顶级的产品必须通过市场中顶级的设计来实现。因此相应的：顶级的产品设计也是一项具有挑战性任务。海德堡C.Joesf Lamy有限公司负责模具制造的负责人Jörg Weber先生说道：“书写工具的市场非常庞大且竞争异常激烈。”

作为高品质书写工具的中型生产厂，Lamy公司必须在低成本大批量生产与奢侈品生产的激烈竞争中脱颖而出。在此过程中除了产品质量之外，产品的设计也发挥着重要作用。产品设计必须非常容易识别、能够给人留下深刻的印象，并始终体现它所具有的高价值。这对于制造书写工具塑料部件的注塑模具也提出了很高的要求——例如制造钢笔笔杆的注塑模具。

其中，最具挑战性的是笔杆上方笔盒注塑模具处的Lamy标志。浇筑Lamy标志的上下模必须严丝合缝、完美契合，高光泽的笔盒也对注塑模具提出了较高的要求。迄今为止，制造这些模具采用的加工工艺为铣削、电火花腐蚀加工、抛光和测量。其中，电火花腐蚀加工、人工手动磨削和抛光都属于不易控制的生产过程。

图1  如今，淬硬模具毛坯已经可以轻松采用铣削完成模腔的铣削加工任务了，并能在很短时间里完成模腔的抛光，在完成电火花腐蚀加工和涂镀氮化钛涂层之后就可以抽样检测了

Lamy标志的要求

Lamy公司的模具制造负责人Viktor Schellenberg先生补充道：“以前，在笔盒上制作这样的企业标志是模具行业中的一大难题，要付出相当大的精力。”在高光泽的笔盒上Lamy标记显得非常突出：Lamy标记锐利的线条在凹陷的天鹅绒哑光中非常显眼。过去，只有通过电火花腐蚀加工才能制造出所需的、高精度的锐利边缘。但这一工业技术的最大缺点是：随着电极的磨损无法确保足够的重复精度。此外，电火花腐蚀加工损坏的笔盒表面也大大提高了抛光的成本费用。此外，由电火花烧蚀造成的表面深层损伤也只有在抛光之后才能见到。

模具毛坯剩下的大部分切削加工都是通过铣削加工来完成的。因此笔盒模具需要在不同设备之间多次装夹、重新测量及以定位固定。这就带来了较大的工作量：笔盒模具的整个生产流程共计16道工序，这还不包括模具制造中的质量检测过程。这一模具制造过程的另一个缺点是：外包给其他企业的模具抛光时间长达6～8个月。而直到企业将抛光后的模具交回给Lamy有限公司，在入库检验时才能发现某些质量缺陷，例如四腔模具中的一腔或者两腔不合格。这也迫使Lamy公司备件库中不得不保存一定数量的“备用模腔”。

新方案：铣削取代电火花腐蚀加工

Jörg Weber先生回忆道：“因此，在2021年8月我们要求位于Soltau地区的铣削设备制造商Röders公司和我们一起开发一种先进的解决方案。”其核心思想是通过微型铣刀的铣削加工替代原来的电火花腐蚀加工。同时，笔盒模具的整个外表也应在微型铣刀的铣削下保证很高的光洁度，从根本上避免后续的抛光工序。

我们的目的只有一个：在一台铣削加工设备中完成不同的铣削加工任务：从粗铣到笔盒模具表面的高光泽加工任务。在完成这一高精度铣削加工任务时，Röders公司开发设计了经过技术验证的、有着两个延Z轴运动主轴的精密加工机床。一个是配用了（HSK40，42 000 r/min）精密轴承的标准主轴，另一个是配用了HSK25、60 000 r/min精密轴承的高精密主轴。

图2  Moldino公司开发生产的CBN系列球头铣刀的直径只有0.1 mm，可以连续工作8～10 h

这两种被称之为气悬浮支撑的空气轴承使主轴的运行非常静音、且有着最佳的缓冲性能,在承载力相同的情况下能够承受更大的额外负荷。因此允许铣床使用最小直径0.1 mm的微型铣刀。高转速提供了非常高的切削速度、并且有着较为出色的运行平稳性和表面粗糙度高达Ra=10 nm的表面质量。另一个主轴还能承担包括换刀、测量和清洁工件的独立任务。机床的控制软件承担着操作人员的全部切削加工管理任务。控制软件可以根据刀具数据自动识别该刀具应该安置在哪根主轴上，并用无孔的闷盖将投入加工使用的主轴封堵起来，防止污物进入主轴内孔。同时，软件控制系统还能在切削加工过程中准确的测定两根主轴的相对距离。

成功的工艺流程开发过程

“当然，Röders公司也事先用相应的设备进行了‘概念验证’。” Viktor Schellenberg先生说。在Röders公司的实验室里,他们用Moldino公司生产制造的微型铣刀验证了淬硬原材料铣削加工的铣削试验。试验的结果不仅表明在加工质量、加工精度以及加工时间和刀具耐用度等方面的数据都有着令人信服的结果。如今，Lamy笔盒模具制造商就是用这全新的PXP601 DSH Z2型五轴加工中心完成了笔盒模具的生产制造：仅凭四道加工工序就完成了以前16道工序才能完成的模具制造任务。五轴加工中心所需的CAM软件是用Hexagon公司开发的Visi软件根据CAD数据创建的。

采用新的切削加工工序之后完全省去了过去淬火前的“软加工工序”。淬硬后的笔盒模具毛坯首先在五面切削加工中完成粗加工，并测量经过这一工序后的半成品是否合格。只有笔盒模具的高光泽部位仍然需要在后续加工过程中用研磨膏抛光。相比后续的高光泽铣削加工更具成本效益；因为抛光的成本费用明显低于相应的铣削加工成本。与原来的成本费用相比，新技术节约了70%的成本费用。最后，只需通过电火花工艺对Lamy标志的深层结构进行腐蚀加工。在完成氮化钛涂层之后就是模具成品的最终检测。

Viktor Schellenberg先生说：“Röders公司的新设备在一次装夹中就能完成笔盒Lamy标志模具的铣削加工和测量。”测量时使用的是三维检测探头3D-Taster，与其配用的软件是RMS Inspect。在它们的配合下可以按照CAD数据对笔盒模具表面进行高精度的测量。这就可以在切削加工机床上完成笔盒模具加工质量的精密加工。整个铣削加工过程的加工精度能够可靠地保持在5 μm之内。

图3  图示机器人能够在铣削加工设备中完成零件毛坯的装夹、HSC标准刀具或者微型铣刀的刀具更换

微型铣刀加工工艺证明了其可行性和可靠性之后，经济性计算也得出了结果：单班制生产未能发挥出这一加工工艺方案的最大营利性。因此，在不到一年的时间里就实现了微型铣刀加工工序的自动化，收回了设备的投资成本。2023年时实现了利用机器人辅助的托盘更换、刀具更换和夹具更换等在内的全套自动化解决方案。

托盘更换、刀具更换和夹具更换时使用的控制程序也是Röders公司开发的CAM控制程序RMS Main。在设计全新铣削加工方案时就考虑了后续扩展与完善控制软件的可能性，并考虑了将机器人技术应用到微型铣刀铣削加工过程的可能性和后续增添更多设备的可能性。

对此，Viktor先生高兴地说道：“从那时起，除了铣削加工单元的维护保养和清洁之外，整条加工单元可以在一年365天时间里全天候的工作运行。”

从那时起，铣削加工单元就已经完成了1400多个笔盒Lamy标志模具的生产制造。所生产模具的废品率几乎为零。到目前为止，加工单元还没有发生重大的设备事故。设备维修时所需的配件也能及时送达，维修服务人员也会在发出维修服务的第二天登门拜访。

开始的时候，我们对Röders公司开发的控制软件还有些担心。然而这种担忧很快就被我们派送到Röders公司学习微型铣刀加工单元使用、操作的两名职工给化解了：简单直观的设备控制操作令人信服。

到目前为止，这两名职工又为我们培训了三、四名操作人员，以便在轮班制生产过程中有更多的设备操作者可供选用。原则上，每一位熟悉Windows操作系统的人员都可以操作微型铣刀加工单元的控制系统。Viktor Schellenberg先生总结道：“借助于Röders公司开发的微型铣刀生产工艺技术和控制系统，我们现在拥有更快捷、更节省成本费用和更可靠的生产流程。”现在，Lamy有限公司的负责人Jörg Weber先生已经在考虑扩大生产能力、增添新设备了。