卧式机床加工模具的优势

一些模具制造商身处既需缩短交付期又需降低成本和提高质量的困境之中，自动卧式机床为他们提供了切实可行的解决方案。技术进步使得自动卧式机床和“一台机床做所有工作”的性能使得制造最大的模具和加工最硬的材料切实可行。卧式加工中心，能够自动加工模具，并且带有承载力达33,000磅(14,969 kg)的大型托盘。任何能用传统立式机床加工的模具现在都能在卧式加工中心进行更好的加工，并且加工过程只要很少的调整，劳动力成本大大降低。而且卧式加工中心能够提供更高的精确度和更好的精整效果。

这些新的卧式加工中心能够进行自动加工，无人看管加工和高速精加工。通过以下措施它们能够减少20-25%的模具加工交付周期：

(1)一台机床不仅能够进行粗加工和精加工,还能进行外围操作,比如钻孔, 攻丝以及 深孔钻削,通常这些工序都是连续操作的。

(2)大幅减少了传统模具制造业中一直存在的大量手工劳动和时间浪费：多次调整机床;更换刀具;零件在各机器和各部门间的装卸和输送;下一个机器加工前的等待和耽搁。

(3)卧式机床的加工精度很高，精加工效果很好, 大幅减少了生产出的模具所需的电火花加工和工作台操作，或者直接免除了这些操作。

(4)使模具加工的自动化程度,系统化程度和管理控制的力度得到很大提高.

即使立式机床安装有自动刀具更换系统,也需要操作工人的频繁看管，尤其是在以下过程中。

(1)切屑去除

传统模具钢加工技术中会出现切屑的堆积，尤其是在空腔里。反复切割变硬的切屑会带来加工问题，加速刀具老化并且会降低模具表面质量和模具精度。问题的标准解决办法就是操作工人亲自介入，停止机器，人工去除切屑。这样经常的中断加工，除去切屑，会大幅延长加工周期和增加工人劳动负担。

(2)设置机器

立式机床加工模具，过程很长并且劳动强度很大(一件大型模具需用6-8小时)。在此期间，加工中心处于闲置状态，这样就损失了生产力。事实上，在传统的模具生产中，随着生产次数的增加生产力会成倍的损失。粗加工、钻孔、攻丝、深孔钻削冷却线以及精加工一般都在不同机床上进行的，每台机床都需要分别调整，因此会带来停机时间。

即使是精加工一般也要在较大型的立式加工机床上进行，这些机床的轴转速低，伺服反应慢以及大幅的主轴增长或热不稳定性，这些都制约了加工精度。低转速和低进给速度就意味着进给间隔值和公差会相对较大，以避免更长的加工时间。这就使得牙尖高度过大，需要大量的电火花加工或手工精加工来达到要求的精加工效果。零件质量依赖高成本的、缓慢的手工精加工、试用和返工，这些在大中型模具加工中通常会占整个模具加工时间的25-35%。

传统模具工厂现阶段的设备水平和工序专门化限制了改进时间进度和机床使用所需要的灵活性。到传统的模具工厂里看一下，就会发现很多的机床随时都会处于无事可做的状态，并且很多的零件或者在等待装机加工，或正被运往下一个加工点。这种问题的严重性很令人吃惊，也很明显。曾经有个模具工厂做了一张操作流程表，发现制作一个模具的整个过程中装卸零件78次。这个问题困扰着各种规模的模具工厂，他们正在努力缩短交付周期和降低成本，同时还要优化资源的利用率。

从新的方向改进生产过程

CNC卧式机床能够消除大部分的机床停机时间和生产力的损失，同时还能大量减少精加工时间和手工加工。

高效的卧式机床要用完全不同的模具加工方法。通过尽可能的缩短切削和非切削时间实现模具加工生产力的最大化，这需要各种技术的融合：快速有力的高速主轴、高切削进给、高精度和动态机床控制、创新切削方法、创造性的零件固定和自动刀具和托盘更换。以下几点详细说明了各种因素是如何共同作用来实现高效模具加工的。

(1)切屑处理

如果被问到卧式机床的好处，很多人会首选其切屑除去能力。工件能够垂直装机使得卧式加工中心能够利用重力，加上高压制冷剂(主轴内部和外部)，迅速将切屑从切削区移到切屑除去系统。切屑除去是完全自动的。操作工人不必在加工过程停机来清除切屑。

优良的切屑除去效果能够带来更好的模具表面精加工，能延长刀具的使用寿命，并且减少热变形。这在深腔加工中尤其重要，这正是立式机床的一个典型问题。除了避免反复切削切屑，卧式加工中心能为深腔加工带来更高的金属除去率和更短的加工时间。高效可靠的切屑除去功能，加上刀具自动更换和监控功能，使得机床加工中可以实现无人看管加工，甚至在昼夜不停加工中实现无照明加工。

(2)自动换工件装置

卧式加工中心一般会安装一个双面托盘和自动换工件装置。这使得机器在加工一个零件时，可以同时脱机准备另一个工件。当一个零件加工完成后，托盘可以在几秒钟内更换新工件。自动接触式探测装置和托盘分度盘(控制在1/1,000度)再用几秒钟就能将新工件夹调整送到主轴。这样更换零件的所有停工时间只有几分钟，相对于立式加工中心，节省了大部分的更换工件时间，提高了机器利用率。

小型模具甚至可以固定在墓碑式托盘上进行批量加工，从而进一步提高机器使用率。

(3)自动更换刀具设备

自动更换刀具设备带有一个刀具匣，这样在机器运转后就可以连续加工，不需要操作工人介入。刀具监控系统能够检测出刀具的磨损并且能自动更换磨损的刀具，从而保证了模具表面几何形状的精确。今天机床刀具的精确性和热稳定性保证新更换的刀具能够精确的按照原切削深度进行切削，这样就能完成一致无缝的表面几何形状，不会出现更换刀具通常会有的“空切”或“过切”而造成切削状态不连续。

自动刀具和托盘更换对实现加工系统化、提高机器利用率和提高效益至关重要。立式加工中心通常需要更多的操作工人检修和机器停工时间，在整个的作业时间里机器实际只有40%的时间用于切割加工。自动化性使卧式加工中心总保持80%或更高的机床利用率。

多面加工和一次设置加工

在效果上，一台带有机床转台的标准卧式加工中心可以提供一台带有旋转头或衔接头的专门立式加工中心的性能。机床能够将零件360度范围内重新定位，这只需一次设置，就能进行多面加工，为实现加工特征优化主轴定位，允许进行四轴轮廓加工。

事实上，卧式加工中心的加工精度要超过专门立式机床。通过移动零件或托盘，达到优良的强度和稳定性，这样切削力通过主轴直接传递到柱体，而不是被运动的主轴上的转动或连接部分(通常是最薄弱的部分)吸收。卧式加工中心还使主轴更容易接近零件，从而能使用更短的、更硬的刀具进行加工。

因为能够转动零件让表面垂直于主轴，卧式加工中心能够进行多面加工，避免对专门设备进行分别操作和设置。比如说，将零件或托盘旋转90度从而实现外围加工，模架的钻孔，镗削，攻丝和深孔钻削水线，而对立式加工中心来说这会处在水平面上(因此无法进入)。一次设置性能还减少了下游加工和返工，因为每次新的设置都会在模具上形成错误积累。这是造成传统模具加工中高价返工的原因。

(1)热控

模具工厂很乐意将250,000美元或更多资金投资到为复杂表面制作刀具路径的CAD/CAM系统，却要在不能完全实现这些路径的机床上运行这些程序。这样精加工的精度就大打折扣。传统机床的热变化和主轴增长很容易造成0.005英寸(0.13 毫米)或更大的刀具路径偏差。

水平主轴比垂直主轴能更有效实现热稳定性，尤其是在高速运转时。水平位置能有更多的润滑和密封技术运用于冷却主轴。这就保证了刀具能够沿着编程刀具路径进行高精度的精加工。这些技术还让使用50号锥度主轴的卧式加工中心能以15,000转/分的转速对模具进行从粗到精的一站式加工。

(2)灵敏粗加工

新式卧式加工中心利用刀具和控制技术的发展为粗加工操作中的大型立式机床提供相应的或更高的金属去除率，这只需使用更小的马力(30-40 vs. 50-60 — 22-30 kW vs. 37-45 kW)就能实现。

在粗加工操作中，先进的正前角刀具采用比传统做法较浅的切削深度，但是用更高的主轴转速和进给速率，就能够产生相应的或更高的金属去除率，但只需要较低的切削力。传统模具粗加工中使用高马力、低转速和大刀具，这经常会带来过大应力，延长了工序时间，增加了成本和步骤。

(3)高速精加工

各种因素的结合，宽频段、高轴转速、动态响应和优良的热控和几何控制使得卧式加工中心能够进行高速、高分辨率的精加工。这也大大减少精加工操作中的电火花加工，同时减少了大量的工作台时间。

双高速中央处理器，RISC加工和300,000波特的数据流速实现数据的密集插补，这正是高速三轴加工中刀具路径变化所需要的。

所有这些使得模具加工中的极精确进给和高速进料速率在最佳周期时间里达到很高的分辨率。精加工效果和特征能够通过硬加工实现，而以前这可能只能通过电火花加工实现，这就简化和缩短了模具制造过程。

先进卧式加工中心上还有一项令人兴奋的新技术，这项技术整合了高主轴转速和精密控制的、高压(达到1,000磅/英寸)制冷剂或空气，用来强力除去切屑和保持刀尖温度的稳定。这允许高速加工有更高的热控和切屑控制能力，能取得更好的表面进尺，同时实现高精度和优良的表面精加工。这种高速加工方法对硬钢工件更有效，能够将加工时间缩短8%或更多。

在1小时51分内将 洛氏硬度45的钢坯加工成一个Rmax表面精锻为10µ的连杆锻模，所有工序可在一台卧式加工中心上完成，只需一次设置，然后从粗加工到精加工连续进行不需中断。以前加工这个模具需要有四个独立的工序，经过钢坯 端面加工、石墨电极加工、电火花加工和手工抛光才能达到相同的精加工效果。所有加工时间，包括零件运送和各操作间等待，在任何地方都要4-7天。

高压制冷剂对于稳定长刀具，从而由相对的方向深孔钻削24英尺深(总长为48英寸即14.6米)的水线很有帮助。

模具制造者正发现高速精加工的好处。他们通常使用较小主轴和转动力矩很低的立式结构的机床。因为是专门设计，他们继续着这种粗加工和精加工分用机床的做法。

相比之下，新式的卧式加工中心，能够进行所有的加工操作，通常只需一次设置。它们在粗加工中低转速能产生高转动力矩，还能用高转速进行精加工。主轴同发动机和电传动装置的直接耦合消除了轴和齿轮上的能量损失，实现快速启动、加速和接近无缝的频段。

挑战认知

有些根深蒂固的认知会妨碍对卧式加工中心的了解。很多认知已经不再适用于这种新式的、专业的模具机床。下面给出了一些仍然存在的对卧式加工中心的误解：

(1)成本

在提供相同行程或加工立方的条件下，卧式加工中心的成本是立式加工中心的两倍。但是另一方面，一台卧式加工中心能够执行两台立式加工中心的工作，一台进行粗加工，另一台进行精加工。不仅在功能上是这样，在实际切割加工时间上也是(卧式加工中心的机床利用率为80%，立式加工中心只有40-45%)。而且，卧式加工中心的自动更换刀具更标准，第四轴的多功能和高速加工性能，这些都增加了立式加工中心的成本，降低了两者的价格差距。

并且卧式加工中心还能够做 镗床的工作，大大降低了电火花加工的要求。

从资本投资上看，若要建立一个新的模具制造厂，卧式加工中心是很有竞争力的。从节省劳动力成本角度看，通过减少操作工人的数量，减少手工精加工和工件在车间内的运送，卧式加工中心明显胜过立式加工中心。如果支持得当，卧式加工中心能够昼夜不断地生产。照此计算，成本因素对购买卧式加工中心绝对有利。

(2)整机刚性

有经验的机械师会担心高切削力会导致托盘变形。专业的卧式加工中心，是专门为加工模具制造的，从以下两个方面解决了这个问题。

首先，不同的切削策略使用高主轴转速和高进料速率同时采用低功率和降低切削力来达到相应的或更高的金属去除率。

其次，综合构造解决方案有效地防止变形。这包括：大直径承载面和分度工作台的宽度一样，能够提供完全承载支持从而消除了突出和倾斜;一个机械制动装置能够阻止切削引起的工作台转动;夹具的广角支撑将力量传递到工作台，阻止了垂直平面的变形;使用四角固定托盘夹持代替了传统的中心夹持，防止出现倾斜和斜面;

(3)设置

模具制造者原先认为卧式加工中心会更难设置大型模具工件。一旦使他们相信机床本身构造和夹具会牢牢支持工件，就会发现卧式加工中心的设置有工效优势。

工件垂直运送时更容易操作，只需要两个眼环螺栓而不是四个。操作工人能使用全身肌肉，尤其是腿部肌肉来放置和安装工件。但是在立式机床上，操作工人必须爬到机床上或者将身体探过工作台，只能使用上身和背部肌肉，这给后背带来很大压力。不像立式加工中心的调整，还要推垫将工件调整送到主轴，卧式加工中心的夹持方法允许在工件装机后，使用夹具后面的调整螺丝在Y轴方向调整工件。在X轴方向的调整可以通过探测装置和工作台分度盘自动进行。

决心改变

尽管卧式加工中心需要CAD/CAM刀具路径和程序、DNC高速数据传输、夹具设计、自动刀具和托盘更换及刀具监控系统。这些用来改变的投资需要勇气和决心，但是回报会让你觉得值得。