上海交通大學(xué) 顧 琳

我國(guó)航空航天工業(yè)正處于核心技術(shù)攻堅(jiān)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)新型動(dòng)力系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)件性能提出了很高要求。在此背景下，如高溫合金、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料等多種性能優(yōu)異的先進(jìn)材料應(yīng)運(yùn)而生。為滿(mǎn)足航空航天產(chǎn)品的獨(dú)特性能要求，很多材料的成分和組織非常特殊，給加工帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)[1]。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上的冷卻孔、葉盤(pán)類(lèi)零部件的復(fù)雜流道等難加工特征也給傳統(tǒng)制造技術(shù)提出了很大挑戰(zhàn)[2]。電火花加工（Electrical Discharge Machining，EDM）是利用工具和工件之間脈沖放電形成的等離子體的瞬時(shí)高溫（可達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)度）來(lái)蝕除材料的一種特種加工方法。這種以非接觸方式利用熱能來(lái)蝕除材料的特點(diǎn)使其具有加工時(shí)宏觀作用力小，加工能力不受工件材料強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能的限制及無(wú)宏觀切削力等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于難加工材料和復(fù)雜形狀工件的加工。此外，相對(duì)其他精密加工設(shè)備而言，電火花加工設(shè)備的價(jià)格較低，但仍可獲得很高的加工精度，因此在航空、航天、汽車(chē)、電子、模具、醫(yī)療器械等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3]。

根據(jù)主要用途，可將當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的電火花加工機(jī)床分為多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工機(jī)、多軸聯(lián)動(dòng)電火花精密小孔機(jī)、慢走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)、微細(xì)電火花加工機(jī)、電火花小孔機(jī)、往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)以及為特殊用途定制的機(jī)床等[4]。

三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工機(jī)床

三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工機(jī)床是技術(shù)最為成熟、市場(chǎng)份額最大的電火花成形加工設(shè)備，在航空航天及模具行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。該類(lèi)型機(jī)床通常配有專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)，部分產(chǎn)品可通過(guò)選配旋轉(zhuǎn)軸（C軸）來(lái)實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)加工。目前航空航天領(lǐng)域具有較大深徑比的槽與孔，以及對(duì)表面質(zhì)量要求較高的零部件大多采用此類(lèi)型機(jī)床加工。當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上高端機(jī)型的主要國(guó)際廠商主要有瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)、日本的牧野（Makino）、沙迪克（Sodick）、三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）等。

瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)生產(chǎn)的FORM20/30系列成形機(jī)配備了GF阿奇夏米爾的原裝瑞士電源，凸顯了在電源方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)?？杉庸ぷ畲蟪叽?00mm×550mm×265mm、重量為400kg的工件。FORM3000是該公司目前在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的超精密數(shù)控電火花成形機(jī)床（見(jiàn)圖1），搭載了具有iQ智能加工技術(shù)的電源模塊，可在低電極損耗條件下實(shí)現(xiàn)高精度加工，最大工件尺寸為1200mm×800mm×350mm，最大工件重量為2000kg。該公司系列機(jī)床目前最優(yōu)加工表面粗糙度為0.1μm。

日本牧野公司的三軸電火花成型機(jī)主要有EDGE、EDAF、EDAC等系列，其加工精度按順序依次提高。其中EDAF系列采用高剛性構(gòu)造，最大行程450mm×350mm×350mm，定位精度達(dá)±1μm，并有面向航空航天零部件加工的鈦合金加工模塊（見(jiàn)圖2）。

在電火花加工過(guò)程中，電極經(jīng)常需要周期性的抬起或回退以加強(qiáng)沖液效果，較高的抬刀速度可以使加工狀態(tài)明顯改善。由于直線(xiàn)電機(jī)具有響應(yīng)快、速度高、定位精度好的優(yōu)勢(shì)，被日本沙迪克公司應(yīng)用于AG系列電火花成形機(jī)。

圖1 FROM3000精密成形機(jī)

圖2 EDAF3成形機(jī)

日本三菱電機(jī)MITSUBSHI Electric公司目前在中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售的電火花成形機(jī)主流機(jī)型為EV Advance系列，屬于該公司的中高端產(chǎn)品。該系列機(jī)床配置高速低消耗V電源，并可選配混粉裝置以實(shí)現(xiàn)大面積高表面質(zhì)量加工（鏡面加工）。

北京安德建奇數(shù)字設(shè)備有限公司開(kāi)發(fā)的四軸全功能數(shù)控電火花成形機(jī)床AF1300配備了4刀叉自動(dòng)電極交換裝置，具有很高的自動(dòng)化程度。機(jī)床特別提供了耐熱高溫合金、鈦合金等特殊材料的工藝選擇，可滿(mǎn)足航空航天的相關(guān)加工需求。

此外，國(guó)內(nèi)和臺(tái)灣也有多家電火花成形機(jī)廠商生產(chǎn)三軸或四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花機(jī)床，主要廠商有蘇州中特（蘇州電加工所）、北京迪蒙數(shù)控（北京電加工所）、蘇州三光、東慶、北京凝華、蘇州寶瑪、上海漢霸、泰州三星、泰州江州、四川深揚(yáng)、杭州華方、上海大量等，它們各具特色，形成了百花齊放的格局。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形加工機(jī)床

三軸或四軸聯(lián)動(dòng)加工的電火花成形機(jī)可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)模具生產(chǎn)的需要，也可適用于航空航天和電子等行業(yè)中精密接插件的加工，但是對(duì)于具有復(fù)雜型腔或流道曲面特征的零部件而言，其加工能力就有很大的局限性。譬如航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的葉盤(pán)類(lèi)零件，就必須采用五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床加工。而當(dāng)前為了提高航天發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率和壽命，帶冠整體渦輪盤(pán)類(lèi)零件正越來(lái)越多地被采用。此類(lèi)零件目前主要加工手段為五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工，并輔以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的成形電極以特殊軌跡進(jìn)行加工?，F(xiàn)階段，這種類(lèi)型的電火花成形加工設(shè)備仍無(wú)法進(jìn)口，因此對(duì)五軸甚至六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床的國(guó)產(chǎn)化提出了迫切需求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)主要電火花機(jī)床廠商在國(guó)家04專(zhuān)項(xiàng)“數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)裝備”重大項(xiàng)目的支持下，以蘇州電加工所、北京電加工所為代表的單位聯(lián)合多所國(guó)內(nèi)院校，經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)攻關(guān)，研制成功了五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，為我國(guó)航天航空制造業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。

蘇州電加工所推出的五軸數(shù)控電火花成形機(jī)（圖3）采用了自行設(shè)計(jì)的數(shù)控直驅(qū)式C軸和外置式旋轉(zhuǎn)分度工作臺(tái)，可以對(duì)包括鈦合金、高溫合金等特殊材料在內(nèi)的所有導(dǎo)電材料零件進(jìn)行三維復(fù)雜形面進(jìn)行高效、精密加工。

北京迪蒙數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司研制的N850五軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形機(jī)采用了電火花加工數(shù)控系統(tǒng)與精度補(bǔ)償技術(shù)、多種難加工材料電火花加工高效脈沖電源技術(shù)、自行設(shè)計(jì)的專(zhuān)用精密數(shù)控轉(zhuǎn)軸（A軸、C軸）等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鈦基、鎳基高溫合金材質(zhì)渦輪盤(pán)的加工。

上海漢霸與上海交通大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工機(jī)床，并參加了2014上海國(guó)際機(jī)床展和2015年中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)展（圖4）。該機(jī)床突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了配套的CAD/CAM軟件和加工工藝，為制造閉式整體渦輪葉盤(pán)提供了一套全面技術(shù)解決方案。

多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花小孔加工精密機(jī)床

在航空航天零部件中，有大量的微小孔需要加工。這些孔通常深徑比大于5甚至達(dá)10以上，具有深孔特征，并且不能留有毛刺。這給傳統(tǒng)加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。由于電火花加工屬于熱蝕除加工，不會(huì)形成毛刺，因此相應(yīng)的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控精密電火花小孔機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。電火花小孔機(jī)的生產(chǎn)企業(yè)很多，大多數(shù)精密小孔機(jī)的加工對(duì)象是噴嘴類(lèi)零件，其他產(chǎn)品屬于普通穿孔機(jī)，這里不再一一列舉。

圖3 蘇州電加工所的五軸數(shù)控電火花成形機(jī)D7132

圖4 國(guó)產(chǎn)六軸電火花成形機(jī)及渦輪盤(pán)加工

GF阿奇夏米爾公司推出的Drill300是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)航空航天冷卻孔的加工專(zhuān)用機(jī)床，具有X/Z/Z/W四軸，可提供高溫合金、鈦合金、硬質(zhì)合金及鋼等多種材料的EDM鉆孔工藝。

蘇州電加工所還專(zhuān)門(mén)推出了航空航天專(zhuān)用小孔機(jī)SE WK007，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等特殊材料零部件空間位置復(fù)雜分布的群小工的高速、高精度加工，可加工孔徑范圍一般在φ0.3～3 mm，深徑比最大可達(dá)300∶1。

微細(xì)電火花加工機(jī)床

航空航天產(chǎn)品的小型化和微型化產(chǎn)生了對(duì)具有微尺度特征合金類(lèi)零部件的加工需求，盡管現(xiàn)在精密電加工機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)部分微細(xì)特征的加工，但加工尺度為數(shù)微米到數(shù)十微米特征時(shí)需要更低的脈沖能量（小于10-6J），對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度要求更高（μm級(jí)），而且需要具備電極在線(xiàn)制備、修整的功能以消除電極的安裝定位誤差影響。這就意味著必須采用專(zhuān)用的微細(xì)電火花機(jī)床。瑞士Sarix是以微細(xì)電火花機(jī)床為主要產(chǎn)品的機(jī)床商，其推出的SX-100、SX-200等系列機(jī)床具有3D電火花加工能力，并有銑削加工模塊可選；可加工最小直徑0.01mm的微孔，最優(yōu)表面粗糙度可達(dá)0.05μm，定位精度為±2μm。

目前，國(guó)內(nèi)廠商尚未推出商業(yè)化的微細(xì)電火花加工機(jī)床，微細(xì)電火花加工機(jī)床一般由高校、研究所根據(jù)需求自主研發(fā)。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)均研發(fā)成功多軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)電火花機(jī)床并在航空航天企業(yè)的生產(chǎn)中得到了成功應(yīng)用。

電加工專(zhuān)用機(jī)床

綠色、高效是當(dāng)前制造技術(shù)所共同面對(duì)的發(fā)展目標(biāo)，國(guó)內(nèi)的電加工裝備研究機(jī)構(gòu)也為航空航天制造業(yè)推出了一系列高效專(zhuān)機(jī)。

蘇州所、東慶、漢霸等多個(gè)廠商均開(kāi)發(fā)了雙頭電火花加工成形機(jī)，可用于大型燃機(jī)葉輪的高效加工。

蜂窩環(huán)是由薄金屬片壓制的、蜂窩狀的復(fù)雜構(gòu)件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中起關(guān)鍵的密封作用，采用機(jī)械切削會(huì)引起變形而無(wú)法加工。蘇州中特公司為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)研制了環(huán)形件內(nèi)、外圓蜂窩環(huán)電火花磨削專(zhuān)用設(shè)備，加工質(zhì)量和精度達(dá)到了用戶(hù)要求（圖5）。

圖5 蜂窩環(huán)數(shù)控高效電火花磨削專(zhuān)用設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣、盤(pán)件、葉片等通常由如鈦合金、高溫耐熱合金等難切削材料制成，并且在加工中往往需要去除較大的余量，這是發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的“瓶頸”，對(duì)當(dāng)前制造技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。數(shù)控高效放電（電?。┘庸ぜ夹g(shù)為解決此類(lèi)問(wèn)題提供了有效途徑。目前，國(guó)內(nèi)外已有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了相關(guān)的研究。美國(guó)GE公司已將電弧加工應(yīng)用于實(shí)際型號(hào)的生產(chǎn)中[5]。國(guó)內(nèi)的蘇州電加工所推出了可進(jìn)行四軸聯(lián)動(dòng)三維曲面加工的高效放電銑削加工機(jī)床，采用簡(jiǎn)單的銅管或鋼管作電極，在電極和工件間施加脈沖電源執(zhí)行銑加工，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電火花加工[6]。此外，國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)[7]、石油大學(xué)[8]等院校也開(kāi)展了電弧放電銑的研究。上海交通大學(xué)發(fā)明了基于“流體動(dòng)力斷弧”的高速電弧放電加工技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)前面所述的銑削加工，而且可實(shí)現(xiàn)成形電極的“沉入式”加工，在具有大柵距特征的葉盤(pán)類(lèi)零件加工方面具有良好的應(yīng)用前景[9]。

數(shù)控慢走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床

數(shù)控慢走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床是具有較高效率、加工精度和表面質(zhì)量的精密加工設(shè)備，在航空航天、模具、醫(yī)療器械等行業(yè)應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，在國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，國(guó)內(nèi)慢走絲廠商的技術(shù)水平得到長(zhǎng)足發(fā)展，裝備水平和工藝能力顯著提升，打破了國(guó)外的市場(chǎng)壟斷，其中多項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)國(guó)際水平。

CUT20/CUT200/CUT2000是瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)推出的系列慢走絲線(xiàn)切割機(jī)，其中CUT2000是超精密機(jī)型。該機(jī)型裝有第三代自動(dòng)雙線(xiàn)切換裝置，可在一臺(tái)機(jī)床上用不同直徑的電極絲進(jìn)行粗、精切割加工，精加工可采用的最小絲徑為0.03mm；定位精度為亞微米量級(jí)，并可獲得0.04μm的納米級(jí)表面粗糙度。

牧野公司的慢走絲線(xiàn)切割機(jī)床型號(hào)較多，有U/UPJ/UPH/W等多個(gè)系列，主要面向中小型模具的加工。其中UPV3/UPV5使用SPGII電源，采用油基工作液，可以硬質(zhì)合金和金剛石（PCD）刀片，最低表面粗糙度可達(dá)0.022μm。

日本三菱電機(jī)的慢走絲機(jī)床為FA-S系列，采用高速V電源，用直徑0.25mm的電極絲可達(dá)360mm2/min的高效加工。

此外，國(guó)外慢走絲機(jī)床還有沙迪克的AQ系列產(chǎn)品，臺(tái)灣地區(qū)的慶鴻、精呈等也有相應(yīng)的慢走絲機(jī)床銷(xiāo)售。外資品牌裝備在精密加工電源、變厚度切割的自適應(yīng)控制、自動(dòng)穿絲系統(tǒng)及防斷絲、機(jī)床變形控制等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)目前推出慢走絲線(xiàn)切割機(jī)床的廠商有蘇州三光、蘇州電加工所和北京安德數(shù)控3家。

蘇州三光公司的慢走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床主要有沖水型（DK7632）以及浸水機(jī)2種，具有自動(dòng)穿絲功能。浸水型采用全閉環(huán)控制，加入了智能電源模塊，在獲得低粗糙度的同時(shí)可保證高生產(chǎn)率和高精度，并可大大減少耗電量。

北京安德數(shù)控推出的AW310T是一種帶自動(dòng)穿絲裝置的恒張力運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、六軸數(shù)控坐標(biāo)軸控制、納秒級(jí)無(wú)電解脈沖電源、有機(jī)床溫度場(chǎng)變化所帶來(lái)精度影響的補(bǔ)償控制機(jī)制的精密數(shù)控慢走絲線(xiàn)切割機(jī)床，具有多種材料及厚度的加工工藝參數(shù)庫(kù)和智能專(zhuān)家系統(tǒng)，可進(jìn)行航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤(pán)等零部件的加工（見(jiàn)圖6）。

結(jié)束語(yǔ)

圖6 AW310T慢走絲線(xiàn)切割機(jī)床

精密化、微細(xì)化、智能化、綠色化和高效化是當(dāng)前電火花加工技術(shù)的主要發(fā)展方向。隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的電火花加工裝備在低耗、高質(zhì)量的精密電源、自適應(yīng)控制、新型工作液系統(tǒng)、無(wú)損耗加工、床身熱穩(wěn)定與熱變形修正、CAD/CAM與工藝集成、自動(dòng)更換電極及人機(jī)友好等方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。尤其可喜的是，在國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家863項(xiàng)目等一系列重大、重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，國(guó)內(nèi)的電火花加工設(shè)備的研制取得了可喜的成績(jī)，一方面與國(guó)外先進(jìn)廠商的差距日益縮??；另一方面發(fā)揚(yáng)了自己的特色，尤其是在航空航天領(lǐng)域，為相關(guān)單位的生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的支持，收獲了良好的用戶(hù)口碑。

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