模具电火花加工技术的进步

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模具电火花加工技术的进步
9 N% |; ^7 k8 n4 Y. p9 `1 r第十一届中国国际模具技术和设备展览会于2006年5月8日至12日在上海举行。本届模展面积达60 000 m2，与上届相比有大幅度提高，其中模具加工设备展出面积约占60%，显示了模具制造技术及设备的强大阵容。由于国内外厂商踊跃参展，与上届相比参展厂商明显增加，特别是国内外知名厂商都参加展出，展出的新工艺、新技术、新产品精彩纷呈，水平和档次与上届相比有明显提高，所以展会体现了模具制造技术及设备的当代先进水平。本届模展是我国历史上规模最大、水平最高的一次盛会，说明国际模展具有强大的生命力，将对我国模具工业的发展起到积极的推动作用。

“十一五”模具发展的目标是：模具精度达到±0.001mm；模具生产周期将比现在缩短30%；机床数控化率将比现在提高1倍；大型、精密、复杂等中、高档模具的比例将从现在的30%提高到40%。这一目标推动了模具制造设备水平的提高，同样也推动了电火花加工机床新工艺、新技术、新产品的发展。
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- G5 ^) [/ ^+ w" P) K( Z$ P/ h1 数控电火花成形机的新发展

数控电火花成形机（NCSEDM机床）各项工艺指标虽然已达到了很高的水平，可是在高速铣（HSM）迅速发展的今天，其发展空间仍受到了一定的挤压。但由于HSM在加工凹型腔时还存在一定的问题，包括深槽窄缝的加工，内清角的加工，棱边清晰的加工，细微、复杂、精密加工，深型腔（L/D≧5）的加工等，还有超硬材料的加工也不是HSM的特长，因此本届模展中还是显示了NCSEDM机床的发展前景。从参展NCSEDM机床的新工艺、新技术、新产品的发展角度来看，国外几个著名厂商还是处于领先优势。
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+ }& }* s0 n, Z" X% V8 B  Q日本牧野公司第一次展出电极自动交换（AEC）和工件自动交换（AWC）的EDGE2全自动NCSEDM机床。AEC采用EROWA ITS系统、3R宏系统或牧野的Y形系统，分直接交换式和旋转式二种。直接交换式电极容量为4根，旋转式电极容量为8～32根，使用卡盘适配器交换时最大电极重量（含电极夹具）40 kg，AEC交换时间一般为20s；AWC具有通用性的工件库和工件货盘交换装置，容易确认的平面工件库适合于复杂模具加工。采用辅助工作台，以便于大工件的自动交换，采用工作液快速处理技术，使下一个工件的交换变得更快、更可靠。该机床还具有工作液恒温控制（±0.5 ℃），Ra0.18μm的超精加工技术（电极：直径40 mm铜，工件：NAK80），R0.015mm的锐角加工技术以及添加剂为μSC的混粉加工技术等。

日本沙迪克公司展出的AM45L同样是全自动的NCSEDM机床，具有电极和工件自动交换功能，采用的是EROWA系统，也是第一次在国际模展上展出。
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; l" {# L" G* `- T. N! M3 x瑞士夏米尔公司也开发了混粉加工技术，在国际模展上第一次展出了ROBOFORM 350γ混粉加工机床，该机床采用1.5 L罐装Gamma M1×50混粉，可以用混粉工作液进行粗、精加工，并在同一台机床上可实现普通工作液和混粉工作液二种加工方式，从混粉加工转换到普通工作液加工，约需2 h的过滤时间，而从普通工作液转换成混粉加工，只要30 min的准备时间。混粉加工时不用过滤器。混粉的使用寿命为400h，甚至更长一些。混粉可以实现Ra0.2μm的精加工，即使加工面积的大小变化，也能加工出Ra0.2μm的工件表面。例如，加工30mm×30mm×5mm的型腔，材料为W300钢，用同样的加工工艺，普通工作液Ra0.5μm，而混粉工作液Ra0.18μm，而且缩短了加工时间，降低了约30%的电极损耗。传统加工与混粉加工表面粗糙度Ra与加工时间的关系如图1所示。

+ t- [2 F% k# S, D阿奇夏米尔的ROBOFORM 350γ机床，采用了混粉加工技术

( \$ Y7 D4 N$ s. @图1 传统加工与混粉加工表面粗糙度与加工时间的关系

以上从技术先进性以及在国际模展上首次展出的角度介绍的全是国外机床，但从中可以看出：

（1）机床的AWC在中国展出只是近年来的事，以前只有AEC，而AWC只在欧美、日本等发达国家和地区展出，说明国外厂商已认识到中国用户需求水平在不断提高，重视开拓全自动NCSEDM机床的中国巿场。

- M+ }; \+ S8 Z" t* m8 J, T7 I（2）包括AEC、AWC、专家系统等成套的全自动NCSEDM机床在国内还没有开发，虽有AEC及专家系统的NCSEDM机床，但在实际应用中还存在不少问题。AEC在实际生产中应用不多，并缺乏按加工类别细分，适合各种加工条件的完善的专家系统。因此，我们的机床从实验室的工艺水平到生产厂的出厂工艺水平，再到用户实际使用的工艺水平，实际上是逐步下降的。除了其他各种因素外，机床操作中较多的人工干预是造成上述问题的重要原因。提高自动化程度，避免或减少人工干预是解决这一问题的有效途径。所以，提高EDM自动化水平是EDM的重要发展方向。
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+ ?7 F; N5 ?9 [" _* X（3）混粉加工已有较长的历史了，日本的沙迪克、三菱、牧野等公司都开发应用了混粉加工技术，而瑞士阿奇夏米尔公司却迟迟不动，这次瑞士夏米尔公司展出了混粉加工技术ROBOFORM 350γ。这样国外知名厂商都各自开发了混粉加工技术，这也从另一方面说明混粉加工有其重要的应用价值。我国有关高校虽对混粉加工进行了研究，发表了不少文章，但至今未见产品上巿。

7 v8 R3 r4 ]) p+ R- z5 J6 y（4）从国际模展来看，我国的NCSEDM机床近年来发展不快。
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2 低速走丝电火花线切割机逐渐成为市场的新主力

由于低速走丝电火花线切割机（LSWEDM机床）解决了加工表面质量问题，再加上它一系列的技术进步，故LSWEDM机床的水平有了质的飞跃，其优异的加工性能，目前还找不到哪一种加工技术可与之竞争。

( ?0 H- b# s% _" I9 O在本届模展上，国外一些著名厂商都展出了高性能、高精度的LSWEDM机床，所参展的机床以往曾进行了不少报道（可参见本刊2006年3月刊），这里不再介绍。
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4 y1 C8 Z# k4 X: @# a* r国内LSWEDM机床呈现迅速发展的趋势。本届模展上展出LSWEDM机床的除最早开发生产的苏州电加工机床研究所、苏州三光集团等外，还有上海大量、北京安德、苏州宝玛等企业。台湾企业在大陆生产LSWEDM机床并参加展出的公司有：上海京美、昆山乔懋、苏州群伦、昆山庆鸿等。国内具有自主知识产权并具有代表性的LSWEDM机床开发生产企业是苏州所和苏三光等，其DK76系列产品在国内具有领先水平。以苏三光的DK7632为例，该机床开发的高峰值电流（近千安培）、窄脉宽（纳秒级）、无电解、无限流电阻电源，使最大加工速度达到350 mm2/min，最佳表面粗糙度可达Ra0.3μm；无电解加工技术为消除工件变质层，提高加工表面质量创造了条件；取消放电回路限流电阻和功率释放电阻，不但可简化结构，而且与有电阻相比，可节能40%～60%；机床还具有工艺数据库和多任务网络通讯等特点。该机床达到了国内领先水平及国际同类产品的先进水平。
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本届模展上参展的LSWEDM机床生产企业既有大陆和台湾（在大陆）的企业，又有日本三菱（大连）、日本沙迪克特种（苏州）和最近开业的日本牧野（昆山）等独资的企业，再加上国内一些潜在的企业，说明我国LSWEDM机床的大发展时期已经到来。2001年我国的LSWEDM机床产量只有150台，至2004年已达1 800台，而2005年升至2 400台，2006年预计为3 500～4 000台，产值可达25～30亿元，而2006年高速走丝电火花线切割机（HSWEDM机床）的产量仍然最大，产值预计为16亿元。长期以来特种加工机床行业，HSWEDM机床一直占有巿场的主导地位，但从2006年开始LSWEDM机床将成为特种加工机床行业的巿场新主力。
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) U# e( _! S$ Y: Z8 ~4 D( r4 b但HSWEDM机床也在不断进步，在我国仍有较大的巿场。

  H& E* {& \" U. t. |9 K4 q% w5 g* D3 高速走丝电火花线切割机的新亮点

2 p$ a& J1 t8 P, u7 M确实，HSWEDM机床也在进步。在这次展览会上由上海大量、苏州新火花、苏州开拓、上海特略等单位展出了多次切割HSWEDM机床，这是HSWEDM机床的新亮点。提高加工精度实现多次切割应解决的主要技术问题有：加工过程中电极丝空间形位变化的控制，采用高耐磨性的导向装置、恒张力的控制机构以及采用走丝速度程控调节等措施，从而为实现多次切割创造了有利条件；窄脉宽、高峰值电流的新型脉冲电源是提高多次切割工艺水平的重要条件；还有如采用短程往复走丝、改变跟踪控制方法、进行系统工艺试验开发多次切割软件等。提高机床的运动精度对任何HSWEDM机床都重要，但对多次切割的HSWEDM机床更重要。
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多次切割HSWEDM机床较大程度地提高了加工工艺水平。例如：苏州新火花的多次切割HSWEDM机床，3次切割能获得Ra≦1.2μm，平均加工速度为≧50 mm2/min，加工件表面光泽，无切割条纹。单次切割的最大加工效率可达140 mm2/min；上海大量TP系列多次切割机进行三次切割后Ra≦1.0μm，加工精度（尺寸差）≦6.0μm。以该公司加工的八方工件为例（表1），说明多次切割加工工艺确实推动了HSWEDM机床的技术进步。

表1 HSWEDM多次切割加工工艺指标
注：工件材料为淬火Cr12，正八角形，对边距20mm，厚度40mm

0 w! a& V8 U8 Q" Q+ _4 专用数控电火花加工机床的新产品
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4 w! c7 \5 K" ~+ @6 _* B! @' w展出的专用数控电火花加工机床不多，最近通过鉴定的苏州电加工机床研究所的数控电火花轮胎模加工机床具有明显的创新性和实用性。

8 u6 {6 ?- b& M6 ]* W, O) U该机床适用于人力车、摩托车、卡车、轿车等轮胎模制造，特别适用于高速轮胎模的制造。该机床的“一种环件花纹电火花加工专用设备的床体”专利技术，提出了电火花轮胎模具加工专用设备合理的运动分布及整机布局；机床的卸荷技术，使机床的承载量与同规格机床相比提高了将近一倍，扩大了轮胎模的加工范围，并使该部件的成本降低了20%，现已申请国家专利；精确的多自由度调节机构，使运动轴之间、运动轴与安装面之间达到了较高的综合精度，结合高精度的电极装夹柄，保证了模具中型腔位置的准确性和一致性；精确的分度功能和高性能的Z轴伺服特性，提高了模具中由花块型腔的底面和侧面所形成的空间组合曲面精度，保证了轮胎的圆度和动平衡性能。机床的自适应控制高效脉冲电源，实现了高性能稳定加工；专用数控系统及专用软件，功能强大，操作简单，自动化程度高；升降式油槽可实现浸入式加工，避免了由于冲液加工引起的火灾危险等。机床自开发生产以来，已销售了300多台，产值达2700多万元，具有良好的技术经济效益。