數(shù)控電火花成形機(jī)床

1.1  NCSEDM的市場(chǎng)定位是精密微細(xì)加工

在高速銑（HSM）技術(shù)大發(fā)展的今天，通用NCSEDM的市場(chǎng)定位越來越清楚了，即向精密微細(xì)方向發(fā)展。

這次展會(huì)上展示的精密微細(xì)加工樣品比以往要精彩得多，尤其是展示很多精密微小型腔 (如1 mm3型腔)，需要用放大鏡才能看得清楚。它不但小，而且清棱清角，這種微型腔是生產(chǎn)微器件的關(guān)鍵技術(shù)。在1 mm3的空間內(nèi)加工10 μm的清角，對(duì)HSM來說太困難了。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展越來越受到人們的高度重視，已相繼應(yīng)用于精密機(jī)械、光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需要很多微型模具。國際MEMS發(fā)展迅速，有關(guān)資料預(yù)測(cè)，我國20 11年增速有望達(dá)到29.2%。這說明微型模具市場(chǎng)有良好的發(fā)展前景，必將推動(dòng)NCSEDM精密微細(xì)技術(shù)的發(fā)展。

即使在一般規(guī)格的型腔模加工中，NCSEDM也定位在精加工。因?yàn)镠SM粗、中加工優(yōu)勢(shì)十分明顯，且在很多場(chǎng)合可直接用HSM加工就能達(dá)到圖紙要求，但要使HSM加工無刀花和接刀痕花費(fèi)就大了，而且還有清角加工的問題，所以對(duì)于高檔模具，采用NCSEDM加工精銑后的型腔，則既有精整加工又有拋光作用，平整度又好。而如果用手工拋光去掉刀花和接刀痕，則會(huì)使平整度變差，也難于解決清角問題，影響高檔模具的精度要求?，F(xiàn)在的問題是NCSEDM能否達(dá)到型腔模精加工的要求，也就是說，在精加工時(shí)，要保證不燒弧，防止集中放電，規(guī)范放電能量，保證精加工表面粗糙度均勻，且Ra≤0.2 μm，平整度要好，清角等。目前 ，一般的小家電模具、手機(jī)模具等都可實(shí)現(xiàn)NCSEDM直接精密加工，即使采用石墨電極也能達(dá)到上述要求。例如：石墨電極本身的表面粗糙度為Ra0.49 μm，進(jìn)行精密平動(dòng)加工，工件表面粗糙度可提升到Ra0.11 μm。

現(xiàn)在的問題是大面積型腔加工。由于EDM固有的問題，大面積型腔加工時(shí)難以達(dá)到Ra≤0.2　μm的水平。因此開發(fā)了混粉加工技術(shù)。在一定濃度超細(xì)混粉加工時(shí)，可達(dá)到Ra ≤0.1　μm的水平。但由于混粉在加工間隙中分布的不均勻性，加工精度（平面度等）會(huì)受到一定的影響，因此，如何選擇適當(dāng)濃度，在精度與表面粗糙度之間找到平衡，是工藝上亟待解決的問題。

1.2  精密加工技術(shù)的進(jìn)步

1.2.1  集中放電控制技術(shù)

電火花放電加工在正常狀態(tài)下，放電在間隙中是不斷轉(zhuǎn)移的，集中放電引發(fā)的電弧放電會(huì)破壞加工正常進(jìn)行。這次日本沙迪克公司的AG系列機(jī)床，采用SGFⅡ電路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過程無電弧放電加工，值得關(guān)注。

避免集中放電對(duì)精密加工保證加工表面質(zhì)量十分重要，對(duì)于采用石墨電極的中、精加工尤為重要。以往我們對(duì)防止由集中放電引發(fā)的電弧放電的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行過報(bào)道，下面再介紹幾項(xiàng)防止集中放電的控制技術(shù)，供參考。

 (1) CAD的3D技術(shù)：加工時(shí)引發(fā)集中放電往往與脈沖能量和加工面積不匹配有關(guān)。以往認(rèn)為，某一脈沖能量有個(gè)加工面積并與加工穩(wěn)定性、加工效率密切相關(guān)，其實(shí)它還與防止集中放電也密切相關(guān)。一個(gè)與脈沖能量匹配的加工面積，可有效防止集中放電。當(dāng)前應(yīng)用CAD的3D技術(shù)，可事先計(jì)算出每個(gè)變化的加工截面，這樣放電加工面積是預(yù)知的，就可根據(jù)加工工藝規(guī)律，準(zhǔn)備好一套脈沖電源參數(shù)及伺服控制參數(shù)，以適應(yīng)加工過程中加工面積的變化，防止集中放電，保證精密加工的表面質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)電壓（脈沖能量）平緩調(diào)節(jié)，當(dāng)前已用電子變壓器替代用抽頭調(diào)節(jié)電壓的常規(guī)變壓器，形成數(shù)字化的電壓平緩調(diào)節(jié)，從而能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的脈沖能量平緩調(diào)節(jié)，還能使脈沖能量的微調(diào)成為可能，為CAD的3D技術(shù)創(chuàng)造了條件。

(2) 微抬刀（脈動(dòng)抬刀）技術(shù)：集中放電產(chǎn)生型面不平局部粗糙的重要原因，尤其精加工時(shí)問題更為突出。因?yàn)榫芗庸r(shí)放電間隙小，易產(chǎn)生放電產(chǎn)物在間隙中的不均勻分布。產(chǎn)物的局部集中，使放電點(diǎn)轉(zhuǎn)移造成困難，間隙局部過熱內(nèi)阻減小，形成集中不良放電。放電間隙的局部污染，說明間隙中蝕除物分布不均勻。為使蝕除產(chǎn)物在間隙中分布均勻，所以提出微抬刀的新概念，它新在不是排屑而是勻屑，是“脈動(dòng)”一下，使間隙中產(chǎn)物均勻分布，避免集中放電，這種微（脈動(dòng)）抬刀，一般是在二個(gè)高抬刀之間進(jìn)行，創(chuàng)造放電點(diǎn)自由轉(zhuǎn)移的有利條件。

(3) 抬刀脈沖控制技術(shù)：為了避免電極和工件之間形成的電容以及輸出回路寄生參數(shù)在主軸抬起時(shí)大量空載大脈沖的充電，這種充電會(huì)給抬刀過程結(jié)束時(shí)首發(fā)放電產(chǎn)生一個(gè)大能量脈沖，而在工件表面打出深坑，因而采用在抬刀時(shí)不發(fā)脈沖的措施。這也是為避免產(chǎn)生集中放電，而采取的技術(shù)措施但概念與上述二種不同。

1.2.2  精密加工的智能脈沖電源

從這次參展的情況來看，國外廠商都重視智能脈沖電源開發(fā)應(yīng)用。例如：瑞士阿奇夏米爾公司ISPG智能高效脈沖電源，新電源在加工表面質(zhì)量、電極損耗、生產(chǎn)效率等方面都達(dá)到了新的高度，采用SF模塊進(jìn)行精密加工，可達(dá)Ra0.05 μm的水平，電極損耗大幅度下降，平均生產(chǎn)效率提高30%；日本牧野公司參展的EDAF2機(jī)床智能脈沖電源的超級(jí)放電技術(shù)（SST），具有放電能量自動(dòng)調(diào)節(jié)（AFT）、節(jié)能、低損耗、超精面加工等9項(xiàng)功能，超精面加工Ra0.06 μm；日本沙迪克公司參展的AG40L機(jī)床，配置的能實(shí)現(xiàn)高品位精加工的SVC回路，可達(dá)到鏡面加工的水平；日本三菱電機(jī)公司EA Advance機(jī)床，配置的NP2回路，在10 mm×10 mm加工面積時(shí)，可達(dá)Ra0.06 μm。

在國家科技重大專項(xiàng)展品方面，蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司的D7132五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，配置了智能化脈沖電源及高精加工電路，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)Ra0.1～0.15 μm的精密加工；北京市電加工研究所的N850五軸五聯(lián)動(dòng)機(jī)床，其鏡面加工回路對(duì)微小放電脈沖能量的恒定輸出進(jìn)行準(zhǔn)確控制，在加工直徑為40 mm的面積時(shí)，表面粗糙度Ra0.1 μm，并實(shí)現(xiàn)了工程化穩(wěn)定加工。

脈沖電源在精細(xì)加工時(shí)，微小脈沖能量在放電回路中傳輸，其放電回路上的寄生參數(shù)產(chǎn)生的附加能量，會(huì)使加工件表面粗糙度變差。放電回路的寄生參數(shù)由兩部分組成，一是放電能量傳輸線路；二是電極和工件間的寄生電容，這一部分是由電極和工件之間的加工面積決定的，難以改變，但縮短放電能量傳輸線路，減小寄生參數(shù)，卻具有重要意義。目前國內(nèi)外都采用縮短傳輸線路這個(gè)辦法，因此都把精密加工電源做成專用電路或模塊，從電氣柜內(nèi)移到立柱側(cè)面或主軸箱側(cè)面等，使放電回路線路較短，這樣會(huì)使鏡面加工的面積有所增加，如前所述，一般小家電模具、手機(jī)模具等都能滿足精加工要求。

1.2.3  精密電火花加工機(jī)床的熱穩(wěn)定系統(tǒng)

隨著精密微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的熱平衡、熱補(bǔ)償功能越來越重要。機(jī)床的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，相關(guān)元器件的溫升、工作液的溫度變化、機(jī)床室內(nèi)環(huán)境溫度的影響，包括由于抬刀速度和頻率的增加，Z軸的絲杠螺母也成為新的發(fā)熱源等。即使在小電流加工時(shí)，這些因素依然存在，影響機(jī)床的精密加工。從這次展覽會(huì)上可看出，近來國外對(duì)熱穩(wěn)定系統(tǒng)予以高度重視。例如：瑞士阿奇夏米爾公司參展的FROM3000機(jī)床具有溫度恒定系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過具有恒定溫度介質(zhì)冷卻X、Y 和Z軸的直線光柵尺，作為溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的一個(gè)恒定參照。配置的熱穩(wěn)定系統(tǒng)和溫 度管理系統(tǒng)，可防止溫度變化對(duì)加工工件精度的影響。日本沙迪克公司參展的AG40L機(jī)床，采用氣流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，與以往機(jī)床相比，大幅減少了本機(jī)的熱變形量。機(jī)床的熱變形修正軟件是從機(jī)床各部位測(cè)量所得溫度數(shù)據(jù)推斷實(shí)時(shí)的機(jī)床熱變形，并對(duì)之實(shí)行補(bǔ)償。日本三菱電機(jī)公司參 展的EA系列機(jī)床，實(shí)時(shí)掌握機(jī)床周圍的溫度變化，及時(shí)補(bǔ)償溫度變化引起的變形。通過工作液恒溫循環(huán)，可進(jìn)一步提高該功能。日本牧野公司采用多種方法防止機(jī)床熱變形，如采用隔熱板和隔熱層來屏蔽熱源。由于Z軸和電機(jī)、軸承、滾珠絲杠及螺母在Z軸伺服及抬刀過程中產(chǎn)生的熱量使Z軸產(chǎn)生熱變形，所以采用滾珠絲杠中心冷卻及支架冷卻的Z軸穩(wěn)定器，以防止熱變形；更進(jìn)一步是采用熱防護(hù)罩，增設(shè)空氣冷卻器，使防護(hù)罩內(nèi)的溫度變化控制在±0.5 ℃，可以忽略外部溫度的影響。

我國對(duì)于精密電火花成形機(jī)床熱變形技術(shù)的研究和應(yīng)用還不夠重視，市售機(jī)床尚未見到采用較完善的減少熱變形的技術(shù)，這方面與國外相比，還有較大的差距。隨著NCSEDM逐步向精密微細(xì)方向發(fā)展，行業(yè)內(nèi)已認(rèn)識(shí)到防止熱變形的重要性，開始啟動(dòng)這方面的工作。例如，蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司購買了成套熱變形檢測(cè)儀器，開始著手這方面的研究工作。

1.3  展會(huì)中幾個(gè)值得關(guān)注的新動(dòng)向

（1） NCSEDM的電極和工件自動(dòng)交換系統(tǒng)

在我國具有電極自動(dòng)交換系統(tǒng)的NCSEDM已有多年的歷史了，但電極和工件自動(dòng)交換（AEC/AWC）系統(tǒng)國內(nèi)還沒有開發(fā)。以往在中國各種展會(huì)上，外國公司也沒有展示過AEC/AWC系統(tǒng)，但在這次展會(huì)上日本沙迪克和牧野二家公司展出了AEC/AWC系統(tǒng)，以前這二家公司的AEC/AWC只在歐美展覽會(huì)中展出，這說明中國用戶對(duì)自動(dòng)化、開機(jī)率、交貨周期、節(jié)省人工等方面提出了更高的要求，也說明中國用戶規(guī)模大了，加工模具的水平更高了。以往我們認(rèn)為AWC適合批量生產(chǎn)，但實(shí)際上在工件庫內(nèi)可以放置不同的加工工件，單件加工生產(chǎn)也適合使用AEC/AWC進(jìn)行全自動(dòng)加工，這是今后值得關(guān)注的問題。

（2） 電火花成形加工的工作液

在這次展會(huì)上我們看到有一種淺綠色的煤油工作液，不但顏色好看，而且沒有以往煤油那種刺鼻的感覺。雖然我們不知道這種工作液成分、配比，但說明一點(diǎn)，就是國外重視工作液的研究，而我國在工作液方面沒有多大進(jìn)展。其實(shí)，工作液除關(guān)系到安全、環(huán)保外，對(duì)加工工藝指標(biāo)影響也較大。以往國外開發(fā)了一種混粉工作液，這次又出現(xiàn)了一種淺綠色工作液，值得關(guān)注。

（3） 整體加工工藝解決方案

在整體加工工藝解決方案方面，參展的國外機(jī)床都有比較完善的加工工藝系統(tǒng)，例如日本三菱電機(jī)公司EA系列機(jī)床的Advance控制裝置，采用CAD/CAM系統(tǒng)，建立電極和模具的3D模型，讀取CAD/CAM中的加工信息（EPX格式文件），進(jìn)行電極安裝及位置確認(rèn)，并進(jìn)行電極銑削加工（CAM）。采用3D-EXPERT軟件，利用電極和模具的3D模型，計(jì)算放電加工面積的變化，生成加工條件進(jìn)行電火花成形加工。日本牧野公司同樣采用CAD/CAM技術(shù)，建立電極及模具3D模型，采用FF/eye格式文件，生成電極加工程序，進(jìn)行電極銑削加工（CAM）。采用EPX格式文件，生成電火花成形加工程序，進(jìn)行電火花成形加工（CAM）。瑞士阿奇夏米爾公司、日本沙迪克公司等都有完整的加工工藝系統(tǒng)。

加工設(shè)備的成套性也體現(xiàn)整體加工工藝解決方案，國外有的企業(yè)既生產(chǎn)NCSEDM，又生產(chǎn)HSM，還生產(chǎn)專用石墨電極加工機(jī)床，設(shè)備的成套性有利于滿足用戶需求，有利于市場(chǎng)開發(fā)。

我國雖在整體工藝解決方案方面還存在一定差距，但在這次展會(huì)上，北京凝華科技有限公司提出的參展主題是：利用3D控制中心制作3D模型→高速雕銑機(jī)加工電極→三坐標(biāo)檢測(cè)電極精度→NCSEDM加工模具→三坐標(biāo)檢測(cè)加工精度等整體工藝解決方案，值得關(guān)注。