电火花成形加工中的最新技术

本文对近年来电火花成形加工中涌现出的典型新技术、新工艺和新设备进行综述介绍，并结合典型加工实例和图片，说明了其应用范围和加工效果，验证电火花加工技术是现代精密模具和零件加工的有效方法之一。

多轴联动数控电火花加工技术

多轴联动数控电火花加工技术是在机床上装备分度旋转轴U轴（C轴）、V轴（B轴）、W轴（A轴），配合其他3个直线运动轴进行的多轴联动加工方法，它在模具制造等领域发挥着非常重要的作用，特别是在加工表面形状复杂的关键零部件时，具有不可替代的作用。

图1 北京巿电加工研究所研发的电火花数控系统介面，其可用于六轴数控五轴联动加工

整体叶轮的制造系航空航太制造中的关键技术。作为火箭发动机、飞机发动机以及航空机载设备的重要零件之一，叶轮处于高温、高压、高转速的工作条件，其选用材料多为不锈钢、高温耐热合金和钛合金等难切削材料，再加上它为整体结构，带有复杂的叶面造型，制造工的难度相当高。

目前国外采用五轴联动电火花成形加工的方法，图2所示照片为国外进口的整体叶轮零件，采用电火花五轴五联动加工。图3为国内采用四轴四联动加工的带冠涡轮转子元件，这种形状的零件用机械加工方法是很难实现的。

图2 五轴五联动加工的整体叶轮零件照片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的又一个成功应用领域。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几万转每分，所以对分度轴的要求非常高。

分度轴（A轴/C轴）的结构形式如图4所示，根据加工要求，A/C轴中的一个可以为手动分度轴，或是两者都为自动分度轴。自动分度轴配备精密的交流伺服电机，能够达到很高的解析度和精度，自动化水准也很高，还能实现复杂刀具的多轴联动加工。对于电极高速旋转R轴的要求则是：转速可在200～3,000rpm范围内调节；径向跳动小于5μm；端部跳动小于2μm。R轴上方装卡电极，电极的修整是利用R轴的旋转与机床X轴的伺服移动线上车削加工成形。

图3 四轴四联动加工的带冠涡轮转子组件照片

螺旋线木工聚晶金刚石刀具的特点是多齿刀刃分布在圆柱面的螺旋线上，加工难度不仅在于加工时要进行联动的螺旋线插补，还要能够进行线上测量。为此，在加工系统上加装了精密的电感位移感测器，利用系统已有的接触感知功能进行精密的线上测量。

在机械装置上将分度轴安装在工作台上作为绕X轴旋转的A轴使用，将R轴水准安装在Z轴上，圆盘紫铜电极装夹在R轴上进行高速旋转；被加工的聚晶金刚石刀具装夹在A轴上，与X、Z轴进行伺服联动，用电火花磨削的方法进行加工。

图4 盘式聚晶金刚石刀具加工

从图4可看出盘式聚晶金刚石木工刀具在机加工各部分装置的安装位置，该木工刀具的特点是12个齿刀刃均匀分布在圆周上，采用圆盘石墨电极装夹在R轴上进行高速旋转；被加工的聚晶金刚石刀具装夹在A轴上，与X、Z轴进行伺服联动加工而成。


镜面加工技术

随着科学技术的不断发展，对模具零件的要求不断提高，既要求加工精度高、表面品质好，亦要具有很好的耐磨性和耐蚀性。常规电火花加工工艺不易获得低表面粗糙度值的加工表面，特别是加工面积增大时，由于极间寄生电容的影响，获得高品质的加工表面更加困难。

与此同时，普通电火花加工会在工件表面产生一层具有残余拉应力、含有较多微裂纹的“白层”，对提高模具和零件的使用寿命不利。为此，人们不得不在电火花加工后安排抛光、研磨等工序，一方面降低加工表面粗糙度值，另一方面去掉加工表面“白层”。这势必延长加工周期，增加生产成本，而且对一些复杂的型面或小孔、窄槽等极难进行抛光、研磨。镜面加工技术的出现则较好地解决了这一问题。

1﹒无混粉电火花镜面加工

北京巿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。利用该项加工技术在Φ25mm（面积490mm²）加工面积上，达到表面粗糙度Ra0.05μm，并可清晰地像镜子一样映照出钢板尺的刻线和数字。

图5 Φ40mm的批量镜面加工照片

图5为Φ40mm（面积为1,256mm²）的镜面加工照片，表面粗糙度小于Ra0.10μm，并实现了批量的稳定加工。

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品质，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，有效解决了深槽窄缝等不易抛光M加工精度差的问题，拓展了电火花加工技术的应用范围。


图6 发动机箱盖压铸模具的电火花镜面加工2.混粉电火花镜面加工

通过在工作液中添加一定浓度的导电性硅、铝等微粉，进而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、工人的劳动强度减少。

图6是在日本沙迪克公司PGM65高速镜面电火花成形加工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。模具材料为SKD61热作模具钢，加工部位的平面尺寸为200×150mm，加工深度为41mm，加工表面粗糙度为Rmax1.8μm；电极的材料为ISO-63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进行6小时的粗、中加工，表面粗糙度达Rmax8～10μm；然后用混粉电火花进行30小时的精加工。加工结果：表面粗糙度达Rmax1.8μm，表面变质层≦4μm，表面光亮度好。


高性能脉冲电源的控制技术

高性能脉冲电源控制技术主要体现在三个方面，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。下面简单说明后两种控制技术对加工结果的影响。


图7 采用阻断清扫脉冲加工的凹坑状况（左7a：第一次材料抛出凹坑状况；右7b：第二次材料抛出凹坑状况）1﹒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（图7a）；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（图7b），此放电凹坑比通常脉冲的放电凹坑来得浅平，从而使表面粗糙度减少，白层（变质层）减薄。

由于脉冲蚀除量的增加，以及表面品质改善使得后续精修更加省力，故此项技术可提高加工效率（采用铜和石墨电极时平均提高30%，深窄槽加工提高50%），降低电极损耗。例如用Φ10mm、450尖劈形石墨电极加工钢（加工深度12mm），加工结果为：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%。

2. 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脉冲优化模组，具有超强计算能力（30MIPS），可在约33.3ns时间内对脉冲前沿的状况进行一次检测，不仅可以消除拉弧的风险，还能按照使用中对效率和表面品质（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，使得300×300mm（面积90,000mm²）的大面积精加工成为可能。

图8 快速可换卡具

高精度的机械装备系统和自动交换技术

为解决形状复杂、尺寸较小或无法加工基准面的电极制造及用于刀具库使用的电极制造等问题，可在电极加工前将其固定在一个附加基准（随行夹具）上，并保证夹具和电极之间的连接可靠，在电极的车、铣、电火花线切割直至最后电火花成形加工时都以此为定位基准，这种随行夹具由于采用统一基准的原理，故可控性和重复性好，即装拆过程无需调整就可保证位置精度，减少辅助调整时间。

这种快速可换夹具由若干卡盘和夹头组成，一般卡盘最少有两个，一个用于电极制造，可安装在车床、铣床或电火花线切割机床上，另一个安装在电火花成形机床上。夹头需要较多，每个电极用一个夹头。

图8所示为一种高精度快换夹具，它由连接基座、夹紧拉钉、定位片、4个支承脚和锁紧装置等组成。其以定位片上十字分布的4个方孔与卡盘上的棱形体啮合作为取向和对中，再加上4个平面支承脚支撑，采用过定位误差补偿原理，在柔性定位片和刚性中心棱形体之间建立了稳定的位置精度，实现电极精密定位。


图9 带有4把刀的自动电极交换装置在装夹时，将夹紧拉钉插入连接基座的孔内，用专用扳手拧紧锁紧螺钉，螺钉推动带自锁的滚珠锁紧机构将电极牢固地夹紧（夹紧力为4,000N），在没有外力时不会松动。定位精度高，安装简洁方便。快换夹具的使用，简化了安装校正的过程，并提高了定位精度，重复定位精度可控制在2μm左右。


图 10 EDGE3型全自动电火花加工机床快换夹具的另一特点是自动化程度高，装夹和待机时间短。由于电极和工件均采用快换夹具进行装夹、校正和加工，因此，电极和工件可在机外装夹、校正和测量，其补偿值也可在机外测定，并预先编入程式。例如电极经车、铣、磨、电火花线切割成形后，在三座标测量机上检查与图纸的符合程度，并测出加工中的定位误差，通过程式编制、软体传输，随电极一起送到电火花成形加工机床上，在加工中进行补偿。再者，电极或工件放入刀具库（图9），由机械手按指令交换所需的电极或工件，这种无人操作不仅减少了人为误差，还大幅提高了加工精度。

图10是日本牧野公司生产的EDGE3型全自动电火花加工机床。该机床带有电极自动交换（AEC）和工件自动交换（AWC）系统。AEC可采用EROWA ITS系统、3R系统或牧野的Y形系统，分直排交换式和旋转交换式两种。直排交换式电极容量为4根，旋转交换式电极容量为8～32根，使用卡盘适配器交换时最大电极重量（含电极夹具）达40kg，AEC交换时间一般为20s；AWC有通用性的平面工件库和工件货盘交换装置两种，平面工件库适合于复杂模具加工。

图12 电极自动交换系统

图11 工件自动交换系统

结语

EDGE3采用辅助工作台，以便于大工件的自动交换。该机床还采用工作液快速处理技术，使下一个工件的交换更快、更可靠。它的工作液恒温控制（±0.5℃）功能，有效保证了机床的定位精度（0.003mm）和重复定位精度（0.001mm）。图11是工件自动交换系统的照片，图12则为电极自动交换系统。

电火花加工技术在深入研究电火花放电机理的基础上，充分利用现代科技发展的相关成果不断向前发展，并将利用它独有的加工特点和不断创新的技术为模具制造工业提供先进的母机，致力于高技术含量模具和零件产品的制造。