Creative 模具廠曾經浪費過電極﹐當時這家工廠開始嘗試硬銑削時﹐滿以為把模具銑到接近最終尺寸會簡化EDM工藝﹐卻不知道在許多情況下硬銑削可以完全取代EDM。于是在處理最早的一些硬銑削任務時﹐該廠事先准備好了EDM電極﹐而等待的結果卻是模具在加工中心上大功告成﹐致使這些電極報廢。
Creative是伊利諾州Glendale Heights的一個擁有72名僱員的模具廠﹐“硬銑削對Creative 的含義是在熱處理之後再進行一些銑削﹐而不僅僅在金屬處于比較軟的狀態下銑削。在增加硬銑削能力之前﹐該廠優選的模具加工工藝是其它許多模具廠公認的工藝﹕把鋼件銑到距離最終形狀為0.015英寸的范圍以內﹐然後對材料進行熱處理。這樣不僅使加工余量或剩余的材料表面比較硬﹐而且可能由于材料的應力而變形。最後採用EDM去除加工余量。而採用硬銑方法時﹐加工中心承擔了EDM在最後一道工序的部分或全部任務。
用銑削替代EDM在過去本來就是可能的﹐然而一直是非常行不通的﹐雖說EDM速度慢﹐銑削速度更慢。根據過去的觀點﹐為了保持刀具壽命就需要採用很小的吃刀量銑削硬度50 Rc以上的淬硬材料﹐這勢必導致銑削周期特別長﹐而且過長的銑削會引起溫度變化。這樣一來Creative沒有一臺加工中心能夠自始至終保持合格的尺寸精度。相比之下﹐現在硬銑往往成為比較可行的方法。Creative如今用機床加工許多模具﹐完全不需要EDM。在加工其它模具時﹐EDM 的作用僅僅局限于極少的難以銑削或不能銑削的尺寸﹐如深槽和內角。
最明顯的收效是節省時間﹐在Creative﹐用加工中心硬銑淬硬工件的金屬切除率快于EDM。而且﹐在能夠不使用EDM的場合下省去了加工電極的時間。除了這些時間以外﹐還要算上銑削以後所節約的時間。與採用EDM相比﹐Creative通過硬銑削使模具更為接近最終形狀並具有更好的表面質量﹐從而明顯減少了拋光和手工修整殘留溝紋的時間。
CNC車間主任Scott Matz 這樣估計硬銑削的效果﹕“如果把節約的時間加在一起﹐硬銑技術大概使模具的制造周期平均縮短50小時。”
起步
Creative必須同時具備兩個條件才能夠實現有效的硬銑削﹕一個是速度較快的加工中心﹐另一個是能夠最有效地利用加工中心高速度的工藝。 Creative改用硬銑削是從軟銑削開始起步的﹐盡管他們當時沒有意識到這一點。淬硬鋼件切削技術的本質是在非常高的進給速度下淺切削﹐換言之就是高速切削。不過Creative 最早應用高速切削不是加工金屬模具﹐而是加工石墨電極。
三年前﹐Creative購買了一臺CNC石墨銑床﹐這臺機床曾經─現在依然─遠遠快于該廠其它型號的加工中心。另外兩臺與之非常相似的石墨銑床隨後而至。它們來自Okada（在密執安州Plymouth）﹐其特點是25000 rpm主軸。Creative利用這樣高的主軸速度來達到相應的大進給速度﹐又利用大進給速度保持切削能力﹐即使吃刀深度明顯減小也能保證生產效率。高速淺切削的電極在幾何形狀上非常精確﹐足以使手工修整電極的工作變得沒有必要。
這幾臺25000rpm石墨銑床為Creative員工提供了學習高速切削的機會。Matz 先生說﹐工廠在成功走向高主軸轉速和大進給速度切削的道路上至少汲取了兩個重要教訓。
一個教訓是﹕對高速切削的投資並非有了比較快速的機床就萬事大吉﹐價格比較貴的機床很可能要求價格比較貴的工具﹐以Creative的石墨銑削為例﹐這意味著需要金剛石鍍膜刀具。在切削鋼件的情況下﹐粗銑通常需要優質的TiCN鍍膜硬質合金刀具﹐硬銑則需要TiAlN鍍膜刀具。
另一個教訓是﹕與切削工藝的有效布置及實施相關的老標准不再適用了﹐程序員可能發現他在長期工作中所積累的經驗在速度快得多的機床上一概不靈了。
機床
Creative把高速切削技術應用到淬硬鋼件的第一臺設備是去年從Yasda Precision（在伊利諾州Elk Grove Village）購買的機床﹐現在Creative用這臺立式加工中心粗銑模具﹐材料經過熱處理以後再送到這臺機床上精加工。10000 rpm的主軸速度使Creative能夠在200 ipm下精銑﹐從而獲得了有效的金屬切除率﹐盡管淬硬鋼件的銑削深度局限于0.009英寸以下。
淺切削有利于保持刀具的耐用度﹐如果吃刀深度比較大﹐刀具就很有可能在切削的過程中報廢或磨損﹐迫使車間更換新的刀具並且從頭開始加工﹐或者通過大量的手工修整﹐去除模具上由于更換刀具而造成的不連續表面﹐致使硬銑削的許多優點黯然失色。
不過即使採用200ipm的進給速度﹐淺切削依然導致銑削周期比較長﹐這樣一來﹐溫度變化隨時可能危及機床的尺寸穩定性﹐並且因此而影響工件的精度。事實上﹐Creative 通過採用“背靠背”運行形式排除這個危險﹐因為高速切削鋼零件的機床數量有限﹐常常在8小時內加工一個型腔或型芯之後﹐緊接著（由下一個班）加工另一個零件。
不過﹐在Creative的所有機床中﹐Yasda加工中心由于具有控制溫度變化的能力而鶴立雞群﹐該設備的結構特點包括熱交換系統﹐系統中的液體在溫度控制下循環流過底座﹑橫向工作臺和床身﹐液體溫度保持在±0.2范圍以內。
這臺Yasda機床除了提供溫度控制功能以外﹐還在設計上專門考慮了硬銑削的要求﹐它也是Creative機床中剛性最好的加工中心。無論如何﹐Creative 又購買了一臺10000rpm 加工中心﹐以進行類似的加工。這說明沒有高端機床也能進行硬銑削（至少是某些硬銑削）。最近買的機床價格較低﹐其部分原因是剛性較差和沒有溫度控制。這兩個原因不影響硬銑削﹐但Creative使用這臺床子進行硬銑削的時間比較少﹐只用它加工精度要求比較低的零件﹐或者通過背靠背的倒班形式使用這臺機床﹐以便在不同的班次之間有一個冷卻過程。
然而兩臺機床都不能單獨勝任工作﹐Creative 認識到對任何高速加工中心的投資必須包括建立相應的有效工藝所需要的時間和代價。
工藝
Creative為了建立一個高速切削鋼零件的工藝而綜合考慮了幾個因素﹐快速加工中心是第一個。Matz列舉的其它因素包括﹕
刀具─Creative採用的高速切削刀具以比較昂貴的硬質合金為材料﹐以保證刀具的高韌性。鍍膜選用TiCN（氮化鈦碳）或 TiAlN（氮化鈦鋁）。Matz說在材料熱處理之前首先使用TiCN粗加工﹐相比之下TiAlN更耐磨﹐因此是Creative為硬銑削所選擇的鍍膜。
刀柄─高速切削要求以不同的方式選擇刀柄﹐且不止一種方式。徑向跳動誤差和不平衡在主軸高速運轉的情況下可能變得更為嚴重﹐所以﹐為了確保良好的同軸度和動平衡﹐Creative 贊成在高速機床上使用質量優于普通加工中心常用的刀柄。該廠還單獨保管高速刀柄。Matz 說﹕“對我們的高速切削工藝來說﹐有一份寶貴財產是Yasda機床的一名操作人員很內行﹐他一直仔細記錄這臺機床使用的工具﹐使高速機床的刀柄不會被其他操作人員借走並用到速度較慢的機床上。這樣就防止高速機床的刀柄承受太大的可能影響平衡和徑向跳動的切削力。
編程技術─高速切削路徑和常規路徑的差異不僅僅在于進給速度的快慢和吃刀量的大小﹐在較高的進給速度下保護刀具免受切削力的驟然變化顯得更為重要。Creative 的程序設計人員為了保持比較穩定的刀具負載一般採用穩定的Z向切削﹐而不是讓刀具在型腔或型芯上來回移動並且反復吃刀和退刀。前者也稱作“水平”切削﹐意思是以螺旋線的形式逐層加工垂直面﹐每次切除一層材料﹐就象下落的水面一樣逐漸露出周圍加工好的型面。
樂于嘗試
Matz 說明還有一個因素對Creative模具公司成功地採用高速切削（最初用于電極生產﹐現在用于淬硬銑削）非常重要﹐這就是樂于把時間和金錢投到新產品和新技術的試驗上。
他說﹕“我們不會樣樣東西都購買﹐但是我們願意樣樣事情都嘗試。”而且這種觀點已經產生了有形的回報。假如Creative墨守成規﹐就永遠不會在制造周期上取得優勢﹐相反由于採用淬硬銑削﹐現在Creative已經享有這個優勢。
Creative模具廠用銑削取代EDM﹐成品交付可提前數日。
硬銑削刀具
YG-1 Tool是一個提供硬切削專用刀具的公司（在伊利諾州Glenview ）﹐該公司說﹐好的淬硬銑削立銑刀有以下特點﹕
◆硬質合金刀具經過專門設計﹐具有很高的韌性。在一般情況下這意味著材料的晶粒比較細小並且鈷的含量較高。
◆幾何形狀適合于承受很大的切削力。切削高硬度材料時﹐即使吃刀量小也會引起很大的切削負載。YG-1通過減小刀具後角﹑螺旋角和切入角而解決這個問題。
◆ TiAlN 鍍膜。氮化鈦鋁鍍膜對于刀具在高溫下保持耐磨能力非常重要﹐有些TiAlN鍍膜在1,500°F下依然有效。
營銷經理Al Zaitoon說﹐硬銑削就等于高溫銑削﹐因此刀具必須能夠承受高溫。他建議不要採用冷卻液﹐因為冷卻液使刀具遭受急劇的溫度變化﹐導致刀具過早失效。他說最好是干運行﹐或許利用壓縮空氣吹除切屑。
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