电火花成形加工技术的发展概况

电火花成形加工技术的发展概况杨大勇(北京市电加工研究所,北京100191)摘要:总结了电火花成形加工技术的发展近况,以一些最新的应用实例系统地综述了电火花成形加工新技术的发展和应用。

关键词:电火花成形加工;多轴联动数控及智能化;精密微细(微纳)加工;个性化;绿色制造;高效化;可靠性中图分类号:TG661 文献标识码:A 文章编号:1009-279X(2010)S0-0045-08Development Situ ation of EDM Processing TechnologyYang Dayong(Beijing Institute of Electro Machining,Beijing100191)Abstract:Summarize the development situation of EDM processing technolog y,w ith some latest application examples describe development and application of EDM new technology systematically.Key words:EDM;mult-i ax is CNC and intelligence;Precision micro(micro-nano)machining; personalized;green manufacturing;hig h efficiency;reliability进入21世纪,电火花成形加工技术得到了迅猛发展,突破了传统观念的束缚,产生了一些新的技术和应用领域。

电火花成形加工的数控系统进一步采用人工神经网络技术、混沌理论、仿真技术,以进一步提高加工的各项工艺指标、加工的可靠性和自动化程度。

脉冲电源则在保证电火花加工工艺指标的前提下,向稳定、可靠、环保、绿色、节能方向发展。

电火花成形加工技术在 微纳 加工、 镜面 加工、半导体和超硬材料加工中发挥越来越重要的作用,为人类创造巨大的财富。

1 精密微细化微细加工在近代加工技术中是一个新的加工领域。

对于电火花微细加工而言,主要指尺寸小于300 m的轴孔、沟槽、型腔等的加工。

实现精密、微细加工的一个重要条件是加工单位(即每次放电的蚀除量)尽可能小。

而在电火花加工过程中,其加工收稿日期:2009-10-25基金项目:北京市自然科学基金资助项目编号(3092011)第一作者简介:杨大勇,男,1972年生,博士、研究员。

单位只取决于单个放电脉冲的能量。

微细电火花加工的极限能力一直是研究工作者追求的目标之一。

日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久教授加工出的直径5 m的微细孔和直径2.5 m的微细轴,代表了当前这一领域的世界前沿水平。

除了微细孔和微细轴的加工外,微细电火花加工技术更深远的意义在于通过微细电火花铣削技术制造更小的微三维结构,进而制造更小的微型机械及微型机器人,从而体现该技术更为广泛的潜在价值和应用前景。

图1是美国林肯大学加工的1 8微型球瓣,其球径为150 m。

日本东京大学增泽隆久教授利用简单形状的微细电极,制作出了长500 m、宽300图1 1 8微型球瓣45m 、深200 m 的微型汽车模具,并用此模具制作出了微型汽车模型。

日本三菱电机公司成功地制作出了由齿顶圆直径为1.2mm 的大齿轮、齿顶圆直径为0.2mm 的小齿轮和直径为0.1mm 的内心轴构成的、最深部的加工尺寸为270 m 的齿轮铸模(图2)。

图2 微小齿轮模具2 脉冲电源参数的精确控制高性能脉冲电源控制技术主要体现在3个方面,即:蚀除脉冲精度的精确控制、阻断清扫脉冲的控制、稳定放电脉冲的控制。

2.1 逐个脉冲检测技术实现逐个脉冲检测并做出相应对策的首要条件是速度要快,为此AGIE-H yperspark 脉冲电源研制了FPGA 脉冲优化模块,具有超强计算能力(30M IPS),可在约33.3ns 时间内对脉冲前沿的状况进行一次检测,不仅可消除拉弧的风险,还可按使用中效率和表面质量(表面粗糙度的一致性和加工表面平整性)的权重来设定阈值。

有了这一脉冲控制技术,使诸如300m m 300mm 的大面积精加工得以实现。

2.2 阻断清扫脉冲控制技术瑞士AGIE-H yperspark 脉冲电源的阻断清扫脉冲控制技术是在放电柱渐近进入饱和状态前突加一个适当的高电流脉冲,以阻断已没有蚀除作用的放电柱,形成第一次材料抛出,凹坑中有明显残留物;然后重建新的放电柱,在其扩展过程中又会有些蚀除,更重要的是在其放电结束后的第二次材料抛出时,将原坑中的残料充分清除,形成光滑干净的放电凹坑,此放电凹坑比通常脉冲的放电凹坑浅,从而使表面粗糙度减小,白层(变质层)减薄。

由于脉冲蚀除量的增加以及表面质量改善使后续精修省力,故此项技术使加工效率提高(采用铜和石墨电极时平均提高30%,深窄槽加工提高50%),电极损耗降低。

例如用直径10mm,45 尖劈形石墨电极加工钢,加工深度12mm,加工结果:长度损耗0.1mm (相对损耗0.8%),表面粗糙度Ra 1.6 m,加工时间30min,而常规脉冲电源加工时间为41min,提高27%。

3 中小型模具的低损耗加工电火花成形加工在中小型模具,尤其是小型高档模具的加工方面呈现很大的优势。

市场因素是机电产品的功能集成及相应的产品小型化,使其模具在小容积内包容了复杂的多个型腔,加上为提高模具寿命采用高硬度材料,对此,加工中心的高效率长项发挥不出来,相反由于需要去除的材料少,电火花成形加工相对低的材料去除效率,有一定损耗等则不成问题。

型腔越小越复杂,它的优势越明显。

尤其在当今金融危机下,模具厂求自保努力挖潜,例如手机和数码相机模具制作周期中抛光约占1 4,争取免抛光和少抛光是重要的出路,铣刀无可避免留下的刀花和刀痕成了抛光的大问题,甚至在小型腔中根本无法抛光。

这些以电火花成形加工当前的性能水平,无需大的花销就可稳定解决。

当然这并不是说加工中心面对小型复杂型腔绝对做不了,而是说在加工工时和刀具费用等方面已不合算。

就是在中大型模具上,除了窄深槽和清角的工作外,如音响设备的音窗,汽车的进风格栅,以及落差大的型腔(如汽车发动机箱压铸模型芯),需要超长的铣刀加工,此时由于刀具刚度不足,表面质量无法保证,只能用电火花成形加工。

可以说在小型腔加工上电火花成形加工已成为主角,这块市场现在发展很快,足以使电火花成形加工站稳脚跟,而在中大型型腔加工上至少也是最佳配角了。

实际上电火花成形加工和加工中心所代表的高速铣,已不是零和游戏的双方,而是优势互补,进入双赢的局面。

为此,电火花成形加工近年来技术上有了长足的进步,并在此基础上推出一系列新机型。

例如:GF.Agiecharm illes 公司的F 0350 ,直接宣称为制作1mm 3容积的小型腔专用,Sodick 的C32电源容量仅15A,最大亮点是所谓 零损耗 ,与之相当的有M IT SU BISH I ELECT RIC 公司的EA8PVM Advance 小型高速高精度机床,保证精度 0.003mm;MAKINO 公司的EDACI,可以实现与磨削表面的接刀痕在 1 m 以内。

令人印象深刻的样件是接插件模具的宽0.2mm 深0.3mm 的微细槽,其底角半径可稳定达到0.01mm,甚至更小仅0.005m m 。

在微细加工中的清角是此类机型的显著标志。

清角是小器件中为了更好地利用空间所必46需。

此外,小型腔的高精度很大程度上是为了光,加工表面的光不仅是为了脱模,而且为了省掉抛光,节省工时。

在相当多的情况下也无法抛光,这只有通过高精度的平动,以十几档规准的 走刀 ,才可能得到Ra0.1 m,甚至Ra0.06 m的表面粗糙度。

当前正进入模具行业添置高速铣的高潮,高速铣供应商中的一些人大量散发电火花成形加工被替代的信息。

这明明是欺骗大多数用户没有用过高速铣,对它期望值过高。

在国外这个过程在10年前就已经过去了,也没有人再谈论这些东西。

事实是高速铣会替代一部分,也因为它在电极制造和型腔预铣上提供了很大的方便,使电火花成形加工功能更合理更有效,正因为高速铣和电火花成形加工之间工艺上的联结是如此的紧密,M AKINO将它们成功地捆绑销售,类似的还有AGIE-CHARM ILLES的米克朗。

Sodick还自行开发了MC430L MC650L 高速铣削中心。

据统计在2002年世界市场上电火花成形加工的销售额达5.6亿瑞士法郎(不包括中国)。

当然电火花成形加工的大方向是向高端精密微细方面发展,在超硬和高耐热材料加工领域内,为减少昂贵的刀具消耗,常规电火花成形加工还有一定市场。

总之高速铣效率高,工艺相对简单,更适合加工凸模,而在型腔,尤其是深窄槽、微细型面、硬韧材料、无刀痕加工中效率就不太高,花销大,颇难接受。

而清角、超硬合金的加工等等正是发挥电火花成形加工的优势所在。

电火花成形加工最主要是相对效率低,工艺复杂。

故趋势是用它的平动功能去除高速铣留下的刀痕和清角窄槽的加工,所以要求今天的电火花成形加工精度要高,微细加工能力强,如果余量留得很小(如单边0.05~0.1mm),效率就不太低,形状平整度都会很好。

高速铣和电火花成形加工真正是互补极强的一对,两者结合的范例以手机模具最为典型,因为此模具为抢市场,交货期很紧,且质量很苛刻,通常会使用高速铣为主,但电火花成形加工也有10多个电极。

即使最有名的三星公司,把电火花成形加工的应用一再压缩,至少也要用3个电极,其中还用上了混粉镜面加工工艺。

电火花成形加工最近在加工硬质合金型面上取得进展后,继续攻克高耐热的钛合金,这些材料又硬又粘,高速铣加工刀具消耗很大,采用窄脉宽高峰值电流的电火花成形加工据介绍电极损耗可以控制在25%以下,故AGIE公司中等规格的成形机所配脉冲电源的峰值电流都达到了104A(过去这不多见),在工艺数据库里也配上了相应参数。

4 多轴联动数控电火花加工技术数控电火花加工技术中的多轴联动加工方法在模具制造等领域具有非常重要的作用,特别是加工表面形状复杂的关键零部件时,更具有不可替代的作用。

整体叶轮是火箭发动机、飞机发动机以及航空机载设备的重要零件之一。

整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下,多选用不锈钢、高温耐热合金和钛合金等难切削材料制造,由于材料难加工,再加上其为整体结构,带有复杂型面的叶片,使得它的制造非常困难,成为航空航天制造中的关键技术。

目前国外采用五轴联动电火花成形加工的方法。

该形状的零件用机械加工方法是很难实现的。

木工聚晶金刚石刀具的加工是多轴联动数控电火花加工技术又一成功应用领域之一。

木工用聚晶金刚石刀具电火花磨削加工时,由于其刀具几何结构的要求,需要配置多个分度轴和电极旋转轴实现不同角度的倾斜磨削加工和多刀齿磨削加工。