精密數(shù)控低速走絲電火花線切割加工技術(shù)

1、.精密數(shù)控低速走絲電火花線切割加工技術(shù)作者：蘇州電加工機(jī)床研究所 陳德忠概述 電火花加工機(jī)床（EDM）用于模具加工已相當(dāng)成熟。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%左右的電火花線切割機(jī)床（WEDM）用于模具加工，約有75%左右的電火花成形加工機(jī)床（SEDM）同樣用于模具加工。目前在模具企業(yè)中擁有幾十臺EDM機(jī)床已屢見不鮮，EDM機(jī)床已成為模具制造中不可缺少的重要裝備，隨著EDM的發(fā)展，它在模具工業(yè)中的作用和地位將不斷攀升。 我國模具工業(yè)發(fā)展迅速，2005年的模具產(chǎn)值預(yù)計(jì)達(dá)570600億，至2010年的“十一五”末，模具產(chǎn)值預(yù)計(jì)達(dá)1000億。模具工業(yè)的發(fā)展主要依靠技術(shù)進(jìn)步，目前技術(shù)含量高的大型、精密、復(fù)雜、長壽命模

2、具不斷增長，這些高技術(shù)模具的發(fā)展，推動了模具加工設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，高效、精密、數(shù)控低速走絲電火花線切割機(jī)床（LSWEDM）、精密數(shù)控電火花成形機(jī)床（NCSEDM）、高速銑（HSM）等許多高新技術(shù)模具加工設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，而在沖壓模加工方面，LSWEDM可謂獨(dú)樹一幟。LSWEDM在相當(dāng)長的一段時間里，由于其加工后的表面質(zhì)量問題，影響了模具的壽命，故一直沒有作為最終加工的手段。近幾年來，由于LSWEDM解決了加工表面質(zhì)量問題，并由于它一系列的技術(shù)進(jìn)步，使LSWEDM有了質(zhì)的飛躍，其優(yōu)異的加工性能，目前還找不到哪一種加工技術(shù)可以與之競爭。 精密、高效、長壽命沖壓模的發(fā)展推動了LSWEDM技術(shù)進(jìn)步 LSWE

3、DM主要用于精密、高效、長壽命沖壓模的加工制造。標(biāo)志沖壓模先進(jìn)水平的是多工位級進(jìn)模，這種模具具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大、精度高、壽命長、生產(chǎn)效率高及耗能耗材低等一系列特點(diǎn)，這些模具中具有代表性的有：機(jī)電一體化的電機(jī)鐵芯自動閥片硬質(zhì)合金多工位級進(jìn)模，其精度達(dá)2m，步距精度達(dá)3m，拼塊精度1m，雙回轉(zhuǎn)精度1，表面粗糙度Ra 0.100.40m。具有自動沖壓、閥片、扭槽、分組、回轉(zhuǎn)等功能，模具壽命達(dá)1.0億次以上；精密、高效、長壽命的空調(diào)器翅片多工位級進(jìn)模，其精度達(dá)2m，凹凸模工作面近千處，沖裁間隙為0.01mm的有300多處，同類型可互換，模具壽命達(dá)2億次以上；高難度成形的彩管電子槍零件，G5底25

4、工位硬質(zhì)合金級進(jìn)模，其精度達(dá)2m，沖制0.245mm厚的無磁不銹鋼，制品精度5m，模具壽命3000萬次以上；高水平的集成電路框架32工位級進(jìn)模，其精度達(dá)2m，模具沖速達(dá)350500次/分，壽命3000萬次以上；自主創(chuàng)新的手機(jī)連接器50工位級進(jìn)模，其精度達(dá)2m，步距精度3m，沖速400次/分以上，模具壽命2億次；還有如數(shù)碼相機(jī)彈簧片18工位級進(jìn)模、汽車零件多工位級進(jìn)模、接插件46工位級進(jìn)模、微電機(jī)機(jī)殼12工位級進(jìn)模等等屬當(dāng)今水平制高點(diǎn)的沖壓模，這些模具的加工制造，LSWEDM是不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備，特別是這些精密、高效、長壽命模具中關(guān)鍵部位的硬質(zhì)合金型孔加工更是LSWEDM的“用武之地”。同時為了

5、適應(yīng)這些高新技術(shù)模具加工的需要又推動了LSWEDM技術(shù)的不斷進(jìn)步。 LSWEDM高效加工技術(shù)的新進(jìn)展 一、最大加工效率 國外LSWEDM的最大加工效率停留在300mm2/min已有多年了，但最近又有了新突破，我國則剛剛開始達(dá)到300mm2/min。 最大加工效率依賴于窄脈寬高峰值電流脈沖電源的開發(fā)，國外在窄脈寬的情況下，其最大峰值電流1200A，高峰值電流與其它條件配合（各種控制方式、供液條件、復(fù)合電極絲等），可使最大加工效率達(dá)到400500mm2/min。例如，瑞士阿奇公司的AGIE CUT PROGESS機(jī)床采用數(shù)字化的IPG智能電源，用0.33mm的電極絲，其最大加工效率可達(dá)500mm2

6、/min以上；日本三菱電機(jī)公司的FA-V機(jī)床，采用0.36mm的電極絲，加工效率也可達(dá)到500mm2/min；日本沙迪克公司開發(fā)的LQ33W新電源，在AQ325L機(jī)床上，用0.30mm的復(fù)合電極絲，加工效率可達(dá)400mm2/min等等?？傊?，國外目前最大加工效率在400500mm2/min，又有了新進(jìn)展。 但目前最有價(jià)值的最大加工效率要數(shù)瑞士阿奇公司的AGIE CUT PROGESS機(jī)床，該機(jī)床開發(fā)的e-cut電源使用標(biāo)準(zhǔn)電極絲在加工效率達(dá)到350500 mm2/min的情況下，Ra可達(dá)到0.8m（見圖1），這種高效粗加工能達(dá)到Ra 0.8m水平，對于最終實(shí)現(xiàn)精密加工的多次切割來說，可節(jié)省約5

7、0%的加工時間，減少約40%的濾芯消耗，40%的樹脂消耗，60%的絲材消耗，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 圖1 PROGRESS機(jī)床在Ra 0.8m時的最大加工效率二、 平均加工效率 最大加工效率在精密沖壓模加工中往往難于應(yīng)用，主要原因是最大加工效率需要使用粗絲（0.330.36mm），而粗絲難于實(shí)現(xiàn)精密加工，精密加工只能用細(xì)絲，例如0.10mm等。瑞士阿奇夏米爾公司為發(fā)揮機(jī)床的最大加工效率，開發(fā)了雙絲切割機(jī)床，可進(jìn)行電極絲自動交換，實(shí)現(xiàn)粗加工用粗絲，精加工用細(xì)絲的目的，可大幅度提高平均加工效率，還可以實(shí)現(xiàn)精密加工。 瑞士夏米爾的ROBOFIL 2050TW、ROBOFIL 6050TW雙絲加工機(jī)

8、床，解決了精密和高效加工的矛盾，使總的加工時間大為縮短，一般可節(jié)省3050%的加工時間，同時可節(jié)省價(jià)格昂貴的細(xì)絲，降低了加工成本。 瑞士阿奇的雙絲切割系統(tǒng)具有同樣的效果，并還有：（1）自動交換不同直徑電極絲無須更換導(dǎo)向器；（2）自動交換沒有精度損失；（3）自動穿絲時間一般只有15秒；（4）穿絲的可靠性100%等特點(diǎn)。 三、 變截面加工效率 LSWEDM在模具實(shí)際加工過程中，不可避免地會遇到不同的加工截面。隨著加工截面的變化，通過自動檢測，根據(jù)截面的變化自動控制加工能量，使加工效率自始至終保持最佳狀態(tài)，是提高變截面加工效率的有效措施。 例如，日本三菱公司的FA系列機(jī)床采用了加工電源控制系統(tǒng)，該系

9、統(tǒng)由工件厚度檢測器、加工狀態(tài)檢測器和脈沖能量輸出控制器等部分組成，以適應(yīng)加工截面的變化，尤其適合臺階形、中空形、薄形等零件加工，能有效防止斷絲，提高加工效率。 作為這種智能化加工技術(shù)的實(shí)例如圖2所示。最大能量控制專家系統(tǒng)只要輸入電極絲直徑和類型、工件材料即可自動進(jìn)行最佳加工，根據(jù)加工過程中不同的加工厚度自動增減加工能量，以保持最高加工效率，應(yīng)用這種專家系統(tǒng)效率一般能提高30%左右。 圖2 有無最大能量控制專家系統(tǒng)加工比較LSWEDM加工表面質(zhì)量的新突破 LSWEDM的加工表面質(zhì)量是影響LSWEDM發(fā)展的關(guān)鍵，也就是LSWEDM能否直接進(jìn)入精密加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。加工表面質(zhì)量除表面粗糙度和幾何形

10、貌（尺寸精度）外，在LSWEDM中還應(yīng)包括二個方面：一是LSWEDM加工表層的化學(xué)、物理、力學(xué)性能，主要包括表層金相組織、表層的顯微硬度、殘余應(yīng)力及宏觀和微觀裂紋等，即所謂表面“變質(zhì)層”；二是由于LSWEDM采用水質(zhì)工作液，在脈沖電源的作用下產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)在工件表面形成的表面“軟化層”，也稱表面“變質(zhì)層”。這二個方面的“變質(zhì)層”直接影響模具壽命和性能（耐磨性、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度）等。隨著LSWEDM的發(fā)展，表面質(zhì)量的改善有了新的突破，其技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下二個方面。 一、 優(yōu)化放電能量的新型電源 電火花加工時，金屬材料蝕除分為熔化和氣化二種，寬脈寬（放電時間長）易造成熔化放電加工，使加工表

11、面形貌變差、“變質(zhì)層”加厚、內(nèi)應(yīng)力加大，易產(chǎn)生裂紋；而當(dāng)脈寬小到一定值時，易成為氣化放電加工，氣化放電加工變質(zhì)層很小，內(nèi)應(yīng)力也減小，并可避免表面裂紋的產(chǎn)生，改善了表面質(zhì)量。因此為了保持相同的加工效率，在放電能量相同的原則下，采取壓縮放電時間和增大峰值電流I的方法，這種優(yōu)化脈沖能量的方法，使表面質(zhì)量得到很大改善。優(yōu)化放電能量示意圖如圖3所示。 圖3 優(yōu)化放電能量示意圖二、防電解（AE）脈沖電源 優(yōu)化放電能量只能改善一個方面的表面質(zhì)量，如表面粗糙度、形貌、內(nèi)應(yīng)力、裂紋等等。不過LSWEDM采用水質(zhì)工作液，雖然采用的是“去離子”水，但還存在一定數(shù)量離子，在脈沖電源的作用下產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)工件接正極

12、時，在電場的作用下，氫氧根負(fù)離子（OH-）會在工件上不斷沉積，使鐵、鋁、銅、鋅、鈦、碳化鎢等材料氧化、腐蝕，造成所謂的“軟化層”。在使用硬質(zhì)合金工件時，硬質(zhì)合金中的結(jié)合劑鈷成為離子狀態(tài)溶解在水中，同樣形成“軟化層”。 開發(fā)的AE脈沖電源，一系列的生產(chǎn)實(shí)踐證明是控制工件表面電化學(xué)反應(yīng)最有效的方法。AE電源是其交變脈沖使平均電壓為零的脈沖電源（見圖4），由于交變脈沖使OH-離子在工作液中處于振蕩狀態(tài)，不趨向于工件及電極絲，這樣可防止工件表面的銹蝕氧化，硬質(zhì)合金的鈷結(jié)合劑也不會流失，與優(yōu)化放電能量配合，可使表面“變質(zhì)層”控制在1m以下，這樣LSWEDM加工的硬質(zhì)合金模具壽命可達(dá)到機(jī)械磨削的水平，見圖

13、4。 圖4 AE電源波形及LSWEDM正極性加工變質(zhì)層分布用IC引線框架模加工作為實(shí)例，對用LSWEDM傳統(tǒng)脈沖電源在去離子水中加工、用LSWEDM傳統(tǒng)脈沖電源的浸油式加工、用LSWEDM的AE電源在去離子水中加工及用機(jī)械磨削加工的模具壽命進(jìn)行測試比較，結(jié)果證明，AE電源加工的硬質(zhì)合金模具壽命已達(dá)到機(jī)械磨削的水平，在接近磨損極限處還優(yōu)于機(jī)械磨削。 LSWEDM加工精度上新臺階 一、新興精密機(jī)床結(jié)構(gòu) 提高LSWEDM的加工精度是系統(tǒng)工程，除了脈沖電源、各種控制系統(tǒng)、工作液系統(tǒng)、加工工藝技術(shù)等以外，精密機(jī)床結(jié)構(gòu)是精密加工的基礎(chǔ)。 典型的精密機(jī)床結(jié)構(gòu)要數(shù)瑞士阿奇公司的AGIE CUT VERTEX機(jī)

14、床。該機(jī)床采用了類似三坐標(biāo)測量機(jī)的三點(diǎn)吸振支撐結(jié)構(gòu)，各軸的運(yùn)動不影響其它軸的精度；各運(yùn)動軸采用直線光柵尺與編碼器雙測量反饋伺服系統(tǒng)，其位置檢測控制精度達(dá)到0.1m。機(jī)床上所有的發(fā)熱源都安裝了溫度傳感器，具有循環(huán)氣冷、水冷或熱隔離結(jié)構(gòu)，消除了溫升對機(jī)床精度的影響。機(jī)床不但熱容量大，而且剛性好，因此載荷的變化對機(jī)床精度影響極小。機(jī)床的X、Y、U、V軸的平均定位精度允差Pa為0.8m，平均重復(fù)定位精度允差Ps為0.4m。該機(jī)床具有雙絲自動交換系統(tǒng)，最細(xì)電極絲為0.02mm，可進(jìn)行精確自動穿絲，穿絲孔的直徑只需比電極絲大5m即可。為了滿足0.02mm電極絲的精密切割加工，機(jī)床上設(shè)置了兩個電極絲探測器以

15、檢測絲的運(yùn)行狀態(tài)，以精確控制絲的張力、吸收振動和隔絕外界干擾等，機(jī)床還能自動調(diào)整上下導(dǎo)向器的偏移量來自動補(bǔ)償加工中電極絲上下?lián)p耗不同，以及沖液造成的垂直度偏差。該機(jī)床還推出了錐度切割新功能，有效地提高錐度切割精度等等。 二、多次切割加工工藝 LSWEDM粗、精加工的多次切割加工不是新技術(shù)，但它是實(shí)現(xiàn)精密加工的重要工藝技術(shù)，能體現(xiàn)整機(jī)的總體水平。多次切割最終加工的工藝指標(biāo)，體現(xiàn)了精密機(jī)床的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、智能化技術(shù)、脈沖電源技術(shù)、精密傳動及控制技術(shù)、工作液系統(tǒng)等等。 但近來在達(dá)到同樣的加工質(zhì)量的情況下，多次切割的次數(shù)大為減少。例如，原來切割次數(shù)需要79次，現(xiàn)在達(dá)到同樣的加工質(zhì)量只需34次

16、，節(jié)省了大量時間，這主要依賴于脈沖電源高效粗加工的技術(shù)進(jìn)步，即如前所述，第一次高效切割（350500mm2/min），就能達(dá)到Ra 0.8m，這樣好的表面粗糙度，自然會減少多次切割次數(shù)，且能達(dá)到精密加工的水平。 代表LSWEDM精密加工的主要指標(biāo)是加工精度和表面粗糙度，對于加工精度，國內(nèi)外各廠商的表達(dá)方式各不相同。例如，瑞士阿奇公司用工件的輪廓精度Tkm（）來表達(dá)，而國外其它公司從提供的資料來看，都以不同形狀和尺寸的具體加工工件的精度來表達(dá)，我國則按國家標(biāo)準(zhǔn)的要求檢驗(yàn)加工精度。雖然沒有統(tǒng)一的規(guī)范，但為了說明當(dāng)前LSWEDM精密加工的水平，以具有代表性的瑞士阿奇公司機(jī)床為例（見表1）。 表1 瑞

17、士阿奇公司LSWEDM精密加工水平 以上說明，LSWEDM以完善的表面質(zhì)量（無變質(zhì)層），高水平的加工精度，完全可對各類精密沖壓模進(jìn)行最終精密加工，無需手工拋光等后道工序，因此工件表面不會有任何拋光損傷。 三、細(xì)絲切割加工技術(shù) 細(xì)絲切割屬于精密加工技術(shù)。過去的細(xì)絲切割絲徑為0.05mm，現(xiàn)在已達(dá)到0.02mm。細(xì)絲切割加工中的自動穿絲功能十分重要，目前已能對0.02mm的細(xì)絲進(jìn)行自動穿絲。在一臺機(jī)床上進(jìn)行粗、細(xì)絲自動交換加工，是雙絲系統(tǒng)LSWEDM的明顯優(yōu)勢。 在沖壓模加工中，細(xì)絲用于內(nèi)清角加工，用0.02mm的細(xì)絲，可加工出內(nèi)角半徑為15m的內(nèi)清角。在IC行業(yè)中，集成電路框架模的細(xì)絲切割加工，

18、有其重要的應(yīng)用價(jià)值。目前集成電路引線腳已多達(dá)100根以上，其引線的線腳間距很小，模具材料一般為硬質(zhì)合金，所以適合細(xì)絲加工。其它如微型接插件、微型馬達(dá)鐵芯、微型齒輪等模具加工。 在LSWEDM加工精度方面，除了上述內(nèi)容外，還有如錐度加工精度、拐角加工精度、平直度等。 LSWEDM國內(nèi)市場發(fā)展情況 LSWEDM的國內(nèi)巿場近幾年出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢，產(chǎn)量和銷量呈3040%速度增長。2001年我國的LSWEDM產(chǎn)量只有約150臺/年，至2004年的短短幾年中，產(chǎn)量達(dá)1800臺/年（包括日本、瑞士及臺灣等企業(yè)在大陸生產(chǎn)的數(shù)量），至2005年大陸LSWEDM產(chǎn)量已約達(dá)2400臺/年，比2004年增長了約35%。預(yù)計(jì)“十一五”末期產(chǎn)量可達(dá)60008000臺/年，產(chǎn)值約3540億人民幣/年。 LS