楊大勇,伏金娟,沈 洪

(1.北京市電加工研究所,北京 100191;2.北京機(jī)床研究所,北京 100102)

在先進(jìn)制造技術(shù)中,電火花加工的自主創(chuàng)新有非常重要的地位,這一點(diǎn)是毫無疑問的,事實(shí)證明當(dāng)前電火花加工技術(shù)正處在信息化發(fā)展的關(guān)鍵階段。電火花成形加工將進(jìn)入精密、復(fù)雜、微細(xì)、新材料、新結(jié)構(gòu)加工的專屬領(lǐng)域,由于這些加工任務(wù)的重要性,高效、精密電加工機(jī)床被列為機(jī)床工具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品。眾所周知,依靠進(jìn)口設(shè)備,要完全滿足上述專屬領(lǐng)域零部件的加工要求是不可能的。我們有責(zé)任也有能力把電火花加工的創(chuàng)新任務(wù)承擔(dān)起來,為此應(yīng)理清思路,找出研發(fā)不足,明確當(dāng)前創(chuàng)新方向,為軍工、航空航天、能源、汽車、軌道交通等國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)提供更多滿足要求的高檔數(shù)控機(jī)床。

1 電火花成形加工的研發(fā)誤區(qū)

電火花成形加工研發(fā)誤區(qū)之一:許多人認(rèn)為電火花加工就是電比機(jī)重要得多,故脈沖電源的研發(fā)永遠(yuǎn)是第一位的,這是不正確的。今天的電火花成形加工技術(shù)已形成一個(gè)復(fù)雜的體系,在發(fā)展中其關(guān)鍵技術(shù)在不同階段是不同的,取決于市場(chǎng)的需求。當(dāng)前對(duì)電火花成形加工的要求是主攻精密加工,而此時(shí)脈沖放電控制不好、脈沖利用率很低就成為問題,所以首先要做好控制。雖然控制平臺(tái)的硬件也是“電”,但實(shí)際運(yùn)作最重要的是智能軟件,工作重點(diǎn)在工藝和應(yīng)用實(shí)踐。總之,電火花成形精密加工不僅僅要研究微精脈沖電源,更要注重與工藝的結(jié)合應(yīng)用,否則沒有靶向控制,所需要的效果就達(dá)不到,當(dāng)前的電火花成形加工技術(shù)是機(jī)電一體的綜合技術(shù),必須多學(xué)科協(xié)同作戰(zhàn)。

電火花成形加工研發(fā)誤區(qū)之二:許多人認(rèn)為電火花加工的創(chuàng)新采用移植成熟的新技術(shù)是一條捷徑,但“拿來主義”可并不簡(jiǎn)單。電火花加工引入NC技術(shù)是很成功的,而從微型機(jī)到64位機(jī)用了20多年的時(shí)間,相反直線電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用就有點(diǎn)問題。NC技術(shù)帶來的是信息技術(shù),把控制速度提高了,把復(fù)雜的電火花加工操作簡(jiǎn)單化了。直線電機(jī)技術(shù)帶來什么?它的高加速度相對(duì)控制脈沖放電還差幾個(gè)數(shù)量級(jí),除了在加工深窄槽方面有一定效果外,在其他應(yīng)用方面尤其是精加工并沒有突出的表現(xiàn)。故選用移植法時(shí),首先要對(duì)雙方的機(jī)理吃透,而且要有個(gè)化學(xué)反應(yīng),深入到機(jī)理層面,才會(huì)有好的效果,這就變得很不簡(jiǎn)單了。

電火花成形加工研發(fā)誤區(qū)之三:許多人一聽到電火花加工要向精密加工方向發(fā)展,就立刻想到要研發(fā)微精加工功能(Micro-fine features,簡(jiǎn)稱MF)的線路,這樣做當(dāng)然不能算錯(cuò),但這是不夠的。在實(shí)施微精加工之前,首先要將前面的粗、中加工基礎(chǔ)做好,如果粗、中加工的集中放電沒有控制好,加工表面不平,表面粗糙度不均勻,邊角損耗較大,這樣留給精加工的余量就大,微精加工功能再好也無能為力,不能順利地加工出高質(zhì)量的表面。故向精密加工方向發(fā)展,不僅僅是解決微精加工的問題,不能頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳,而要從體系的高度全面推進(jìn)。

電火花成形加工研發(fā)誤區(qū)之四:把電火花加工的創(chuàng)新看得太簡(jiǎn)單,認(rèn)為一招鮮就可以吃遍天。例如,“混粉加工技術(shù)”曾鋪天蓋地而來,似乎一“混”就靈。但一陣風(fēng)過后就知道,混粉真正合適的范圍是有限的,在向精密加工方向發(fā)展中作用有限。當(dāng)前的電火花加工技術(shù)已成為一個(gè)系統(tǒng)工程,是一個(gè)復(fù)雜的綜合技術(shù)集成,要有所創(chuàng)新不是很容易的事。愛迪生時(shí)代已過去,電火花加工技術(shù)的創(chuàng)新要靠團(tuán)隊(duì)(甚至是多個(gè)團(tuán)隊(duì))的合作。

電火花成形加工研發(fā)誤區(qū)之五:許多人認(rèn)為電火花加工技術(shù)的創(chuàng)新高不可攀,特別是一些同行囿于成見,認(rèn)為放電間隙、電極損耗極不確定,注定電火花加工與精密加工無緣。的確,若我們?nèi)萑膛c國(guó)外先進(jìn)水平有如此大的差距,不下功夫研究精密電源、精密工藝數(shù)據(jù)庫、精密伺服控制系統(tǒng)、精密脈沖控制和精密機(jī)床,那我們的電火花加工也就只能完成粗加工了,替高速銑打打下手而已!我們不能做井底之蛙,電火花加工的領(lǐng)域大得很,只要我們把基礎(chǔ)工作做好,創(chuàng)新是完全可以的。

電火花成形加工研發(fā)誤區(qū)之六:研發(fā)的目標(biāo)要明確,不應(yīng)該只是干巴巴的幾項(xiàng)工藝指標(biāo),而應(yīng)該是活生生的工藝應(yīng)用,以典型的模具或零件加工滿足設(shè)計(jì)要求作為考核的內(nèi)容。當(dāng)然,還要有性價(jià)比的要求。加工表面粗糙度應(yīng)該和它的加工深度、加工面積、表面不平度、表面粗糙度的均勻度結(jié)合起來考核,加工精度同樣也應(yīng)該和它的尺寸精度、定位精度和形位公差一起考慮,還要結(jié)合加工經(jīng)濟(jì)性、操作的難易程度、形成商品的潛力以及市場(chǎng)前景等進(jìn)行綜合考核,這些都涉及創(chuàng)新價(jià)值的評(píng)價(jià)。

2 電火花成形加工的創(chuàng)新熱點(diǎn)

電火花成形加工技術(shù)主要涉及到控制技術(shù)、微電子技術(shù)、微納米技術(shù)、交直流伺服技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和機(jī)床制造及裝配技術(shù)等。電火花成形加工技術(shù)應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行創(chuàng)新:

(1)精密微細(xì)加工技術(shù)。在微細(xì)加工領(lǐng)域,如動(dòng)力行業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油孔的加工要求,不僅對(duì)孔的尺寸越來越小,而且其尺寸精度、形狀精度和位置精度的要求越來越高,以實(shí)現(xiàn)更低的排放和更高的效率?，F(xiàn)在噴油孔的孔徑已＜0.1 mm,精度已達(dá)微米級(jí),且能源行業(yè)微孔的加工種類和數(shù)量越來越多,甚至在一個(gè)零件上有數(shù)千個(gè)孔,精度要求也在進(jìn)一步提高。這對(duì)電火花加工的精度、效率、機(jī)床的可靠性就提出了更高的要求。它是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程,給我們提出了要在微精脈沖電源技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、高精度驅(qū)動(dòng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)等方面進(jìn)行創(chuàng)新。要真正實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠應(yīng)用的精密微細(xì)加工技術(shù),恐怕僅停留在打了多少指標(biāo)這個(gè)層面上是不夠的。目前,我國(guó)機(jī)床制作精度已提高到微米級(jí),而國(guó)外利用更先進(jìn)的技術(shù)正在向納米級(jí)進(jìn)軍。

(2)鏡面加工技術(shù)。鏡面加工有兩大優(yōu)點(diǎn):一是零件的控制精度高,加工后的零件精度最終可控制在微米級(jí);二是它的表面變質(zhì)層薄,熱影響層薄,所以無論什么領(lǐng)域,它都是一個(gè)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械加工雖然沒有放電產(chǎn)生的熱,但同樣存在機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱,也存在熱影響層的問題。如果電火花加工能將熱影響層減薄到趨近于零的話,那么無論是模具還是零件,它的使用壽命和可靠性都會(huì)大大提高,所以鏡面加工也是電火花成形加工追求的一個(gè)創(chuàng)新熱點(diǎn)。目前,鏡面加工技術(shù)應(yīng)用非常廣泛,國(guó)外進(jìn)展很快,國(guó)內(nèi)也取得了新的突破,從加工表面粗糙度、表面光亮度以及對(duì)應(yīng)的加工面積等方面都在不斷的翻新。北京市電加工研究所已做到了在直徑25 mm面積上鏡面加工,表面粗糙度為 Ra0.05μm。另外,混粉加工技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)鏡面加工的一種方法,目前,國(guó)外幾家公司都有這方面的報(bào)道,但存在著隨著時(shí)間的推移混粉的有效性問題,比如:混粉的分離、尖角的放電、電極的損耗、操作的方便性等,都給我們提出了許多待解決的問題。

(3)多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)。多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)國(guó)外對(duì)我國(guó)控制非常嚴(yán)格,許多先進(jìn)機(jī)床都不在我國(guó)展出。例如,在歐洲機(jī)床展會(huì)上,日本公司展出了數(shù)控系統(tǒng)是8個(gè)軸,可聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)是7個(gè),我國(guó)最多可聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)是5個(gè)。多軸數(shù)控與聯(lián)動(dòng)有兩大優(yōu)點(diǎn):一是大大提高加工能力,通過多軸聯(lián)動(dòng)解決復(fù)雜型腔的曲面加工,在聯(lián)動(dòng)加工的同時(shí),能很好地解決排屑問題,從而獲得穩(wěn)定加工;二是讓位,防止干涉,讓電極獲得更大的自由度。由于復(fù)雜形狀使電極在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉很容易出現(xiàn),例如動(dòng)力行業(yè)里的透平葉輪的加工。其結(jié)構(gòu)多為封閉曲面且曲率變化很大,機(jī)械加工根本無法實(shí)現(xiàn),電火花加工也非常困難。再如,作為渦輪盤葉片的加工有機(jī)械、電解、電火花等幾種方式。據(jù)資料報(bào)道,機(jī)械加工一個(gè)渦輪盤要500把刀左右,一把刀約需2 000元,僅換刀和輔助工作就要浪費(fèi)很多時(shí)間。電火花加工是非接觸式加工,其優(yōu)勢(shì)很明顯,過去人們認(rèn)為電火花加工有放電間隙,但現(xiàn)在已達(dá)成共識(shí),放電間隙是可控、可計(jì)算的,在可控范圍內(nèi),電火花加工可達(dá)到1μm,在這種優(yōu)勢(shì)的對(duì)比下可看出,電火花加工在加工這種復(fù)雜形狀的零件時(shí)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。將來多軸聯(lián)動(dòng)不只是在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用,只是但現(xiàn)在成本太高,民用領(lǐng)域還接受不了,這就要求創(chuàng)新,減少成本,相信未來的民用領(lǐng)域也一定會(huì)應(yīng)用到。

(4)特殊材料加工技術(shù)。目前,涌現(xiàn)的難加工材料越來越多,從材料種類來說有高硬度、高粘度、高脆性、高韌性等。目前,在高溫耐熱合金材料、鈦合金材料、導(dǎo)電陶瓷材料、釹鐵硼磁性材料、硼化鋯材料的加工方面都有了新的突破。例如,鈦合金材料的加工效率已接近加工普通鋼的水平;再如,硼化鋯材料、導(dǎo)電陶瓷材料是非常脆的,用機(jī)械加工方式根本無法加工,而采用電火花加工就可行。由此可見,電火花加工在特殊材料加工方面有著無限的魅力和生命力。

(5)基礎(chǔ)裝備制造技術(shù)。我國(guó)制作機(jī)床的廠商在產(chǎn)品樣本上都給出精度指標(biāo),而國(guó)外制作機(jī)床的廠商在產(chǎn)品樣本上一般不給出精度指標(biāo),因?yàn)樗麄冎廊绻冗_(dá)不到客戶要求是沒有用的。目前,我們的基礎(chǔ)裝備制造水平與國(guó)外相差較大,應(yīng)踏實(shí)學(xué)習(xí),不斷創(chuàng)新,提高基礎(chǔ)裝備制造水平。

(6)自動(dòng)化、信息化技術(shù)。國(guó)外的自動(dòng)化程度很高,只是中國(guó)在這個(gè)階段還沒有推廣,在日本,如發(fā)那科工廠基本上實(shí)現(xiàn)了無人化操作。在思考未來發(fā)展?fàn)顩r時(shí),必須想到我國(guó)早晚要走這一步,解放人的體力勞動(dòng),讓人去從事更高的知識(shí)性的工作。

(7)注重在解決具體問題上創(chuàng)新。電火花加工要想不斷發(fā)展,應(yīng)注重解決具體問題。如果把一個(gè)個(gè)問題都解決了,自然就是創(chuàng)新,理論研究應(yīng)服務(wù)于應(yīng)用。例如,我們的圖紙精度標(biāo)注得很高,實(shí)際工件制做出來卻很差;而國(guó)外圖紙標(biāo)注的精度并不高,可實(shí)際工件包括設(shè)備制作出來的卻很高。這就是我們的目標(biāo)是不是以解決問題為前提,這是理念問題。能解決電火花加工中的實(shí)際問題,才能使我國(guó)電火花加工得到更大的發(fā)展。

3 結(jié)束語

綜上所述,我國(guó)電火花成形加工技術(shù)要縮短與國(guó)外的差距,必須切實(shí)把基礎(chǔ)裝配與制造精度搞上去,提高自動(dòng)化程度;在精密微細(xì)加工、鏡面加工、多軸聯(lián)動(dòng)和特殊材料加工等方面有所創(chuàng)新和突破,只要我們把解決電火花加工成形中存在的實(shí)際問題作為研究方向,我國(guó)的電火花成形加工技術(shù)就會(huì)獲得更大的發(fā)展。