模具制造捷径

作者：美国Modern Machine Shop杂志

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 实施以多工序加工为代表的自动化能够大大缩短模具的交货周期，具体措施包括减少工序间的辅助工作，提高标准化程度和协调各个有关工序 模具制造厂在许多方面典型体现了金属加工技术和操作范围的广度，他们加工的零件大多只有一次成功的机会，而且由于模具的交付周期日趋苛刻，他们必须使出浑身解数直对时间的压力。 典型的模具厂涉及铣削、钻孔、坐标镗孔、车削、磨削、EDM及热处理，这是制造模芯和模腔所需要的几个工序。经过模具厂制作的每件模具各不相同，需要模具厂不断地分析估计自己的加工能力，却几乎或者毫无比较基准。 一般说来，模具厂把各个操作看成生产线上彼此独立的工序，工件随着逐道工序通过加工车间，很象“流水作业”。有些工件需要经过模具厂的全部工种，另一些工件可能只需要现有加工能力的一小部分。 在这种生产方式下，自动化普遍被视为约束工作流程灵活变化的羁绊，而模具厂必须保持操作工序的灵捷可变性。在加拿大多伦多市的Unique Mould Makers，我们发现了重新审视“自动化适合于大批量生产”之成功秘诀的模具厂，本文看看他们在理顺、简化模具生产方面作了哪些工作，该厂采用自动上下料的组合机床加工包装盖和包装盒的模具，他们的经历很独特。 产品 许多成品看上去非常简单，往往令它们背后的技术黯然失色。例如包装罐用的塑料盖、螺旋盖、儿童安全药瓶盖以及其它任何塑料盖，几乎都不会得到用户的注意，除非它们不好使。Unique Mould Makers开辟了良好的业务并制造技术复杂的模具，他们的复杂模具使用户几乎或丝毫不理会封盖包装物的最终产品。 Unique Mould Makers 生产多腔模具，同一组模具的模芯和模腔有96个之多，各个模具的模芯和模腔数量变化不定，生产批量也变化无常。 每个模芯和模腔可能包括五、六个不同的零件，注塑加工塑料盖的循环时间大约是8秒钟。 同大多数模具厂一样，Unique制造的产品规格齐全，从比较简单的模具（在模具打开的同时顶出模塑件—盖子），到复杂的可拆卸模具（由机械或液压传动使模芯与盖子的螺纹分离。） 每套模座上的模芯和模腔都非常关键，合模时它们合在一起，从而产生瓶盖或盒罩。该模具厂基本上有两条并行的生产线，可以在加工模芯和模腔的同时加工模座。 每件模具通常有一个模座，因此模座很少阻碍生产流程。相反，模芯和模腔由于数量随模具变化不定并且比较复杂，体现了Unique改进生产能力的极大潜力。 棘手问题 在Unique Mould Makers服务的市场上有一条最重要的真理：缩短交付周期是加盟“大模具厂商”行列（如同客户定义的Procter和Gamble、Lever Brothers以及Kraft等等）的头号使命。 “我们的客户不喜欢等待，”Unique 总裁Tony Grossi说，“ 这些大公司一旦决定在某种包装上采用新的盖子或盒子，便希望尽快制造出来。假如我们不能够为这些公司及时地提供良好的模具，别人就会提供。事情就这么简单。” 两三年前，Unique对自己的生产运作进行了不容怀疑的分析，和大多数模具厂一样，每个模具部件的加工须从一台孤立的机床转到另一台孤立的机床。 加工复杂模芯和模腔时，车、铣操作成了细脖子环节。在速度较快的车削循环和比较慢的铣削和钻孔工序之间也存在顾此失彼的老问题。另外还有工件两次装卡和调整两台机床的麻烦，在车床和加工中心之间来回转件耗费了宝贵的交付期限。 CNC工段段长Will Haire 说：“任务送到加工车间时，有许多工时分配给车铣组，如果车铣进度落在后面，我们就必须转包或者加班才能跟上整个生产进度。以前我们大约转包30%的车铣工作量，太多了。” 摆脱车铣瓶颈 因为Unique模芯和模腔是圆形的，车削在加工中的作用很大。另外为了配接冷却管线，每个模芯和模腔需要钻一定数量的精确孔，其中有些孔是斜的，因此至少需要4轴加工。 Grossi说：“我们开始分析车铣工艺时，基本上提出了三个解决车铣瓶颈的方法。第一个也是最显而易见的，就是直接增加车铣能力。第二个方法是采用带有活动刀架的车削中心。第三个选择是以Mazak Integrex 系列为代表的多工序机床。我们选择了第三个途径。” 根据Grossi及其生产人员估算，添置铣床和车床只会加剧工序间已有的瓶颈问题。 尽管车削/铣削能力当时接近工厂的需要，但是由于转塔刀架的刀具容量欠缺，不足以进行无人照看的全自动加工。该厂去年5月收到第一台Integrex机床，这台机床的刀具容量为40个，可根据需要组合车刀和铣刀的数量。 多工序机床给Unique带来的结果是把车铣工段工序间的准备工作几乎减少到零，该机床是一台具有车削功能的加工中心。 毛坯进入机床，出来的便是加工好的零件，只需要一次装卸，工件自然而然地通过机床，几乎或根本不需要操作人员的干预。 由于工件一次装卡，所以尺寸精度比较高。大部分模芯和模腔从原始状态开始加工，然后从铣床/车床到热处理。磨削在淬火后进行，“我们用这些新机床达到了加工精度的一致性，因此可以减小零件的磨削余量。”Grossi说。 Unique所用的这类多工序机床在模具制造厂比较罕见，更为少见的是该厂去年10月安装的两台Integrex双主轴、自动上下料机床。 Grossi回忆说：“我们安装第二台和第三台多工序机床时，不止一个员工感到疑惑—批量一般只有24～36件，为什么机床还装有龙门式的自动上下料机构？” 除了减少工序间的辅助工作以外，Unique 已经实现的节约还包括机床的设置时间，现在不再是为了装卡同一个零件而调整一台车床和一台加工中心，而是让一台多工序加工机床准备就绪。准备工作包括适当调整自动上下料器的抓爪以及主轴、辅助主轴的卡盘，正确选择刀库的刀具组合，并选择程序。 Unique添置机床仅有几个月，因此程序设计在准备时间上占了最大的一块，通常要用3个小时，多半时间花在程序输入上，程序输入在加工现场进行。 后台程序设计有益于提高效率，使操作人员能够在运行一个程序的同时输入另一个零件的程序。Haire 先生深信，随着CNC经验的增加和程序数据库的建立，编程时间定会明显减少。 通过标准化提高灵活性 Unique 很快便认识到，多工序处理不仅仅是一个加工站，而是关系到机床上下工序的全部机加状况。 Unique组合模具的大多数模芯和模腔是用棒料切割的毛坯，材料为H-13和420不锈钢、D2钢及铍铜合金。目前该工厂存储6种不同规格的棒料，直径范围大概是1.5～7英寸。 “我们希望把仓储的棒料规格从现有的6种减少到3种，”Grossi说道，“这样做的好处是能够减少上下料机构所用的抓爪和卡盘卡爪的套数，以简化装卡工作。这样还可节约材料采购费，因为我们可以购买比较大的批量，同时也能简化原材料的库存管理。” 他接着说：“除此之外，尽管某些零件的切削量可能比较大，但是总体的节约足以补偿额外增加的一点儿切削时间。我们不断学会根据所有零件的总和、而不是累加彼此孤立的时间单元来考虑我们的制造工艺。” 这对工作进度的安排也有影响，Haire说：“如今当我们作运行准备时，我们会着眼于下一项任务并尽量调整计划，以便让一族零件迅速流经机床。连续加工几何尺寸相似的零件可以节省更换时间，并有利于保持较高的主轴使用率。这种方式使我们区别对待不同的作业计划。” 刀具标准化是实现大幅度节约的另一个方面，由于刀库有40个刀位，Unique技术部门正在考虑采用标准刀具柜进行加工的方法。Grossi说：“我们要求工程师们以圆弧半径和冷却液注孔为例进行量化分析，证明标准化尺寸非但不会影响模具的性能，反而能够对模具的可加工性产生积极的影响。” 效果 在效果方面，添置多工序加工机床为工厂带来了额外的加工能力，Unique原先使用的全部车床和铣床现在可以用来加工其它零件。 Grossi说：“过去为了赶进度必须对外转包的工作，现在我们基本上能够完成，必要时在专用车床和铣床上加工，这使20～30% 的车铣任务重新回到我们的直接控制之下。当然，只要需要，我们依然可以转包。” Unique改进车铣操作之前，模具交付周期一般为20 至24周。“我们使用多工序加工机床完成的第一套模具比报价提前3个星期交付。”Grossi说，“紧接着的一项任务又提前了3周，所以我们考虑把报价的交付周期缩短到16 或18个星期，这对我们的业务是很好的新事物，因为交付周期已经成为首当其冲的驱动力。” 另外，由于基本上避免了转包加工，制造成本也在减少，Unique除了根据客户的要求定制模具以外（定制模具占其业务量的90%），始终在考虑增加标准模具的加工量。Grossi 说 ：“降低制造成本使我们更富竞争力，并为我们开辟了新的潜在市场。” 制订计划 一年前车铣操作还是生产上的制约环节，采用多工序机床以来，这些操作的生产量很快得到30~50%的改进。 现在，制约生产的环节是磨削工序，Unique也在利用新机床解决这个问题。正如Grossi 所说，“我们已经看到车铣加工能力的改进，目前正在全厂查找生产上的细脖子。在改进磨削操作后，我们将着眼于下面的EDM工序。激光束加工机也许可以较快完成现有EDM所加工的任务。我们的目标是缩短模具的交付时间。” Grossi预计在不久的将来还会发生一些改进，这就是在多工序机床上采用“硬车铣”技术。“我们先加工原始状态的模芯和模腔，然后把它们送出去热处理，零件经过热处理之后再磨削。切削淬硬状态的零件可以避免工序之间进行热处理的周转时间，从而缩短整个流程。” 该厂已经实现以多工序加工为代表的自动化，并且在经营中取得了很好的效果，这是Unique在极其严峻的市场环境下赖以竞争的利器。了解该模具厂如何制造产品很重要，知道哪些产品使得该模具厂趋于本行业之首同样重要。 多工序加工纵横谈 机床基本上朝着多工序的方向发展已有相当一段时间，加工中心是其中一例。加工中心借助于换刀装置，可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝及其它操作，而在过去每种操作分别属于不同专用机床的加工范畴。 同样，装有活动刀具的车削中心除了车削以外也可以切削键槽、钻中心孔并进行其它中心型切削操作。然而车/铣机床都受到转塔刀架刀具容量的限制。 Mazak和其它几个机床制造厂商提出了制造所谓新型机床的思想，这些新机床取消普通的转塔刀架，代之以可供换刀装置存取刀具的枢轴结构，这样基本上难以区分机床的操作种类。 新机床本质上是安装在多工位数控车床床身上的加工中心，其主轴在伺服控制下提供5000 rpm 车削和分度式外形加工双重功能。主轴中心线上还有一个辅助主轴，使工件可以脱离主轴并接受反向切削。 铣刀轴以10马力电机带动刀具，刀杆转速6000 rpm。铣刀轴托架上的Y轴具有完满的3向控制能力，与此同时，倾斜轴和外形加工C轴为机床附加了第4和第5轴切削功能。 支持开发这些机床的总体思想很简单—次装卡工件并在工件的各个侧面完成车、铣、钻孔和攻丝操作。有些机床正在采纳多工序加工的原理，除了车铣以外还包括磨削和利用激光器局部淬硬等操作。 在金属加工方面，实际的用途主宰着工艺技术的选择。无论如何，多工序加工机床这一理念越来越引起Unique及其它模具厂的注意。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/29/2004)