用负余量闭合加工模具

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用负余量闭合加工模具
  d( E$ y2 |0 r4 x 负余量闭合有助于你以更少的时间制作更好的模具。这里有该工艺明确的定义和描述。虽然概念相当简单，但实施起来是有挑战性的。
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: @0 T- U  @) F5 a+ T, @9 K想象你正在看一个完成的塑料注塑模的型芯，而与其配合的型腔坯料（尺寸40" x 12" x 6"）仍放在它旁边的地面上，还未加工。想象一下，你正被告知整套模具要将在明天下午试模。“不可能的！”，那将是一个自然的反应，然而想象一下就在第二天下午你目睹了试模并接受了整套模具。这个模具用于生产丰田汽车格栅的一个零件，它约三英尺长、四英寸宽。型腔自动地被加工而且整夜无人看守，而整套模具实际上在第二天下午的首次试模时验收通过。
这个应用使我们认识到，通过编程、机床和刀具周密地集成，老式繁重的模具制造可改造为科学的模具制造（见图1）。

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图1：用于该汽车内饰件的注塑模是使用负余量闭合进行精密制造的。
照片由Classic Die公司提供。

负余量闭合的定义
# a1 x- d1 Q% q从历史看，闭合区域是谨慎和乏味地刮研并定制装配，所以型腔和型芯的侧面实际上将相互碰撞并封堵模具内的塑料 - 限制塑料流动到型腔和流道区。模具的刮研是一种艺术形式，需要技巧和耐心。结果是一种定制的分模，由于它的装配，每个模具都是独一无二的。
9 n5 @, K) s0 R% e5 q0 i名称“负余量闭合”引用保留负余量的概念；实际上是模具分型线和闭合线的间隙！制造技术能提供更短的加工周期和更高的利润。模具的好处是寿命更长和性能更好。
/ |1 R% x; K. u! W% U间隙很小，不足以引起塑料的任何流动，所以模具仍然是闭合的。对于大多数塑料，大约0.0008"通常是一个可接受的余量，虽然那个间隙根据制模材料的不同而变化。为了获得最佳的结果，负余量必须根据表面（通常是型腔）来制定，所以沿分型面周围的较大区域与零件隐藏的内表面有轻微的重叠。
0 r. D& f/ \, }& [) {- S, ^好处众多
: M% `+ {/ B/ C4 i: L! _消除刮研的处理对于所有方面都是一个很大的胜利。从历史看，在模具制造过程中，装配和刮研是最大和最昂贵的劳动力要素之一。它也是不可预计的，通常延误模具的完工、试模和/或验收。消除刮研能缩短加工周期并降低成本。也许更重要的是模具制造从技巧到科技转变所带来的好处。保持模具的几何形状完美无缺意味着模具可被更容易地维修，而且镶嵌件能互换。
当模具闭合时没有干涉和碰撞，延长了模具的寿命。模具的间隙通过模具边角内置的四个接触垫片来维持，注口和流道区域也是如此。既然模具的精密表面不发生型腔和型芯的碰撞，那些表面不易在使用中磨损和变坏。通过消除碰撞，更软的模具钢可能产生相同或甚至极好的结果，同时还为你和模具制造商提供一个更快的模具制造工艺。
+ \* D6 ]( `3 o- U0 e间隙还使模具工作得更好。通风的需要通过负余量闭合自动地解决了，因为空气决不会被挡住。压机需要更少的力来支持模具的闭合和塑料的注入。加工节拍更快而且具有更低的力，提高模具的效果。
2 j. [6 @7 ~8 u) n2 w0 w: n- e令人印象深刻的利益组合使得负余量闭合令人向往；更快和更便宜的模具、更长的模具寿命、更快的加工节拍以及更小的压机。当今我们能如何实施负余量闭合？
+ g  q8 M( Y* T, p6 o/ E* D开始演变
总的来说，负余量闭合被看成是最成功的一种改良的工艺。从今日开始迫使公差能满足你的工作。使整个模具制造工艺保持更紧的公差。随着我们达到一种可靠性能的状态，信心和效果将接踵而来。转变发生于从模具制作的技巧转到模具制造的科技。
% f# _: o9 p: [+ N当今技术的广泛实施使得负余量闭合更实用。高性能CAM系统以更少的时间获得更紧、更精确的刀具路径。刀具路径区域的可靠性对于自信的无人看管的整夜和整个周末的加工是关键的。高性能CNC 机床使得加工自动化，同时切得更快和更精确。极好的夹具、刀柄和刀具结合在一起，按期交付外观更好的绝对精确的模具。
7 Y) G0 m# W# a4 p* O! U+ e为了说明负余量闭合的原理，让我们检查一个两度拔模斜度和周围间隙0.0008"的轮廓陡峭的公母套件（见图2）。四个边角的垫片限制零件的啮合量为0.0008"，仍然没有可察觉的侧向移动或旋转。
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图2：AMBA 研讨会特别报道了一套接近一英寸深的配套的型腔和型芯。

具有两度的拔模斜度，仅仅是壁面上0.000040（班万分之四十英寸）
* D# w" z# }, H) V8 d- d. W( F- l的不同导致深度上0.0010的不同! 精度对于期望得结果是至关重要的。

为了更好地理解负余量闭合所需的关键公差，考虑相对于陡峭的型腔和闭合面的公差。在两度的拔模角度上，Z向深度0.0005"的不同小于X/Y平面的0.000020"。工作于如此紧的公差要求密切注意所有的细节，采用现有最好的刀具。
所有这些方面（编程、刀具和机床）协同工作以获得负余量闭合的成功。最终产品的精度依靠该方法的每一步。有效的程序执行要求更好的机床和刀具性能。刀具寿命要求更好的编程和机床性能。有效的机床加工要求紧密、精确的程序来指导运动和耐用且精确的刀具。三个要素不可避免地缠绕在一起，为了其自身的成功而相互倚赖。
4 T9 b. {# I; }( Z' A; C  H表面模型
7 G; w$ k. e) O你知道大多数流行的CAM系统并不真正用数学NURBS（非均匀有理B样条）表面来定义你的零件吗？实际上，多数系统执行的第一步之一是生成一个帮助他们工作得更快的平铺或“方格状”的表面。不幸的是，这种生成在精度方面作出让步。当在CAM系统内生成本地文件时，这个缺点能通过收紧表面公差而被最小化，但是这又降低了系统的速度。最好的方法仍然看起来是采用真实的零件表面模型，消除中间的零件模型步骤。
更紧的参数
“输入垃圾，输出也是垃圾”是关于计算机程序的一个熟悉的表述。负余量闭合依靠紧密且精确的刀具路径来制造精确的零件。关键之一是选择刀具路径的公差将保持零件很好地在公差范围内，并且为CNC机床提供最优运转所需的信息。
最新的高速CNC机床有更多的参数才能运转得更好。这意味着你能为CAM的输出指定0.0001"到0.000050"的公差。这不仅适用于你的CNC，而且总的来说它将运转得更好。每步运动较小的方向变化实际上更易于使CNC能比以更少的运动而采用更尖锐的偏差执行得更精确。
这要求更多的刀具路径，采用更小的步距。当今你的带有CAM系统的CAM快速的计算机处理能力和直接的网络功能使得具有更大刀具路径的有效加工能够进行。
$ |0 P( y) |2 D6 ?; Q4 q机床设计
% [5 ^; [7 E3 _( g/ [# v% j当今的高性能CNC 机床能比过去运动得更快且更精确。这是机床设计和控制共同作用的结果。更快的电子器件、响应更快的驱动系统和动态性能更好的机械设计共同提高速度和精度（见图3）。
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图 3：与圆拱形的滚珠导轨相反，滚动导轨有一个平且引人注目的更大的接触区。
  {: v1 H1 ~* P这引起明显更高地载荷承载能力和更低的磨损，结合了最小的滚动摩擦。
图片由Schneeberger直线技术公司提供。

传统的箱形导轨正日益被替代，因为表面积大且引起摩擦。直线导轨的球轴承具有最小的摩擦和很高的响应速度，但是它们遇到缺乏阻尼的问题，因为滚珠的接触面积极小。
& A; P$ `2 ]/ I9 S" O- E* Q振颤和振动是常见的问题。导轨设计选择直线滚动导轨日渐增多。在其导轨表面上，滚子的直线接触表面有助于把力通过机床部件传递到地基上，抑制了振动。最终结果是机床的响应更快而不牺牲表面质量。
0 s( R8 s: [3 T; I! ]机床动态性能的提高不仅使零件加工得更快，而且使刀具的寿命更长。刀具被设计用于剪切材料，而不是把它擦掉。如果我们能为任何特别的刀具维持设计的切屑负载，刀具的寿命将得到延长。无论切屑载荷多么小，有效的摩擦作用磨损切削刃。因此，机床的加、减速性能越好，刀具的寿命将越长。附带的好处将是表面粗糙度更一致，零件的外观更好。
预读
7 [3 z6 R5 @# A( b加速所需的时间可能更不相同，但在所有情形下，时间的要求是控制、预读的一个关键要素。这是一个大的话题，值得一篇文章全部讲述其优点。简而言之，没有预读的话，复杂轮廓的刀具路径通常将受到妨碍。
. V& X, n. m3 i3 N6 z1 ^$ KCNC程序执行最常见和明显的缺点是边角处的绕过，机床基本上是走了捷径而不是在图4的H点处执行一个尖角。

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图4：从A点到J点进行高进给率铣削，没有预读的话，过切将发生在F点。
. d7 R( l5 d) v" n同样地，H点的边角可能被绕过。图片由Creative Evolution公司提供。

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用负余量闭合加工模具
更隐蔽的缺陷是当点群集在一起时的过切。从历史看，NC 和CNC机床每次执行单步运动。由于更低的进给量和更差的生成刀具路径的能力，每个连续的块移动通常允许足够的时间用于其自身从停止开始加速和减速降到停止。由于CAM和CNC已经进步了，数据密度和进给量已经提高了流经这些点的运动，它是如今模具制造的一个关键能力。
' D: ?2 P/ R" {! u9 D1 a问题是如果我们盲目地假定穿越这些点时我们能停在一个很小的硬币上，我们一定要被过切刺痛。如果我们以每分钟五英寸的进给沿着轮廓运动，我们很可能将不会碰到问题。另一方面，如果我们以300 ipm的速度穿越这些点，多数机床需要在C点处开始降速以便精确地到达角点F。否则，机床将在F点处过切，侵害零件并使机床颠簸。
/ B4 b0 f, C5 ^) C$ p机床的预读性能有限或完全缺少这个性能，不仅会引起零件的侵害，而且能导致刀具上过大的应力或甚至是刀具的破坏。进一步，引起的机床颠簸导致机床驱动部件和导轨的过量磨损。
主轴
6 J4 k, o7 e. G$ ?" t1 N: s机床要运动得快，也必须有一个快速的主轴。老式的皮带或齿轮传动的主轴几乎不能那样做，所以应该使用筒形的主轴、部件本身集成马达和线圈的主轴。这消除了驱动系统额外的热和振动。为了保持主轴的温度受到控制，增加冷却-循环的液体通过马达线圈和轴承周围的腔室。冷却器保持液体恒温，使主轴和床头箱避免膨胀。
" ~6 M- f6 ~% L: g7 zHSK刀柄
% d- b$ ~0 ?& O3 f! ~更高的主轴转速要求更精确、动平衡更好的刀柄。刀柄的安全夹持在高速下尤其重要。7/24锥柄的开发是在半个多世纪之前，而且当今售卖的CAT、BT 和 ISO 刀柄不针对主轴高转速。目前的主流技术是HSK，大约在10年前由DIN（德国标准协会）委员会把它定义成了行业标准。HSK刀柄有几种型式，但由于其设计（见图5），都具有很高的刚度和非常低的跳动。锥面和端面都进行定位。高转速时动平衡是至关重要的，所以很多HSK的设计都是完全对称的，以避免象驱动键常见的不平衡区域。HSK刀柄的保持力针对整个设计速度范围的安全性，而且实际上随着转速的提高，夹持变得更紧。
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图5：HSK刀柄的锥面和端面都很精确而且刚度更大。随着转速的提高，HSK 夹得更紧。

红套刀柄
! i- H. E) z& P& [4 \2 X帮助HSK刀柄激增的刀柄研发成果之一是红套技术。这个简单的物理应用使用热胀和冷缩的原理来把立铣刀夹到刀柄上。通过消除侧固刀柄常见的止动螺钉和其它刀柄中广泛使用的弹簧夹头，跳动和不平衡充分消除。红套刀柄通常的跳动量小于0.0001"。
+ f* ^! [: L# S: I3 e1 Y! K, [红套刀柄为用户提供的好处有几个方面（见图6）。首先，刀具运转得更精确，所以你的零件将更精确，本文建议的一个关键要求在于我们工作的成败与型腔到型芯刚好0.0008"的配合所决定。铣削表面看起来也更好。精度方面的一个额外好处是立铣刀的所有切削刃都参与切削。这意味着更顺畅的性能、更好的表面粗糙度和更好的刀具寿命。

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红套刀柄提供更多的好处。刀柄不需要弹簧夹头或止动螺钉来夹持刀具，所以它们能被做成非常细长的形状以 提供到达不平常的狭小地方，使得较短的、成本较低的硬质合金刀具完成挑战性更强的应用。即使你有自己的五轴或3+2轴机床，细长的红套刀柄能帮助你减少五轴的装夹，消除必要的干涉检查并提高程序的复杂性。
刀具精度
+ g; T- n2 s: v4 j9 P, u刀具本身的实际精度是成功应用负余量闭合的又一关键因素。工作于如此紧的公差，我们不能接受刀具的实际形状的偏差（见图7）。
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刀具行业的一些创新者提供球头立铣刀精度三微米之内的个体证书，所有四个刃具有过中心切削性能的真正的四刃球头铣刀。
因为有了红套刀柄，精确的刀具形状再次提供双赢的机会；其精度制造出更精确的零件，而且通过提供每齿更一致的切屑载荷，还保证更高的生产率和更长的刀具寿命。
9 K, L  a% @- t6 ?; {刀具几何角度
各种各样的刀具形状能使你的加工效率产生很大的不同。为此，考虑公制刀具。你的CAM 系统不在乎你的刀具是英制还是公制。一般而言，美国以外的世界各地都用公制，所以其市场更大，因此选择也更多。这意味着你能根据手头的任务定制合适的刀具。

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用负余量闭合加工模具
在这里，简单的选择是长径比。当我们可能要寻找两种或三种标准、长系列和超常系列的刀具时，公制刀具通常能提供非常多的选择。这其中一个很好的例子就是铣削加强筋的刀具廓形。可提供很多种球头直径和拔模角度，多数规格有2-mm的长度增量，从粗短的到最长的有效长度都有供应。
当需求更复杂时，结合很长的可达深度和刚度的各种其它形状的刀具能满足需求。关键是用标准刀具的有效性消除刀具修改的需要。
8 \* z- y" i7 S( ~* U. G$ R公差的累积
. g9 t( P* u) L6 [% L2 X正如我们看到的那样，为了成功应用负余量闭合，我们需要从刚开始时为完美而努力，采用零件表面精确的3-D模型，完整的刀具路径生成和执行，始终结合使用最好的技术和刀具。
5 ~  `$ r2 k: s+ X3 O4 m有趣的是，故事恨圆满，因为任何模具都能完成。工艺文件的编制对于你的实施是很关键的。推荐采用大量的笔记本，让每个人专致于工作，跟踪记录刀具的速度、进给，甚至是使用的进给倍率。通过跟踪刀具的性能、寿命和刀具弯曲变形，工艺能不断地被优化。
工厂和编程员之间明确的沟通渠道是必须的。实际上所有CAM 系统都有一个刀具数据库，但通常未被使用。如果实际的加工参数经常更新该刀具数据库，所有的编程员能生成一个有效且一致运转的最优刀具路径。
7 e* d5 S! ~8 m7 r+ O: \把负余量作为竞争力
7 P0 E" ?0 S7 f4 N$ S! P原先不可能的关于高质量和快速交货的要求现在通过使用负余量闭合而满意地解决了。结合编程、刀具和机床的最新技术产生了巨大的好处。你能真正地超越模具的零公差，有意地在闭合出留一个小的间隙。你能以更短的时间交货并且你的模具因为有了集成的通风而工作得更好。
, m8 s4 m. ?. Q' r4 v' \% W% B消除面与面的接触降低了制模压机的吨位并提高模具的寿命。你加工和工艺的文档越多，回报更好 - 进一步提高效果并建立公司自身的竞争优势。双赢实际上看起来象一种保守的说法。用负余量闭合制造模具对你和你的客户来说都是真正肯定的。
% p6 ?. v3 f- T6 M# O# L+ Jsidebar：一小部分技巧
1 g/ u1 T+ j6 A" G( \很多因素为了成功应用负余量闭合而协同工作。对于CAM系统，关键要素包括：从表面开始工作；加工过程中的余量控制；自动的粗加工路径；控制粗加工的切屑载荷；消除尖锐的运动； 总是顺铣；自动的“额外行程”。在粗加工中，这控制切屑载荷。当精加工时，额外的行程控制低标高（切向）表面的粗糙度的高度；使用刀具数据库的特性！
对于刀具，关键要素包括：精确的球头几何角度；刀具后角的选择以减少振颤和源自拖拉的过切；选择悬伸的长径比以提供最优的刚性；为了刚性和精度采用红套刀柄；为更长的刀具寿命采用微雾润滑；为快速装夹采用磁性的工件夹持；为更多的正常运行时间而码垛堆积。
对于机床，关键要素包括：动态响应块； 预读；高速主轴；高精度的反馈；热稳定性 (主轴冷却和线性比例)；自动的激光检测；升级的柔性。作为最昂贵的单一部件，最好的机床不局限于现在的能力，而且随着新的研发成果的推出能通过软件进行升级。
模具制造商产生的变化
) |5 p( B9 L( W/ n9 ~Classic Die (Grand Rapids, MI) 公司使用负余量闭合来制造注塑模。该公司由Dan Parmeter于年1977成立，通过为医疗应用和汽车内饰件交付高精度、高质量的模具，他们已经确立了他们的业务。目前员工数量40人，分布在两个地方。
; z. C( p) P1 W. P“负余量闭合真的可行，” Parmeter说。图9所照的模具正是我们最新的案例之一。如果我们采用过去的老办法，装配和刮研将花费两天或更多。使用负余量闭合技术，刮研少于两小时，而且首次试模就很完美。
: n9 P9 y' Q5 C在过去四年里，我们一直在向负余量闭合靠拢。我们在刚听说时没有真正地确信。随着我们改进了编程，我们减少了手工加工并开始向真正的设计最终形状靠拢。新的刀具几何角度和改进的涂层很有帮助。红套刀柄的实施进一步提高了我们的精度和表面粗糙度。我们最新的工作台行程40" x 40"的CNC铣床真正地把任务捆绑在一起。它的精度就在那里，而且加工好的模具也放在那里。
- A; X) _  y1 _7 s“在过去几年里，全球竞争不断升温。我们总是在制造高质量的模具，而且它们正不断地变得更好看和更精确。通过最小化模具的手工加工，我们保持成本不断下降。通过使用包括负余量闭合在内的最新技术，我们仍然能在公司内完成加工并赢得及时交货的竞争，” Parmeter总结道。