通過優(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)束的時候，該公司的負責人指著一些過時的EDM放電加工設(shè)備說，這些機床正在等待銷售處理。當然，這里指的是那些還未被新型EDM放電加工設(shè)備所取代的機床（圖1）。那是因為Quala-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公司的采購項目RyanMagaro擔任了我當天的導(dǎo)游，他說，該車間從淬火工具鋼元件精密細節(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用和時間。此外，它大大減少了鉗工在拋光清除重鑄材料時所需的二次工作量。因此，該車間的工裝周轉(zhuǎn)時間加快了很多，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Quala-Die公司的成功一直起著很大的作用。在訪問該公司期間，Magaro介紹了該車間在采用一種*不同的方式來創(chuàng)建復(fù)雜的粉末冶金模具元件時所取得一些經(jīng)驗和教訓(xùn)。
　　
　　向微加工方向發(fā)展
　　
　　DennisSchatz于1978年創(chuàng)建了Quala-Die公司，當時，這是一家只有兩個人的操作車間，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線切割機床和EDM模具加工機床、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)計和生產(chǎn)，用于創(chuàng)建粉末冶金金屬元件。事實上，該車間是美國zui大的粉末冶金壓縮模具供應(yīng)商。Quala-Die公司的重點集中在復(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：刀具往往會發(fā)生過量和難以預(yù)見的磨損，甚至引起刀刃斷裂。
　　
　　在Quala-Die公司對銅鎢電極微加工取得成功后，該車間開始對淬火模具組件采用微加工技術(shù)。四年前，該車間從MCMachinerySystems公司（當時MCMachinery公司的經(jīng)銷商為SharplesMachinery公司）購置了一臺四軸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節(jié)部位。根據(jù)MCMachinery公司提出的建議，Magaro與JayBall進行了，后者是SecoTools公司JabroMini系列實心硬質(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始時應(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有效的微加工工藝。
　　
　　Magaro認為，他可以將這些成功經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā)一種適用于淬火粉末冶金模具生產(chǎn)的微加工工藝，以減少對費時的EDM放電加工機床的需求。Magaro說：“隨著編程員JimCecchetti與Ball的再一次密切合作，建立了一個在淬火狀態(tài)下對粉末冶金模具組件進行微加工的穩(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)，加工工藝的各個方面，包括機床、CAM軟件包、刀柄和刀具都必須同心協(xié)力。這是因為在這么一個小比例工件上銑削加工時，諸如切屑負荷、跳動誤差和整體工藝穩(wěn)定性等問題都會被放大。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）機床
　　
　　該車間對粉末冶金模具的微加工工作是在轉(zhuǎn)速高達32000r/min的HC-658型機床以及在另一臺Roku-RokuVMC立式加工中心上執(zhí)行的，后者是一臺轉(zhuǎn)速高達30000r/min的VS-652型四軸加工機床，該車間在購買前一臺機床的一年半之后購置了這臺機床（圖2）。這兩臺機床都具備了硬質(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：“每臺機床配有油霧冷卻液輸送系統(tǒng)，這兩臺機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，這些機床的Z軸上還帶有熱膨脹補償功能，以滿足車間內(nèi)環(huán)境溫度微小變化的需要。”在這些機床上，采用測量長度和直徑的激光來執(zhí)行刀具的測量，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)說這種方法的跳動誤差極小。然而，該車間發(fā)現(xiàn)由于反復(fù)加熱和循環(huán)冷卻，因此隨著時間的推移，這類熱套刀柄會逐漸變形。變形的結(jié)果會導(dǎo)致微加工工作時的跳動誤差過量。現(xiàn)在，這個車間使用來自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式液壓機組成（圖3）。標準的刀柄經(jīng)過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4min時間，而操作員采用powRgrip系統(tǒng)換刀，只需24s時間（圖4）。Magaro指出：“這是非常重要的，因為操作員每天必須完成很多次的換刀作業(yè)。”現(xiàn)在，這個車間在執(zhí)行足夠量的微加工工作時，每天將消耗高達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)，其跳動誤差可以忽略不計。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，以方便排屑和提供足夠的幅面強度。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位的CAM軟件包，用于“標準尺寸”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，微加工需要更強大的功能，因為刀具路徑的細微差別，例如坡道角度和參與加工的速率，對zui大程度地延長小直徑刀具的使用壽命是非常關(guān)鍵的。Quala-Die公司現(xiàn)在使用來自西門子公司的NXCAM軟件，Cecchetti承認，此種軟件對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。該車間擁有這一軟件的四個席位，而每個編程員的每個工作站擁有兩臺計算機。一種手動開關(guān)箱可以使編程員設(shè)置一臺計算機，讓其驗證一個程序（這項工作可能需要花費長達2h的時間，此時，該計算機基本上無法執(zhí)行其他任務(wù)），然后切換到另一臺計算機上工作。
　　
　　在建立粉末冶金模具的編程參數(shù)時，該車間假定每個工件的硬度明顯地超過額定硬度值。Ball指出：“對那些材料進行微加工期間，切削深度和跨步不要過分，這一點非常重要。”螺旋插補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不應(yīng)該大于1°，精加工時不應(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：“微加工的關(guān)鍵之一是，使整個切削過程保持一致的切屑負荷。”這就是為什么它很重要的原因，以確定編程進給速度是否與機床能夠保持的實際進給速度相匹配。他指出，如果一臺機床不能使可編程進給速度，至少保持80%的周期時間，那么該可編程進給速度應(yīng)該下調(diào)到該機床保持的進給速度，以幫助確保一致的切屑負載。例如，如果該程序要求調(diào)用40000r/min的轉(zhuǎn)速和100in/min的進給速度，但機床只能保持50in/min的進給速度，那么該主軸速度必須削減一半，以確保其一致的切屑負荷。
　　　　新方法的管理
　　
　　在Quala-Die公司，機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，因為刀具壽命可以是不同的，這取決于被加工的粉末金屬的等級。雖然對各級別粉末金屬加工時的刀具使用壽命大致上是了解的，但操作員在每次運行后，仍需卸下刀具，并在該車間的MicroVu視頻測量系統(tǒng)上檢查其磨損的狀況（圖5）。Cecchetti指出，是在半精加工后進行檢查，這一點特別重要。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)，因此維持刀具的庫存量已成為一項挑戰(zhàn)性的任務(wù)。Quala-Die公司zui近安裝了一套從Iscar公司引進的雙控制箱Matrix矩陣式刀具管理系統(tǒng)，以減輕其工作負擔。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)會顯示出該刀具的抽屜位置。Magaro說，該系統(tǒng)可以使車間確定每一項加工業(yè)務(wù)所需的刀具準確成本。此外，他設(shè)置好電子郵件，將信息自動地發(fā)送給刀具經(jīng)銷商，以補充其所需的刀具。
　　　　充分利用現(xiàn)有輔助資源
　　
　　Magaro非常重視Ball多年來所給予的支持，他確信車間并不總是可以利用來自供應(yīng)商的幫助（圖7、圖8）。當然，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)驗和知識，車間可以利用這些知識提高他們的工藝水平。他不斷地向他們學(xué)習(xí)，并且他覺得只要保持開放的機會，別人也一定可以做到。

　　（作者：Derek Korn 來源：Modern Machine Shop）