摘 要： 當(dāng)今社會(huì)，大型模具的需求量迅速增長(zhǎng)，從純平電視機(jī)到汽車的儀表板，設(shè)計(jì)者一直在推進(jìn)模具的尺寸和復(fù)雜性。鑒于這個(gè)事實(shí)以及巨大的市場(chǎng)需求，許多工廠都在大型模具加工這一領(lǐng)域?qū)で笕蚋?jìng)爭(zhēng)的良機(jī)。那么，為什么不是每個(gè)廠家都生產(chǎn)大型模具呢？這是因?yàn)槠渲杏泻芏鄿?zhǔn)入的障礙，重要的一點(diǎn)就是大型模具的加工非常困難。原有的技術(shù)導(dǎo)致了循環(huán)周期長(zhǎng)，進(jìn)步速率緩慢以及長(zhǎng)時(shí)間的手工拋光。然而，高性能的加工技術(shù)卻能夠使得大型模具加工和小型模具加工變得更加相似。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于大型模具的加工問(wèn)題的解決方案也將隨之出現(xiàn)了。
1 大型模具的問(wèn)題
處理大型模具的尺寸和重量是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這意味著經(jīng)常要付出額外的勞動(dòng)、對(duì)專用工具的需求、多樣的設(shè)備以及潛在的誤差。如果選擇合適的加工中心來(lái)生產(chǎn)大型模具，許多問(wèn)題就可以減輕或者避免，同時(shí)也能夠簡(jiǎn)化設(shè)備，完全轉(zhuǎn)變潛在的精確性問(wèn)題。
生產(chǎn)大型模具大的花費(fèi)是機(jī)械成本。能夠生產(chǎn)大型模具的機(jī)器都非常昂貴，因此，擁有多功能的機(jī)器是進(jìn)入這一市場(chǎng)的首要條件，例如，加工毛坯和拋光。一旦選擇了合適的機(jī)器，即使在同一臺(tái)設(shè)備上，也能夠進(jìn)行毛坯加工和拋光，且保持精確性。
2 大型模具的機(jī)器設(shè)計(jì)
為了計(jì)量普遍的精確度和關(guān)注大型機(jī)器，我們必須研究一臺(tái)大型模具加工中心必要的幾個(gè)設(shè)計(jì)特性。
（1）鋼鐵鑄件和能夠處理熱量的心軸
任何一臺(tái)用來(lái)打磨大型部件的機(jī)器首要的設(shè)計(jì)就是大型的鋼鐵鑄件和一根能夠處理熱量的心軸。在機(jī)器成型、增強(qiáng)硬度和降低熱量等方面，鋼鐵鑄件仍然是穩(wěn)定的材料。
至于心軸，則必須采用內(nèi)部技術(shù)來(lái)進(jìn)行冷卻，以確保心軸不會(huì)自燃或者由于高溫產(chǎn)生誤差。
為了使大型模具的表面達(dá)到好的質(zhì)量要求，需要一臺(tái)機(jī)器和工具來(lái)大幅度減少二次放電加工和手工拋光的時(shí)間。加工大型模具通常都需要幾天的時(shí)間，由于在加工的時(shí)候，外部條件會(huì)發(fā)生變化，要達(dá)到必要的精確度，就必須考慮到這些變化。一臺(tái)不是用來(lái)切割大型模具的機(jī)器在室溫10攝氏度的情況下會(huì)改變6度機(jī)器圓柱的溫度，也會(huì)導(dǎo)致軸心角平面發(fā)生0.070mm的改變。
（2）熱量穩(wěn)定技術(shù)
從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，如果應(yīng)用了熱量穩(wěn)定技術(shù)，相同的環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致3度柱體的溫度變化，或者軸心角平面改變0.030mm。然而，機(jī)器的設(shè)計(jì)以包括了環(huán)境熱量影響，避免外部空氣影響部件的加工。如果選擇的機(jī)器是熱量恒定的，就會(huì)減少配料混合的難題，從而減少手工拋光的需要。
（3）速度
需要考慮的第二個(gè)特性就是速度。軸心的轉(zhuǎn)速應(yīng)該至少20,000 rpm，金屬更新的速度應(yīng)該至少為30 ipm.。例如，一臺(tái)大型模具的加工中心的切割速率應(yīng)為787 ipm。
（4）精確度
如果想要在同一臺(tái)機(jī)器上完成大型模具的拋光和毛坯加工，精確度是很重要的。選擇的加工中心必須能夠進(jìn)行類似的精確定位和小型機(jī)器的可重復(fù)性。
使用一臺(tái)大型模具加工中心，其精確定位為±0.000060英寸（±0.0015 mm），可重復(fù)性為± 0.000040 英寸 (±0.001 mm)。還需要提及的一點(diǎn)是， 的精確度也是很重要的，必須保證在5微米之內(nèi)。
（5）回饋反映
為了測(cè)量加工的精確度，必須清楚的意識(shí)到機(jī)器的反饋。標(biāo)準(zhǔn)為1微米的反饋是很常見(jiàn)的。當(dāng)反饋為0.050微米的時(shí)候，此時(shí)的拋光是近乎完美無(wú)瑕的。控制和規(guī)定反饋，細(xì)分螺釘都能夠改進(jìn)表面拋光。
（6）軸心
另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題就是機(jī)器的軸心。大型模具機(jī)器的軸心應(yīng)該能夠預(yù)先進(jìn)行毛坯加工，半拋光和高質(zhì)量拋光。作為一個(gè)基準(zhǔn)，表面拋光的誤差應(yīng)該在2微米左右。這種細(xì)小的拋光特性在切斷和劃分直線的時(shí)候尤為重要，許多模具廠家為了彌補(bǔ)工具的誤差而不得不進(jìn)行手工拋光。由于大型機(jī)器要更加昂貴，購(gòu)買能夠完成這三個(gè)任務(wù)的多用機(jī)器是不太現(xiàn)實(shí)的。
可變幾何形狀臥式機(jī)器，可用于2+3加工大型的復(fù)雜模具。具有極高的精確度和免鉗表面拋光。
除此之外，軸心還應(yīng)該以小的震動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工具壽命的大化。例如，用一臺(tái)大型模具加工中心加工招牌，必須能夠有30多個(gè)小時(shí)的壽命和一個(gè)速率為314 ipm 的16mm CBN 插入式拋光工具，這樣才能達(dá)到表面拋光0.336 micron Ra, 3.02 micron Rmax。在加工大型模具的時(shí)候，工具的成本飛速增加，從工具成本上來(lái)看，每加工一個(gè)模具，能夠使得工具壽命大化的機(jī)器能夠節(jié)省數(shù)千美元。
（7）可移動(dòng)的，多軸頭
加工模具，尤其是復(fù)雜的大型模具，能夠移動(dòng)軸頭，多軸是好的特性。一個(gè)可變幾何形狀的頂部設(shè)計(jì)能夠同時(shí)進(jìn)行三軸加工，能夠深度打磨模具的孔和冷卻洞，同時(shí)也能在同一個(gè)設(shè)備上進(jìn)行其他的組合切割。因?yàn)楣ぜ某叽绾椭亓慷嫁D(zhuǎn)化為很長(zhǎng)的設(shè)備時(shí)間，運(yùn)用三軸來(lái)減少設(shè)備能夠大幅度提高廠家加工大型模具的能力而不影響精確度。并且多頭的設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行斜孔加工，軸頭可以被傾斜到一個(gè)恰到好處的角度以便讓銑削點(diǎn)更好的進(jìn)入。
多軸設(shè)計(jì)也能夠運(yùn)用更短小的工具。短小的工具通常都會(huì)更堅(jiān)硬，更精確，也能夠防止軸心和工具粘著在工作臺(tái)上。后，多軸的設(shè)計(jì)能夠運(yùn)用半徑邊緣來(lái)替代工具的頂端來(lái)改進(jìn)表面拋光。
（8）碎片管理
碎片管理是加工大型模具的一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。一些大型模具的加工中心在臺(tái)面下有18個(gè)孔來(lái)接收這些碎片，4條內(nèi)置的鏈狀傳送帶朝著機(jī)器的前端高速傾泄碎片。機(jī)床和柱體都有罩子覆蓋著，以避免新切割好的滾燙的碎片和冷卻劑直接接觸到鋼鐵鑄件的表面。柱體和機(jī)床以及機(jī)床下面周圍的部分都是相互隔離的，這樣就能消除由于車間溫度變化而引起的鋼鐵鑄件結(jié)構(gòu)的溫度變化。
如果沒(méi)有有效的碎片管理體系，大型模具機(jī)器就必然會(huì)出現(xiàn)故障或?qū)е聼崃繂?wèn)題。
高壓冷卻劑
選擇一個(gè)大型模具加工中心后一個(gè)重要的特性就是高壓冷卻劑。例如，用2+3的方法鉆有角度的孔，需要1000psi的冷卻劑來(lái)保證有效的碎片排放和更精確的切割。如果沒(méi)有高壓冷卻劑，工具就會(huì)阻擋碎片出孔，碎片就會(huì)再被切割一次。如果能夠有效的加工有角度的孔就能夠消除裝備時(shí)間，也不再需要多余的機(jī)械來(lái)鉆洞。
3 大型模具的例子
（1）形狀的例子
這個(gè)例子的目的就是在多重地點(diǎn)中展示機(jī)械切削的簡(jiǎn)單的幾何原理。用于機(jī)械制造中的零件常常被要求在不同的地點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)加工的精度化。
在普通的加工控制中，刀路往往會(huì)被保持成簡(jiǎn)單而常規(guī)的圓形（順時(shí)針?lè)较騁O2 和逆時(shí)針?lè)较騁03）。這樣就使得機(jī)械可以圍繞核心來(lái)進(jìn)行高精度工作而且不受其他操作軟件的影響。這也是機(jī)械使用多重進(jìn)給率來(lái)進(jìn)行精度機(jī)械加工的案例展示。
很典型地，機(jī)械設(shè)備常常被局限于單一進(jìn)給率來(lái)進(jìn)行精度加工。側(cè)間隙和補(bǔ)償被用來(lái)使單一進(jìn)給率達(dá)到大化，而這種進(jìn)給率可能會(huì)被使用得普遍。這樣我們可以預(yù)見(jiàn)，如果使用單一的進(jìn)給率來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，其產(chǎn)生的錯(cuò)誤馬上就會(huì)暴露出來(lái)。
（2）成角度的鉆孔例子
這一例子的目的就是顯示當(dāng)鉆大型孔時(shí)所使用的2＋3的硬度。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、成型的高速鋼鉆孔機(jī)常常被用于材料的鉆孔。對(duì)于買家來(lái)說(shuō)，他們不希望他們花錢買大型碳化鉆孔機(jī)時(shí)出任何差錯(cuò)。因?yàn)檫@種規(guī)模炭化鉆孔機(jī)價(jià)格太昂貴了。
高速鉆孔機(jī)不能達(dá)到炭化鉆孔機(jī)的加工水平，但對(duì)大多數(shù)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)還是可以使用的。它可以用于大型鉆孔的標(biāo)準(zhǔn)加工。
（3）合作加工的例子
這個(gè)例子是一個(gè)關(guān)于大型模具加工中心工作能力的測(cè)試。測(cè)試的目的就是通過(guò)一步的設(shè)定在動(dòng)用所有能力的情況下來(lái)加工出一個(gè)大型的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)加工要求一步設(shè)置、一臺(tái)設(shè)置。
這種情況下的零件需要在盡可能的情況下利用一臺(tái)三軸加工機(jī)床進(jìn)行毛坯加工、半拋光和高質(zhì)量拋光。顯然這有些困難。多軸加工用于要傾斜工具角度來(lái)縮短加工長(zhǎng)度的加工領(lǐng)域。不使用多軸加工機(jī)床來(lái)完成全部工作的原因是設(shè)備的堅(jiān)硬程度以及不具備這樣多的功能。所以這個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單，就是要使用多臺(tái)多軸加工機(jī)床來(lái)完成整個(gè)加工工作。
上面這些不同的例子以及是否有多軸加工機(jī)床的參與使得每個(gè)例子的決定因素都不相同。但是我們可以看出來(lái)，在所有案例中有一個(gè)共同的因素，那就是在使用更小直徑的時(shí)候更高的軸心速與更簡(jiǎn)短的加工工序的結(jié)合都是必需的。
多軸加工機(jī)械可以取代單一的機(jī)械加工機(jī)械來(lái)完成更復(fù)雜難度更高的加工工作。
這僅僅需要花費(fèi)整個(gè)加工中的5％到10％的加工時(shí)間。
當(dāng)零件的加工由一個(gè)三軸加工機(jī)床轉(zhuǎn)移到多軸加工機(jī)床時(shí)，零件的加工時(shí)間也隨之增加了。
評(píng)：新技術(shù)的出現(xiàn)為大型模具的加工提供了很好的解決方案，在實(shí)際的生產(chǎn)操作中，只要您心中始終考慮著大型模具的加工問(wèn)題以及本文所為您介紹的有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)要點(diǎn)，那么大型模具和小型模具的加工將越來(lái)越相似，越來(lái)越簡(jiǎn)單。
