用负余量闭合加工模具(上)

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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。 / u( r0 _9 P, }6 w5 \ 5 l) v7 W$ K6 e

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）。

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

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。

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。

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。

好处众多

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。

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。

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？

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。

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。

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。

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） 7 Z4 P) j! R7 v8 _3 g6 E4 g, }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。

表面模型

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。

机床设计

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）。

 

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。 0 H* g/ d8 M2 G& Q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。

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。

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

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。

CNC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。

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。 同样地，H点的边角可能被绕过。图片由Creative Evolution公司提供。