机上计量检测技术降低模具的可变性

独特的在机测量软件可确保注塑模具的加工稳定性。Badmeter公司(位于威斯康星州密尔沃基)是一家历史悠久的水表制造商，生产的水表质量稳定，测量精度高。他们总是期待着使用一种新的软件和设备来帮助他们解决生产中零件加工一致性差的问题。有了这样的信念指引着他们，他们的板载检验(使用PC-DMIS数控板载测量软件)已经成为注塑模具生产过程中不可或缺的一部分(见图1)。采用这种检测方法后，他们解决了在关键测量元素的生产中有时会出现且难以捉摸的可变性问题。因此减少了零件的废品率和返工，节省了时间和金钱。在这个竞争激烈的市场中，它们不仅直接提高了仪器的使用寿命，还提高了客户的测量精度。图1 Badger Meter公司的注塑模具设计师Jay Prill老师正在使用PC-DMIS数控测量软件进行类似CMM的板载检测。注塑模具设计师Jay Prill老师是这样描述的：“从历史的角度来看，模具制造往往被认为是生产技术的一种艺术形式。这是因为模具组件的最终调整，纠正了其收缩和翘曲，而飞边的形成和零件的性能取决于模具制造商的经验和技术。现在，我们可以通过一种软件使这个过程达到流水线的水平，消除不确定因素。使用PC-DMIS数控随车检验软件，我们可以预先预测必须确定的修正值，然后通过检查随车制造的零件来验证修正值。在采用这种更加科学的测量方法后，Badger公司获得了相当大的竞争优势。现在，我们有了一个更快、更稳定、更可预测的注塑模具开发和维护流程。重要补充说明2007年，公司在这个方向上又迈出了重要的一步。他们订购了一台米克隆HSM 400高速加工中心，用于生产精密模具的型腔和加工由热处理钢制成的模具镶件，从而减少了模具加工车间对EDM机床的依赖(见图2)。与此同时，Prill先生参加了一个关于模具制造的研讨会，从中他了解到在机检验的潜在好处，这有利于提高在数控机床上加工的模具部件的尺寸精度。图2乔治施勒莱因(左)和杰伊普利尔在检查一个模具的插件。Badger Meter的车载测量和检查旨在确定加工的零件是否与CAD模型一致，并在离开工具车间之前使其尽可能接近模型。nextpagePrill老师向他的老板做了一个报告，老板认为在一个新的精密加工中心使用机载测量和检查软件将具有很强的组合优势，有利于确定精密模具部件的尺寸。于是，公司开始进行市场调研，寻找一种既能进行复杂的测量分析，同时又不会对数控机床的切削时间产生很大影响的产品。多年来，Badger公司一直使用布朗夏普公司生产的三坐标测量机及其PC-DMIS三维测量软件。本产品软件的新版本(PC-DMIS NC服务器服务器)基于相同的软件平台。在这种情况下，允许用户使用CMM坐标测量机软件在同一CAD环境下创建测量探针程序和离线分析结果。联合运营的EMS软件(企业测量解决方案)也将使加工中心和CMM之间通过PC-DMIS软件共享程序和测量数据成为可能。工作原理这样，对切割时间的影响可以降到最低。一个后处理器可以将测量程序转换成g代码和M代码，用来驱动主轴探头。Prill老师在自己的机床上安装了这个驱动，然后像其他程序一样执行。

在执行过程中，探头对每个点进行测量，并利用网络连接将测量结果传输到带有PC-DMIS NC服务器的远程计算机中的一个文件中。一旦探头测试完毕，数控机床就开始切割。此时，PC-DMIS NC服务器开始打开该文件，并使用PC-DMIS评估引擎分析每个点的测量数据，并提供相关特性和关键尺寸报告。它还可以将分析结果存储在数据页SPC数据库中，以便继续进行过程分析和进行过程改进。在安装PC-DMIS数控服务器系统期间，普里尔先生花了几天时间参加了一个很有价值的培训班。他发现PC-DMIS数控软件使用的编程技术与CAM软件非常相似。由于质量检验专家比尔库尔茨先生也在同一家工厂工作，普里尔先生从他那里学到了很多东西。由于库尔茨先生使用过公司的九台CMM坐标测量机，并有多年应用PC-DMIS软件的经验，他随时愿意为您提供您需要的编程咨询。普利尔老师说：“用起来没那么难。原点和对齐已经准备好了。我只是使用相同的校准程序来处理这一部分。所以PC-DMIS数控的编程是一件很简单的事情，只要做出要求，比如测量一个圆或者一个直径，找出工件表面需要留多少可加工材料余量。”Prill老师一般用他的CAM程序生成高速加工的刀具轨迹。然后在零件加工时，将CAD模型输入PC-DMIS NC，然后编制测量。

机上计量检测的目标

在Badger公司，机上计量检测的目标是确定所加工的元件是否与CAD模型吻合，应保证该元件在离开工具室之前尽可能与CAD模型接近。Prill先生解释说：“如果测量不合格，那么我们必须找出不合格的原因。是因为刀具磨损，刀具路径不正确，还是跨步区域的加工稍微过量，或是精加工切削后留下的材料余量过多。”当元件的测量不合格时，必须立即对加工工艺做出必要的调整（见图3）。

图3 Prill先生正在请教质检专家Bill Kurz先生，因为PC-DMIS 软件在工具室使用前，Kurz先生已经拥有了使用该软件应用的丰富经验

实践证明，这种交互式加工工艺十分简单，看起来一目了然，在他取得了一些相关的编程经验以后，Prill先生就开始在Micron CNC数控机床上检验其加工零件的关键特性。他说：“PC-DMIS NC软件允许我检验每个刚加工完的零件。如果有某些事情需要确认，我可以随时做出决定，不再需要将其送交质检实验室，向他们解释我需要什么，然后再等待24h得到反馈。而更重要的是，如果我想要根据测量报告上所获知的情况，检查其他某些尺寸，我可以直接在机床上测量，不再需要将零件送到实验室进行检测。”nextpage

图4 检测程序由PC-DMIS NC服务器创建，而由机上检测程序生成的信息，可帮助Badger Meter公司尽最大的努力更紧密地控制过量的收缩率、翘曲度和模具的闭合面，减少模具到模具的可变性，缩短产品的开发周期

鉴于Badger公司采用机上计量检测技术提高了生产能力，因此该公司已在短期内取得了重要的进展，他们也希望能够从中获得长期的利益（见图4）。但必须考虑以下几方面的问题。

1.模具的闭合问题

Prill先生现在能够采用PC-DMIS NC软件生产出非常匹配的模具元件，这些产品与它们第一次离开该车间时的元件完全一样。他解释说：“许多模具闭合面的公差必须保持在0.0001in（1in=25.4mm，下同）的范围之内。如果这这些表面太紧，就无法使模具适当地闭合。如果太松，熔融的塑料就会从模具两半的闭合缝隙中外溢。”今天，Prill先生对模具配合面上具有代表性的各点都进行了测量，如果超过了公差尺寸，就会立即重新加工处理。因此，模具制造商再也不会碰到熔融塑料外溢或模具闭合面配合不当的典型问题了。

尽管Badger公司在很大程度上依赖于高速加工，但仍然有许多型腔需要采用EDM机床加工。目前，该公司使用PC-DMIS NC软件进行检测，以确定型腔因过度烧蚀所必须的修补量。这就能从第一次开始保证使模具闭合面的EDM加工更加精确，从而消除模具元件以后的返工现象。

2.收缩率和翘曲度问题

在注塑成型以后，塑料件往往会发生收缩和翘曲现象。经验丰富的模具制造商会在他们的设计过程中，考虑到补偿问题，但模具往往需要在第一次注塑后进行大量的修正工作。从理论上来说，如果型腔和模具插件的尺寸越接近CAD模型，那么对于一个原型模具而言，其收缩率和翘曲度不会发生严重的变化。由于生产的可变性不再是一个较大的问题，因此采用设计补偿方式对这些问题进行修正是比较容易的。Prill先生说：“现已证明这个理论与实际相符”。

3.缩短产品开发周期

其中有三个注塑成型元件对确保水表长期、稳定的计量精度最为关键：上计量室、下计量室和摆盘。当水流通过计量室时，摆盘开始旋转，并对流水进行计量。其精密雕琢的几何形状，以及这些元件的匹配性都关系到水表的计量精度和Badger Meter公司系列产品的经久耐用性。

要达到长期、稳定的计量性能和最佳的几何形状，这是一项很费时间和资金的加工工艺。它涉及到系统的原型制造问题，接着是现场的试验，产品的优化，然后又是多次反复的现场试验，一直到正确的设计。为了防止盲目臆想的工作，机上检测技术帮助Badger公司对每个元件进行快速的珩磨，使其达到理想的几何形状。其结果是大幅缩短了产品的开发周期。

4.模具到模具的可变性

采用新的高速加工和机上检测策略也有助于解决模具到模具的可变性问题。生产真正完全一致的模具，提高了Badger Meter公司的生产灵活性，让他们可以自由地使用互换性很好的零件，不管其生产的是什么样的注塑机或模具。

他们仍需要更长的时间关注这个问题。“在两年内，如果销售额上升，我们还将需要增加另外一套工具，我们已经拥有了CAD模型，而且制造每一个元件的生产工艺都已经得到了验证。我们必须能够制造完全符合尺寸要求的成品模具，而不需要再进行任何微调。如果其中有一个模具在生产中遭到损坏，我们知道它的尺寸和特点，可以对其进行修理，使其重新成为符合尺寸要求的合格产品”。

因此，除了帮助Badger公司将产品更快地推入市场之外，采用机上计量检测技术，将有助于减少模具的更换周转时间，降低其长期的成本费用。