电火花成形加工技术的发展概况

杨大勇

(北京市电加工研究所,北京 100191)

进入21世纪,电火花成形加工技术得到了迅猛发展,突破了传统观念的束缚,产生了一些新的技术和应用领域。电火花成形加工的数控系统进一步采用人工神经网络技术、混沌理论、仿真技术,以进一步提高加工的各项工艺指标、加工的可靠性和自动化程度。脉冲电源则在保证电火花加工工艺指标的前提下,向稳定、可靠、环保、绿色、节能方向发展。电火花成形加工技术在“微纳”加工、“镜面”加工、半导体和超硬材料加工中发挥越来越重要的作用,为人类创造巨大的财富。

1 精密微细化

微细加工在近代加工技术中是一个新的加工领域。对于电火花微细加工而言,主要指尺寸小于300μm 的轴孔、沟槽、型腔等的加工。实现精密、微细加工的一个重要条件是加工单位(即每次放电的蚀除量)尽可能小。而在电火花加工过程中,其加工单位只取决于单个放电脉冲的能量。微细电火花加工的极限能力一直是研究工作者追求的目标之一。日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久教授加工出的直径 5μm的微细孔和直径2.5μm的微细轴,代表了当前这一领域的世界前沿水平。

除了微细孔和微细轴的加工外,微细电火花加工技术更深远的意义在于通过微细电火花铣削技术制造更小的微三维结构,进而制造更小的微型机械及微型机器人,从而体现该技术更为广泛的潜在价值和应用前景。

图1 1/8微型球瓣

图1是美国林肯大学加工的1/8微型球瓣,其球径为150μm。日本东京大学增泽隆久教授利用简单形状的微细电极,制作出了长500μm、宽300μm、深200μm的微型汽车模具,并用此模具制作出了微型汽车模型。日本三菱电机公司成功地制作出了由齿顶圆直径为1.2mm的大齿轮、齿顶圆直径为0.2mm的小齿轮和直径为0.1mm的内心轴构成的、最深部的加工尺寸为270μm的齿轮铸模(图2)。

图2 微小齿轮模具

2 脉冲电源参数的精确控制

高性能脉冲电源控制技术主要体现在3个方面,即:蚀除脉冲精度的精确控制、阻断清扫脉冲的控制、稳定放电脉冲的控制。

2.1 逐个脉冲检测技术

实现逐个脉冲检测并做出相应对策的首要条件是速度要快,为此AGIE-Hyperspark脉冲电源研制了FPGA脉冲优化模块,具有超强计算能力(30MIPS),可在约33.3 ns时间内对脉冲前沿的状况进行一次检测,不仅可消除拉弧的风险,还可按使用中效率和表面质量(表面粗糙度的一致性和加工表面平整性)的权重来设定阈值。有了这一脉冲控制技术,使诸如300mm×300mm的大面积精加工得以实现。

2.2 阻断清扫脉冲控制技术

瑞士AGIE-Hyperspark脉冲电源的阻断清扫脉冲控制技术是在放电柱渐近进入饱和状态前突加一个适当的高电流脉冲,以阻断已没有蚀除作用的放电柱,形成第一次材料抛出,凹坑中有明显残留物 ;然后重建新的放电柱,在其扩展过程中又会有些蚀除,更重要的是在其放电结束后的第二次材料抛出时,将原坑中的残料充分清除,形成光滑干净的放电凹坑,此放电凹坑比通常脉冲的放电凹坑浅,从而使表面粗糙度减小,白层(变质层)减薄。由于脉冲蚀除量的增加以及表面质量改善使后续精修省力,故此项技术使加工效率提高(采用铜和石墨电极时平均提高30%,深窄槽加工提高50%),电极损耗降低。例如用直径10mm,45°尖劈形石墨电极加工钢,加工深度12mm,加工结果:长度损耗0.1mm(相对损耗 0.8%),表面粗糙度 Ra1.6μm,加工时间30min,而常规脉冲电源加工时间为41min,提高27%。

3 中小型模具的低损耗加工

电火花成形加工在中小型模具,尤其是小型高档模具的加工方面呈现很大的优势。市场因素是机电产品的功能集成及相应的产品小型化,使其模具在小容积内包容了复杂的多个型腔,加上为提高模具寿命采用高硬度材料,对此,加工中心的高效率长项发挥不出来,相反由于需要去除的材料少,电火花成形加工相对低的材料去除效率,有一定损耗等则不成问题。型腔越小越复杂,它的优势越明显。尤其在当今金融危机下,模具厂求自保努力挖潜,例如手机和数码相机模具制作周期中抛光约占1/4,争取免抛光和少抛光是重要的出路,铣刀无可避免留下的刀花和刀痕成了抛光的大问题,甚至在小型腔中根本无法抛光。这些以电火花成形加工当前的性能水平,无需大的花销就可稳定解决。当然这并不是说加工中心面对小型复杂型腔绝对做不了,而是说在加工工时和刀具费用等方面已不合算。就是在中大型模具上,除了窄深槽和清角的工作外,如音响设备的音窗,汽车的进风格栅,以及落差大的型腔(如汽车发动机箱压铸模型芯),需要超长的铣刀加工,此时由于刀具刚度不足,表面质量无法保证,只能用电火花成形加工。可以说在小型腔加工上电火花成形加工已成为主角,这块市场现在发展很快,足以使电火花成形加工站稳脚跟,而在中大型型腔加工上至少也是最佳配角了。

实际上电火花成形加工和加工中心所代表的高速铣,已不是零和游戏的双方,而是优势互补,进入双赢的局面。为此,电火花成形加工近年来技术上有了长足的进步,并在此基础上推出一系列新机型。例如:GF.Agiecharmilles公司的F0350μ,直接宣称为制作1mm3容积的小型腔专用,Sodick的C32电源容量仅15 A,最大亮点是所谓“零损耗”,与之相当的有MITSUBISHI ELECTRIC公司的EA8PVM Advance小型高速高精度机床,保证精度±0.003mm;MAKINO公司的EDACI,可以实现与磨削表面的接刀痕在±1μm以内。令人印象深刻的样件是接插件模具的宽0.2mm深0.3mm的微细槽,其底角半径可稳定达到0.01mm,甚至更小仅0.005mm。在微细加工中的清角是此类机型的显著标志。清角是小器件中为了更好地利用空间所必需。此外,小型腔的高精度很大程度上是为了光,加工表面的光不仅是为了脱模,而且为了省掉抛光,节省工时。在相当多的情况下也无法抛光,这只有通过高精度的平动,以十几档规准的“走刀”,才可能得到 Ra 0.1μm,甚至 Ra 0.06μm 的表面粗糙度 。

当前正进入模具行业添置高速铣的高潮,高速铣供应商中的一些人大量散发电火花成形加工被替代的信息。这明明是欺骗大多数用户没有用过高速铣,对它期望值过高。在国外这个过程在10年前就已经过去了,也没有人再谈论这些东西。事实是高速铣会替代一部分,也因为它在电极制造和型腔预铣上提供了很大的方便,使电火花成形加工功能更合理更有效,正因为高速铣和电火花成形加工之间工艺上的联结是如此的紧密,MAKINO将它们成功地捆绑销售,类似的还有AGIE-CHARMILLES的米克朗。Sodick还自行开发了 MC430L/MC650L高速铣削中心。据统计在2002年世界市场上电火花成形加工的销售额达5.6亿瑞士法郎(不包括中国)。当然电火花成形加工的大方向是向高端精密微细方面发展,在超硬和高耐热材料加工领域内,为减少昂贵的刀具消耗,常规电火花成形加工还有一定市场。总之高速铣效率高,工艺相对简单,更适合加工凸模,而在型腔,尤其是深窄槽、微细型面、硬韧材料、无刀痕加工中效率就不太高,花销大,颇难接受。而清角、超硬合金的加工等等正是发挥电火花成形加工的优势所在。电火花成形加工最主要是相对效率低,工艺复杂。故趋势是用它的平动功能去除高速铣留下的刀痕和清角窄槽的加工,所以要求今天的电火花成形加工精度要高,微细加工能力强,如果余量留得很小(如单边0.05～0.1mm),效率就不太低,形状平整度都会很好。高速铣和电火花成形加工真正是互补极强的一对,两者结合的范例以手机模具最为典型,因为此模具为抢市场,交货期很紧,且质量很苛刻,通常会使用高速铣为主,但电火花成形加工也有10多个电极。即使最有名的三星公司,把电火花成形加工的应用一再压缩,至少也要用3个电极,其中还用上了混粉镜面加工工艺。

电火花成形加工最近在加工硬质合金型面上取得进展后,继续攻克高耐热的钛合金,这些材料又硬又粘,高速铣加工刀具消耗很大,采用窄脉宽高峰值电流的电火花成形加工据介绍电极损耗可以控制在25%以下,故AGIE公司中等规格的成形机所配脉冲电源的峰值电流都达到了104 A(过去这不多见),在工艺数据库里也配上了相应参数。

4 多轴联动数控电火花加工技术

数控电火花加工技术中的多轴联动加工方法在模具制造等领域具有非常重要的作用,特别是加工表面形状复杂的关键零部件时,更具有不可替代的作用。

整体叶轮是火箭发动机、飞机发动机以及航空机载设备的重要零件之一。整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下,多选用不锈钢、高温耐热合金和钛合金等难切削材料制造,由于材料难加工,再加上其为整体结构,带有复杂型面的叶片,使得它的制造非常困难,成为航空航天制造中的关键技术。目前国外采用五轴联动电火花成形加工的方法。该形状的零件用机械加工方法是很难实现的。木工聚晶金刚石刀具的加工是多轴联动数控电火花加工技术又一成功应用领域之一。木工用聚晶金刚石刀具电火花磨削加工时,由于其刀具几何结构的要求,需要配置多个分度轴和电极旋转轴实现不同角度的倾斜磨削加工和多刀齿磨削加工。由于木工刀具的转速一般都在每分钟几万转,所以对分度轴的要求非常高。

在机床上装备精密分度旋转轴C轴、A轴,配合其他3个直线轴可完成4轴四联动、5轴五联动的加工,还可完成6轴数控5轴联动的加工。图3所示的加工样件为空间曲线的汽车密封件成形模具示意图,它是用一个与端面形状相同的片状紫铜电极,通过X、Y、Z、U 4轴的伺服联动完成的空间曲面内藏式的型腔加工,该形状的模具用机械加工方法是很难实现的。图4所示为5轴五联动加工的圆柱面上空间曲线样件照片,同样是用一个与端面形状相同的片状紫铜电极,通过 X、Y、Z、C、A 5轴的伺服联动完成的空间曲面内藏式型腔加工。

图3 4轴四联动加工样件

图4 5轴五联动加工样件

5 高表面质量与镜面加工技术

镜面加工技术的出现有效地解决了深槽窄缝等不易抛光和加工精度差的问题,进一步拓展了电火花加工技术的应用范围。

5.1 高效高精度镜面电火花加工实例

北京市电加工研究所利用高性能镜面加工回路,在普通加工液中不添加任何粉末的条件下实现了较大面积的电火花镜面加工(图5)。图5a是直径为25mm的镜面加工照片。利用该项加工技术在直径为25mm(面积为490mm2)加工面积上,达到表面粗糙度Ra 0.05μm,表面可像镜子一样清晰地映照出钢板尺的刻线和数字;图5b是直径为40mm(面积为1256mm2)的镜面加工照片,表面粗糙度小于Ra 0.10μm,并实现了批量稳定加工。该镜面加工回路有效克服了分布电容、分布电感等寄生参数对镜面加工的不利影响,精确控制了微小放电能量的恒量输出,并在工具电极表面形成一层炭黑膜,从而有效地保护电极表面不被损耗,提高了加工精度和工件表面质量,实现了像手机、个人掌上电脑(PDA)等中小型模具表面用电火花加工作为最终精加工工序的目的,有效地解决了深槽窄缝等不易抛光和加工精度差的问题,进一步拓展了电火花加工技术的应用范围。

图5 镜面加工实例

5.2 混粉加工技术

通过在工作液中添加一定浓度的导电性硅、铝等微粉,以改变电火花放电状态,使大面积电火花加工表面粗糙度值显著降低,表面性能(耐磨、耐蚀等)得到改善,克服了常规电火花加工表面粗糙度、表面性能差的缺点,使电火花加工作为大面积精密、复杂型面的最终加工成为可能,从而省去了后续抛光工序,使产品的制作周期、工人的劳动强度降低。图6是在日本沙迪克公司PGM65高速镜面电火花成形机床上加工的发动机箱盖的压铸模具。该模具的特点是几乎没有平面,由曲面组成,不易抛光。模具的材料为SKD61热作模具钢,加工部位的表面尺寸为200mm×150mm,加工深度为41mm,加工表面粗糙度为 Rmax1.8μm;电极材料为石墨,粗、精加工各用一个电极,粗加工电极的单边缩放量为500μm,精加工电极的单边缩放量为300μm。模具加工时,首先采用普通电火花成形进行6 h的粗、中加工,表面粗糙度达 Rmax8～10μm;然后用混粉电火花成形进行30 h的精加工。加工结果:表面粗糙度达Rmax 1.8μm,表面变质层 ≤4μm,表面光亮度好 。

图6 电火花混粉镜面加工的发动机箱盖压铸模具

5.3 电火花加工后表面层状态加工测试结果

电火花加工后的表面层状态是众多航空航天、军工制造企业最为关注的问题。它不仅影响零件的质量和使用寿命,更重要的是,航空航天零件加工表面显微裂纹的大小有时会引出非常严重的后果。为此我们进行了常用航空材料3J33高弹性合金钢、9Cr18不锈钢等的表面层状态加工试验并进行检测。3J33高弹性合金钢精加工后测试结果(测试仪器:JSM-6400扫描电镜):表面重熔层小于 2μm;9Cr18不锈钢精加工后测试结果(依据航空技术要求:S10JT.247的2类):均未见重熔层,未见断续小珠、重熔层气孔、重熔层脱离、基体金属裂纹、镍基、钴基合金的碳化物范围内的裂纹、起弧。

5.4 钛合金及航空用精锻模具电火花加工实例

用北京市电加工研究所A35精密数控电火花成形机床加工钛合金时,加工速度可达89mm3/min,加工表面粗糙度达Ra 0.2μm。图7是应用A35精密数控电火花成形机床加工的航空用精锻模具实例,加工面积超过了5600mm2,加工深度16mm,加工精度0.015mm,表面粗糙度达到了 Ra 0.4μm。

5.5 石墨电极的应用

过去欧美使用石墨电极达到80%～90%,而日本则以用铜电极为主,现在日本也跟上来了。这和电火花成形加工深窄槽越来越多有关,当然石墨的性能也更全面、更好了。石墨刚性好、不变形、容易成形,在电火花成形加工新技术的支撑下石墨用得更顺手。特别是加工毫米级的小模具,如接插件越来越小,槽、间距非常小,一般用铜钨材料和铜做电极,但是铜钨合金电极内应力很大,变形大,有经验的师傅不会过多使用这种微细电极的;而石墨材料由于韧性好、加工性能好、无毛刺,可做成细长形状,可做到高1.8mm,厚0.05mm,深宽比36。

图7 A35加工的航空精锻模具

5.6 主轴的执行机构及高速和高响应伺服技术

主轴的高速和高响应伺服性能对深型腔加工、深槽窄缝加工、小间隙高精度高效率加工、精密微细加工等都具有重要意义。主轴的高速、高加速和高响应伺服性能,可有效产生抽吸作用,使加工屑有效排出,实现了深型腔的无冲液加工。主轴的高速和高响应受主轴的执行机构影响。目前主轴的执行机构有3种形式,一是直线电机直接驱动,二是交流电机直接带动滚珠丝杠副,三是交流电机通过齿轮减速带动滚珠丝杠副。严格地说直线电机结构没有反向间隙,插补能力好,加工的圆度好,最早为了提高速度仅在Z轴上使用,使用后发现,加工精度也有优势,现在3轴都用,从长远考虑,直线电机保持精度好,不需要更换丝杠。但直线电机如果没有批量,成本太高了,在大面积加工时直线电机也有弱点。滚珠丝杠结构中有个反向器的不平稳因素,直线电机有个铁芯磁极的效应,在用闭环线性控制之后,在平稳性上难分伯仲,对轻载机反向空程上也可以做得一样。目前,SODICK公司直线电机的SEDM机Z轴最高速度是6 m/min,Z轴最高抬刀速度达36 m/min;MAKINO公司用滚珠丝杠和软件技术最高速度是10 m/min;国内北京市电加工研究所采用交流伺服电机,利用高速软件的抬刀功能,实现了主轴抬刀速度≥10 m/min,为解决这类零件的加工提供了很好的平台。

6 人工智能技术

提高电火花成形加工过程自动化程度是该加工技术发展的必然趋势。由于电火花成形加工是在复杂环境下基于复杂任务对复杂对象的控制,传统的控制系统已不能满足自动化加工的要求,因此需要建立多输入、多输出的控制系统,智能控制将是解决此类复杂问题的有效途径。智能控制系统具有自学习和自适应功能,能自主调节系统的控制结构、参数和方法,进行决策规划和广义问题求解。它就如同一个有经验的操作者,可通过对加工信息的定性刻划,模拟熟练操作者的思维方式,根据当前的加工状态调整加工参数,进而实现提高加工效率、加工精度、加工过程稳定性以及简化操作过程,拓宽加工范围的目的。虽然智能控制系统在电火花成形加工中得到了大量应用,但仍有许多不完善之处,主要需解决以下问题:①根据不同加工要求确定工具电极与工件加工表面之间的合理间隙和合理加工参数;②开发能根据加工过程中间隙状态的改变而自适应变化的脉冲电源;③工作液的合理选用及其对加工过程的影响;④降低各种干扰对加工过程的影响。针对以上问题,电火花成形加工智能控制系统应重点研究和应用以下技术:

6.1 自适应控制

由于电火花加工机理非常复杂,要建立一个严格的数学模型十分困难,虽然不同的学者从各自的角度提出了不同的模型,但大多与实际相差甚远,故应用传统的经典控制方法(如RC控制)不可能达到良好的控制效果。因此,现代控制理论中的自适应控制技术必然被电火花加工控制技术所吸收,国内外专家学者在这方面做了广泛的探索研究工作。各种自适应控制方法的不同之处在于控制参数及评价标准的选择。监控参数大致有:伺服参考电压、脉冲电源参数、抬刀周期、高频信号、脉冲上升沿、击穿延时、火花放电时间、脉冲下降沿的时间占有率等。电火花加工过程自适应控制的目标是在满足表面粗糙度、电极损耗及加工稳定性要求的前提下优化蚀除速度,使生产率尽量提高。然而,电火花加工过程中需优化的参数很多,且各种参数之间是相互耦合的。而上述各种自适应控制方法,基本上都是控制单一变量,或是相互分离地控制几个变量,至于变量之间的耦合问题还未涉及到,致使自适应控制方法难以实现真正意义上的最优控制。

6.2 专家系统的应用

由于电火花成形加工的复杂性,操作人员需熟练掌握数控编程技术、加工规准选择、电极损耗补偿等技术和相关知识,其中任何一个环节的欠缺都将造成加工过程的缺陷或失败。采用专家系统可较好地解决这一问题。专家系统的建立及功能的完善需根据电火花成形加工的特点,结合多年的试验研究成果及实际操作经验,不断充实、改进专家系统知识库,细化推理过程,建立良好的人机接口,从而根据不同的加工要求,实现加工参数优化及加工过程中的在线实时调整,达到降低操作难度、实现高效率、高精度和稳定加工的目的。

国外电火花成形机床在专家系统方面有了新的进展。例如夏米尔公司ROBOFORM 2000L机床配置了新的PROGRAM EXPERT2自动编程系统,加工时按照画面的提示只需输入少量数据,如电极损耗、表面粗糙度、加工工件及电极材料、加工面积、加工深度等,加工时即可自动选取最优参数,自动监控加工过程,实现自动化最优控制。

6.3 人工神经网络技术的应用

虽然专家系统可使计算机控制系统具有类似人类专家解决问题的能力,但在知识的获取方面存在困难,自学能力差。人工神经网络是一种通过计算机对人类大脑功能进行抽象、简化和模拟而建立的高度非线性系统,它具有自组织、自学习、容错性和并行处理信息的能力,特别适合处理复杂问题,与专家系统、模糊控制技术互相取长补短,提高对放电状态、加工效率、放电位置等的预测精度,提高在线实时控制效果,推动电火花成形加工过程控制向更高层次发展。

6.4 模糊控制技术的应用

模糊控制技术是在模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理技术的基础上发展起来的先进计算机控制技术,通过输入少量参数,模糊控制系统即可自动选择最优参数,自动监控加工过程,实现自动化、最优化控制。此外,将自适应和学习能力引入模糊控制系统,可实现对模糊控制规则、隶属函数和模糊量化在控制中的自动调整和完善。目前,国外电火花成形机几乎都应用了模糊控制(FC)技术。用模糊控制理论可起到替代一个熟练操作人员的作用。即对检测到的间隙放电状态进行模糊推理,以识别加工是否高效、稳定,由此确定下阶段新的加工参数,来实现加工过程的最优化。采用该技术一般能提高加工速度20%～30%,特别是对深槽、筋肋、多腔多件加工以及加工中截面积变化较大的零件加工效果更为显著。

6.5 混合智能控制的应用

需指出的是,上述各种控制技术在电火花加工过程中的应用并不是相互独立的。由于各自都存在着无法自我克服的缺陷,采用单一控制方式对于电火花加工过程很难获得满意的控制效果。因此,它们之间需要取长补短,在充分发挥自身优势的同时,通过相互结合取得联合增值效应。如:对神经网络来说,知识抽取和知识表达较困难,而模糊信息处理方法对此却很有效;另一方面,模糊推理很难从样本中直接学习规则,且在模糊推理过程中会增加模糊性,但神经网络却能进行有效的学习,并因采用联想记忆而降低模糊熵。国内外学者对混合控制方法进行了广泛研究,提出了模糊控制与神经网络的结合、神经网络与遗传算法的结合、模糊控制与遗传算法的结合、模糊控制与灰色预测的结合等混合智能控制理论。为了紧跟先进制造技术的发展步伐,应进一步完善模糊控制与自适应控制、人工神经网络、专家系统的结合,利用混沌理论、模糊控制等各种控制技术的特点与优势,研制智能化、模块化的电火花成形加工机床的控制部件和执行机构,实现高效率、高精度、低损耗、稳定的加工过程控制,促进电加工事业的发展。

7 个性化

随着生产的需要,各行各业出现了许多特殊的零件与结构,与之对应,为了适应零件多品种、小批量的特点,电火花加工机床的结构和功能也呈现个性化的发展趋势。所谓个性化的市场是指为适应某些特殊的行业、特殊的材料、特殊的零件与结构而设计的在结构和功能方面专用的电火花加工机床和为了某一类模具的制造而提供的个性化服务。这与科学技术的快速发展,特殊材料的不断出新,国家航空、航天的需求有关,特殊材料的电火花加工,超大、超小型零件的电火花加工以及一些特殊零件、特殊用途的电火花加工仍是未来一段时间内电火花成形机床市场发展的主要趋势。例如,目前已进入的轮胎模具、木工刀具、拉丝模具等特殊行业;超硬材料(聚晶金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷等)、脆性材料(钕铁硼、钐钴类磁性材料等)、粘性材料(耐热合金、钛合金、不锈钢等)等特殊材料。下面介绍几种具有个性化的电火花加工专用机床。

7.1 聚晶金刚石超硬材料的电火花加工专用机床

聚晶金刚石复合片是将人造金刚石微粉用铜、铁粉等导电材料作为粘结剂,在高温高压下与硬质合金基体烧结而成的复合材料。北京市电加工研究所采用大幅度增加放电击穿爆炸力的电火花磨削工艺,成功地解决了聚晶金刚石刀具、拉丝模具及大面积聚晶金刚石复合片的高效精密加工问题。目前,采用增爆式脉冲电源的电火花专用机床是加工聚晶金刚石材料最有效的加工方法。有些导电的工程陶瓷及立方氮化硼材料也可用该类机床加工。

7.2 轮胎模具的电火花加工机床

轮胎模具的特点是外形尺寸大,加工的型腔均布在圆周上,加工部位尺寸小,加工表面粗糙度 Ra在6～10μm范围内,模具的种类和数量多,因此,采用数控电火花加工专用机床进行加工是一种非常有效的方法。苏州电加工机床研究所有限公司开发的轮胎模具专用机床除具有普通机床X、Y、Z 3轴运动外,在工件安装夹具上还有绕中心轴的旋转运动C轴和夹具与X轴的旋转运动A轴;由于加工部位小,采用局部小油池,有两根进油管强力进油以满足加工对工作液的要求。电极材料一般采用石墨、紫铜。加工方法采用多电极更换法。加工规准的选择与普通模具一样。加工时采用定时抬刀。

7.3 航空蜂窝密封组件电火花加工机床

世界著名的罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)公司航空发动机蜂窝密封件采用电火花加工技术加工。使用的电火花加工专用机床有4个石墨电极头,单独伺服控制,油槽与工作台同步旋转,伺服电压为50～60V,电流值为8～10 A。工作液采用硅藻土材料过滤。国内苏州电加工机床研究所有限公司研制了航空发动机蜂窝密封组件电火花加工专用机床。

7.4 三维空间复杂曲面叶片电火花加工专用机床

这类零件由特殊材料制成,用普通的机械加工刀具消耗极大,生产效率低下,苏州电加工机床研究有限公司所采用数控电火花展成加工工艺实现该材料的高效加工。采用简单超长圆电极配以高效放电加工电源,以放电铣的方式对机械切削难以加工的材料如高温耐热合金、钛合金、不锈钢等制造的零件进行高效去余量加工,可加工三维空间复杂曲面。该机床是具有 X、Y、Z、W 4个直线运动轴和用于工件旋转的B轴及电极旋转的R轴的六轴数控机床,加工时采用超长中空圆电极,可实现X、Y、Z、B 4轴联动的复杂型面的展成加工。此外,该机床采用电极内冲液、外包液、工件浸液加工以及电极高速旋转相结合的方法,解决了数控高效放电展成加工的排屑及冷却问题。加工效率比传统的机械切削加工高3～5倍,刀具(电极)费用只需1/10左右。主要用于航空发动机、燃气轮机制造领域。

7.5 330MW汽轮机高压喷嘴组零件的电火花加工机床

高压喷嘴组零件是我国引进法国阿尔斯通公司的产品330MW汽轮机组的核心部件之一,图8是330MW汽轮机高压喷嘴组零件图。该高压喷嘴组零件是由在节圆上均布的5种孔型40个三维空间曲面汽道组成,每一个汽道必须是内环、外环、叶片为一体而形成的整体式喷嘴组。汽道部分的结构和几何形状可分为 A、B、C三部分,其中 A、C两部分用普通的电火花成形加工方法就可解决,但B部分由于上下被叶片的背弧与内弧所封闭,前后被内外圆环所包围,形成一个封闭式型腔,用普通电火花成形方法难于加工,成为喷嘴组用电火花成形方法加工的关键。为此,北京市电加工研究所开发了专用数控电火花成形机床,并设计了一套柔性专用夹具,实现了空间曲面型腔的成形加工。该产品加工完成后,经法国专家检验鉴定,各项技术指标达到法国阿尔斯通公司标准要求。

图8 330MW汽轮机高压喷嘴组零件结构图及标准汽道断面图

7.6 木工刀具的电火花加工专用机床

木工聚晶金刚石刀具需要多个专用轴联动的数控电火花加工,随着人造板、木材制品的质量要求的提高,对加工所使用的木工刀具形状、精度和使用寿命要求也随之提高。人造板和木材制品的加工大多为一次直接成形,因此,木工刀具形状多为三维空间曲面,刀头越来越多地采用硬度高、耐磨性好的聚晶金刚石材料。木工刀具用普通磨床很难加工,因此需要研制专用的的电火花加工机床。图9a是电火花加工木工刀具的局部示意图,利用C轴与X轴联动生成螺旋空间曲面,采用在线检测技术用测量头对刀具加工过程及加工完成时进行检测。图9b是在精密数控电火花成形机床上配上C、A、R 3个旋转轴加工盘式聚晶金刚石木工刀具的局部示意图。

图9 木工刀具电火花加工示意图

8 结束语

电火花加工技术在制造业领域占有重要地位,是实现难加工材料、复杂零件精密加工的有效手段。我们应借鉴其他加工技术发展的成功经验,扬长避短,充分利用现代科技发展的相关成果,在深入研究电火花放电机理的基础上,指导电火花加工工艺理论和控制理论的研究,改善机床结构和设计方法,实现智能控制技术与电火花加工技术的有机结合,同时高度重视操作安全和环境保护,全面推动电火花加工技术更快发展。

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