CIMT2011特種加工機(jī)床評述專家組

第十二屆中國國際機(jī)床展覽會（CIMT2011）于2011年4月11～16日在北京舉辦，展覽規(guī)模為歷屆最大，占地面積約12萬平方米，共有1406家國內(nèi)外廠家參展，展出各類機(jī)床、柔性生產(chǎn)線和大型量儀1040臺（套）。

特種加工機(jī)床展出規(guī)模也是歷屆之最。據(jù)初步統(tǒng)計，共有40家國內(nèi)外企業(yè)參展，國內(nèi)外知名企業(yè)悉數(shù)到會。其中國內(nèi)企業(yè)26家，展出各類特種加工機(jī)床61臺；國外企業(yè)14家，展出各類特種加工機(jī)床30臺。國內(nèi)外機(jī)床中包括：數(shù)控電火花成形機(jī)床20臺（國內(nèi)：13臺、國外：7臺）、單向走絲電火花線切割機(jī)床17臺（國內(nèi)：6臺、國外11臺）、往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床25臺（國內(nèi)）、激光加工機(jī)床24臺（國內(nèi)：11臺、國外13臺）、電火花微孔、小孔加工機(jī)床4臺（國內(nèi)）、放電切割機(jī)1臺（國內(nèi)）、水切割機(jī)1臺（國內(nèi)）、快速成形機(jī)床1臺（國外）、超聲加工機(jī)床1臺（國外）。從展出情況來看，當(dāng)前特種加工機(jī)床市場的主體是電火花加工機(jī)床和激光加工機(jī)床。

這次展覽會上，還專門設(shè)立 “高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國家科技重大專項(xiàng)圖片展”，在特種加工機(jī)床方面，展示了五項(xiàng)國家重大項(xiàng)目（有實(shí)物）：①蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司的D7132五軸聯(lián)動精密電火花成形加工機(jī)床；②北京市電加工研究所的N850五軸五聯(lián)動精密數(shù)控電火花成形機(jī)床；③蘇州三光科技股份有限公司的DK7632自動穿絲精密高效數(shù)控電火花線切割加工機(jī)床；④北京安德建奇數(shù)字設(shè)備有限公司的精密數(shù)控低速走絲線切割機(jī)床（六軸數(shù)控）；⑤武漢法利萊切割系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司的大功率寬幅面厚板數(shù)控激光切割機(jī)床，體現(xiàn)了我國有關(guān)特種加工機(jī)床的國內(nèi)領(lǐng)先水平。在4月12日由國家發(fā)改委、工信部、能源局和國防工業(yè)局召開的 “軍工行業(yè)與能源裝備領(lǐng)域國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用座談會”上，北京市電加工研究所的N850精密數(shù)控電火花成形機(jī)床獲得 “國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床優(yōu)秀合作項(xiàng)目”大會表彰。

一、數(shù)控電火花成形機(jī)床（NCSEDM）

1.NCSEDM的市場定位是精密微細(xì)加工

在高速銑（HSM）技術(shù)大發(fā)展的今天，通用NCSEDM的市場定位越來越清楚了，即向精密微細(xì)方向發(fā)展。

這次展會上展示的精密微細(xì)加工樣品比以往要精彩很多，尤其是展示很多精密微小型腔，如1mm3型腔，需要用放大鏡才能看得清楚，它不但小，而且清棱清角，這種微型腔是生產(chǎn)微器件的關(guān)鍵技術(shù)；在1mm3的空間內(nèi)加工10μm的清角，對HSM來說太困難了。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/Micro-Electro-Machanical System）發(fā)展越來越受到人們的高度重視，MEMS已相繼應(yīng)用于精密機(jī)械、光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療、信息存儲等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域很多需要微型模具。國際MEMS發(fā)展迅速，有關(guān)資料預(yù)測，我國到2011年增速有望達(dá)到29.2%，說明微型模具市場具有良好的發(fā)展前景，必將推動NCSEDM精密微細(xì)技術(shù)的發(fā)展。

即使在一般規(guī)格的型腔模加工中，NCSEDM也定位在精加工，因?yàn)镠SM粗、中加工優(yōu)勢十分明顯，而且在很多場合可以直接用HSM加工就能達(dá)到圖紙要求，但要使HSM加工無刀花和接刀痕花費(fèi)就大了，而且還有清角加工的問題，所以對于高檔模具，采用NCSEDM加工精銑后的型腔，則既有精整加工又有拋光作用，平整度又好。而如果用手工拋光去掉刀花和接刀痕，則會使平整度變差，也難以解決清角問題，影響高檔模具的精度要求?，F(xiàn)在的問題是NCSEDM能否達(dá)到型腔模精加工的要求，也就是說，在精加工時，要保證不燒糊，防止集中放電，規(guī)范放電能量，保證精加工表面粗糙度均勻，而且Ra≤0.2μm，平整度要好，清角等等。目前，一般的小家電模具、手機(jī)模具等都可實(shí)現(xiàn)NCSEDM直接精密加工，即使采用石墨電極也能達(dá)到上述要求，例如，石墨電極本身的粗糙度Ra＝0.49μm，進(jìn)行精密平動加工，工件表面粗糙度可提升到Ra＝0.11μm。

現(xiàn)在的問題是大面積型腔加工，由于EDM固有的問題，大面積型腔加工時難以達(dá)到Ra≤0.2μm的水平，因此開發(fā)了混粉加工技術(shù)。在一定濃度超細(xì)混粉加工時，可達(dá)到Ra≤0.1μm的水平，但由于混粉在加工間隙中分布的不均勻性，加工精度（平整度等）會受到一定的影響。因此，如何選擇適當(dāng)濃度在精度與表面粗糙度之間找到平衡，是工藝上亟待解決的問題。

2.精密加工技術(shù)的進(jìn)步

（1）集中放電控制技術(shù)

電火花放電加工在正常狀態(tài)下，放電在間隙中是不斷轉(zhuǎn)移的，集中放電引發(fā)的電弧放電會破壞加工正常進(jìn)行。這次日本沙迪克公司的AG系列機(jī)床，采用SGFⅡ電路，實(shí)現(xiàn)整個加工過程無電弧放電加工，值得關(guān)注。

避免集中放電對精密加工的表面質(zhì)量十分重要，對于采用石墨電極的中、精加工尤為重要。以往我們對防止由集中放電引發(fā)的電弧放電的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行過報道，下面再介紹幾項(xiàng)防止集中放電的控制技術(shù)，供參考。

第一，CAD的3D技術(shù)：加工時引發(fā)集中放電往往與脈沖能量和加工面積不匹配有關(guān)，以往認(rèn)為某一脈沖能量有個最佳加工面積并與加工穩(wěn)定性、加工效率密切相關(guān)，其實(shí)它還與防止集中放電也密切相關(guān)，一個與脈沖能量匹配（最佳）的加工面積，可有效防止集中放電。當(dāng)前應(yīng)用CAD的3D技術(shù)，可事先計算出每個變化的加工截面，這樣放電加工面積是預(yù)知的，就可根據(jù)加工工藝規(guī)律，準(zhǔn)備好一套脈沖電源參數(shù)及伺服控制參數(shù)，以適應(yīng)加工過程中加工面積的變化，防止集中放電，保證精密加工的表面質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)電壓（脈沖能量）平緩調(diào)節(jié)，當(dāng)前已用電子變壓器替代用抽頭調(diào)節(jié)電壓的常規(guī)變壓器，形成數(shù)字化的電壓平緩調(diào)節(jié)，從而能實(shí)現(xiàn)自動的脈沖能量平緩調(diào)節(jié)，還能使脈沖能量的微調(diào)成為可能，為CAD的3D技術(shù)創(chuàng)造條件。

第二，微抬刀（脈動抬刀）技術(shù)：集中放電是產(chǎn)生型面不平整局部粗糙的重要原因，尤其精加工時問題更為突出，因?yàn)榫芗庸r放電間隙小，容易產(chǎn)生放電產(chǎn)物在間隙中的不均勻分布，產(chǎn)物的局部集中，使放電點(diǎn)轉(zhuǎn)移造成困難，造成間隙局部過熱內(nèi)阻減小，形成集中不良放電。放電間隙的局部污染，說明間隙中蝕除物分布不均勻，為蝕除產(chǎn)物在間隙中分布均勻，所以提出微抬刀的新概念，它新在不是排屑而是勻屑，是 “脈動”一下，使間隙中產(chǎn)物均勻分布，避免集中放電，這種微（脈動）抬刀，一般是在兩個高抬刀之間進(jìn)行，創(chuàng)造放電點(diǎn)自由轉(zhuǎn)移的有利條件。

第三，抬刀脈沖控制技術(shù)：為了避免電極和工件之間形成的電容，以及輸出回路寄生參數(shù)在主軸抬起時大量空載大脈沖的充電，這種充電會在抬刀過程結(jié)束時首發(fā)放電產(chǎn)生一個大能量脈沖，而在工件表面打出深坑，因而采用在抬刀時不發(fā)脈沖的措施。這也是為避免產(chǎn)生集中放電的技術(shù)措施，但概念與上述兩種技術(shù)不同。

（2）精密加工的智能脈沖電源

從這次參展的情況來看，國外廠商都重視智能脈沖電源開發(fā)應(yīng)用，例如：瑞士阿奇夏米爾公司ISPG智能高效脈沖電源，新電源在加工表面質(zhì)量、電極損耗、生產(chǎn)效率等方面都達(dá)到新的高度，采用SF模塊進(jìn)行精密加工，可達(dá)Ra＝0.05μm的水平，電極損耗大幅度下降，平均生產(chǎn)效率提高30%；日本牧野參展的EDAF2機(jī)床智能脈沖電源的超級放電技術(shù)（SST），具有放電能量自動調(diào)節(jié)（AFT）、節(jié)能、低損耗、超精面加工等9項(xiàng)功能，超精面加工Ra＝0.06μm；日本沙迪克公司參展的AG40L機(jī)床，配置的能夠?qū)崿F(xiàn)高品位精加工的SVC迴路，可以達(dá)到鏡面加工的水平；日本三菱公司EA Advance機(jī)床，配置的NP2迴路，在10mm×10mm加工面積時，可達(dá)Ra＝0.06μm。

國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司的D7132五軸聯(lián)動機(jī)床，配置了智能化脈沖電源及高精加工電路，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)Ra＝0.1～0.15μm的精密加工；北京市電加工研究所的N850五軸五聯(lián)動機(jī)床，其鏡面加工迴路對微小放電脈沖能量的恒定輸出進(jìn)行精確控制，在加工直徑為￠40mm的面積時，表面粗糙度Ra＝0.1μm，并實(shí)現(xiàn)了工程化穩(wěn)定加工。

脈沖電源在精細(xì)加工時，微小脈沖能量在放電回路中傳輸，其放電回路上的寄生參數(shù)產(chǎn)生的附加能量，會使加工件表面粗糙度變差。放電回路的寄生參數(shù)由兩部分組成，一是放電能量傳輸線路，二是電極和工件間的寄生電容，這一部分是由電極和工件之間的加工面積決定的，難以改變的，但縮短放電能量傳輸線路，減小寄生參數(shù)，卻具有重要意義。目前國內(nèi)外都采用縮短傳輸線路這個辦法，因此都把精密加工電源做成專用電路或模塊，從電氣柜內(nèi)移到立柱側(cè)面或主軸箱側(cè)面等，使放電回路線路最短，這樣會使鏡面加工的面積有所增加，如前所述，一般小家電模具、手機(jī)模具等能滿足精加工要求。

（3）精密電火花加工機(jī)床的熱穩(wěn)定系統(tǒng)

隨著精密微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的熱平衡、熱補(bǔ)償功能越來越重要。機(jī)床的長時間運(yùn)行，相關(guān)元器件的溫升、工作液的溫度變化、機(jī)床室內(nèi)環(huán)境溫度的影響，包括由于抬刀速度和頻率的增加，Z軸的絲杠螺母也成為新的發(fā)熱源等等。即使在小電流加工時這些因素依然存在，影響機(jī)床的精密加工。

從這次展覽會上可以看出，近來國外對熱穩(wěn)定系統(tǒng)予以高度重視。例如，瑞士阿奇夏米爾公司參展的FROM3000機(jī)床具有溫度恒定系統(tǒng)。溫度恒定系統(tǒng)是通過具有恒定溫度介質(zhì)冷卻X、Y和Z軸的直線光柵尺，作為溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的一個恒定參照。配置的熱穩(wěn)定系統(tǒng)和溫度管理系統(tǒng)，可以防止溫度變化對加工工件精度的影響；日本沙迪克公司參展的AG40L機(jī)床，采用氣流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，與以往機(jī)床相比，大幅減少了本機(jī)的熱變形量。機(jī)床的熱變形修正軟件是從機(jī)床各部位測量所得溫度數(shù)據(jù)推斷實(shí)時的機(jī)床熱變形，并對之實(shí)行補(bǔ)償；日本三菱電機(jī)參展的EA系列機(jī)床，實(shí)時掌握機(jī)床周圍的溫度變化，及時補(bǔ)償溫度變化引起的變形。通過工作液恒溫循環(huán)，可進(jìn)一步提高該功能。日本牧野公司采用多種方法防止機(jī)床熱變形，如采用隔熱板和隔熱層來屏蔽熱源。由于Z軸和電機(jī)、軸承、滾珠絲杠及螺母在Z軸伺服及抬刀過程中產(chǎn)生的熱量使得Z軸產(chǎn)生熱變形，所以采用滾珠絲杠中心冷卻及支架冷卻的Z軸穩(wěn)定器，以防止熱變形；更進(jìn)一步是采用熱防護(hù)罩，增設(shè)空氣冷卻器，使防護(hù)罩內(nèi)的溫度變化控制在±0.5℃，可以忽略外部溫度的影響。

我國對于精密電火花成形機(jī)床熱變形技術(shù)的研究和應(yīng)用還不夠重視，市售機(jī)床還沒有見到采用比較完善的減少熱變形的技術(shù)，這方面與國外相比，還有較大的差距。隨著NCSEDM逐步向精密微細(xì)方向發(fā)展，行業(yè)內(nèi)已認(rèn)識到防止熱變形的重要性，開始著手啟動這方面的工作。例如，蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司購買了成套熱變形檢測儀器，開始著手這方面的研究工作。

3.展會中幾個值得關(guān)注的新動向

（1）NCSEDM的電極和工件自動交換系統(tǒng)

在我國具有電極自動交換系統(tǒng)的NCSEDM已有多年的歷史了，但電極和工件自動交換（AEC/AWC）系統(tǒng)國內(nèi)還沒有開發(fā)，以往在中國各種展會上，外國公司也沒有展示過AEC/AWC系統(tǒng)，但在這次展會上日本沙迪克和牧野兩家公司展出了AEC/AWC系統(tǒng)。以前這兩家公司的AEC/AWC只在歐美展覽會中展出，這說明中國用戶對自動化、開機(jī)率、交貨周期、節(jié)省人工等方面提出了更高的要求，也說明中國用戶規(guī)模大了，加工模具的水平更高了。以往我們認(rèn)為AWC適合批量生產(chǎn)，但實(shí)際上在工件庫內(nèi)可以放置不同的加工工件，單件加工生產(chǎn)也適合使用AEC/AWC進(jìn)行全自動加工，這是今后值得關(guān)注的問題。

（2）電火花成形加工的工作液

在這次展會上我們看到有一種淺綠色的煤油工作液，不但顏色好看，而且沒有以往煤油那種刺鼻的感覺。雖然我們不知道這種工作液成分、配比，但說明一點(diǎn)，就是國外重視工作液的研究，而我國在工作液方面沒有多大進(jìn)展，其實(shí)工作液除關(guān)系到安全、環(huán)保外，對加工工藝指標(biāo)影響也較大。以往國外開發(fā)了一種混粉工作液，這次又出現(xiàn)了一種淺綠色工作液，值得關(guān)注。

（3）整體加工工藝解決方案

在整體加工工藝解決方案方面，參展的國外機(jī)床都有比較完善的加工工藝系統(tǒng)。例如日本三菱電機(jī)EA系列機(jī)床的Advance控制裝置，采用CAD/CAM系統(tǒng)，建立電極和模具的3D模型，讀取CAD/CAM中的加工信息（EPX格式文件），進(jìn)行電極安裝及位置確認(rèn)，并進(jìn)行電極銑削加工（CAM）。采用3D-EXPERT軟件，利用電極和模具的3D模型，計算放電加工面積的變化，生成最佳加工條件進(jìn)行電火花成形加工；日本牧野公司同樣采用CAD/CAM技術(shù)，建立電極及模具3D模型，采用FF/eye格式文件，生成電極加工程序，進(jìn)行電極銑削加工（CAM）。采用EPX格式文件，生成電火花成形加工程序，進(jìn)行電火花成形加工（CAM）。瑞士阿奇夏米爾、日本沙迪克等都有完整的加工工藝系統(tǒng)。

加工設(shè)備的成套性也體現(xiàn)整體加工工藝解決方案，國外有的企業(yè)，既生產(chǎn)NCSEDM又生產(chǎn)HSM，還生產(chǎn)專用石墨電極加工機(jī)床，設(shè)備的成套性，有利于滿足用戶需求，有利于市場開發(fā)。

我國雖在整體工藝解決方案方面還存在一定差距，但在這次展會上，北京凝華科技有限公司提出的參展主題是：利用3D控制中心制作3D模型→高速雕銑機(jī)加工電極→三坐標(biāo)檢測電極精度→NCSEDM加工模具→三坐標(biāo)檢測加工精度等整體工藝解決方案，值得關(guān)注。 （待續(xù)）