金屬注塑模（MIM）加工車間依靠一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的微型工件專用加工中心來生產(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。而另一加工車間則認(rèn)為這是兩種無足輕重的小型刀具。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，才足以適合于車間的粗加工生產(chǎn)，甚至可加工經(jīng)過熱處理、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，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MIM金屬注塑模生產(chǎn)制造，其型芯和型腔插件由該模具車間加工。

圖1  該加工車間使用了一種專門為高精度小型模具加工而設(shè)計(jì)的專用
立式加工中心。機(jī)床上的行程不超過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隊(duì)按次序進(jìn)行加工

Ashton先生說，最后提到的這個(gè)零件特別重要。保持車間內(nèi)的專業(yè)化水平和模具生產(chǎn)能力可以讓加工車間引進(jìn)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并使其更快地走向市場。即使這樣，過去這個(gè)模具車間的模具制造工藝一直沒有實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

在過去，該加工車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，該加工車間從德國的機(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門設(shè)計(jì)的，引進(jìn)這臺(tái)機(jī)床以后，該加工車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。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，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，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越小，因此徑向跳動(dòng)的公差更應(yīng)精確地控制。Rother先生說，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)，專門創(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)稁熘斜话惭b的刀具返回到刀庫時(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)床上來進(jìn)行測量，其測量精度可達(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  測量對(duì)于小型零件的加工是十分關(guān)鍵的。在刀庫中，儲(chǔ)存在探針旁邊
的是一種用于校驗(yàn)另一臺(tái)測量裝置的工具—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)過電話咨詢，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疑問的，其問題是在于生產(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)來說，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期地保持鋒利的程度。

Bathen先生說，這從來也不是加工車間的意圖，希望將這臺(tái)機(jī)床變成一種萬能工具。加工車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)也給加工車間帶來了一個(gè)新的瓶頸問題——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

許多模具制造車間熟悉這一瓶頸問題。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)尖銳突出的問題。Bathen先生說，世界級(jí)技術(shù)公司所面臨的挑戰(zhàn)并沒有什么不同，實(shí)際上小型零件使問題變得更加嚴(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題是，Kern公司的機(jī)床似乎需要經(jīng)常等待著程序的到來（加工車間需要盡快地解決這一問題）。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。