第十二届中国国际机床展览会特种加工机床评述

CIM T 2011特种加工机床评述专家组

第十二届中国国际机床展览会(CIM T 2011)于2011年4月11～16日在北京举办,展览规模为历届最大,占地面积约12万平方米,共有1 406家国内外厂家参展,展出各类机床、柔性生产线和大型量仪1 040台(套)。

特种加工机床展出规模也是历届之最。据初步统计,共有40家国内外企业参展,国内外知名企业悉数到会。其中国内企业26家,展出各类特种加工机床61台;国外企业14家,展出各类特种加工机床30台。国内外机床中包括:数控电火花成形机床20台(国内:13台、国外:7台)、单向走丝电火花线切割机床17台(国内:6台、国外11台)、往复走丝电火花线切割机床25台(国内)、激光加工机床24台(国内:11台、国外13台)、电火花微孔及小孔加工机床4台(国内)、放电切割机1台(国内)、水切割机 1台(国内)、快速成形机床1台(国外)、超声加工机床1台(国外)。从展出情况来看,当前特种加工机床市场的主体是电火花加工机床和激光加工机床。

这次展览会上,还专门设立“数控机床与基础制造装备国家科技重大专项图片展”,在特种加工机床方面,展示了5项国家重大项目(有实物展出):①苏州电加工机床研究所有限公司的D7132五轴联动精密电火花成形加工机床;②北京市电加工研究所的N850五轴五联动精密数控电火花成形机床;③苏州三光科技股份有限公司的DK 7632自动穿丝精密高效数控电火花线切割加工机床;④北京安德建奇数字设备有限公司的精密数控低速走丝电火花线切割机床(六轴数控);⑤武汉法利莱切割系统工程有限责任公司的大功率宽幅面厚板数控激光切割机床。这些项目所取得的成果及研制的设备代表了我国特种加工机床的领先水平。在2011年4月12日由国家发改委、工信部、能源局和国防工业局召开的“军工行业与能源装备领域国产数控机床应用座谈会”上,北京市电加工研究所的N850精密数控电火花成形机床获得了“国产数控机床优秀合作项目”大会表彰。

1 数控电火花成形机床(NCSEDM)

1.1 NCSEDM的市场定位是精密微细加工

在高速铣(HSM)技术大发展的今天,通用NCSEDM的市场定位越来越清楚了,即向精密微细方向发展。

这次展会上展示的精密微细加工样品比以往要精彩得多,尤其是展示很多精密微小型腔(如1 mm3型腔),需要用放大镜才能看得清楚。它不但小,而且清棱清角,这种微型腔是生产微器件的关键技术。在1mm3的空间内加工10μm的清角,对HSM 来说太困难了。

随着科学技术的进步,微机电系统(MEMS)发展越来越受到人们的高度重视,已相继应用于精密机械、光电通讯、影像传输、生化医疗、信息存储等领域,这些领域需要很多微型模具。国际MEMS发展迅速,有关资料预测,我国2011年增速有望达到29.2%。这说明微型模具市场有良好的发展前景,必将推动NCSEDM精密微细技术的发展。

即使在一般规格的型腔模加工中,NCSEDM也定位在精加工。因为HSM粗、中加工优势十分明显,且在很多场合可直接用HSM加工就能达到图纸要求,但要使HSM加工无刀花和接刀痕花费就大了,而且还有清角加工的问题,所以对于高档模具,采用NCSEDM加工精铣后的型腔,则既有精整加工又有抛光作用,平整度又好。而如果用手工抛光去掉刀花和接刀痕,则会使平整度变差,也难于解决清角问题,影响高档模具的精度要求。现在的问题是NCSEDM能否达到型腔模精加工的要求,也就是说,在精加工时,要保证不烧弧,防止集中放电,规范放电能量,保证精加工表面粗糙度均匀,且 Ra≤0.2μm,平整度要好,清角等。目前,一般的小家电模具、手机模具等都可实现NCSEDM直接精密加工,即使采用石墨电极也能达到上述要求。例如:石墨电极本身的表面粗糙度为 Ra0.49μm,进行精密平动加工,工件表面粗糙度可提升到Ra 0.11μm。

现在的问题是大面积型腔加工。由于EDM固有的问题,大面积型腔加工时难以达到 Ra≤0.2 μm的水平。因此开发了混粉加工技术。在一定浓度超细混粉加工时,可达到 Ra≤0.1μm的水平。但由于混粉在加工间隙中分布的不均匀性,加工精度(平面度等)会受到一定的影响,因此,如何选择适当浓度,在精度与表面粗糙度之间找到平衡,是工艺上亟待解决的问题。

1.2 精密加工技术的进步

1.2.1 集中放电控制技术

电火花放电加工在正常状态下,放电在间隙中是不断转移的,集中放电引发的电弧放电会破坏加工正常进行。这次日本沙迪克公司的AG系列机床,采用SGFⅡ电路,实现整个加工过程无电弧放电加工,值得关注。

避免集中放电对精密加工保证加工表面质量十分重要,对于采用石墨电极的中、精加工尤为重要。以往我们对防止由集中放电引发的电弧放电的相关技术进行过报道,下面再介绍几项防止集中放电的控制技术,供参考。

(1)CAD的3D技术:加工时引发集中放电往往与脉冲能量和加工面积不匹配有关。以往认为,某一脉冲能量有个最佳加工面积并与加工稳定性、加工效率密切相关,其实它还与防止集中放电也密切相关。一个与脉冲能量匹配(最佳)的加工面积,可有效防止集中放电。当前应用CAD的3D技术,可事先计算出每个变化的加工截面,这样放电加工面积是预知的,就可根据加工工艺规律,准备好一套脉冲电源参数及伺服控制参数,以适应加工过程中加工面积的变化,防止集中放电,保证精密加工的表面质量。

为了实现电压(脉冲能量)平缓调节,当前已用电子变压器替代用抽头调节电压的常规变压器,形成数字化的电压平缓调节,从而能实现自动的脉冲能量平缓调节,还能使脉冲能量的微调成为可能,为CAD的3D技术创造了条件。

(2)微抬刀(脉动抬刀)技术:集中放电产生型面不平局部粗糙的重要原因,尤其精加工时问题更为突出。因为精密加工时放电间隙小,易产生放电产物在间隙中的不均匀分布。产物的局部集中,使放电点转移造成困难,间隙局部过热内阻减小,形成集中不良放电。放电间隙的局部污染,说明间隙中蚀除物分布不均匀。为使蚀除产物在间隙中分布均匀,所以提出微抬刀的新概念,它新在不是排屑而是匀屑,是“脉动”一下,使间隙中产物均匀分布,避免集中放电,这种微(脉动)抬刀,一般是在二个高抬刀之间进行,创造放电点自由转移的有利条件。

(3)抬刀脉冲控制技术:为了避免电极和工件之间形成的电容以及输出回路寄生参数在主轴抬起时大量空载大脉冲的充电,这种充电会给抬刀过程结束时首发放电产生一个大能量脉冲,而在工件表面打出深坑,因而采用在抬刀时不发脉冲的措施。这也是为避免产生集中放电,而采取的技术措施但概念与上述二种不同。

1.2.2 精密加工的智能脉冲电源

从这次参展的情况来看,国外厂商都重视智能脉冲电源开发应用。例如:瑞士阿奇夏米尔公司ISPG智能高效脉冲电源,新电源在加工表面质量、电极损耗、生产效率等方面都达到了新的高度,采用SF模块进行精密加工,可达Ra0.05μm的水平,电极损耗大幅度下降,平均生产效率提高30%;日本牧野公司参展的EDAF2机床智能脉冲电源的超级放电技术(SST),具有放电能量自动调节(AFT)、节能、低损耗、超精面加工等9项功能,超精面加工Ra0.06μm;日本沙迪克公司参展的AG40L机床,配置的能实现高品位精加工的SVC回路,可达到镜面加工的水平;日本三菱电机公司EA Advance机床,配置的NP2回路,在10 mm×10 mm加工面积时,可达 Ra0.06μm。

在国家科技重大专项展品方面,苏州电加工机床研究所有限公司的D7132五轴联动机床,配置了智能化脉冲电源及高精加工电路,可稳定实现Ra0.1～0.15μm的精密加工;北京市电加工研究所的N850五轴五联动机床,其镜面加工回路对微小放电脉冲能量的恒定输出进行精确控制,在加工直径为40mm的面积时,表面粗糙度 Ra0.1μm,并实现了工程化稳定加工。

脉冲电源在精细加工时,微小脉冲能量在放电回路中传输,其放电回路上的寄生参数产生的附加能量,会使加工件表面粗糙度变差。放电回路的寄生参数由两部分组成,一是放电能量传输线路;二是电极和工件间的寄生电容,这一部分是由电极和工件之间的加工面积决定的,难以改变,但缩短放电能量传输线路,减小寄生参数,却具有重要意义。目前国内外都采用缩短传输线路这个办法,因此都把精密加工电源做成专用电路或模块,从电气柜内移到立柱侧面或主轴箱侧面等,使放电回路线路最短,这样会使镜面加工的面积有所增加,如前所述,一般小家电模具、手机模具等都能满足精加工要求。

1.2.3 精密电火花加工机床的热稳定系统

随着精密微细加工技术的发展,机床的热平衡、热补偿功能越来越重要。机床的长时间运行,相关元器件的温升、工作液的温度变化、机床室内环境温度的影响,包括由于抬刀速度和频率的增加,Z轴的丝杠螺母也成为新的发热源等。即使在小电流加工时,这些因素依然存在,影响机床的精密加工。

从这次展览会上可看出,近来国外对热稳定系统予以高度重视。例如:瑞士阿奇夏米尔公司参展的FROM 3000机床具有温度恒定系统,该系统是通过具有恒定温度介质冷却X、Y和Z轴的直线光栅尺,作为温度补偿系统的一个恒定参照。配置的热稳定系统和温度管理系统,可防止温度变化对加工工件精度的影响。日本沙迪克公司参展的AG40L机床,采用气流调节系统,与以往机床相比,大幅减少了本机的热变形量。机床的热变形修正软件是从机床各部位测量所得温度数据推断实时的机床热变形,并对之实行补偿。日本三菱电机公司参展的EA系列机床,实时掌握机床周围的温度变化,及时补偿温度变化引起的变形。通过工作液恒温循环,可进一步提高该功能。日本牧野公司采用多种方法防止机床热变形,如采用隔热板和隔热层来屏蔽热源。由于Z轴和电机、轴承、滚珠丝杠及螺母在Z轴伺服及抬刀过程中产生的热量使Z轴产生热变形,所以采用滚珠丝杠中心冷却及支架冷却的Z轴稳定器,以防止热变形;更进一步是采用热防护罩,增设空气冷却器,使防护罩内的温度变化控制在±0.5℃,可以忽略外部温度的影响。

我国对于精密电火花成形机床热变形技术的研究和应用还不够重视,市售机床尚未见到采用较完善的减少热变形的技术,这方面与国外相比,还有较大的差距。随着NCSEDM逐步向精密微细方向发展,行业内已认识到防止热变形的重要性,开始启动这方面的工作。例如,苏州电加工机床研究所有限公司购买了成套热变形检测仪器,开始着手这方面的研究工作。

1.3 展会中几个值得关注的新动向

(1)NCSEDM的电极和工件自动交换系统

在我国具有电极自动交换系统的NCSEDM已有多年的历史了,但电极和工件自动交换(AEC/AWC)系统国内还没有开发。以往在中国各种展会上,外国公司也没有展示过AEC/AWC系统,但在这次展会上日本沙迪克和牧野二家公司展出了AEC/AWC系统,以前这二家公司的AEC/AWC只在欧美展览会中展出,这说明中国用户对自动化、开机率、交货周期、节省人工等方面提出了更高的要求,也说明中国用户规模大了,加工模具的水平更高了。以往我们认为AWC适合批量生产,但实际上在工件库内可以放置不同的加工工件,单件加工生产也适合使用AEC/AWC进行全自动加工,这是今后值得关注的问题。

(2)电火花成形加工的工作液

在这次展会上我们看到有一种浅绿色的煤油工作液,不但颜色好看,而且没有以往煤油那种刺鼻的感觉。虽然我们不知道这种工作液成分、配比,但说明一点,就是国外重视工作液的研究,而我国在工作液方面没有多大进展。其实,工作液除关系到安全、环保外,对加工工艺指标影响也较大。以往国外开发了一种混粉工作液,这次又出现了一种浅绿色工作液,值得关注。

(3)整体加工工艺解决方案

在整体加工工艺解决方案方面,参展的国外机床都有比较完善的加工工艺系统,例如日本三菱电机公司 EA系列机床的Advance控制装置,采用CAD/CAM系统,建立电极和模具的3D模型,读取CAD/CAM中的加工信息(EPX格式文件),进行电极安装及位置确认,并进行电极铣削加工(CAM)。采用3D-EXPERT软件,利用电极和模具的3D模型,计算放电加工面积的变化,生成最佳加工条件进行电火花成形加工。日本牧野公司同样采用CAD/CAM技术,建立电极及模具3D模型,采用FF/eye格式文件,生成电极加工程序,进行电极铣削加工(CAM)。采用EPX格式文件,生成电火花成形加工程序,进行电火花成形加工(CAM)。瑞士阿奇夏米尔公司、日本沙迪克公司等都有完整的加工工艺系统。

加工设备的成套性也体现整体加工工艺解决方案,国外有的企业既生产NCSEDM,又生产HSM,还生产专用石墨电极加工机床,设备的成套性有利于满足用户需求,有利于市场开发。

我国虽在整体工艺解决方案方面还存在一定差距,但在这次展会上,北京凝华科技有限公司提出的参展主题是:利用3D控制中心制作3D模型→高速雕铣机加工电极→三坐标检测电极精度→NCSEDM加工模具→三坐标检测加工精度等整体工艺解决方案,值得关注。

2 电火花线切割机床

2.1 国外单向走丝电火花线切割机床

国外单向走丝电火花线切割机床的技术发展着重针对电火花线切割加工特点及应用情况,在脉冲电源、自动控制及主机结构等影响线切割加工主要指标的几个关键功能部件有所创新,且在实用性、稳定性、可靠性以及各功能模块的自适应控制性能等方面有所提升。

2.1.1 脉冲电源技术

高效电火花脉冲电源是单向走丝线切割机床的核心单元,高频脉冲电源的自适应控制策略的优劣对单向走丝线切割的加工效率、加工精度以及加工表面粗糙度的影响至关重要。

在高效加工方面,国外各公司推出了各自的系列高效自适应控制电源,强化自适应能力、缩短放电时间,增大峰值电流的方法,优化放电能量,脉宽仅几十纳秒,峰值电流1 000 A以上,形成气化蚀除,表面质量大大提高。日本三菱电机公司的FA系列机床采用高速V电源,用直径0.25mm的电极丝即可达到360 mm2/min的高效加工。日本牧野公司采用H.E.A.T高能量技术,在上/下喷水嘴不能贴紧工件的情况下,实现直径0.25 mm电极丝120 mm2/min的高速加工,加工速度比以往提高了25%～75%。

在高精度加工方面,日本三菱电机公司的FA 10S和FA 20SADVANCE机床可选配V-PACKAGE高速电源,装备了新开发的形状控制电源(Digital-AEⅡ),通过控制上下进电块进电能量的配比,对放电位置进行控制,可有效减小加工零件的鼓肚或凹心,在粗、中、精加工中实现零件的高直线度。

在微细加工方面,日本三菱电机公司推出的超微细精加工电源(Digital-FS),不用专门卡具,工件直接装卡在工作台上,可实现Ra0.03μm的镜面加工(硬质合金材料,10 mm厚),可实现直径0.05 mm的细丝加工。日本牧野公司推出SPGII电源,实现油基放电加工,最低表面粗糙度可达 Ra0.022 μm。瑞士阿奇夏米尔公司继续推出其独创的双丝自动交换技术,实施在一台机床上用不同直径的电极丝进行粗、精切割加工。粗加工时使用加工效率高的直径0.2～0.25 mm的粗丝,精加工时自动切换为适合于微细形状加工的直径0.02～0.15mm的细丝,可将加工时间缩短30%～60%。

2.1.2 自动控制功能

2.1.2.1 变截面加工技术

瑞士阿奇夏米尔公司的CUT系列机床采用的数字IGP放电电源,具有适时检测工件截面变化、实时优化放电功率功能,实现高效变截面加工。日本三菱电机公司、日本沙迪克公司和瑞士阿奇夏米尔公司将3维数据引入数控系统,在加工机床的数控系统内装备有CAD/CAM系统,加工机可方便读入3D和2D数据,在CAD/CAM系统的基础上,利用加工机内的CAD/CAM系统解析3维数据,自动识别加工工件毛坯形状特征。加工机可知道加工任意时刻电极丝在加工工件毛坯中的位置、毛坯工件的厚度以及周围毛坯的具体形状,并根据这些信息进行电源参数、进给伺服以及工作液流量等自适应控制,提高变截面加工的加工精度。

2.1.2.2 防止断丝技术

偶发的电极丝断丝现象是引起加工误差甚至失败的重要原因。日本三菱电机公司开发的PM控制就是加工过程中实时检测出工件厚度、工作液流通状况,并按其自动生成加工条件来控制加工能量,实现了变截面加工等加工环境下最大速度的无断丝加工。日本牧野公司UPV系列机床的PVG功能通过监控放电脉冲加工情况,感应探测异常电火花状态,实时控制脉冲参数,使其处于不会导致断丝的最佳状态。

2.1.3 其他实用功能

2.1.3.1 自动穿丝功能

国外线切割机床全部配置了自动穿丝机构,穿丝成功率和自动化程度都很高。自动穿丝的可靠性是长期无人检测操作成功的关键。瑞士阿奇夏米尔公司的CUT系列机床设计了开放式导嘴,即使丝径非常细小(直径0.03mm),也能更加方便地通过导嘴。推出的智能穿丝系统在即使实际穿丝孔与编程穿丝孔稍有偏移的情况下,也能自动探测所偏移的穿丝孔,自动穿丝和修正加工起始点。

2.1.3.2 热变形控制技术

随着线切割机床加工精度越来越高,机床受环境温度影响而产生的精度变化越显重要。日本牧野公司在机床本体内部,通过使机床内部温度与通过加工液冷却装置控制的加工液温度相同,以降低本体铸件的热变形对机床精度的影响。并通过增加机床热防护罩壳,使通过温度控制的气体在加工区内循环,以保证整个机床避免因环境温度影响而产生热变形,有利于长时间的加工以及高精度孔距加工。外部气温变化引起的机床轴偏移量能对 X轴控制到1.2μm/3℃,Y轴控制到2.4μm/3℃。瑞士阿奇夏米尔公司的CUT系列机床所有的散热元件都是通过水循环进行冷却,包括脉冲电源和所有泵都配有各自的冷却系统,这样所有部件都得到热稳定性保护,有助于保证机床极高的精度。

2.1.3.3 节能和保护技术

为了控制生产成本,节约能源已成为很多用户考虑的问题。瑞士阿奇夏米尔公司CUT200机床的Econnwatt电力使用管理模块,当机床加工完成或中断时,机床电源损耗会降低到最小。日本三菱电机公司的WARK UP模式是合理安排工作时间段的新节能控制模式,大幅度削减了电力消耗。

瑞士阿奇夏米尔公司机床的5个运动轴都通过ICP防撞系统进行保护,可避免由编程错误或误操作引起的碰撞,该系统完全内置于运动控制部件,可检测出微小的异常力,并在工件或电极丝导向系统受损之前自动停机,其机械能量吸收系统能有效防护速度3m/min的碰撞。

2.1.3.4 自动化操作

随着机床加工数据制作的自动化、简易化、加工条件的自动设定、自动穿丝、自动升降液槽、远程信息和报警传递、机床保养检测信息提示,都极大地提高了线切割机床的自动化运行程度,减小了对操作者技术经验的依赖。

2.1.3.5 人性化操作及其他

许多厂家不仅注重提升机床的加工性能,还从操作的方便性、安全性、节能等方面加以强化。比如日本牧野公司的SP系列机床采用双片“V”型导丝嘴,日常维护只需几分钟即可完成,且清洗完成后不再需要进行垂直度的矫正。

瑞士阿奇夏米尔公司的CUT2000,日本牧野公司的U32J,日本沙迪克公司的AG600L等机型都采用了整体液槽自动升降技术,三面完全开放的工作台机床使工件的安装以及加工区的维护管理等每天重复进行的作业变得轻松。

瑞士阿奇夏米尔公司的FI系列机床对加工液槽的进液,只需30 s即可浸没一个200mm高的工件,有效缩短了辅助操作时间。其最大切割锥度能力也很有特色,不论工件高度(最高可达510 mm)如何,切割锥度都可达到45°。

2.2 国内单向走丝电火花线切割机床

国内共有3家单位展出单向走丝电火花线切割机床,相对于上一次展会国内数控单向走丝线切割机床的技术水平已有很大提升。苏州电加工机床研究所有限公司展出的DK7632单向走丝电火花线切割机床,获得国家“863”项目的支持;苏州三光科技有限公司展览的 LB600单向走丝线切割机床和北京安德建奇数字设备有限公司展览的AW 310TA单向走丝线切割机床,都获得国家科技重大专项的支持。通过对国家“863”项目和国家科技重大专项的实施,课题承担单位在单向走丝电火花线切割技术上都取得了很大进步。3家的单向走丝电火花线切割机床都达到了项目技术指标要求,加工精度±2 μm、最佳加工表面粗糙度Ra＜0.2μm,最高加工效率达350 mm2/min。其中LB600和AW 310TA机床还配置了带自动穿丝系统,提升了国内品牌数控单向走丝电火花线切割机床的自动化技术水平。

2.3 国内往复走丝电火花线切割机床

此次参展的往复走丝电火花线切割机床厂家有10多家,这只是线切割机床生产厂商的一部分。但这些厂家的展品代表了我国往复走丝电火花线切割机床的发展水平和特点,在市场方面占据往复走丝电火花线切割机床的中高端市场。

2.3.1 中高档机床注重精度保持性

具有多次切割功能的往复走丝电火花线切割机床(中走丝电火花线切割机床)的推出,主要实现了对工件的多次切割,提高了加工效率、精度和工件的表面质量,所以市场上的中走丝机床都为实现这3个主要的指标而努力。为实现多次切割,现各个品牌的中走丝机床大多用变频器控制丝筒电机进行调速,以适应切割过程中不同的运丝速度。

许多厂家在部分机床上选用名牌导轨和丝杠,伺服系统采用交流伺服,可以达到较高的定位控制精度。为使机床精度能长期保持,定位高一点的机床都普遍采用“C”形机械结构。如:苏州新火花机床有限公司和江苏冬庆数控机床有限公司的机床主体都采用C型全支承铸造高刚性机床主体结构,机床X、Y轴采用高精度直线导轨、滚珠丝杠、伺服电机驱动及反馈驱动系统,整体形成具有较高精度保持性的高精度中走丝电火花线切割机床主机。

2.3.2 机床加工试件表面质量趋于稳定

参展的大多数机床加工试件的最佳表面质量可达到表面粗糙度 Ra1.0～1.2μm,个别厂家宣称可达到Ra0.8μm左右,但需要更多次切割,如北京凝华科技有限公司的机床需要切割次数大于4次以上。对于大多数机床,一般使用多为切割3次或4次。表面粗糙度这项指标对于任一机床厂家已没有绝对的优势,切割效果水平相当。

2.3.3 机床切割效率水平不一

厂家在样本标明的最大切割效率高低不一。有的公司机床可达180 mm2/min,有的公司样本标明的最大切割效率120mm2/m in。这一般是一个极限指标,若用最大切割效率加工试件,钼丝的损耗也会相当严重。

2.3.4 运丝系统的技术进步

苏州宝玛数控设备有限公司开发了新型运丝机构控制电路,该电路不但具有钼丝张力双向伺服跟踪功能,还具有对钼丝张力微小变化进行实时处理的功能,以达到加工中控制张力的目的。电路还可根据设定的上丝张力进行自动上丝和紧丝。

北京市电加工研究所采用双向恒张力张丝机构,可极大提高运丝的稳定性,电极丝的抖动更小,即使大锥度切割也能较好地保持动态恒张力。

苏州三光科技服份有限公司的中走丝机床的穿丝方法很有特点,机床并没有采用导丝嘴,在机床的穿丝导向孔处有一条狭窄缝隙,钼丝可以很轻松从缝隙处直接装入。为防止丝在运行过程中抖动,在穿丝导向孔处有一偏心孔,用偏心孔壁去轻靠钼丝,降低丝的抖动。

江苏三星机械有限公司开发了一种有别于传统的直立式贮丝筒的结构,也是一种创新尝试。

四川深扬数控机械有限公司机床丝张力是用一电机带动张力调整轮进行张力调整,且张力可设定,能实时对张力进行监控。机床丝筒较长,带有3个换向位置开关,可设置两段丝的用途,例如粗加工用一段丝,精加工用另一段丝。可提高多次切割精度。

2.3.5 新颖导轮轴向进电装置

苏州宝玛数控设备有限公司的新颖导轮轴向进电装置,可消除因钼丝在进电块间的机械摩擦而造成的钼丝损耗、从而延长钼丝的寿命。由于采用导轮轴向进电,钼丝与旋转导轮之间接触面大,接触稳定可靠,有利于放电能量传输,并有利于减少断丝。

2.3.6 脉冲电源的技术进步

脉冲电源的性能直接影响到线切割加工的效率、电极丝的损耗率。国内相关厂家对往复走丝电火花线切割脉冲电源的技术主要从主振电路及脉冲电源主回路的创新加以提升。

2.3.6.1 数字化脉冲电源

一些厂家研发的数字化脉冲电源采用可编程逻辑器件作为高频脉冲电源的主振控制芯片,可产生多种灵活多变的脉冲波形,实现了硬件级的实时脉冲参数适应控制。如苏州新火花机床有限公司W 5A系统,采用高速数字采样电路(建立在CPLD芯片上)对放电状态进行实时检测及控制,自动调整脉冲主要参数,能在微秒级时间内做出响应,可适应多次切割需求及提高大厚度加工的稳定性和加工效率,减少断丝概率。

2.3.6.2 无电阻脉冲电源

苏州三光科技股份有限公司研发的无电阻脉冲电源采用了全新的电路结构模式,主回路无限流电阻,功率管的关断能量可直接回馈至供电端,与同类产品相比电源节能达80%以上。由于主回路的电感作用,加工时的电极丝损耗极低,加工20万mm2用直径0.18 mm的电极丝,损耗仅为0.01 mm。

江苏冬庆数控机床有限公司也推出了一种新型无电阻脉冲电源,采用交流转直流开关电源模块和无电阻脉冲电源及检测伺服模块组成高效、低能耗的新型电源。

3 数控电加工专用机床

3.1 数控微孔电火花加工机床

苏州电加工机床研究所有限公司参展的SEWK 007数控微孔电火花加工机床具有六轴数控的专用数控系统及软件、微孔加工的专家系统、纳秒级微能量数字脉冲电源以及微细电极纳米级微量再进给及精密导向系统等创新技术,最细电极直径0.03 mm,加工孔径精度(1mm板厚时)为±0.002 mm,Ra≤0.4μm。

该机床应用于我国汽车工业中欧Ⅳ排放标准发动机喷油嘴精密喷孔高效加工以及纺织工业化纤喷丝板加工等,并可应用于航空航天、军工等高科技领域的微孔加工(如发动机中钛合金喷注盘喷注孔加工),解决了这些企业长期存在的加工难题。该机床还可广泛应用于精密模具、微型机械、医疗器械、仪器仪表、手表等工业领域。

3.2 阳极机械切割机床

苏州电加工机床研究所有限公司参展的D4635阳极机械切割机床广泛应用于各类金属材料的切割,特别是高硬度、高强度、高韧性或脆性金属材料的切割(如硬质合金、高温耐热合金、淬火钢、高铬高镍类钢、不锈钢、磁钢、钛合金等的切割加工)。其特点是切割不受材料硬度、韧性、粘性等性能影响,切割效率高,对所切割工件的热影响小,切口无毛刺、切缝窄(一般为1.5～2.5 mm),电极材料便宜(普通软钢带等)、设备运行成本低等显著优点。主要应用于特种钢材冶炼企业和特种钢材的应用企业,如军工、航空航天、船舶、铁路轨道、模具制造等应用领域。

4 激光加工机床

激光自1960年问世后不久就开始应用于小型、精密零件的打孔和焊接。随着工业激光器件和激光加工工艺方法的不断发展,目前已形成包括切割、打孔、焊接、雕刻、表面改性、快速圆形制造、金属零件直接成形等数十种工艺,并迅速地取代传统加工方法,在汽车、电子、航空航天、机械、冶金、船舶等工业部门得到越来越广泛的应用。

本届展览会参展的国外厂商包括德国通快(TRUMPF)、德国德马吉(DMG)、德国罗芬激光技术(上海)有限公司、瑞士百超(Bystronic)、意大利普瑞玛(PRIMA INDUSTRIE)、日本天田(AMAD)、日本三菱电机(M ITSUBISHIRLRCTRIC)、日本山崎马轧克(Mazak)、法国萨瓦尼尼(salvagnini)等公司;国内厂商包括武汉法利莱切割系统工程有限责任公司、上海团结普瑞玛激光设备有限公司、深圳市大族激光科技股份有限公司、武汉奔腾楚天激光设备有限公司、济南铸造锻压机械研究所有限公司、江苏金方圆数控机床有限公司、江苏亚威机床集团公司、江苏扬力数控机床有限公司、南京威克曼科技实业有限公司等。

据不完全统计,本届展览会上现场展出的激光加工机床共24台,其中CO2激光平面切割机11台、CO2激光三维加工机2台、光纤激光平面切割机5台、光纤激光管机1台、光纤激光-冲压复合机1台、光纤激光机器人三维切割及焊接机2台、光纤激光雕刻机1台、碟片激光平面切割机1台。

除了实物之外,本届展览会还以图片形式展出了国家科技重大专项“D7132大功率宽幅面厚板数控切割机”的研究进展及预期目标。该项目采用国产数控系统、操作软件、切割工艺专家数据库,可实现30mm碳钢和20mm有色金属的切割。项目完成后将形成4～6项专利技术,并起草国内数控大功率CO2激光切割机国家标准。

与上届展览会相比,本届展览会展出的激光加工机床呈现以下特点:

(1)展出的设备台数由20台增加到了24台,增幅达20%。一方面说明了激光加工机床行业发展势头方兴未艾,另一方面表明了中国经济和制造业的持续繁荣发展。

(2)光纤激光切割机床异军突起。上届展览会上仅展出一款光纤激光平面切割机,而本届展览会上展出的光纤激光加工机床达到了10台。上届展览会后,评述专家组曾预测光纤激光加工机床将是未来激光钣金加工的发展方向。光纤激光加工系统具有以下特点:①电光转换效率高,与CO2激光相比,节省电能30%以上;②采用光纤传输,既可保证整个加工范围内加工质量的均匀一致,又大大简化了光路和机床结构设计,免去了CO2激光加工系统外光路净化必不可少的空气净化装置,安装、维护方便;③波长短,可以加工铜合金等高反射材料,扩大了可加工材料范围;④光束质量高,切割薄板时速度更高,切口质量更好;⑤结构紧凑,占地面积小,使用和维护费更低。但是,与CO2激光相比,光纤激光在厚板切割上并不占有优势。

(3)机器人激光三维加工系统在展会上亮相,预示着光纤激光与机器人结合是未来激光三维柔性加工系统的发展方向。

(4)与上届展览会相比,CO2激光加工机床在技术上没有明显变化,显示出CO2激光加工机床技术已非常成熟。由于材料对激光吸收的最佳入射角与波长相关,在切割厚板时CO2激光更具有优势,CO2激光切割机床将向大厚度板切割方向发展,应该发展的单元器件和技术包括高功率高光束质量CO2激光器、高功率CO2激光切割头(包括低吸收率聚焦镜镀膜技术)、大厚度板CO2激光切割工艺等。

5 快速成形机床

在本届展览会上,我国没有快速成形机床生产厂家参展,这是近年来的第一次。其中的深层次原因值得探讨,在今年5月份举行的第5届全国快速成形与制造学术会议上,国内的专家对此进行了热烈的讨论。

外国厂家也只有香港宝力公司自代销此产品以来,连续7年在宝力公司展台的显著位置展出,收到了很好的效果。由于在大部分展出时间内,这台设备始终正常运行,所以参观的人很多,询问的人也很多,展会期间,宝力公司即签下了多笔订单。目前,OBJET的快速成形机床主要应用于汽车工业等领域,今年5～6月该公司在上海等地又成功地举办了在汽车工业中的应用专题研讨会。OBJET的设备具有较高的精度,设备的可靠性优于其他类型的快速成形机床,因此其销售业绩非常好,每年都有多台设备在中国大陆售出。现在,国内用户已不强调要求价格低廉了,而是着眼于操作简便,自动化程度高,易于维护及软件快速升级,获得的原型件精度高,表面质量好。

国内的厂家虽然没有参展,但是快速成形机床的销售和对外服务均有不同程度的进步,年产值高于1 000万元的厂家已超过4家。北京殷华公司近年来大力发展FDM/MEM小型设备,致力于联合上游的机械三维设计软件供应商和下游的真空注型、逆向工程设备厂商,为客户提供全面的产品开发、试制、小批量生产解决方案。最近,机械科学研究总院先进制造技术研究中心经过数年研制,推出了数字化无模铸造快速成形机床,在今年的国际铸造展上展出了这台机床,受到了普遍的好评。此设备仍是基于离散堆积成形原理,通过在CAD模型驱动下驱动快速成形机床,实现树脂砂、水玻璃砂、覆膜砂、石膏等多种材料的直接加工,取代了传统的有模铸造。无模铸型的快速数字化制造方法是一种适于单件、小批量、品种多样铸件生产的技术,具有广阔的应用前景。该中心致力于在国内的汽车制造厂家推广此新技术,带动了产品的销售。目前,他们与北京隆源公司开展技术合作,利用隆源公司的SLS设备制造精度要求较高的型芯及型壳的精细局部原型件,镶嵌在大块的型壳上,获得复合型的型壳,成功用于无模铸造。这种不同快速成形技术的复合或集成,看起来也是一个重要发展方向。以华中科技大学为技术依托单位的武汉滨湖机电技术产业有限公司主要以粉末材料快速成形设备、工艺及其成形材料的研发为主,主要包括成形非金属制件的SLS技术和直接成形金属制件的SLM技术。这两种技术均已实现了产业化,形成了系列产品,在国防、航空航天、汽车、船舶、核工业等领域得到了广泛应用,不仅销售设备及其成形材料,而且还为用户提供制件服务。

据不完全统计,2010年年国内快速成形机床生产销售及技术服务总金额达6 000万元。总的来说,快速成形机床在我国具有广阔的市场前景。