现代模具制造中的电火花加工技术

关键字：模具制造； 电火花成形； 电火花线切割； 脉冲电源； 镜面加工

摘要：本文对近年来电火花线切割加工、电火花成形加工涌现出的典型新技术、新工艺和新设备进行了介绍，并用典型的加工实例和图片说明了其应用范围和达到的加工效果，进一步验证了电火花加工技术是精密现代模具和零件加工的有效方法之一。

模具是制造业的重要基础装备，是工业化国家实现产品批量生产和新产品研发所不可缺少的工具。用模具生产制品所表现出来的高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度是其他任何制造方法所不及的。因此，模具制造业已成为与其他高新技术产业互为依托的产业，与其他行业的发展可以说是唇齿相依的，模具工业技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志。“十一五”期间模具发展的目标是：模具精度达到±0.001mm；模具生产周期比现在缩短30%；机床数控化率比现在提高一倍；大型、精密、复杂、长效等中、高档模具的比例将从现在的30%提高到40%。这一目标不仅推动了模具制造设备水平的提高，同样也为电火花加工技术在模具制造中的应用提供了新的舞台。 

众所周知，电火花加工是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新技术。机械加工是通过机床部件的相对运动，用比工件材料硬的刀具去切除工件上多余的部分，来得到成品零件的。而电火花加工是利用两极间脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法。因此，电火花加工具有以柔克刚、精密微细、仿形逼真等其他加工方法所不及的突出特点，成为模具制造中重要的加工方法之一。 

随着模具制造业向高精度化、材料的多样化、结构复杂化方向的发展，对制造技术及设备提出了更高的要求，因此，新的加工技术、新的加工工艺和高精度、高速度的特种加工设备的出现会对模具制造工艺产生重要的影响。下面对近年来发展的几种先进电火花加工技术在模具制造中的应用作一介绍，希望能对模具制造业有所启迪。 

1 低速走丝线切割机的细丝切割技术 

1.1 双丝自动切换的细丝切割技术  

为了解决模具加工速度和最小加工缝隙与加工圆角的矛盾，瑞士阿奇公司研制了AGIECUT VERTEX系列低速双走丝线切割机，可广泛地应用于医疗器械(如内窥镜、导管等)、微小机械手、钟表机械等领域微细零件和模具的加工，其双丝自动切换系统如图1所示。该机床的加工轮廓精度Tkm≤±1mm、最佳表面粗糙度Ra≤0.05mm，电极丝直径范围为Ф0.02～Ф0.20mm。机床主机部分的设计与以往的机床完全不同，利用多项先进技术确保双丝自动切换技术的成功应用。这些技术有：X、Y运动轴分别独立安装在床身的正面和上面，使载荷均匀作用于独立床身上，各轴之间的运动精度互相不影响；各运动轴采用直线光栅尺与编码器双测量反馈伺服系统，达到0.1mm的位置检测控制精度。机床上的所有发热源都安装了温度传感器，并设置了循环气冷、水冷或隔热处理。机床X、Y、U、V四轴的平均定位精度允差Pa为0.8mm，平均重复定位精度允差Ps为0.4mm，平均反向间隙允差X、Y轴为0.4mm，U、V轴为0.5mm。机床走丝系统更具特色，因为要满足电极丝直径Ф0.02mm的精密切割，对走丝系统的要求就非常高，丝张力的微小波动都会造成断丝，为此机床上设计了丝准备单元，设置了两个电极丝探测器来检测丝的运行状况，精确控制丝的张力和吸振以保证隔绝外界干扰。电极丝的最小张力仅为0.05N；机床还采用类似于三坐标测量机的三点吸振支撑，整套走丝系统采用新耐磨材料等先进技术。图2a是采用具有双丝自动切换技术的低速走丝线切割机床加工的手表指针的凸模和凹模加工样品，其单边间隙仅有0.75mm。该指针模具材料为硬质合金，凹模型腔切割厚度3mm，精切割用电极丝直径Ф0.02mm，加工用时1小时57分，加工后的表面粗糙度Ra0.10mm，加工精度≤2mm，最小内圆角R0.017mm(见图2b)。   

图1 双丝自动切换系统结构图

a) 手表指针凸、凹模加工样品   b) 手表指针最小内圆角R0.017mm
图2 双丝微细加工手表指针模具

1.2 横向走丝的细丝切割技术

它是日本牧野公司研制的另一种结构形式的细丝切割技术，图3是UPJ-2型低速横向走丝精密线切割机的横向走丝系统结构图。由于采用横向走丝方式，使工件的安装变为悬垂的方式，解决了由于重力因素对加工精度的影响，使被切割掉的型芯部分留在工件内部，如果切下的型芯尺寸≤15mm，就可利用从加工液喷嘴喷出的加工液将其冲出加工区域，还可通过装有传感器的顶针来确认型芯的有无，从而实现微细零件从粗加工到精加工的无人化操作。

该机床全行程定位精度为±1mm、重复定位精度为±1mm，电极丝直径范围为Ф0.02～Ф0.20mm。图4 是使用该机床采用直径Ф0.02mm黄铜电极丝进行加工的微小齿轮放大图，该微小齿轮材料为SKD61钢，模数仅为0.03mm，齿数为60个，分度圆直径为Φ1.8mm，加工用时4小时。

图3 横向走丝系统结构图   图4 横向走丝微细加工模数0.03mm的齿轮

2 油浸式低速走丝线切割技术

在低速走丝线切割中，一般采用去离子水作为工作介质，但在表面质量要求较高的加工中采用油性介质(如煤油)作为工作介质会得到更好的效果。由于油性介质的绝缘性能较高，同样电压条件下较难击穿放电，放电间隙偏小，用油作为介质加工工件可带来很好的表面质量，不仅表面粗糙度低，可达Ra≤0.05mm；而且由于介质电导率极低，无电解腐蚀，被切割表面变质层几乎没有，反而因在油中加工时的渗碳作用使加工工件的表面硬度略有提高，特别是加工硬质合金材料时还可有效的解决钴的析出问题。图5是采用两种工作介质切割表面质量的对比。

近年来随着记忆装置的大容量化加速了IC(集成电路)组件的高集成化，集成电路框架模具的窄缝尺寸要求越来越小，尺寸精度和步距精度要求越来越高。图6是在油性介质中加工的集成电路框架32工位级进模的应用实例。该模具材质为硬质合金，厚度1mm，使用的电极丝直径Ф0.05mm，加工后表面粗糙度Ra0.078mm(Ry0.56mm)，表面变质层很小，实现了最小窄缝宽度70mm、最小内拐角R18mm、形状精度－0.7mm～＋0.4mm的亚微米级加工精度。

图5 两种工作介质切割表面质量对比   图6 集成电路框架32工位级进模照片nextpage

3 大锥度高速走丝线切割技术

图7是北京迪蒙卡特公司生产的大锥度高速走丝线切割机走丝系统照片，该机床在技术上解决了大锥度高精密模具以及在军工、家电、航空等领域迫切需要解决的关键加工问题。该机床最大加工锥度范围为82º，最大加工高度为800mm，在锥度60º时加工精度≤0.02mm，在锥度82º时加工精度≤0.03mm，在加工厚度500mm时，加工精度≤0.02mm，加工速度可达140mm²/min，最佳表面粗糙度可达到Ra2.0mm。图8是利用该机床加工的一种冷冲刀具模具的照片。该模具材质采用SLD特种冷冲模合金钢，表面镀钛处理，外形尺寸：总长度45.72mm，总宽度15.9mm，高度17.8mm，最大锥度为71º。该零件锥度切割后，测量上面刃口任意部分尺寸，精度误差≤0.02mm，达到了较好的冲裁效果。

图7 82º大锥度走丝系统照片   图8 冷冲刀具模具照片

4 高速走丝线切割多次切割技术 

高速走丝线切割技术是中国人发明的，高速走丝线切割机在我国已经形成了一个相当大的市场规模。据粗略估计，目前年产销量已超过4万台，年销售额约15亿元，以不争的事实，证明了高速走丝线切割具有较强的市场生命力。但加工精度一直是一大难题，影响着机床的应用范围。近年来国内许多厂家突破了多次切割中的关键技术问题，提高了加工工艺水平，并已形成产品进入市场。多次切割高速走丝线切割机目前达到的工艺水平：苏州新火花公司的多次切割高速走丝线切割机床，三次切割能获得Ra≤1.2mm，平均加工速度为≥50mm2/min，加工件表面光泽、无换向条纹，单次切割的最大加工效率可达140mm2/min。上海大量TP系列多次切割机进行三次切割后Ra≤1.0mm，加工精度≤6.0mm。 

5 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)，配合其他三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具有非常重要的作用，特别是加工表面形状复杂的关键性零部件时，更具有不可替代的作用。图9是北京市电加工研究所研制开发的可用于六轴数控五轴联动加工的电火花数控系统界面。  

图9 六轴数控五轴联动加工的数控系统加工界面   图10 五轴五联动加工的整体叶轮零件照片

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，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，成为航空航天制造技术中的关键。目前国外采用五轴联动电火花成形加工的方法，如图10所示为国外进口的整体叶轮零件照片，该零件采用电火花五轴五联动加工。图11是国内采用四轴四联动加工的带冠涡轮转子组件的照片，该形状的零件用机械加工方法是很难实现的。

图11 四轴四联动加工的带冠涡轮转子组件照片

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又一成功应用领域之一。图12是螺旋线木工聚晶金刚石刀具在机加工各部分安装位置照片。该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，还要能够进行在线测量。因此在加工系统上加装了精密的电感位移传感器，利用系统已有的接触感知功能进行精密在线测量。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轴水平安装在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13所示为盘式聚晶金刚石木工刀具在机加工各部分装置安装位置图，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。

图12 螺旋线聚晶金刚石刀具加工照片   图13 盘式聚晶金刚石刀具加工照片

6 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，即要求加工精度高，表面质量好，而且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，很难获得高质量的加工表面，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”。这样势必使加工周期变长，生产成本增加。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较好的解决了这一问题。

6.1 无混粉电火花镜面加工

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14是直径为Ф25mm的镜面加工照片。利用该项加工技术在直径为Ф25mm(面积为490mm^{2)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形状和颜色。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有效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15是采用该项技术加工的手机按键模具照片，电极为紫铜(面积为460mm2)，工件为SKD61热作模具钢，在普通加工液中一次加工完成的，加工后表面粗糙度为Ra0.2µm。nextpage}

图14 直径Ф25mm的镜面加工照片   图15 手机按键模具的镜面加工

6.2 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，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16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。模具的材料为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。

图16 发动机箱盖压铸模具的电火花镜面加工

7 高性能脉冲电源的控制技术 中国塑料模具网

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。

7.1 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(见图17a)；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(见图17b)，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Ф10mm，45º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%。

a)第一次材料抛出凹坑状况   b)第二次材料抛出凹坑状况
图17 采用阻断清扫脉冲加工的凹坑状况 

7.2 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脉冲优化模块，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，还可以按照使用中对效率和表面质量(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300×300mm(面积为90000mm^{2)的大面积精加工得以实现。}

8 高精度的机械装备系统和自动交换技术

高精度的机械装备系统和自动交换技术有效地解决了精密模具的合模问题，提高了机床的使用效率，缩短了模具的制造周期。图18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二种。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)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。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变得更快、更可靠。该机床还具有工作液恒温控制(±0.5℃)，有效保证了机床的定位精度(0.003mm)和重复定位精度(0.001mm)。图19是工件自动交换系统照片，图20是电极自动交换系统照片。

图18  EDGE3型全自动电火花加工机床

图19 工件自动交换系统照片   图20 电极自动交换系统照片

9 结语

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发展的新技术为模具制造工业提供先进的母机，为制作高技术含量的模具产品，使我国模具业在整体上再上一个新台阶，实现“十一五”模具发展目标保驾护航。