图1  Matrix公司制造用于医疗器械行业零件生产的模具。其模压成型的零件范围从普通大小的尺寸，一直到极小的尺寸，这种微型零件的细节特点单凭肉眼是不容易看清楚的

Matrix公司制造用于微型元件生产用的注塑模具，这种模具具有我们所看不到的功能特点。

Matrix公司制造微型元件生产用的注塑模具，这种注塑模具有我们所看不到的功能特点。如果不借助放大工具的话，至少用肉眼是看不清楚的。

它的特点是，只有在显微镜下或者在模具的CAD设计图上，才能看清它的细微之处。当我们用手指挤压并仔细盯着这个注塑模具时，我们所看到的一切只是像一支形状特别的笛子或一个逗号，但看不清具体的细节。当知道这个元件的各个细节都达到了0.0001in（1in=25.4mm）的公差精度时，你将会大吃一惊。

图2  这些微型塑料元件是精密外科工具的机械系统的一部分

Matrix公司从来都没有打算成为一家制造微型模具的专业工厂。位于Illinois州的Wood Dale是一家生产各种塑料零件所需模具的供应商。然而，该车间自承接医疗领域的加工业务以来（该车间已获得医疗器械的ISO 13485标准认证），就开始了小型零件的生产，并且其加工的零件越来越小。事实上，这一车间自身的成功加速了它的发展。一种允许让外科医生使用卡钉移植动脉的医疗器械可以说明这一问题。该车间为这种医疗器械的机械元件制造模具，其中卡钉的直径测量值为0.010in。

当Matrix公司表示，它可以制造这一医疗器械所需的模具而且不受车间的精度制约时，客户意识到，它有能力复制这种医疗器械，甚至提供一种插入量更少的卡钉。现在Matrix公司正在制造一种更新型医疗器械的模具，其所提供的卡钉直径只有0.004in。

Matrix公司如何生产这么小的元件模具呢？这个问题值得研究，因为该车间从来没有想到过使用任何专门为微尺寸零件加工的专用设备，在加工微型模具的机床上也同样生产标准尺寸的零件。其关键是在于Matrix公司在微加工中采用了系统化生产方式，即注意放大图的每一个细节，Matrix公司在其加工过程中，一步一步地控制加工精度并密切注意影响尺寸变化的原因。当每一步的误差余量减小时，其整体工艺的精度就得到进一步提高。只要使所有的误差控制在足够的精度范围之内，那么就可以确信它能够生产出可靠的微型零件。

图3  该车间使用同样的设备和工艺，制造宏尺寸模具和微尺寸模具。为了这一动脉移植工具，Matrix公司制造了夹钳端部较大元件生产用的模具和外科端部精密机械元件生产用的模具

具有讽刺意味的是，实践证明，与微型件加工具有特别关系的一种加工能力，并不直接涉及机加工。加大车间注塑能力的投资，可扩大车间的服务范围，同时，允许车间以最重要的方式来验证模具加工的性能和细节。也就是说，要确保最终模压成型的零件达到所要求的公差尺寸。

EDM的加工效率

当车间决定从控制误差来源入手的时候，Matrix公司决定选择滑枕式EDM放电加工机床。滑枕式EDM机床涉及到多个加工工艺，首先是电极的铣削加工，然后是烧蚀加工。因此，在这一过程中涉及到多次设置和变化。对零件直接实施铣削加工似乎比较简单，而且精度也更高，那么该车间为什么对其微型模具采用硬铣削加工呢？

Matrix公司负责生产的副总裁James Ziegenhorn先生说：“硬铣削不一定适合于微加工。至少，硬铣削不适合于加工Matrix公司生产的微型模具，其原因应归结于刀具变形。”适合于硬铣削的模具应具有曲线流畅、轮廓清晰的特点，对其3D尺寸定位而言，微小的移动是微不足道的。相反，对于一个用于血管中微型卡钉元件生产的模具，可能需要其壁体平直度保持在2×10-8in的精度范围内，以确保该医疗器械能安全可靠地工作。

图4  这里的4个元件，每一个的宽度测量值为0.042in，可帮助将微小的卡钉推入到需要做移植手术的位置

“在我们的小型模具上，一个0.5°的斜角已经是非常大了。”Ziegenhorn先生说。长度与直径之比较大的刀具，当偏转太大时就无法达到这样高的平直度，而这样大的长度与直径之比，要么由刀具的长度产生（Matrix公司更像这类情况），要么由刀具的小直径产生。EDM采用精密的刚性电极来代替细长的刀具，因而可避免上述情况的发生。为了克服因烧蚀和铣削加工而造成的累计误差，Matrix公司认为，其关键是需要在这两种机床上，使用一种精密的电极夹持系统。

工艺控制

电极铣削加工和滑枕式EDM放电加工都是在Matrix公司的自动化加工单元上进行的。在其中的一套加工单元中配有一台Erowa上料机，用于给Makino SNC 64型加工中心上料；而另一套加工单元中配有同一类型的自动化上料机，将电极安装到Makino EDNC 43型滑枕式EDM机床上。Matrix公司原先安装这一自动化设备的目的是为了提高生产效率，让这些机床在夜间和周末都能不间断地工作。然而，同样的系统也提高了所设置的重复精度，因为现在的电极从铣床到EDM机床都保持固定的状态。每台机床上可重复的夹紧装置，可确保电极从铣削加工到放电加工的移动保持极低的误差，好像两种操作是在同一台机床上完成的。

图5  正在对电极进行铣削加工的自动化加工单元和滑枕式EDM加工机床。这两种机床都采用Erowa自动化上料系统，从而使生产效率和重复精度得到了保证

“这种精度就像一条长链中的一个环节。”Ziegenhorn先生说。因为这个工艺就像其最精密的元件那样精确，其所达到的可靠的微加工性能，来自于对工艺过程中每一个元件的检查，以降低其可变性。其他各方面也像电极夹紧装置那样重要，其中包括：

机床精度。该车间选用机床时，对机床的精度做到心中有数；

刀具路径的可靠性。该车间使用的NX CAM软件来自于Siemens PLM Software公司。Ziegenhorn先生说，这个软件对该车间的价值就在于其无所不能的特性。在大型零件加工中，刀具路径误差可能只是一个很小的问题，但对小型模具来说则是不利的。该软件可避免其与预定的路径发生微小的偏离；

细晶粒石墨。Matrix公司的EDM-3型机床使用的石墨电极来自于Poco Graphite公司，其强度足以使工件被加工成细小而修长的形状。对于微加工而言，尽管石墨存在着一定的脆性，但该车间宁愿使用石墨也不使用紫铜，原因就在于其脆性。若处理不当，石墨电极容易断裂，而不是弯曲。这是一件好事，因为弯曲的铜电极可能会继续进行加工，在这种情况下生产出来的模具肯定报废；

图6  验证微尺寸零件生产用的模具，要求Matrix公司内部必须拥有自己的注塑成型生产能力

铣刀的频繁更换。石墨易于加工，但具有研磨特性。在长期的石墨加工中，铣刀会很快走到其预计使用寿命的终点，刀刃会变得越来越钝，电极也会存在发生不一致的情况，但实际上每一根电极都应该是一致的，Ziegenhorn先生说：“Matrix公司更换铣刀的频率远比任何刀具目录所推荐的更频繁。”；

电极的频繁更换。电极的情况确实与上述的情况相类似。微小的电极要求车间使用低功耗设置，这将导致电极迅速磨损。因此，该车间不得不为一个微型模具加工准备比标准模具更多的电极。在生产一个元件之前，一个特定的微加工型腔可能需要6~8根同样的电极。

图7  这套加工中心实际上是一套检测系统。当塑料件浸入到环氧树脂固化后，该机床将对其一层一层地进行剥离加工，这样就能以数字的方式获取每一层的测量数据

模压成型测量

当模具完成后，生产工艺并没有结束。该模具将被送往与机加工区域相邻的注塑成型区。在Matrix公司内部模压成型的好处是不会受到模具加工人员与模具车间之间的任何指责。

对于微型模具而言，在内部模压成型也有利于保证产品的质量。虽然测量一套成品模具是很有用的，但其覆盖规模太小，因此测量结果是不精确的，而且树脂材料的特殊性，可能会导致成型零件打破规范。因此，对于微型模具加工，Matrix公司首先需要学习的就是，什么情况下一个特定的模具需要0.001的精度，或去除一个特定的表面，或模具需重新设计（在极少数情况下）。当项目的规模较小时，制造一个关键模具所面临的工程挑战不会很少，在许多情况下，这种挑战是比较大的。

图8  所获得的点云数据提供了一个零件尺寸精度的详细视图

在车间中，最不寻常的设备是测量这些微型零件的设备。微型零件内部数据的获得是很困难的，因为切入这个零件，可能会使其变形而破坏其任何要被测量的性能。因此，车间在切削加工微型零件时采用了一种高度控制的方式。Matrix公司的QA质量保证人员将成型零件悬浮在环氧树脂中，并让这一环氧树脂固化。然后，他们采取逐层加工的方式，将环氧树脂和零件一起进行铣削加工，有时候，每次加工厚度也许是0.001in或0.002in。

由CGI（Capture Geometry Internally）公司提供的横断面扫描机就是为这个目的而开发的。通过对其加工的零件的每一层进行图像拍摄，该扫描机就可以获得一组允许进行详细检验的3D模型数据。这些用于微型模压成型件的3D数据组，对Matrix公司的客户一直是非常珍贵，因此公司也正在考虑该进一步推进其检验能力。为了继续为医疗行业提供服务，Matrix公司正在评估在零件检验中增加CT扫描，也就是说采用内科医生内部测量所使用的同样技术，来测量医疗零件。