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      如此Perfect的冷彎成型機設備,你值得擁有

      2020-07-17 17:57:03

      雖然完成別人無法完成的事情被廣泛認為是企業實現成功的途徑,但真正的事實是極少有人能做到。位于佛羅里達州圣彼斯堡市的Cavaform模具制造公司認為他們就是這類公司中的一員。公司總裁David Massie表示,“Cavaform”是個動詞,公司的名稱取自一種工藝的名稱,該工藝能按照±0.0002?in(1?in=25.4?mm)的公差和4?μm的表面拋光度制造型腔,使實際的可重復性達到完美,并且所需的拋光加工極少。


      型腔成型工藝只能在一臺設備上完成,該設備為一臺長40?in、重40?t的巨無霸,有著與其原始外觀和相對簡單操作不相符的功能。實際上,該機床的用途利用了數控機床之前的設計,利用旋轉錘擊作用迫使圍繞硬化芯軸的退火鋼管產生具有指定內徑(ID)的幾何外形。


      Massie表示此冷彎成型機設備工藝稱為旋鍛工藝,并無特別之處。但是,機床本身確實是獨特的,正如工藝被應用的方式一樣。實際上,根據他的了解,Cavaform公司是世界上一家能對注塑型腔進行旋鍛的公司。


      但是,Massie強調,在過去四十年內,利用型腔成型工藝不僅僅生產了金屬模具,而且還形成了整個行業的特質。該工藝驅使著服務提供商成長為成熟的模具制造商,另外也促進公司提高質量標準,而這一點對于該機床來說,在從未被顯現的工作領域也是這樣。


      一種工藝塑造一家公司


      實際上,該公司大多數作業都沒有使用到該機床,僅僅約25%的作業在用。盡管該工藝有著許多優勢,但Massie表示,擁有75名員工的Cavaform公司在模具設計、制造、維護和修復方面都具有高度競爭力,即使這家公司將以某種方式失去這臺旋鍛機。這家工廠的車間占地面積為32?000?ft2(1?ft2=0.093?m2),其中包括由機器人供料的高速加工中心、數控銑床、車銑和車床、外徑、內徑和無心磨床、刻鍛磨機、鋼絲和電火花鉆孔加工機以及光學測量系統和坐標測量機。所有這些設備都具有現代設計,可運行機加工和企業資源規劃軟件。附近建設有一座面積為22?000?ft2的大樓,可容納九臺注塑機,用于模具檢驗,包括交鑰匙搭建設施。在過去幾年內,工廠還進入了高低容量模具生產作狀態。


      Massie說到,他原來并沒有想到讓公司走到今天。Cavaform公司創立于1970年代晚期,當時工廠占地面積只有10?000?ft2,只配備有支持型腔成型工藝所需的設備(用來制造芯軸和棒料的旋轉和外徑研磨機,以及用來在旋鍛之前對胚料進行挖空和拋光的鉆床和刀具)。在那時,他和公司創始職員對該工藝再熟悉不過。Cavaform公司的靈感來源于他父親Bob Massie與一位在Howell Penncraft模具公司工作的朋友之間的對話。了解到他朋友使用旋鍛機生產沖模后,Bob Massie認為該工藝完全可以用于其自己的公司,Massie Tool & Mold生產的模具長度更長,管式組件上可加工出六角形、錐形、正方形和其他常用的旋鍛內徑形狀。


      不久后,Howell Penncraft模具公司便開始為Massie Tool公司供應用于注射器、試管、移液器、導管尖端、書寫工具、化妝品和其他這類零件的旋鍛注塑模具,并且Bob Massie于1967年為該公司注冊了“Cavaform”商標。1972年,他的一位在Howell Penncraft公司的朋友通知他另一家公司將出售類似的機床,然而這臺機床在當時已經停產了。Massie Tool公司在沒看到這臺機床的情況下就購買了,并將其搬至佛羅里達。


      雖然老Massie即將退休并且開始期望公司能被收購,但他無法接受這臺小型機床和其獨特應用落入另一家公司之手。1978年,即在出售Massie Tool公司的前一年,他購入了一棟獨立建筑,容納這臺機床,并讓David和另外兩個兒子接手整個新的生意,即完全專注于型腔成型注塑模具生產的生意(即無水線或其他機加工痕跡的型腔模坯)。幾年內,銷量增長了一倍以上,并且客戶開始要求獲得不僅僅具有演示功能的零件。盡管日益精益生產的OEM廠家和模具廠家要求更多的服務,但涉及到在幾年內擴大產能方面時,這家公司就有優勢。如今僅僅是擁有Cavaform公司作為一種選擇方案就可將其模具制造能力提高至原來無法應付的水平。


      突破瓶頸的法寶


      我們是否能對其進行型腔成型加工?這是Cavaform公司中標新任務時被首先問到的問題。對于具有32個六角形型腔的模具,傳統工藝是對多個刻鍛磨機EDM電極進行機加工、高溫加熱型腔,之后對每個型腔進行拋光。單單加熱過程就需花費數周時間,而拋光過程,如果要達到SPI A-2標準,每個面拋光就需花費長達半個小時。相反,Cavaform工藝加工出在熱處理后僅需要拋光的注塑模具形狀,所需花費的時間僅僅為數分鐘。另外,安裝型腔模具的Z危險且Z困難的部分會首先完成??傊?,該公司的EDM部門和八名拋光人員能同時將注意力集中在其他工作上。


      競爭對手還沒有復制這種能力也是有原因的,有些競爭對手甚至從Cavaform購買模具?,F代旋鍛設備的趨勢是不僅針對與模具制造無關的高產量應用進行定制化發展,而且還趨向于輕量化發展,而無法對模具鋼進行冷彎成型。相反,Cavaform公司的機床采用了更通用的設計,此設計是在二戰爆發后Cincinnati Milacron公司雇傭的德國工程師腦力勞動的產物。該機床用于在戰爭時制造槍管的設備制造,而這些設備經常是在地下坑道受到炮火攻擊的。而且,該機床是完全機械操作,這使得它非??煽壳蚁鄬σ子?。


      George Hastick表示使用該機床已經有20多年了。在該機床的中心安裝有一根芯軸,圍繞該芯軸成型退火鋼管。實際上利用具有預期注塑模具形狀的芯軸,確保此零件對于每個任務都是專一的,并且該零件是通過按60~63HRC硬化的高速鋼機加工的?!霸诠罘秶鷥葤伖夂笊踔铃冣伜?,芯軸幾乎可無限期使用?!盚astick說到。通過一個芯軸可制造多達1500個模具。這種較長的壽命為該工藝提供了幾近完美的可重復性。這不僅對于高產量而且對于通過快速提供磨損或損壞前模更換件的客戶來說是一筆巨大的資產。因此,Cavaform公司在機床附近將幾十年前的芯軸儲存在專用的大型柜體中。


      芯軸和圍繞其旋轉的管材是在兩個相對的桿件之間一起進入機床的,這兩個桿件其中一個為具有60?t作用力的推桿,一個為彈簧上防止過快供料的反壓桿(供料率是無限可控的)。在內部,管材和芯軸被四個應力消除的斜紋模具圍繞,這四個模具都是采用具有合適尺寸的M2或M4鋼在車間內制作的。在每個模具后面,設置有鐵錘,鐵錘反向延伸至周圍的圓形外殼中,該外殼實際為一個直徑為3.5?in的滾子軸承。220?r/min的主軸旋轉產生的離心力驅動模具和鐵錘向外運動,與滾動元件的接觸又驅動模具和鐵錘重新向內運動。這樣就產生了脈動作用,使得四個模具在前進的管材上同時和往復向下運動,每個受到的作用力為75?t。


      在模具每0.1?s開模和合模的情況下,總共300?t的徑向壓力足以將下落至芯軸上的硬度低于25HRC的任何材料破碎掉。所產生的拋光作用就是準確和鏡面拋光加工的能力。實際上,即使在后續熱處理加工后,不同模具之間內徑公差也只存在百分之幾英寸的差異。


      讓其奏效


      “盡管機床操作簡單,但經驗還是很重要的?!盡assie說到。例如,像Hastick這樣的技術人員必須確定正確的進給速率、材料和模具尺寸以及三種油配方中哪一種能提供必要的冷卻和潤滑以防止磨損。而在公差范圍內準確成型芯軸也會被要求試驗和出現差錯。


      工廠依靠其豐富的經驗確定正確的壁厚。這對于任何任務來說都非常重要,因為與擠出工藝類似,該工藝并不會削除任何材料,而是鋼材會沿著芯軸向下運動,這樣就會增加鋼管的長度。盡管該工藝對于大多數常用磨具鋼都有效(大多數應用涉及420SS、440SS和H13),但所有材料延展性非常低。


      為了在芯軸上成型就要壓縮更多的管材內徑,就必須旋鍛更多的材料?;旧?,型腔越窄壁就必須越厚(即管材外徑越大),即在更小的壁厚下能成型更大的型腔(更小的管材外徑)?!皩懿耐鈴降奶幚頃绊懙絻葟?,單個管材經常具有四種或四種以上的不同外徑?!?Hastick解釋到。


      “創造力也很重要?!盚astick補充到。實際上,Cavaform公司經常利用各種機會將該機床用于表面上看并不適合此工藝的模具??紤]在內徑某一部分上的標志產生底切的模具。盡管對開模設計在成型過程中會釋放此等底切,但對模具進行旋鍛首先就要求橫截面均勻。為了繞過這個限制,Cavaform公司將標志燒制到旋鍛模具的一半中,而該模具是沿長度方向一切為二,之后將標志與無標志的另一半相匹配。將模具型腔一切為二會消耗鋼材,因此,要確保完美配合就必須偏離中央方向將兩個旋鍛的型腔分離掉,這樣任一(可使用的)半個部分就會出現尺寸稍微過大。然而,該工藝尺寸準確,各個模具都一致,使用更少的拋光以及導致更低的損壞銳利邊緣的風險,這使得該解決方案比傳統方案更具有成本效益。


      對于其他限制也有解決辦法。所有模具都要求一定的牽伸率,以確保當工藝完成時可將這些模具從芯軸上通過拉力分離(每英寸鋼材0.001?in的牽伸率遠遠足夠,但Cavaform公司在更小的牽伸率下也能進行加工)。從芯軸更大的后端朝向更小的前端移動的材料,在芯軸的部分上并不能完美包裹(這些部分以超過15°的角度梯級下降),而是會產生圓形空隙。因此,當直徑發生變化產生尖角時,Cavaform機床一般就不是很適合。


      但是,旋鍛機并不總是使用其標準配置,在該標準配置中,芯軸和坯件被保持在反壓桿中,以接收反壓撞擊。Cavaform公司還開發了另一個方案:沖擊器。該沖擊器涉及將芯軸和坯件安裝在推桿中。盡管在任一種情況下材料移動方向都相同(都與進給方向相反),但設置反向能確保材料朝向芯軸大直徑后端成型,從而能直接形成任何尖角幾何形狀。


      其他限制并沒有他們起初看起來那樣嚴重。例如,除非封閉端經過圓形處理,否則通常不會選擇使用封閉型腔(試管就是一個常用的例子)。但是,無圓端的型腔可利用間距和伸縮合模裝置。除了讓公司和其客戶能獲得Cavaforming工藝的全部優勢外,這些組件在磨損后也容易更換。


      提高標準


      Massie強調,這種小本經營的工藝對工廠其他部分的影響不僅僅是改進工作流,而且已經塑造了該公司的特質,尤其是其用于質量控制的方法。在1970年代晚期創立工廠時,±0.0?002?in的公差以及4?μm的表面光潔度已經遠遠超過當時甚至是Z嚴格的工業標準。而其能達到大于2的工藝能力指數(Cpk),有時甚至高達4(大多數客戶預期的數值僅僅約為1.33)也是同樣如此。但是,不久之后,無論任務是否已有要求或是否適合Cavaforming工藝,客戶自然都會進一步期望更高的精度?!袄鋸澇尚湍>叩馁|量在這些年內為我們設定了很高的基準,確實塑造了我們的特質?!盡assie說到。


      例如,對容積型腔進行徹底檢查已經成為Cavaform文化的一部分,時間有幾十年?!岸藢Χ恕睖y量是為了確保??p線具有正確尺寸,而相反,Cavaform的人員會將各種尺寸的滾珠軸承放入經Cavaform工藝加工和EDM工藝加工過的模具內,之后根據必要進行拋光,以確保在整個長度內都具有均勻度。


      該工廠還進行了首件檢查,并檢查其他組件,而這項工作并不僅僅是由質量控制部實施,而且由車間每個部門都實施,每個部門都會在各個制造環節后在專門的工位上檢查零件尺寸。每項檢查都由兩名人員實施兩次,這種體系有助于避免錯誤。更重要的是,有助于消除經EDM工藝加工模具和通過旋鍛加工模具之間的差異。在Massie看來,這正是Cavaform公司成功的原因?!拔覀儾荒芨鶕ぜ庸し椒ǖ牟煌瑏韺Υぜ??!?Massie說到,“我們要對所有工作都保持同樣的標準?!?/span>


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