)托盤化生產(chǎn)。
使這兩個車間脫穎而出的原因是：他們確信，在北美生產(chǎn)制造模具確實(shí)是很有前途的。SST公司副總裁Keith Kauzlerich先生認(rèn)為，看到這些本地公司重獲全球競爭能力將會給他帶來很大的鼓舞。“我看到很多公司對這個行業(yè)的未來再次充滿了信心。十年前，模具車間已瀕臨絕望的境地。那些幸存下來的企業(yè)已發(fā)展得更為強(qiáng)大，正所謂適者生存。”Keith Kauzlerich先生說，“零裕量加工是一項以技術(shù)為基礎(chǔ)的工藝，可以使企業(yè)下定決心，采用一種專用刀具。這是一個關(guān)鍵性的適應(yīng)過程，只有通過這一過程才能使其發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變。”
最重要的是：這種方法可以創(chuàng)建一個良好的車間環(huán)境，在這個環(huán)境中，一個有能力的員工可以感受到它的動力和活力。“這是一種車間的生活方式，正在吸引著模具制造商的新一代青年俊才。”Hecker先生說。
