精密数控低速走丝电火花线切割加工技术

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精密数控低速走丝电火花线切割加工技术
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            电火花加工机床（EDM）用于模具加工已相当成熟。据统计，约有80%左右的电火花线切割机床（WEDM）用于模具加工，约有75%左右的电火花成形加工机床（SEDM）同样用于模具加工。目前在模具企业中拥有几十台EDM机床已屡见不鲜，EDM机床已成为模具制造中不可缺少的重要装备，随着EDM的发展，它在模具工业中的作用和地位将不断攀升。
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) r4 @* U' _, \* a5 K0 g" I! g            我国模具工业发展迅速，2005年的模具产值预计达570~600亿，至2010年的“十一‧五”末，模具产值预计达1000亿。模具工业的发展主要依靠技术进步，目前技术含量高的大型、精密、复杂、长寿命模具不断增长，这些高技术模具的发展，推动了模具加工设备的技术进步，高效、精密、数控低速走丝电火花线切割机床（LSWEDM）、精密数控电火花成形机床（NCSEDM）、高速铣（HSM）等许多高新技术模具加工设备应运而生，而在冲压模加工方面，LSWEDM可谓独树一帜。LSWEDM在相当长的一段时间里，由于其加工后的表面质量问题，影响了模具的寿命，故一直没有作为最终加工的手段。近几年来，由于LSWEDM解决了加工表面质量问题，并由于它一系列的技术进步，使LSWEDM有了质的飞跃，其优异的加工性能，目前还找不到哪一种加工技术可以与之竞争。
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8 r* s! j$ _- I8 u8 K            精密、高效、长寿命冲压模的发展推动了LSWEDM技术进步
            LSWEDM主要用于精密、高效、长寿命冲压模的加工制造。标志冲压模先进水平的是多工位级进模，这种模具具有结构复杂、制造难度大、精度高、寿命长、生产效率高及耗能耗材低等一系列特点，这些模具中具有代表性的有：机电一体化的电机铁芯自动阀片硬质合金多工位级进模，其精度达2μm，步距精度达3μm，拼块精度1μm，双回转精度1’，表面粗糙度Ra
" Z/ B: Q) d1 i+ z) u) V            0.10~0.40μm。具有自动冲压、阀片、扭槽、分组、回转等功能，模具寿命达1.0亿次以上；精密、高效、长寿命的空调器翅片多工位级进模，其精度达2μm，凹凸模工作面近千处，冲裁间隙为0.01mm的有300多处，同类型可互换，模具寿命达2亿次以上；高难度成形的彩管电子枪零件，G5底25工位硬质合金级进模，其精度达2μm，冲制0.245mm厚的无磁不锈钢，制品精度±5μm，模具寿命3000万次以上；高水平的集成电路框架32工位级进模，其精度达2μm，模具冲速达350~500次/分，寿命3000万次以上；自主创新的手机连接器50工位级进模，其精度达2μm，步距精度3μm，冲速400次/分以上，模具寿命2亿次；还有如数码相机弹簧片18工位级进模、汽车零件多工位级进模、接插件46工位级进模、微电机机壳12工位级进模等等属当今水平制高点的冲压模，这些模具的加工制造，LSWEDM是不可缺少的关键设备，特别是这些精密、高效、长寿命模具中关键部位的硬质合金型孔加工更是LSWEDM的“用武之地”。同时为了适应这些高新技术模具加工的需要又推动了LSWEDM技术的不断进步。

9 x! G+ {* Z+ Z            LSWEDM高效加工技术的新进展
- x% L' D- ~1 [' F            一、最大加工效率
' O% S1 c. U: T* x7 S1 O            国外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，我国则刚刚开始达到300mm2/min。
            最大加工效率依赖于窄脉宽高峰值电流脉冲电源的开发，国外在窄脉宽的情况下，其最大峰值电流≧1200A，高峰值电流与其它条件配合（各种控制方式、供液条件、复合电极丝等），可使最大加工效率达到400~500mm2/min。例如，瑞士阿奇公司的AGIE
            CUT
            PROGESS机床采用数字化的IPG智能电源，用Φ0.33mm的电极丝，其最大加工效率可达500mm2/min以上；日本三菱电机公司的FA-V机床，采用Φ0.36mm的电极丝，加工效率也可达到500mm2/min；日本沙迪克公司开发的LQ33W新电源，在AQ325L机床上，用Φ0.30mm的复合电极丝，加工效率可达400mm2/min等等。总之，国外目前最大加工效率在400~500mm2/min，又有了新进展。
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            但目前最有价值的最大加工效率要数瑞士阿奇公司的AGIE CUT
1 n: _$ I3 d) I$ u* k( O$ F! `0 D; J            PROGESS机床，该机床开发的e-cut电源使用标准电极丝在加工效率达到350~500
            mm2/min的情况下，Ra可达到0.8μm（见图1），这种高效粗加工能达到Ra
            0.8μm水平，对于最终实现精密加工的多次切割来说，可节省约50%的加工时间，减少约40%的滤芯消耗，40%的树脂消耗，60%的丝材消耗，具有明显的技术经济效益。
            
            图1 PROGRESS机床在Ra 0.8μm时的最大加工效率
            二、 平均加工效率
/ W# \6 B( B7 e2 R& B: A" j            最大加工效率在精密冲压模加工中往往难于应用，主要原因是最大加工效率需要使用粗丝（Φ0.33~0.36mm），而粗丝难于实现精密加工，精密加工只能用细丝，例如Φ0.10mm等。瑞士阿奇夏米尔公司为发挥机床的最大加工效率，开发了双丝切割机床，可进行电极丝自动交换，实现粗加工用粗丝，精加工用细丝的目的，可大幅度提高平均加工效率，还可以实现精密加工。

+ i6 o; d1 }6 ?* L4 ^& m3 m            瑞士夏米尔的ROBOFIL 2050TW、ROBOFIL
            6050TW双丝加工机床，解决了精密和高效加工的矛盾，使总的加工时间大为缩短，一般可节省30~50%的加工时间，同时可节省价格昂贵的细丝，降低了加工成本。

            瑞士阿奇的双丝切割系统具有同样的效果，并还有：（1）自动交换不同直径电极丝无须更换导向器；（2）自动交换没有精度损失；（3）自动穿丝时间一般只有15秒；（4）穿丝的可靠性100%等特点。

7 f& P* D$ e; K7 C+ m            三、 变截面加工效率
# m0 M& q# h1 W8 s            LSWEDM在模具实际加工过程中，不可避免地会遇到不同的加工截面。随着加工截面的变化，通过自动检测，根据截面的变化自动控制加工能量，使加工效率自始至终保持最佳状态，是提高变截面加工效率的有效措施。
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1 _0 S' |4 H7 H0 Y; k            例如，日本三菱公司的FA系列机床采用了加工电源控制系统，该系统由工件厚度检测器、加工状态检测器和脉冲能量输出控制器等部分组成，以适应加工截面的变化，尤其适合台阶形、中空形、薄形等零件加工，能有效防止断丝，提高加工效率。

            作为这种智能化加工技术的实例如图2所示。最大能量控制专家系统只要输入电极丝直径和类型、工件材料即可自动进行最佳加工，根据加工过程中不同的加工厚度自动增减加工能量，以保持最高加工效率，应用这种专家系统效率一般能提高30%左右。
            
. F' Y/ _) _1 V            图2 有无最大能量控制专家系统加工比较
9 ]' [& F2 b% `9 [! v            LSWEDM加工表面质量的新突破
            LSWEDM的加工表面质量是影响LSWEDM发展的关键，也就是LSWEDM能否直接进入精密加工领域的关键技术。加工表面质量除表面粗糙度和几何形貌（尺寸精度）外，在LSWEDM中还应包括二个方面：一是LSWEDM加工表层的化学、物理、力学性能，主要包括表层金相组织、表层的显微硬度、残余应力及宏观和微观裂纹等，即所谓表面“变质层”；二是由于LSWEDM采用水质工作液，在脉冲电源的作用下产生的电化学反应在工件表面形成的表面“软化层”，也称表面“变质层”。这二个方面的“变质层”直接影响模具寿命和性能（耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度）等。随着LSWEDM的发展，表面质量的改善有了新的突破，其技术进步主要体现在以下二个方面。

            一、 优化放电能量的新型电源
# o5 U. [/ t2 K            电火花加工时，金属材料蚀除分为熔化和气化二种，宽脉宽（放电时间长）易造成熔化放电加工，使加工表面形貌变差、“变质层”加厚、内应力加大，易产生裂纹；而当脉宽小到一定值时，易成为气化放电加工，气化放电加工变质层很小，内应力也减小，并可避免表面裂纹的产生，改善了表面质量。因此为了保持相同的加工效率，在放电能量相同的原则下，采取压缩放电时间和增大峰值电流I的方法，这种优化脉冲能量的方法，使表面质量得到很大改善。优化放电能量示意图如图3所示。
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            图3 优化放电能量示意图
            二、防电解（AE）脉冲电源
9 s' c' b$ F+ ^  J            优化放电能量只能改善一个方面的表面质量，如表面粗糙度、形貌、内应力、裂纹等等。不过LSWEDM采用水质工作液，虽然采用的是“去离子”水，但还存在一定数量离子，在脉冲电源的作用下产生电化学反应。当工件接正极时，在电场的作用下，氢氧根负离子（OH-）会在工件上不断沉积，使铁、铝、铜、锌、钛、碳化钨等材料氧化、腐蚀，造成所谓的“软化层”。在使用硬质合金工件时，硬质合金中的结合剂钴成为离子状态溶解在水中，同样形成“软化层”。

( q9 `- ^$ I( R/ T            开发的AE脉冲电源，一系列的生产实践证明是控制工件表面电化学反应最有效的方法。AE电源是其交变脉冲使平均电压为零的脉冲电源（见图4），由于交变脉冲使OH-离子在工作液中处于振荡状态，不趋向于工件及电极丝，这样可防止工件表面的锈蚀氧化，硬质合金的钴结合剂也不会流失，与优化放电能量配合，可使表面“变质层”控制在1μm以下，这样LSWEDM加工的硬质合金模具寿命可达到机械磨削的水平，见图4。

            图4 AE电源波形及LSWEDM正极性加工变质层分布
            用IC引线框架模加工作为实例，对用LSWEDM传统脉冲电源在去离子水中加工、用LSWEDM传统脉冲电源的浸油式加工、用LSWEDM的AE电源在去离子水中加工及用机械磨削加工的模具寿命进行测试比较，结果证明，AE电源加工的硬质合金模具寿命已达到机械磨削的水平，在接近磨损极限处还优于机械磨削。

, y7 [3 {5 F" U; f5 K            LSWEDM加工精度上新台阶
            一、新兴精密机床结构
            提高LSWEDM的加工精度是系统工程，除了脉冲电源、各种控制系统、工作液系统、加工工艺技术等以外，精密机床结构是精密加工的基础。
5 p2 ?5 K& `. P6 T# ]            典型的精密机床结构要数瑞士阿奇公司的AGIE CUT
) v+ r: V% S1 y3 B- o9 V            VERTEX机床。该机床采用了类似三坐标测量机的三点吸振支撑结构，各轴的运动不影响其它轴的精度；各运动轴采用直线光栅尺与编码器双测量反馈伺服系统，其位置检测控制精度达到0.1μm。机床上所有的发热源都安装了温度传感器，具有循环气冷、水冷或热隔离结构，消除了温升对机床精度的影响。机床不但热容量大，而且刚性好，因此载荷的变化对机床精度影响极小。机床的X、Y、U、V轴的平均定位精度允差Pa为0.8μm，平均重复定位精度允差Ps为0.4μm。该机床具有双丝自动交换系统，最细电极丝为Φ0.02mm，可进行精确自动穿丝，穿丝孔的直径只需比电极丝大5μm即可。为了满足Φ0.02mm电极丝的精密切割加工，机床上设置了两个电极丝探测器以检测丝的运行状态，以精确控制丝的张力、吸收振动和隔绝外界干扰等，机床还能自动调整上下导向器的偏移量来自动补偿加工中电极丝上下损耗不同，以及冲液造成的垂直度偏差。该机床还推出了锥度切割新功能，有效地提高锥度切割精度等等。

            二、多次切割加工工艺
+ l- M7 V0 s3 X3 C' F5 Z! Z& ^            LSWEDM粗、精加工的多次切割加工不是新技术，但它是实现精密加工的重要工艺技术，能体现整机的总体水平。多次切割最终加工的工艺指标，体现了精密机床的设计制造技术、数控技术、智能化技术、脉冲电源技术、精密传动及控制技术、工作液系统等等。

: K# R, E) h2 D& w* D0 L5 g9 h            但近来在达到同样的加工质量的情况下，多次切割的次数大为减少。例如，原来切割次数需要7~9次，现在达到同样的加工质量只需3~4次，节省了大量时间，这主要依赖于脉冲电源高效粗加工的技术进步，即如前所述，第一次高效切割（350~500mm2/min），就能达到Ra
            0.8μm，这样好的表面粗糙度，自然会减少多次切割次数，且能达到精密加工的水平。
            代表LSWEDM精密加工的主要指标是加工精度和表面粗糙度，对于加工精度，国内外各厂商的表达方式各不相同。例如，瑞士阿奇公司用工件的轮廓精度Tkm（）来表达，而国外其它公司从提供的资料来看，都以不同形状和尺寸的具体加工工件的精度来表达，我国则按国家标准的要求检验加工精度。虽然没有统一的规范，但为了说明当前LSWEDM精密加工的水平，以具有代表性的瑞士阿奇公司机床为例（见表1）。
            表1 瑞士阿奇公司LSWEDM精密加工水平

* u: ?/ y7 J! i5 C            以上说明，LSWEDM以完善的表面质量（无变质层），高水平的加工精度，完全可对各类精密冲压模进行最终精密加工，无需手工抛光等后道工序，因此工件表面不会有任何抛光损伤。

1 H* C7 H% E1 J: ~5 T            三、细丝切割加工技术
            细丝切割属于精密加工技术。过去的细丝切割丝径为Φ0.05mm，现在已达到Φ0.02mm。细丝切割加工中的自动穿丝功能十分重要，目前已能对Φ0.02mm的细丝进行自动穿丝。在一台机床上进行粗、细丝自动交换加工，是双丝系统LSWEDM的明显优势。
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            在冲压模加工中，细丝用于内清角加工，用Φ0.02mm的细丝，可加工出内角半径为15μm的内清角。在IC行业中，集成电路框架模的细丝切割加工，有其重要的应用价值。目前集成电路引线脚已多达100根以上，其引线的线脚间距很小，模具材料一般为硬质合金，所以适合细丝加工。其它如微型接插件、微型马达铁芯、微型齿轮等模具加工。
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  `5 y% R) H7 _" _            在LSWEDM加工精度方面，除了上述内容外，还有如锥度加工精度、拐角加工精度、平直度等。
( b, s' F; b1 p2 Q            LSWEDM国内市场发展情况
            LSWEDM的国内巿场近几年出现了新的发展趋势，产量和销量呈30~40%速度增长。2001年我国的LSWEDM产量只有约150台/年，至2004年的短短几年中，产量达1800台/年（包括日本、瑞士及台湾等企业在大陆生产的数量），至2005年大陆LSWEDM产量已约达2400台/年，比2004年增长了约35%。预计“十一‧五”末期产量可达6000~8000台/年，产值约35~40亿人民币/年。

1 c0 S+ x8 e3 K" |0 Z& o6 M/ w0 M            LSWEDM巿场迅速发展的主要原因有以下几个方面：
            （1）LSWEDM主要应用于模具工业、航空航天、军工等领域。模具产值每年以20%的速度增长，2005年模具制造企业已有2万多家。随着模具向精密、复杂、长寿命等方向发展，各模具制造企业的加工设备纷纷更新换代，而LSWEDM是模具企业必不可少的高档设备。我国航空航天事业的发展是有目共睹的，加上其它一些应用领域的发展，推动了LSWEDM巿场的迅速发展。
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' n- o8 Q/ \& t3 s5 k            （2）过去LSWEDM加工表面产生“变质层”，影响模具及其它所加工的零部件寿命。随着技术的进步，LSWEDM加工的表面质量和精度已能满足精密、复杂、长寿命模具的要求，可以作为精密模具最终加工的主要手段，“以割代磨”的趋势越来越明显，这也促进了LSWEDM的巿场发展。
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" ^+ w# }% {6 ~! a( R            （3）LSWEDM优异的加工性能，目前其它加工方法还无法与之竞争，而且LSWEDM的加工工艺水平及运行的经济性已优于机械磨削加工。
            （4）我国的WEDM分为LSWEDM及HSWEDM（高速走丝电火花线切割机床）两大类，而HSWEDM为低档产品，但与LSWEDM属同一加工工艺，同一应用领域。随着我国模具行业及其它各领域的技术进步，HSWEDM逐渐不能适应技术发展的需要，并且随着LSWEDM性能价格比的提高，目前HSWEDM约4万台/年的大巿场一定会受到挤压，一定会让出一部分巿场给LSWEDM，从中也可以看出LSWEDM今后的发展空间。

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