中國機(jī)械工程學(xué)會特種加工分會顧問 王克錫

從國際機(jī)床展看電加工技術(shù)發(fā)展新動向

中國機(jī)械工程學(xué)會特種加工分會顧問 王克錫

從近期國內(nèi)外相關(guān)展會了解到，模具加工主要裝備之一的電加工機(jī)床正在沿著所謂高精度化、高品位化、高微細(xì)化、高效化及高自動化的五化方向發(fā)展。同時(shí)，作為模具加工廠，為適應(yīng)市場的需求，也提出了所謂交貨期縮短化、低價(jià)格化和高附加價(jià)值化的嚴(yán)酷要求。

本文擬對相關(guān)機(jī)床展中的電火花成形加工機(jī)、線電極切割加工機(jī)、微細(xì)孔加工機(jī)及電解加工機(jī)的發(fā)展動向作一綜合性簡介，以供參考。

電火花成形加工機(jī)

1.研制了提高抬刀速度的驅(qū)動系統(tǒng)

實(shí)踐證明提高電極的抬刀（跳躍）速度對防止電弧放電、提高加工效率與精度是一種重要的手段。

除了已研制出的平板式直線電動機(jī)高速抬刀驅(qū)動電火花成形機(jī)之外，還提高了滾珠絲杠 功能，可實(shí)施冷卻的高速抬刀系統(tǒng)以及具有64位（bit）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的更高抬刀速度的驅(qū)動系統(tǒng)。

2.研制了難加工材料的擴(kuò)張型電源部件

這種擴(kuò)張型電源部件是作為一種選用件來應(yīng)用的。主要用于導(dǎo)電性陶瓷、金剛石燒結(jié)體（PCD）、氮化硅燒結(jié)體（CBN）等難加工材料。對氮化硅燒結(jié)體實(shí)現(xiàn)了0.9mm/min的高速、高品位加工。

3.研制了旋轉(zhuǎn)分度軸

在主軸（Z軸）內(nèi)部配置的高精度的旋轉(zhuǎn)分度軸（C軸），提高了微小角度進(jìn)給時(shí)的分割精度。與以往相比，使得0.005°的微小進(jìn)給的集成電路（IC）、封裝模具、電極位移的接插件模具以及各種螺旋齒輪、斜齒輪等工件實(shí)現(xiàn)了高精度加工。

4.擴(kuò)大了超高精度與高精度加工機(jī)的應(yīng)用范圍

由于機(jī)床制造廠能保證加工精度±2μm以內(nèi)，加工深度能以1μm為單位進(jìn)行追加加工（補(bǔ)刀加工），因此擴(kuò)大了在醫(yī)療器械、照相機(jī)及發(fā)光二極管（LCD）等方面的應(yīng)用范圍。

5.研制了帶有表面涂覆功能的電火花成形加工機(jī)

在同一臺機(jī)床上成形加工后，能進(jìn)行表面改性（放電涂覆）加工，是以大幅度延長模具使用壽命和高功能化為目的而開發(fā)的。

6.石墨電極的擴(kuò)大應(yīng)用

以往石墨電極主要被用于電火花成形的粗加工（RZ＝6～20μm），現(xiàn)在，由于石墨材質(zhì)的改進(jìn)，已進(jìn)入了精密加工（RZ＝1～3μm）的領(lǐng)域。據(jù)介紹，美國85%、歐洲60%的用戶使用了石墨作電極進(jìn)行電火花加工。過去，日本的用戶主要使用銅材作電極，近年來也逐漸地?cái)U(kuò)大了石墨材質(zhì)的應(yīng)用比例。

尤其是在加工狹窄的肋或細(xì)而深的澆口方面，顯示出了很高的優(yōu)越性。

7.用Rsm表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)模具表面的放電痕跡

眾所周知，以往電火花成形加工后的表面一般皆采用手工拋光方法進(jìn)行光整加工。然而，像集成電路（IC）的鑄模等塑料模、封裝模，用手工拋光卻不能滿足要求，需要原封不動地使用電火花加工后的表面，因此對電火花成形加工提出了如下更加嚴(yán)格的要求。

（1）為減小加工面整體上的粗糙度分散誤差，需要得到均勻的表面粗糙度。

（2）針孔少的放電表面。

（3）采取較大的Rsm（Root Square Mean）表面粗糙度值進(jìn)行評價(jià)，被稱作表面粗糙度曲線要素的平均長度值（又可稱作平方平均表面粗糙度值或?qū)嵭П砻娲植诙戎担?/p>

通過增大Rsm的脈沖放電加工條件，就能加工出半導(dǎo)體等塑料模具所要求的加工表面，從而可提高模具的離型性，延長成形的循環(huán)時(shí)間（見附表、圖1、圖2）。

新加工條件與以往加工條件之間的Rsm的對比表 （單位：μm）

圖1 Ra＝0.4μm，Rsm＝35μm的放電加工表面（×450倍）

圖2 Ra＝1.0μm，Rsm＝142μm的放電加工表面（×450倍）

線電極切割機(jī)的新機(jī)種

1.常規(guī)的線切割機(jī)床

隨著模具與零件等加工對象的發(fā)展與需求，出現(xiàn)了四大系列線切割機(jī)床：

（1）以超高精度模具與加工件為對象的系列：主要加工球柵組件（BGA）模具、引線框架模具（IC）及光纖金屬箍等模具。

（2）以高精度模具為加工對象的系列：主要加工精密落科膜、微細(xì)接插件模具及其電極。

（3）以通用模具為加工對象的系列：主要加工一般沖模、鋁合金擠出模、中小型塑料模及切削工具等。

（4）以大型模具為加工對象的系列：主要加工大型塑料模（殼體類）與瓷磚毛坯成形模等。

另外，還出現(xiàn)了臥式超精（用油作加工液）線切割機(jī)（電極絲直徑為0.15～0.1mm）和專門加工刀具的線切割機(jī)。

2.新型圓軸型直線機(jī)

除了早期出現(xiàn)的平板型直線電動機(jī)驅(qū)動的線切割機(jī)之外，最近還產(chǎn)生了利用圓軸型的直線電動機(jī)（見圖3）。

圖3 直線電動機(jī)的結(jié)構(gòu)方式

另外，中國臺灣慶鴻公司，因從日本取得了專利權(quán)，也生產(chǎn)出了直線電動機(jī)驅(qū)動的線電極切割機(jī)。

3.利用固定型芯（CORE HOLD）提高加工效率

以往，在加工多型孔模具情況下，每切掉一個型芯時(shí)，皆要由操作者來協(xié)助處理這種廢料，從而增加了加工費(fèi)用；最近，為解決這一問題，日本主要線切割機(jī)生產(chǎn)廠皆采取了能使機(jī)床邊加工、邊固定型芯的加工方法。

這是利用了控制固定型芯的加工條件與黃銅電極絲產(chǎn)生的熔化，使其廢料和模板之間進(jìn)行重新凝固“點(diǎn)焊”的一種加工技術(shù)。凝固的廢料只要輕輕地敲擊一下就能予以清除。

從表5可以知道，NSP酶與還原糖之間都存在顯著（P＜0.05）的相關(guān)關(guān)系，而且還原糖含量與NSP酶的三次關(guān)系的相關(guān)度很高。

此項(xiàng)加工技術(shù)，如同圖4所示那樣，因無需在粗加工中切掉殘余部分，只要待粗加工全部加工結(jié)束后，把所有加工經(jīng)一次集中就能去除全部的加工廢料。從而大幅度縮短了加工時(shí)間。

圖4 以往的加工與型芯固定加工的對比

4.高品位加工的放電涂層（ELLCOating）

用水作加工液的線電極切割機(jī)，因被加工件的金屬在水中受到氧化還原僅應(yīng)而產(chǎn)生離子化，容易使被加工件表面形成空隙，導(dǎo)致材質(zhì)的缺陷。尤其在加工硬質(zhì)合金材料的情況下作為粘結(jié)構(gòu)的鈷遭到離子化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。這對作為具有高強(qiáng)度和各種穩(wěn)定物質(zhì)的硬質(zhì)合金而言，便受到致命的影響。

E L涂層是在硬質(zhì)合金被加工面上利用作為電極絲原料的黃銅實(shí)施放電涂層，就能使比鈷離子化傾向更小的金屬熔覆在被加工的表面上，利用該熔覆的薄膜就能限制鈷在水中的離子化。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，EL涂層不僅降低了腐蝕作用，而且還延長了模具的使用壽命。

5.超微細(xì)加工電源的應(yīng)用

這種超精加工電源是利用高頻數(shù)字脈沖，能較容易實(shí)現(xiàn)亞微米級的最佳表面質(zhì)量。而且這種數(shù)字電源在X、Y行程的全領(lǐng)域中可使加工件照樣安裝在固定板上進(jìn)行加工，無須特殊的絕緣夾具。數(shù)字電源不同于以往用的模擬電共振回路，而是采用數(shù)字控制形成新的高頻波形產(chǎn)生出微細(xì)能量的短脈沖放電。因此，不受放電痕跡（條紋）大小與間隙狀態(tài)所左右，能進(jìn)行穩(wěn)定的控制，達(dá)到最佳的表面質(zhì)量。圖5所示為其表面粗糙度的加工實(shí)例，材料為硬質(zhì)合金，最佳表面粗糙度值Rz＝0.4μm、Ra＝0.03μm。

圖5 最佳加工面實(shí)例

6.利用“角度規(guī)”實(shí)施高精度錐度加工

以往，在錐度加工中，為了確定其錐度則需要測量線電極一個方向的傾斜角誤差，并以此為基準(zhǔn)來控制全方向的傾斜。若在傾斜方向存在分散誤差情況下，加工錐齒輪時(shí)，就有可能達(dá)不到充分的形狀精度或節(jié)距精度。

利用角度規(guī)對線電極的4個方向上的傾斜角誤差，即U的正負(fù)（＋－）方向、V的正負(fù)（＋－）方向?qū)嵤y量，就可以獲得補(bǔ)償任意傾斜方向的角度誤差，所以能降低全周方向上的傾斜角度誤差。圖6表示在4個方向上擁有錐度加工面的場合下，對有、無角度規(guī)時(shí)，錐度加工面上的角度誤差的對比結(jié)果。由此可以了解到，由于角度規(guī)的應(yīng)用，降低了傾斜方向的角度分散誤差。另外，即使要在全周上加工錐輪情況下，也能提高形狀精度、節(jié)距精度。

圖6 利用有無角度規(guī)對錐度加工面的角度誤差的對比

7.改善線切割機(jī)的超級水質(zhì)裝置

該裝置已獲得2012年度“日本模具技術(shù)協(xié)會”獎，是打破了以下兩項(xiàng)線切割加工機(jī)常識的新技術(shù)。

（2）不堵塞過濾器。利用上、下逆轉(zhuǎn)處理及濾布過濾的方法，實(shí)現(xiàn)了不堵塞過濾器。

（3）效果與特點(diǎn)：①電極絲消耗最大可降低90%（從10m/min提高到1m/min，曾在AQ325型線切割機(jī)上實(shí)施了進(jìn)給驗(yàn)證）。②一次切割的加工速度可提高20%以上，在指導(dǎo)下通常能提高到30%～50%。③延長了離子交換樹脂的作用壽命。

8.自動退火、矯直電極絲裝置的應(yīng)用

由于自動退火、校直線電極裝置的原創(chuàng)者（歐洲公司）的專利期已過，所以眾多的日本線切割機(jī)床制造廠家也皆使用了此類處理裝置，能使直徑0.05mm的細(xì)些進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地插入，并縮短了電極絲的切斷時(shí)間。

另外，有的公司還開創(chuàng)了邊切割加工、邊實(shí)施放電涂覆的加工方法，不僅防止了加工面的腐蝕作用，同時(shí)還延長了模具的使用壽命。

電火花微細(xì)孔加工機(jī)床與加工技術(shù)的發(fā)展

近年來，隨著汽車發(fā)動機(jī)燃料噴油器、航空航天工業(yè)的氣體透平冷卻孔（擴(kuò)散孔）、打印機(jī)噴嘴及醫(yī)療器件等發(fā)展的增加，研制了如下各種結(jié)構(gòu)，不同類型的高速、高精度、微細(xì)的電火花加工機(jī)床。

（1）利用管子電極實(shí)施高速異形孔（擴(kuò)散孔）的展成加工機(jī)床。

（2）利用壓電元件實(shí)施多軸驅(qū)動的高效率噴油嘴電火花微孔加工裝備。

（3）利用磁力軸承的高響應(yīng)性實(shí)施高精度、微細(xì)孔（100μm以下）加工的電火花加工機(jī)床。

（4）日本“阿斯臺庫”公司最新研制的高速、高精度、電火花微細(xì)孔加工機(jī)床，采取了如圖7所示的，利用電極與導(dǎo)向器之間的間隙實(shí)施高壓噴液的獨(dú)特加工方式，當(dāng)孔徑為0.01mm，板厚為0.5mm時(shí)，僅需2s即可穿透。

圖7 加工液的噴射方法

（5）日本“愛列尼庫斯”公司是世界最大的電火花微細(xì)孔加工機(jī)床專業(yè)制造廠，主要銷往美國航空航天工業(yè)。其產(chǎn)品具有多達(dá)十幾個（大、中、?。┚堋⒍噍S（7軸）多頭（3頭）的機(jī)種。

高品位化加工

高品位化加工，主要是指表面粗糙度、加工變質(zhì)層、加工腰臌形（挖心）和拐角大小。

（1）表面粗糙度。最近，某公司利用最新的電子器件與巧妙的脈沖電路，使得線切割機(jī)第2次切割的表面粗糙度值已達(dá)到Ra＝1.35μm，進(jìn)而利用數(shù)字光亮加工電路（Digital.PlK.A）在微細(xì)、精密加工領(lǐng)域中已實(shí)現(xiàn)了Ra＝0.02μm的超級表面粗糙度值。

（2）加工變質(zhì)層。作為飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪圈及其相關(guān)組件在使用石墨電極時(shí)，加工耐熱性優(yōu)異的鎳基合金或鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金（Inconel），對電火花加工后的質(zhì)量檢驗(yàn)極為嚴(yán)格。尤其變質(zhì)層（即重凝層）的厚度被限制到數(shù)微米之內(nèi)。加工速度越快變質(zhì)層就越厚，最近利用最優(yōu)化的放電條件，最大的變質(zhì)層已降低到1.1μm。

另外，以往的電火花微孔加工機(jī)床，其加工變質(zhì)層一般為50μm左右，而最新研制的機(jī)床，不僅加工速度提高一倍，還使變質(zhì)層降低70%，約15μm左右（見圖8）。

（3）加工的腰鼓形（直線性）。利用新研制的“無腰鼓形”（挖心）的控制能使厚度為100mm的鋼沖頭彩照鼓量（中心部位）可減少到1/7的3μm（兩側(cè)）。

另外，據(jù)有關(guān)報(bào)道其公司在加工厚度為600mm的情況下其直線性竟達(dá)2～3μm。

（4）成形加工的拐角R。以精密節(jié)距為代表的微細(xì)電子零件的拐角R一般為25μm左右，然而為使塑料產(chǎn)品的毛刺限制到最小程度，因此要求R達(dá)到10μm等級的高精度加工，如圖9所示的拐角R＝15μm為電火花成形加工的實(shí)例。

圖8 變質(zhì)層的比較

圖9 拐角R＝15μm的加工實(shí)例

精密電解加工機(jī)床

該精密電解加工機(jī)床是由法國倍姆汽車公司（BEM tech）最新研制出來的。據(jù)介紹在國際市場已售出50臺。這臺精密型電解加工機(jī)床跟過去的電解加工機(jī)床最大的不同之處：一是將加工件浸入在低濃度的電解液中，用高電壓、窄脈寬、大電流、邊搖動、邊加工；二是能使加工屑中的6價(jià)格離子控制到安全的3價(jià)，以此防止了對環(huán)境造成污染。以下為其主要的加工特點(diǎn)：

（1）能使加工時(shí)間大大縮短。以往，利用電火花加工或用切削加工中心需要15h的加工件，用精密電解加工僅需要15min。而且不受工件材質(zhì)硬度與切削性能的影響。

圖10所示為壓縮機(jī)渦輪、螺旋齒輪等的加工樣品。

圖10 BEMtech機(jī)床電解加工樣品

（2）電極不產(chǎn)生損耗，用一個電極可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。電火花成形加工因受電極損耗的影響，所以需要粗、半精、精密或超精的多個電極進(jìn)行加工。然而BEMtech機(jī)床只用一個電極就連續(xù)加工10萬個工件，顛覆了以往的加工常識。

（3）加工表面無需進(jìn)行后處理。加工表面會產(chǎn)生變質(zhì)層或毛刺。使用約為20～50℃的加工液溫度與非接觸的加工工序（最小間隙可達(dá)到0.01mm）雖受電極表面精度的不同而異，但能實(shí)現(xiàn)Ra＝0.03μm的加工表面。

（4）優(yōu)越的機(jī)械結(jié)構(gòu)與驚異的超高精度加工。采用能實(shí)現(xiàn)高剛度的耐熱變位和振動衰減優(yōu)越的花崗巖為其基體的門型結(jié)構(gòu)，使得加工重復(fù)精度達(dá)到2～5μm以下。圖11所示為其機(jī)床的整體面貌。

圖11 電解加工機(jī)床全貌

20130920）