电火花加工机床评述

魔神

    般的机床展都有不少电火花加工设备展出。在电火花加工机展台前的观众有两种较普遍的看法：一些观众认为电火花加工技术的发展似乎越来越慢，没有多少令人兴奋的大进展；又有一些观众认为该技术过于繁琐复杂，甚至模糊不清，要采购到自己满意的机床心里没底。

    对于第一种疑惑，您只要稍稍深入了解一下就可以明白，电火花加工技术经过半个世纪的发展后，已经成熟了。就象百米赛跑，已进入10s大关，每提高0.1s都是一个飞跃。虽然电火花线切割的轮廓加工精度TKM仅从5?;m提高到3?;m，但这对精密模具行业来说，却是一个了不起的突破，能够带来惊人的效益。第二种观点所反映的问题，的确应该引起行业的高度重视。因为电火花加工技术发展实在太快，我们用户的水平有点跟不上。因此，我们需要引导参观者从掌握产品的技术背景着手，从各项技术发展总趋势的高度上去了解和评估各参展厂商的水平。

    由于市场的全球化以及信息技术的高度发展，作为市场服务的技术，其内在实质日趋一致。虽然市场定位不同，各有特色，但这只能占一小部分。所以用户只要看该产品的主体是否在主流水平上，估摸其技术的成熟程度，有什么特色，就能做出正确的评估。

1 电火花加工机的共性技术

1.1智能技术

    电火花加工从一开始就采用伺服进给，有一定的自动化。从上世纪70年代末开始引入数控技术，机床能按编程自动定位，手动加工。但电火花加工工艺复杂，随机事件多，按既定方针是无法处理的。例如加工间隙内电蚀产物的堆积、集中放电、甚至起弧等，都要靠有经验的技师不断观察、判断，试探着调整，排除故障，优化加工参数，才能安全高效，实在是不容易。这就出现了早期的智能技术－－-适应控制。今天智能化已成为电火花加工机床的核心技术，先进程度的标志，已渗透到每一个部件中。这种人工智能体现在能根据加工要求，按应用分类，配以相应稳定可靠的支撑硬件，以及在实验室和生产验证中生成的工艺数据库和计算方法软件，这样一个完整的体系才称之为专家系统。例如瑞士夏米尔公司的ROBOFORM 35P成形机，它把加工对象分成6类：标准加工、大面积加工、窄槽、微细、抛光以及从尖角开始放电的加工方式。它们各有各的规准组合和控制技术，如大面积加工在电极抬起和恢复加工瞬间按面积的大小有响应平稳的速度曲线，既能满足排屑要求又能避免过大的泵唧效应引起电极乃至机床的变形。相反如是窄槽加工，出来规准不同外，必须采用高速抬刀，才能保证深窄槽免冲油的稳定放电，而且抬刀的高度和防止电弧放电的检测电平会随着加工深度的改变而变化，在安全的前提下有最高的加工效率。总之智能化是火花间隙检测技术、模糊控制技术等高新技术和大量艰苦的基础实验科学建库工作的有机结合。

1.2工艺诀窍

    展台上商品价格中创新（各种专利）和软件所占比重明显加大。例如一台HP4喷油嘴专用小孔机，重不过500kg，装置一眼就能看清楚，开价高达50万美元，理由是它提供整套加工诀窍，能满足最严格的小孔加工精度要求，CP值在2以上。过去买东西看得见摸得着，沉甸甸的一大堆，心里比较踏实，如今最值钱的可能就是几张轻飘飘的盘。但这是按照“交钥匙”协议， 一旦安装，立刻能投入正常生产，无需用户调试和任何技术投入，这就是知识经济带来的好处。 

1.3自动化技术

    如今国内人力资源丰富，自动化似乎是一种奢侈和浪费。但对于模具工业，由于熟练操作工的缺乏，能省人工还是很重要的。只要稍稍注意一下，展台上类似信息很多。例如日本牧野公司推荐用一台CNC工件和电极机外预调单元，一台EDM CIM小型数据处理中心和一台配置10个可交换工作台的EDGE2电火花成形机来代替三台独立运行的EDGE2，人力成本可减少1/3，此外资金投入亦可降低18%，何乐而不为呢？

1.4网络技术

    中国即将进入WTO，模具工业和世界接轨势在必行，所以机床的网络技术（对品牌机这是常规功能）我们不要忽视了。例如瑞士阿奇公司的机床可以网络遥控完成机床上除了开机外所有的事，网上数据交换、培训、咨询、维修保养服务。用户只要增加一点点投资，开通联网功能，他带来的好处是长远的，非常可观的。

2 电火花线切割机的发展趋势，共性技术和最新的特色技术

    电火花线切割技术在电加工领域里发展最顺，几乎没有竞争对手。该项技术的核心是加工精度高，表面质量好和应用范围广，而效率，用户已相当满意了。

2.1加工精度

    与加工相关的因素很多，大致可分为机床因素和非机床因素。展台上世界级品牌机在机床机械精度、脉冲电源精度、伺服控制精度（包括对机械运动、脉冲参数、走丝系统和工作液系统的控制）都已达到极高的水准。高档机无例外全都采用光栅尺全闭环系统，整机刚性得到普遍重视，而且随着进给丝杠的加粗，传动刚度也有大幅度提高。瑞士阿奇公司还采用三维补偿，机床的几何精度有很大的改善。今天继续改进的重点放在克服机床热变形方面，用热平衡、热对称、热隔离等各种措施减小机床热源和室温波动对机床几何精度的影响。普遍用恒温的工作液冷却立柱、上下机架、工作台面、工件，整机用机壳包严，形成隔离的小恒温室。可以说高档线切割机的几何精度和坐标磨床已完全相当了。说到脉冲电源和伺服控制的精度，可能中国用户还没有清楚的概念。的确在机床验收中就没有这个项目。所以一些低档机就可在这方面钻空子，而品牌机的优势就在于此。它们的主机可以海外生产，但电柜一定是在总部封闭式运作。它们以长期的技术积累，先进的品质管理和制造能力，从体系的高度保证各功能部件性能的稳定和相互间的协调一致，而这些方面都是我们知之甚少急需补课的核心技术。

    影响加工精度的非机床因素，例如操作人员的素质，人为的误操作等现在能用强大的工艺数据库和智能控制来消除。例如阿奇公司有FORMALCHECK功能用来确认输入数据是否遗漏。但看不见测不了的工件材料内应力谁都没有办法考虑，所以加工工件的尺寸和形状与达到的加工精度－－-表面轮廓度TKM关系密切。各家所言可达到的加工精度是指对给定尺寸和形状的样件切割。例如高40mm，对边尺寸30mm的六棱柱体样件，就是指相对名义尺寸30mm的偏差，上中下三个截面共9个数据。注意这里要求的是绝对尺寸，要保证小间隙精密冲模的配合及互换性必须这样要求。瑞士阿奇公司的EXCELLENCE的TKM就可以达到3?;m（相对名义尺寸±1.5?;m）,这和美国莫尔（Moore）公司最新开发的450CPW/ATC坐标磨床的指标完全一样。此外，由于角部配合间隙对冲模的寿命和冲件的毛刺影响巨大，故普遍注意到有没有角部过切.目前品牌机尖角和小圆角精度可达到1-2?;m。

    表面质量，主要是指加工硬质合金冲模时电解作用下钴的溶解和表面微观裂纹造成刃口过早磨损。现在都已采用平均电压为零的交流脉冲电源，电解的破坏已将到最低程度。此外，由于脉冲电源的改进，普遍采用高峰值，如三菱电机声称已达到1000A，窄脉宽（微秒级），材料大多数为气相抛出，带走了大量的热，工件表面温度就上不去，开裂的现象大为减少。可以认为今天线切割的硬质合金冲模刃口的耐磨性和磨削没有什么不同。夏米尔公司声称表面变质层厚仅1?;m，而且没有微观裂纹。

    由于窄脉冲高峰值脉冲电源的出现，加上走丝系统，伺服进给系统不断改进和考虑了很多工作状态因素－－-喷嘴形式，和工件间距离，精修是否在切缝中等等，有针对性地设置规准逐档减小加工间隙和加工面内凹，故达到同样的精度和表面粗糙度的切割次数大大减少，这样不但加工效率高，电极消耗少，而且切割中偏移量小，形状精度也明显提高。

2.2专家系统

    品牌机都有成套的专家系统，尽管称呼各不相同，但功能大同小异。首先是工艺专家系统，按加工要求给出成套参数。水平的高低看考虑的范围大小，一般应包括常用电极丝牌号和相应的工件材料。近来还提供如PCD、PCBN等特殊材料的加工参数，可依据上下喷嘴是否与工件接触，距离多大，是在切风中精修，还是敞开面精修，精度、表面粗糙度和效率哪一项优先的加工策略来生成各自的规准。在规准选择无误的情况下都有一个放电专家系统来应付切割中的随机因素，在切入、切出、截面变化、中心切割、接近边缘切割、大截面高速切割等情况下，得到不断丝稳定高效加工。现在台阶形切割水平有了普遍提高。曾经五花八门的转角策略，如今已殊途同归，形成转角专家:系统采取逐步改变加工参数，等电极丝的滞后弯曲消失后在转弯，而且在精加工转弯时也注意到角部修整量的大小和放电点实际移动速度变化造成角部加工间隙的变化。当然这种不改变加工轨迹的转角专家系统在保证角部精度的同时，要牺牲一些加工效率，用户可以在精度和效率之间取一满意的这种方案。当然也有例外，瑞士阿奇公司艺高胆大，它在充分试验的基础上，也可采用变轨迹角部粗加工，不降低效率也不过切。

2.3自动穿丝

    自动穿丝近来都有很大进展，普遍采用了穿丝前的退火工序，剪刀不见了，退火后局部过热拉断，这样电极丝直径变细、变硬、变尖，穿丝喷水嘴亦变小，水柱更有力，水池中穿丝、切缝中穿丝与穿丝孔仅0.05mm间隙的穿丝都有很高的成功率，穿丝前的孔搜索，穿过后自动寻找脱离短路的位置，这些功能都配齐全了。现在各家都在打擂台，比谁穿得快，有10-20s的不等，但工况都不太清楚，谁最快无从评说，但总的说来比以前快多了。由于这部分结构较为复杂，改进十分频繁，自诊断、自清洗保养的功能增加不少。

    这次展会上的亮点应是瑞士夏米尔公司的ROBOFIL 2030S1-TW线切割加工中心。它能够在45s内实现?;0.25mm和?;0.1mm电极丝之间的转换。如果车间里有30%的模具需要小内角和窄缝，只要增加10%的投资，就可以得到40%的回报。因为该机床的两种电极丝完全处在各自最佳工况下待命，故自动转换中无需操作者介入，从而保证了机床的连续运转。一般用?;0.25mm的电极丝粗加工两次，换?;0.1mm的细丝精加工3次，并完成清角和窄缝。在无芯加工的场合下，可先用?;0.25mm粗丝完成型孔的电火花铣削，去除所有的材料，效率高，也不必消耗昂贵的细丝，可节省可观的成本。同样在用细丝完成微细型孔加工后，可用粗加工导柱孔或销孔。这种双丝系统动作并不复杂，走丝路程并没有变化，只是外加一个粗丝库，每根传动轴上有两个导丝轮，用拉键和刹车来选择哪一套走丝系统工作，两个可摆动的导丝管共用一套V型金刚石导向器，导向器在转一个角度后可以补偿其磨损重复使用。自动换丝的想法并不是今天才有，只应为线切割的走丝系统本来结构就十分复杂，要不是5年来夏米尔在设计上做了一系列重大改进，双线系统是不可能成功的。在这次展会上三菱电机和牧野都介绍了自己高性能的走丝系统，可以估计双线系统必将成为其下一个攻克的目标。

    TW系统并不限制应用范围，该机床只要换上相应附件，同样可以用?;0.03mm、0.05mm、0.07mm的电极丝进行微细加工，也可在锥度专家系统的控制下完成精密的±30°的大锥度切割。