当前电火花成形加工研发误区及创新热点

杨大勇,伏金娟,沈 洪

(1.北京市电加工研究所,北京 100191;2.北京机床研究所,北京 100102)

在先进制造技术中,电火花加工的自主创新有非常重要的地位,这一点是毫无疑问的,事实证明当前电火花加工技术正处在信息化发展的关键阶段。电火花成形加工将进入精密、复杂、微细、新材料、新结构加工的专属领域,由于这些加工任务的重要性,高效、精密电加工机床被列为机床工具行业“十二五”发展规划中的重点发展产品。众所周知,依靠进口设备,要完全满足上述专属领域零部件的加工要求是不可能的。我们有责任也有能力把电火花加工的创新任务承担起来,为此应理清思路,找出研发不足,明确当前创新方向,为军工、航空航天、能源、汽车、轨道交通等国家重点发展领域和战略性新兴产业提供更多满足要求的高档数控机床。

1 电火花成形加工的研发误区

电火花成形加工研发误区之一:许多人认为电火花加工就是电比机重要得多,故脉冲电源的研发永远是第一位的,这是不正确的。今天的电火花成形加工技术已形成一个复杂的体系,在发展中其关键技术在不同阶段是不同的,取决于市场的需求。当前对电火花成形加工的要求是主攻精密加工,而此时脉冲放电控制不好、脉冲利用率很低就成为问题,所以首先要做好控制。虽然控制平台的硬件也是“电”,但实际运作最重要的是智能软件,工作重点在工艺和应用实践。总之,电火花成形精密加工不仅仅要研究微精脉冲电源,更要注重与工艺的结合应用,否则没有靶向控制,所需要的效果就达不到,当前的电火花成形加工技术是机电一体的综合技术,必须多学科协同作战。

电火花成形加工研发误区之二:许多人认为电火花加工的创新采用移植成熟的新技术是一条捷径,但“拿来主义”可并不简单。电火花加工引入NC技术是很成功的,而从微型机到64位机用了20多年的时间,相反直线电机技术的应用就有点问题。NC技术带来的是信息技术,把控制速度提高了,把复杂的电火花加工操作简单化了。直线电机技术带来什么?它的高加速度相对控制脉冲放电还差几个数量级,除了在加工深窄槽方面有一定效果外,在其他应用方面尤其是精加工并没有突出的表现。故选用移植法时,首先要对双方的机理吃透,而且要有个化学反应,深入到机理层面,才会有好的效果,这就变得很不简单了。

电火花成形加工研发误区之三:许多人一听到电火花加工要向精密加工方向发展,就立刻想到要研发微精加工功能(Micro-fine features,简称MF)的线路,这样做当然不能算错,但这是不够的。在实施微精加工之前,首先要将前面的粗、中加工基础做好,如果粗、中加工的集中放电没有控制好,加工表面不平,表面粗糙度不均匀,边角损耗较大,这样留给精加工的余量就大,微精加工功能再好也无能为力,不能顺利地加工出高质量的表面。故向精密加工方向发展,不仅仅是解决微精加工的问题,不能头疼医头、脚疼医脚,而要从体系的高度全面推进。

电火花成形加工研发误区之四:把电火花加工的创新看得太简单,认为一招鲜就可以吃遍天。例如,“混粉加工技术”曾铺天盖地而来,似乎一“混”就灵。但一阵风过后就知道,混粉真正合适的范围是有限的,在向精密加工方向发展中作用有限。当前的电火花加工技术已成为一个系统工程,是一个复杂的综合技术集成,要有所创新不是很容易的事。爱迪生时代已过去,电火花加工技术的创新要靠团队(甚至是多个团队)的合作。

电火花成形加工研发误区之五:许多人认为电火花加工技术的创新高不可攀,特别是一些同行囿于成见,认为放电间隙、电极损耗极不确定,注定电火花加工与精密加工无缘。的确,若我们容忍与国外先进水平有如此大的差距,不下功夫研究精密电源、精密工艺数据库、精密伺服控制系统、精密脉冲控制和精密机床,那我们的电火花加工也就只能完成粗加工了,替高速铣打打下手而已!我们不能做井底之蛙,电火花加工的领域大得很,只要我们把基础工作做好,创新是完全可以的。

电火花成形加工研发误区之六:研发的目标要明确,不应该只是干巴巴的几项工艺指标,而应该是活生生的工艺应用,以典型的模具或零件加工满足设计要求作为考核的内容。当然,还要有性价比的要求。加工表面粗糙度应该和它的加工深度、加工面积、表面不平度、表面粗糙度的均匀度结合起来考核,加工精度同样也应该和它的尺寸精度、定位精度和形位公差一起考虑,还要结合加工经济性、操作的难易程度、形成商品的潜力以及市场前景等进行综合考核,这些都涉及创新价值的评价。

2 电火花成形加工的创新热点

电火花成形加工技术主要涉及到控制技术、微电子技术、微纳米技术、交直流伺服技术、电机技术和机床制造及装配技术等。电火花成形加工技术应从以下几方面进行创新:

(1)精密微细加工技术。在微细加工领域,如动力行业的发动机喷油孔的加工要求,不仅对孔的尺寸越来越小,而且其尺寸精度、形状精度和位置精度的要求越来越高,以实现更低的排放和更高的效率。现在喷油孔的孔径已＜0.1 mm,精度已达微米级,且能源行业微孔的加工种类和数量越来越多,甚至在一个零件上有数千个孔,精度要求也在进一步提高。这对电火花加工的精度、效率、机床的可靠性就提出了更高的要求。它是一个综合性的系统工程,给我们提出了要在微精脉冲电源技术、机床结构优化设计与制造技术、高精度驱动技术、动态综合补偿技术等方面进行创新。要真正实现一个能够应用的精密微细加工技术,恐怕仅停留在打了多少指标这个层面上是不够的。目前,我国机床制作精度已提高到微米级,而国外利用更先进的技术正在向纳米级进军。

(2)镜面加工技术。镜面加工有两大优点:一是零件的控制精度高,加工后的零件精度最终可控制在微米级;二是它的表面变质层薄,热影响层薄,所以无论什么领域,它都是一个绝对的优势。机械加工虽然没有放电产生的热,但同样存在机械摩擦产生的热,也存在热影响层的问题。如果电火花加工能将热影响层减薄到趋近于零的话,那么无论是模具还是零件,它的使用寿命和可靠性都会大大提高,所以镜面加工也是电火花成形加工追求的一个创新热点。目前,镜面加工技术应用非常广泛,国外进展很快,国内也取得了新的突破,从加工表面粗糙度、表面光亮度以及对应的加工面积等方面都在不断的翻新。北京市电加工研究所已做到了在直径25 mm面积上镜面加工,表面粗糙度为 Ra0.05μm。另外,混粉加工技术也是实现镜面加工的一种方法,目前,国外几家公司都有这方面的报道,但存在着随着时间的推移混粉的有效性问题,比如:混粉的分离、尖角的放电、电极的损耗、操作的方便性等,都给我们提出了许多待解决的问题。

(3)多轴联动加工技术。多轴联动加工技术国外对我国控制非常严格,许多先进机床都不在我国展出。例如,在欧洲机床展会上,日本公司展出了数控系统是8个轴,可联动的轴数是7个,我国最多可联动的轴数是5个。多轴数控与联动有两大优点:一是大大提高加工能力,通过多轴联动解决复杂型腔的曲面加工,在联动加工的同时,能很好地解决排屑问题,从而获得稳定加工;二是让位,防止干涉,让电极获得更大的自由度。由于复杂形状使电极在运动过程中的干涉很容易出现,例如动力行业里的透平叶轮的加工。其结构多为封闭曲面且曲率变化很大,机械加工根本无法实现,电火花加工也非常困难。再如,作为涡轮盘叶片的加工有机械、电解、电火花等几种方式。据资料报道,机械加工一个涡轮盘要500把刀左右,一把刀约需2 000元,仅换刀和辅助工作就要浪费很多时间。电火花加工是非接触式加工,其优势很明显,过去人们认为电火花加工有放电间隙,但现在已达成共识,放电间隙是可控、可计算的,在可控范围内,电火花加工可达到1μm,在这种优势的对比下可看出,电火花加工在加工这种复杂形状的零件时具有相当大的优势。将来多轴联动不只是在航空航天领域应用,只是但现在成本太高,民用领域还接受不了,这就要求创新,减少成本,相信未来的民用领域也一定会应用到。

(4)特殊材料加工技术。目前,涌现的难加工材料越来越多,从材料种类来说有高硬度、高粘度、高脆性、高韧性等。目前,在高温耐热合金材料、钛合金材料、导电陶瓷材料、钕铁硼磁性材料、硼化锆材料的加工方面都有了新的突破。例如,钛合金材料的加工效率已接近加工普通钢的水平;再如,硼化锆材料、导电陶瓷材料是非常脆的,用机械加工方式根本无法加工,而采用电火花加工就可行。由此可见,电火花加工在特殊材料加工方面有着无限的魅力和生命力。

(5)基础装备制造技术。我国制作机床的厂商在产品样本上都给出精度指标,而国外制作机床的厂商在产品样本上一般不给出精度指标,因为他们知道如果精度达不到客户要求是没有用的。目前,我们的基础装备制造水平与国外相差较大,应踏实学习,不断创新,提高基础装备制造水平。

(6)自动化、信息化技术。国外的自动化程度很高,只是中国在这个阶段还没有推广,在日本,如发那科工厂基本上实现了无人化操作。在思考未来发展状况时,必须想到我国早晚要走这一步,解放人的体力劳动,让人去从事更高的知识性的工作。

(7)注重在解决具体问题上创新。电火花加工要想不断发展,应注重解决具体问题。如果把一个个问题都解决了,自然就是创新,理论研究应服务于应用。例如,我们的图纸精度标注得很高,实际工件制做出来却很差;而国外图纸标注的精度并不高,可实际工件包括设备制作出来的却很高。这就是我们的目标是不是以解决问题为前提,这是理念问题。能解决电火花加工中的实际问题,才能使我国电火花加工得到更大的发展。

3 结束语

综上所述,我国电火花成形加工技术要缩短与国外的差距,必须切实把基础装配与制造精度搞上去,提高自动化程度;在精密微细加工、镜面加工、多轴联动和特殊材料加工等方面有所创新和突破,只要我们把解决电火花加工成形中存在的实际问题作为研究方向,我国的电火花成形加工技术就会获得更大的发展。