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雖然完成別人無法完成的事情被廣泛認(rèn)為是企業(yè)實(shí)現(xiàn)成功的途徑，但真正的事實(shí)是極少有人能做到。位于佛羅里達(dá)州圣彼斯堡市的Cavaform模具制造公司認(rèn)為他們就是這類公司中的一員。公司總裁David Massie表示，“Cavaform”是個(gè)動(dòng)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(shí)際的可重復(fù)性達(dá)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(tái)設(shè)備上完成，該設(shè)備為一臺(tái)長40?in、重40?t的巨無霸，有著與其原始外觀和相對(duì)簡(jiǎn)單操作不相符的功能。實(shí)際上，該機(jī)床的用途利用了數(shù)控機(jī)床之前的設(shè)計(jì)，利用旋轉(zhuǎn)錘擊作用迫使圍繞硬化芯軸的退火鋼管產(chǎn)生具有指定內(nèi)徑(ID)的幾何外形。

圖1 旋鍛機(jī)基座為厚度4?in的混凝土墊板，用來保持精度和對(duì)正。George Hastick操作該機(jī)床有20年了，他能通過監(jiān)聽工藝聲音變化來判斷何時(shí)拉出坯件 并檢查成型是否完成

Massie表示此冷彎成型工藝稱為旋鍛工藝，并無特別之處。但是，機(jī)床本身確實(shí)是獨(dú)特的，正如工藝被應(yīng)用的方式一樣。實(shí)際上，根據(jù)他的了解，Cavaform公司是世界上唯一一家能對(duì)注塑型腔進(jìn)行旋鍛的公司。

但是，Massie強(qiáng)調(diào)，在過去四十年內(nèi)，利用型腔成型工藝不僅僅生產(chǎn)了金屬模具，而且還形成了整個(gè)行業(yè)的特質(zhì)。該工藝驅(qū)使著服務(wù)提供商成長為成熟的模具制造商，另外也促進(jìn)公司提高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而這一點(diǎn)對(duì)于該機(jī)床來說，在從未被顯現(xiàn)的工作領(lǐng)域也是這樣。

一種工藝塑造一家公司

實(shí)際上，該公司大多數(shù)作業(yè)都沒有使用到該機(jī)床，僅僅約25%的作業(yè)在用。盡管該工藝有著許多優(yōu)勢(shì)，但Massie表示，擁有75名員工的Cavaform公司在模具設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)和修復(fù)方面都具有高度競(jìng)爭(zhēng)力，即使這家公司將以某種方式失去這臺(tái)旋鍛機(jī)。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(jī)器人供料的高速加工中心、數(shù)控銑床、車銑和車床、外徑、內(nèi)徑和無心磨床、刻鍛磨機(jī)、鋼絲和電火花鉆孔加工機(jī)以及光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。所有這些設(shè)備都具有現(xiàn)代設(shè)計(jì)，可運(yùn)行機(jī)加工和企業(yè)資源規(guī)劃軟件。附近建設(shè)有一座面積為22?000?ft2的大樓，可容納九臺(tái)注塑機(jī)，用于模具檢驗(yàn)，包括交鑰匙搭建設(shè)施。在過去幾年內(nèi)，工廠還進(jìn)入了高低容量模具生產(chǎn)作狀態(tài)。

Massie說到，他原來并沒有想到讓公司走到今天。Cavaform公司創(chuàng)立于1970年代晚期，當(dāng)時(shí)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(shè)備(用來制造芯軸和棒料的旋轉(zhuǎn)和外徑研磨機(jī)，以及用來在旋鍛之前對(duì)胚料進(jìn)行挖空和拋光的鉆床和刀具)。在那時(shí)，他和公司創(chuàng)始職員對(duì)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(duì)話。了解到他朋友使用旋鍛機(jī)生產(chǎn)沖模后，Bob Massie認(rèn)為該工藝完全可以用于其自己的公司，Massie Tool & Mold生產(chǎn)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(nèi)徑形狀。

不久后，Howell Penncraft模具公司便開始為Massie Tool公司供應(yīng)用于注射器、試管、移液器、導(dǎo)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(cè)了“Cavaform”商標(biāo)。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(jī)床，然而這臺(tái)機(jī)床在當(dāng)時(shí)已經(jīng)停產(chǎn)了。Massie Tool公司在沒看到這臺(tái)機(jī)床的情況下就購買了，并將其搬至佛羅里達(dá)。

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(tái)小型機(jī)床和其獨(dú)特應(yīng)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(dú)立建筑，容納這臺(tái)機(jī)床，并讓David和另外兩個(gè)兒子接手整個(gè)新的生意，即完全專注于型腔成型注塑模具生產(chǎn)的生意(即無水線或其他機(jī)加工痕跡的型腔模坯)。幾年內(nèi)，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(chǎn)的OEM廠家和模具廠家要求更多的服務(wù)，但涉及到在幾年內(nèi)擴(kuò)大產(chǎn)能方面時(shí)，這家公司就有優(yōu)勢(shì)。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(yīng)付的水平。

圖2 縮短多面型腔的拋光時(shí)間是不通過機(jī)床進(jìn)行拋光加工的能力的主要優(yōu)勢(shì)，這種拋光加工主要是在還沒有經(jīng)過任何其他加工的坯件上完成的

突破瓶頸的法寶

我們是否能對(duì)其進(jìn)行型腔成型加工?這是Cavaform公司中標(biāo)新任務(wù)時(shí)被首先問到的問題。對(duì)于具有32個(gè)六角形型腔的模具，傳統(tǒng)工藝是對(duì)多個(gè)刻鍛磨機(jī)EDM電極進(jìn)行機(jī)加工、高溫加熱型腔，之后對(duì)每個(gè)型腔進(jìn)行拋光。單單加熱過程就需花費(fèi)數(shù)周時(shí)間，而拋光過程，如果要達(dá)到SPI A-2標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)面拋光就需花費(fèi)長達(dá)半個(gè)小時(shí)。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(fèi)的時(shí)間僅僅為數(shù)分鐘。另外，安裝型腔模具的最危險(xiǎn)且最困難的部分會(huì)首先完成。總之，該公司的EDM部門和八名拋光人員能同時(shí)將注意力集中在其他工作上。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還沒有復(fù)制這種能力也是有原因的，有些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手甚至從Cavaform購買模具。現(xiàn)代旋鍛設(shè)備的趨勢(shì)是不僅針對(duì)與模具制造無關(guān)的高產(chǎn)量應(yīng)用進(jìn)行定制化發(fā)展，而且還趨向于輕量化發(fā)展，而無法對(duì)模具鋼進(jìn)行冷彎成型。相反，Cavaform公司的機(jī)床采用了更通用的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)是在二戰(zhàn)爆發(fā)后Cincinnati Milacron公司雇傭的德國工程師腦力勞動(dòng)的產(chǎn)物。該機(jī)床用于在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)制造槍管的設(shè)備制造，而這些設(shè)備經(jīng)常是在地下坑道受到炮火攻擊的。而且，該機(jī)床是完全機(jī)械操作，這使得它非常可靠且相對(duì)易用。

George Hastick表示使用該機(jī)床已經(jīng)有20多年了。在該機(jī)床的中心安裝有一根芯軸，圍繞該芯軸成型退火鋼管。實(shí)際上利用具有預(yù)期注塑模具形狀的芯軸，確保此零件對(duì)于每個(gè)任務(wù)都是唯一的，并且該零件是通過按60～63HRC硬化的高速鋼機(jī)加工的。“在公差范圍內(nèi)拋光后甚至鍍鈦后，芯軸幾乎可無限期使用。”Hastick說到。通過一個(gè)芯軸可制造多達(dá)1500個(gè)模具。這種較長的壽命為該工藝提供了幾近完美的可重復(fù)性。這不僅對(duì)于高產(chǎn)量而且對(duì)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(chǎn)。因此，Cavaform公司在機(jī)床附近將幾十年前的芯軸儲(chǔ)存在專用的大型柜體中。

芯軸和圍繞其旋轉(zhuǎn)的管材是在兩個(gè)相對(duì)的桿件之間一起進(jìn)入機(jī)床的，這兩個(gè)桿件其中一個(gè)為具有60?t作用力的推桿，一個(gè)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(nèi)部，管材和芯軸被四個(gè)應(yīng)力消除的斜紋模具圍繞，這四個(gè)模具都是采用具有合適尺寸的M2或M4鋼在車間內(nèi)制作的。在每個(gè)模具后面，設(shè)置有鐵錘，鐵錘反向延伸至周圍的圓形外殼中，該外殼實(shí)際為一個(gè)直徑為3.5?in的滾子軸承。220?r/min的主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力驅(qū)動(dòng)模具和鐵錘向外運(yùn)動(dòng)，與滾動(dòng)元件的接觸又驅(qū)動(dòng)模具和鐵錘重新向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。這樣就產(chǎn)生了脈動(dòng)作用，使得四個(gè)模具在前進(jìn)的管材上同時(shí)和往復(fù)向下運(yùn)動(dòng)，每個(gè)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(chǎn)生的拋光作用就是精確和鏡面拋光加工的能力。實(shí)際上，即使在后續(xù)熱處理加工后，不同模具之間內(nèi)徑公差也只存在百分之幾英寸的差異。

圖3 正如左側(cè)坯件證明的那樣的，該工藝能加工出具有狹窄肋部和其他復(fù)雜幾何形狀的模具，所花時(shí)間比EDM工藝要少得多

讓其奏效

“盡管機(jī)床操作簡(jiǎn)單，但經(jīng)驗(yàn)還是很重要的。”Massie說到。例如，像Hastick這樣的技術(shù)人員必須確定正確的進(jìn)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(nèi)精確成型芯軸也會(huì)被要求試驗(yàn)和出現(xiàn)差錯(cuò)。

工廠依靠其豐富的經(jīng)驗(yàn)確定正確的壁厚。這對(duì)于任何任務(wù)來說都非常重要，因?yàn)榕c擠出工藝類似，該工藝并不會(huì)削除任何材料，而是鋼材會(huì)沿著芯軸向下運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)增加鋼管的長度。盡管該工藝對(duì)于大多數(shù)常用磨具鋼都有效(大多數(shù)應(yīng)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(nèi)徑，就必須旋鍛更多的材料。基本上，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)。“對(duì)管材外徑的處理會(huì)影響到內(nèi)徑，單個(gè)管材經(jīng)常具有四種或四種以上的不同外徑。” Hastick解釋到。

“創(chuàng)造力也很重要。”Hastick補(bǔ)充到。實(shí)際上，Cavaform公司經(jīng)常利用各種機(jī)會(huì)將該機(jī)床用于表面上看并不適合此工藝的模具。考慮在內(nèi)徑某一部分上的標(biāo)志產(chǎn)生底切的模具。盡管對(duì)開模設(shè)計(jì)在成型過程中會(huì)釋放此等底切，但對(duì)模具進(jìn)行旋鍛首先就要求橫截面均勻。為了繞過這個(gè)限制，Cavaform公司將標(biāo)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(biāo)志與無標(biāo)志的另一半相匹配。將模具型腔一切為二會(huì)消耗鋼材，因此，要確保完美配合就必須偏離中央方向?qū)�兩個(gè)旋鍛的型腔分離掉，這樣任一(可使用的)半個(gè)部分就會(huì)出現(xiàn)尺寸稍微過大。然而，該工藝尺寸精確，各個(gè)模具都一致，使用更少的拋光以及導(dǎo)致更低的損壞銳利邊緣的風(fēng)險(xiǎn)，這使得該解決方案比傳統(tǒng)方案更具有成本效益。

對(duì)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(dāng)工藝完成時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)足夠，但Cavaform公司在更小的牽伸率下也能進(jìn)行加工)。從芯軸更大的后端朝向更小的前端移動(dòng)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(jí)下降)，而是會(huì)產(chǎn)生圓形空隙。因此，當(dāng)直徑發(fā)生變化產(chǎn)生尖角時(shí)，Cavaform機(jī)床一般就不是很適合。

但是，旋鍛機(jī)并不總是使用其標(biāo)準(zhǔn)配置，在該標(biāo)準(zhǔn)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(fā)了另一個(gè)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(dòng)方向都相同(都與進(jìn)給方向相反)，但設(shè)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(yán)重。例如，除非封閉端經(jīng)過圓形處理，否則通常不會(huì)選擇使用封閉型腔(試管就是一個(gè)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?jī)?yōu)勢(shì)外，這些組件在磨損后也容易更換。

圖4 各種完工階段的芯軸和型腔。型腔越狹窄，旋鍛加工就需要越多的材料，因此，在一些管材上就會(huì)產(chǎn)生不同的外徑

提高標(biāo)準(zhǔn)

Massie強(qiáng)調(diào)，這種小本經(jīng)營的工藝對(duì)工廠其他部分的影響不僅僅是改進(jìn)工作流，而且已經(jīng)塑造了該公司的特質(zhì)，尤其是其用于質(zhì)量控制的方法。在1970年代晚期創(chuàng)立工廠時(shí)，±0.0?002?in的公差以及4?μm的表面光潔度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)時(shí)甚至是最嚴(yán)格的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而其能達(dá)到大于2的工藝能力指數(shù)(Cpk)，有時(shí)甚至高達(dá)4(大多數(shù)客戶預(yù)期的數(shù)值僅僅約為1.33)也是同樣如此。但是，不久之后，無論任務(wù)是否已有要求或是否適合Cavaforming工藝，客戶自然都會(huì)進(jìn)一步期望更高的精度。“冷彎成型模具的質(zhì)量在這些年內(nèi)為我們?cè)O(shè)定了很高的基準(zhǔn)，確實(shí)塑造了我們的特質(zhì)。”Massie說到。

例如，對(duì)容積型腔進(jìn)行徹底檢查已經(jīng)成為Cavaform文化的一部分，時(shí)間有幾十年。“端對(duì)端”測(cè)量是為了確保模縫線具有正確尺寸，而相反，Cavaform的人員會(huì)將各種尺寸的滾珠軸承放入經(jīng)Cavaform工藝加工和EDM工藝加工過的模具內(nèi)，之后根據(jù)必要進(jìn)行拋光，以確保在整個(gè)長度內(nèi)都具有均勻度。

該工廠還進(jìn)行了首件檢查，并檢查其他組件，而這項(xiàng)工作并不僅僅是由質(zhì)量控制部實(shí)施，而且由車間每個(gè)部門都實(shí)施，每個(gè)部門都會(huì)在各個(gè)制造環(huán)節(jié)后在專門的工位上檢查零件尺寸。每項(xiàng)檢查都由兩名人員實(shí)施兩次，這種體系有助于避免錯(cuò)誤。更重要的是，有助于消除經(jīng)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。“我們不能根據(jù)工件加工方法的不同來對(duì)待工件。” Massie說到，“我們要對(duì)所有工作都保持同樣的標(biāo)準(zhǔn)。”