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行糾正或補償?shù)臋C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)量的模具要達到鏡面級的表面光潔度，可能會需要采用金剛砂軟膏進行拋光，但也僅此而已）。在較小的模具上，花費在糾正壓力機驗證型芯與型腔之間對準度上的時間從幾天減少到幾個小時，花費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行。采用零裕量加工策略達到的最高效率，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也很明顯。雙方負責(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先生的工作都是負責(zé)將零裕量加工技術(shù)應(yīng)用于各自的車間，并確保嚴格按照程序執(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，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”進行零余裕量加工，需要機床、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)模具的標準。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行工作。Hecker先生認為，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型機床；2011年又安裝了一臺微小的C30型機床。新機床采用高壓和通過主軸傳送冷卻液的方式進行冷卻，并采用帶有冷卻液孔的新一代硬質(zhì)合金涂層刀具，事實證明其對銑削和鉆削加工是很有價值的。否則，這兩臺機床將沒有多大的區(qū)別。這兩臺機床都配有旋轉(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床，因為其具有極高的精度和剛性。”對于Eifel公司來說，采用耳軸式的配置是特別重要的，因為該車間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，就能夠達到工件的加工面。剛性更高的刀具，增強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)涉及到用高進給速度與緊密間隔的步距進行輕切削加工。“一把剛性良好的短刀具將可承受較高的進給速度，不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而我們就可以用最佳的切削深度達到最佳的切屑負荷，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床轉(zhuǎn)速為18000r/min的主軸上實現(xiàn)滿負荷生產(chǎn)。
當然，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（精加工操作的標準精度是±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。”Schulz先生解釋說。
具有亮點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，先進的碰撞檢測法將能提供另一個層次的保護功能。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)的進步，已大大緩解了在大型工件上進行零裕量加工的風(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打磨時間。”
圖4 Redoe公司從牧野公司引進的MCC2013VG型機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公差狀態(tài)，允許其出現(xiàn)那種偏差。此外，當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。”Leene先生解釋說。
出現(xiàn)負裕量的情況，說明他對這些機床充滿了信心。雖然這種方法看起來會增加其表面達到低于可接受公差的可能性，但Leene先生并不擔(dān)心。他說：“有了這些機床，我們從來沒有碰到過需要焊接的情況。
”這里指的是：在實踐中，將新的材料堆焊在模具的表面上，以便再次加工，作為一種糾正補救措施。
Redoe公司的第一臺MCC2013型機床在2007年安裝。這臺機床標志著該車間的大型模具零件開始向臥式加工方向過渡。事實證明，機床的臥式配置具有一定的優(yōu)越性，因為它提供有更好的排屑功能、更大的換刀裝置、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)，因為它可以接近工件的多個加工面。
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點，以確保精確的重復(fù)定位精度。
北美市場由SST公司負責(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床上搬移到另一臺機床上，
不需要建立指定的位置，帶定位銷的立柱與每臺機床上安裝的基板網(wǎng)絡(luò)模型孔接口連接
第二臺MCC2013型機床在2011年初安裝。與原先這類機床的明顯區(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是其一個很大的優(yōu)點，這對Redoe公司來說是特別重要的。例如，為了接近深圓角，機床可以編程處理，除了使A軸和C軸旋轉(zhuǎn)外，還可對B軸進行分度。實際上，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)點是產(chǎn)量更高，我們可以讓這臺機床保持每天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：“我們可以在這些機床上進行粗加工作業(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：當工件從一臺機床轉(zhuǎn)移到另一臺機床時，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)驗方面，機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。每個團隊成員都必須承擔(dān)起責(zé)任，使生產(chǎn)原料的產(chǎn)出達到最大化，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技術(shù)，代表了最好的工作安全性，因為它們對于具有競爭力的價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)出達到最大化是其首要目標。
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前的時刻。然而，Leene先生和Hecker先生顯然將重點著眼于未來。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床，使其具有更好的工作流程和實現(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)制造模具確實是很有前途的。SST公司副總裁Keith Kauzlerich先生認為，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。
