我国冲压模具与电火花线切割加工技术现状分析

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近年来，我国模具工业有了长足的进步。2005年模具产值为610亿人民币，2006年约720亿，平均每年以20%～25%的速度增长。模具的技术水平同样有显著提高，一些国产优质模具的性能已接近国外同类产品的先进水平，而这些优质模具大多数为塑料模和冲压模。冲压模的加工离不开电火花线切割机床（WEDM）。据统计，我国约有80%的WEDM用于冲压模加工。
　　我国先进水平的冲压模现状
* x. w9 W+ I$ r9 c* H7 x9 o　标志着冲压模先进水平的是高精度、长寿命、多工位级进模，它具有结构复杂、制造难度大、精度高、寿命长、生产效率高和低耗材耗能的特点，是我国重点发展的精密模具品种之一。
　　有代表性的电机铁芯自动叠片硬质合金多工位级进模，精度达2m，步距精度达3m，双回转精度1，拼块精度1m，表面粗糙度Ra0.1～0.4m，寿命1亿次；美国奥伯格、日本黑田、法国宝捷时等电机铁芯双排自动叠片模，精度为1m，步距精度2m，模具寿命2亿次。虽然精度已接近国外先进水平，但寿命有一定差距。
3 D# G; K( @5 ~　　高水平的空调器翅片多工位级进模，精度达2m，凸、凹模的工作面近千处，冲裁间隙为0.01mm的达300多处，一次冲出翅片数达36列，模具寿命2亿次以上；日本日高精机、美国OAK、意大利GBS公司制造的36～72列数翅片级进模，精度达2m，步距精度3m，寿命5亿次以上。同样，精度已接近国外先进水平，但模具寿命有较大差距。
/ N  U( L5 P) k! N* `; I　　体现高难度成形的彩管电子枪零件（G5）25工位硬质合金级进模，精度达2m，模具在高速冲床上应用，冲制0.245mm厚的无磁不锈钢，经各道工序后，制品精度达±5m，模具寿命3千万次以上；日本东芝、日本日立等公司制造的彩管电子枪零件级进模，精度为2m，步距精度3m，模具寿命5千万次以上。同样模具寿命有差距。
　　高性能的集成电路框架32工位级进模，精度达2m，在高速冲床上冲速达350～500次/分，寿命为3千万次以上；日本山田、美国奥伯格等公司制造的100条脚以上的集成电路框架模，精度达2m，步距精度3m，模具寿命1亿次。
　　还有如自主创新的手机连接器50工位级进模，精度达2μm，步距精度3μm，模具寿命2亿次；数码相机弹簧片18工位级进模、接插件46工位级进模等都达到了较高的水平。
: C* [$ ?5 U' Y& i5 ]　　综上可以看出，具有代表性的我国精密、复杂、高效、长寿命冲压模的制造水平（精度、表面粗糙度等）已接近或达到国外先进水平，而以上这些模具的型孔、定位孔等关键部位基本上都依靠精密WEDM进行加工，说明我国精密、复杂、高效、长寿命冲压模的技术进步与WEDM技术进步密切相关。
( [* v" ^( G! [( ]4 G0 }/ U- b　　我国的WEDM分为低速走丝电火花线切割机（LSWEDM）及高速走丝电火花线切割机（HSWEDM）两类。精密、高效、复杂、长寿命冲压模一般由LSWEDM进行加工。
' R$ V4 w0 A3 [1 u0 [: `) a, s　　LSWEDM国内外现状及其在冲压模中的应用
: t! s# j" V/ a# D　　总体来说，LSWEDM的技术含量在机床行业属高新技术产品，但从国内外发展情况来看，它本身的技术水平大致可分为：顶级、高档、中档三个层次。
　　◆顶级机
　　这种LSWEDM代表了当前最高水平，但基本上都是瑞士和日本的产品。这种机床的最大切割速度为400～500mm2/min，最高加工精度可达±1m，表面粗糙度Ra为0.05m，加工表面无变质层，具有φ0.02mm的细丝切割功能，功能齐全，自动化程度高。例如：瑞士阿奇的AGIECUTVERTEX系列机床，其加工工件的轮廓精度Tkm（Tkm＝±[最大值－最小值]/2）为±1m，Ra为0.05m，加工表面无变质层；瑞士夏米尔的ROBOFIL2050TW、6050TW双丝切割机床，最高加工精度±1m，Ra为0.05m，具有完美的加工表面质量；还有如日本三菱、牧野、沙迪克生产的相关机床。
; y0 t) t4 C2 x9 k; w　　这类机床最大特点是不但加工精度高，而且表面无变质层，可以直接完成模具的精密加工，所加工的模具寿命已达到机械磨削水平。
* k! I' n- H+ K5 p  s& T　　◆高档机（标准机）
5 `) B7 ~. r  Y; v2 [" S. G' N　　这类机床一般都具有自动穿丝功能，无电阻防电解电源，有的也有细丝（φ0.03mm）切割功能，最大切割速度400～500mm2/min，加工精度一般在±3m（精度定义不尽相同），Ra为0.2～0.3m，这类机床基本上也由瑞士和日本公司生产。例如：瑞士阿奇的AGIECUTEXCELLENCE系列，其加工精度（Tkm）±1.5m，Ra为0.1m，具有较高的水平；又如：瑞士阿奇的AGIECUTPROGRESS系列机床，第一次切割加工，其切割速度为350～500mm2/min的情况下，Ra可达0.8m，具有很大的实用价值，这在高档机中属佼佼者。具有高档机水平的机床还有瑞士夏米尔、日本三菱、沙迪克、牧野生产的相关机床。
　　这类机床也广泛用于精密冲压模加工，但有的还需研、磨配合加工。
　　◆中档机（入门机）
　　瑞士、日本在中国的独资（合资）企业为了适应中国市场的需要，同时也生产一些中档机床。如：日本沙迪克特种（苏州）生产的有关型号机床；大连三菱FA系列中有关型号的机床；瑞士夏米尔ROBOFIL380、390机床以及北京阿奇夏米尔生产的XENON机床等。这些机床一般在60～80万元/台（中档规格）。台湾及台湾在大陆生产的企业一般也在生产中档水平的LSWEDM。
　　中档机床一般都具有无电阻、防电解电源、切割速度为300～400mm2/min，加工精度可达±5m，Ra为0.4～0.5m。
! a' v# I- ~9 c' r0 h, @　　应该指出，根据国外所提供的机床资料，各公司加工精度的评价方法不尽相同，用于评价加工精度的加工工件材料、形状、尺寸也不同，因此，关于顶级机、高档机、中档机的表述仅供参考。
　　由于LSWEDM精密加工技术与加工表面完整性技术的结合，使LSWEDM加工技术上了一个新台阶，并推动了精密、复杂、长寿命冲压模加工技术的进步，使LSWEDM在精密冲压模加工中具有不可替代的作用。随着模具工业的迅速发展，LSWEDM的市场也在不断扩大，2003年LSWEDM国内年产量仅800台，至2004年已达1800台，2005年达2400台，2006年初步统计约3500台，产值约25～30亿人民币。预计今后还有更大的发展空间。
' m( @9 Y8 P) T- K: R　　HSWEDM的技术进步
　　HSWEDM同样用于冲压模加工，但一般以中、低档模具为主。由于它的实用性、经济性，所以在国内有较大的市场，目前年产量达3.5～4.0万台/年左右，产值约14亿人民币。模具制造企业基本上都装备了这类机床，有的多达15～20台，可是这类机床加工精度较低（尺寸精度0.015mm），加工表面质量较差，但近来HSWEDM技术水平有了较大的进步。
* v- U- z+ V+ g+ H3 U　　根据LSWEDM多次切割实现精密加工的原理，开始对HSWEDM进行多次切割技术的研究，并有所突破。如上海大量、苏州新火花等一些企业开发生产了多次切割HSWEDM新产品，提高了加工精度，改善了表面质量。实现多次切割加工技术，主要解决的问题是：加工过程中电极丝空间形位变化的控制，为此，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，这是实现多次切割的基本条件；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保证；又如：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多次切割的HSWEDM显得更为重要。
) K  T! e8 b# J- P% y, k　　多次切割提高了HSWEDM的加工工艺水平。例如：苏州新火花公司的多次切割HSWEDM，在三次切割后表面粗糙度Ra≤1.2μm时，平均加工速度≥50mm2/min，加工工件表面光泽，无切割条纹。机床的最大切割速度190mm2/min，最佳表面粗糙度Ra0.8μm；上海大量TP系列的多次切割HSWEDM，在进行三次切割后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，说明多次切割技术在HSWEDM上的应用，使HSWEDM加工工艺水平有较大提升。
　　WEDM模具加工技术的展望
8 l8 [. ~& e$ ]9 B% H　　随着多工位级进模的不断发展，由单排级进模技术向双排多列级进模技术发展；而且多工位级进模的功能越来越复杂。以电机铁芯自动叠片多工位级进模为例，有铁芯大规格自动叠片、铁芯双排扭槽叠片、多排直槽叠片、大回转叠片、双回转叠片等。因此，模具结构越来越复杂、制造难度越来越大、精密加工的要求越来越高，为了满足模具发展的需要，推动了WEDM向更高层次的发展，而代表WEDM高层次发展方向的应属LSWEDM。在LSWEDM的加工过程中，为了减少人的干预，保证达到预期的工艺指标，自动化、信息化是LSWEDM的发展方向。
6 _2 W  k! M$ L9 b4 g9 \- {　　在顶级机、高档机完善的专家系统及电极丝自动交换（多工位自动穿丝、双丝切割自动换丝）的基础上，进一步实现工件自动交换（AWC），以自动完成全部加工过程，减少人的干预，以达到预定的加工目标。
- T- \, ^: o/ Y, j, i6 K　　瑞士阿奇的AGIEVISONCNC系统与机器人或装卸装置及与网络功能相配合，组成智能化的制造系统。例如，美国的Chelar工模具公司的瑞士阿奇EVOLUTION3LSWEDM，配用能安装10个工件托盘的SD10型机械手及PROWN&SHARPECMM测量机后，实现全自动无人看管运行，机床年运行工时已达6800h。
/ o0 e( j2 R, u5 f7 O3 y　　瑞士夏米尔公司千禧版的CNC系统是基于WINDOWSNT操作系统，在ROBOFIL240CC/440CC上控制内装的QCRW型机械手，具有能装卸重达100kg工件的托盘。此外，CNC系统具有接入局域网（LAN）的标准配置，机上还装有一个RJ-45接口和以太网卡。
' o% B; r# v: n　　耐磨焊条在自动化、信息化方面，还有日本沙迪克公司CNC系统、日本三菱的64位CNC系统等，有了这些功能完备的系统，配以标准化机械接口，通过3R系统或EROWA系统的机械手，可方便地实现工件（托盘）的自动交换。
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