电火花的应用及发展趋势.doc

黄 河 科 技 学 院电火花的技术应用现状及发展趋势 姓名：张亚超 学号： 班级： 专业：机械设计与制造 日期：2012年12月27日摘要 在分析总结国内外电火花线切割技术研究现状以及我国近几年来所取得的进步基础上,以及在电火花加工技术在汽车、航空航天、模具等制造工业中有着广泛的应用，模具工业技术快速发展的新形势下, 数控电火花加工技术已取得了突破性的进展。本文从电火花加工技术发展的基本现状、数控电火花加工的操作过程、数控电火花加工新工艺的应用以及电火花加工技术的发展趋势以及发展建议。论述了我国电火花线切割技术的发展趋势及其主要任务。 关键词:电火花线切割;研究现状;发展趋势目 录引言 4一、数控电火花加工技术现状 4二、电火花技术发展趋势 5 (一)精密化 5 (二)智能化 5 (三)自动化 6 (四)高效化 6 （五）绿色工作液得到应用7 (六）电火花加工技术的改进7 (七）其它83、 电火花技术中的新应用 8 （一）标准化夹具实现快速精密定位 8 （二）混粉加工方法实现镜面加工效果8 （三）摇动加工方法实现高精度加工 9 （四）多轴联动加工方法实现复杂加工9 （五）基于PC的数控系统的开发 10 （六）多次切割工艺的应用 10参考文献11 引 言 目前，随着电子、信息等高新技术的不断发展及市场需求个性化与多元化，世界各国都把机械制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，将其他学科的高技术成果引入机械制造业中。因此机械制造业的内涵与水平已今非昔比，它是基于先进制造技术的现代制造产业。纵观现代机械制造技术的新发展，其重要特征主要体现在它的绿色制造、计算机集成制造、柔性制造、虚拟制造、智能制造、并行工程、敏捷制造和网络制造等方面。机械制造行业不断遇到高硬度，高韧性，高熔点等难切割加工材料以及特殊结构特别市复杂曲面零件的加工难题。解决这些问题极大地促进了电火花线切割加工技术的发展，促进电火花线切割加工新方法，新工艺的不断表现，扩大了电火花线切割加工的适用范围。电火花切割技术是先进制造技术之一，在机械生产中应用范围广，从国内来看，我国的电火花线切割加工技术发展迅速，尤其是我国特有的单向(高速)走丝电火花线切割机构简单，价格低廉，各方面指标都有了较大的提高。因此，进一步研究高速走丝电火线切割加工技术，扩大其加工范围，尤其是利用计算机等高科技工具和先进的科学方法来提高我国电火花线切割技术水平，缩短同发达国家的差距，不仅具有重要的意义，而且具有显著的经济和社会、效益。近年来，电火花技术的研究和应用日新月异（见下表1），并在精密微细化、智能化、个性化、绿色环保化和高效化等方面获得了长足的发展12。一、数控电火花加工技术现状 电火花线切割技术经过近半个世纪的发展,现已十分成熟,并达到了相当高的工艺水平:最大的切割速度可达325mm2/min,最佳表面粗糙度达Ra0.10.2m,加工尺寸精度可控制在几个微米之内,高速走丝电火花线切割机还能稳定切割1米的超厚工件。数控电火花加工技术正不断向精密化、自动化、智能化、高效化等方向发展。如今新型数控电火花机床层出不穷，如瑞士阿奇、瑞士夏米尔、日本沙迪克、日本牧野、日本三菱等机床在这方面技术都有了全面的提高。该项技术在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产。从最初只能去除折断在工件中的钻头、丝锥、切割硬质合金刀片开始，经过半个多世纪的发展，电火花加工现在已成为精密模具、复杂形状零件以及精密微小孔加工的重要装备，在航空航天、模具制造等领域获得了极为广泛的应用。近年来，电火花技术的研究和应用日新月异，并在精密微细化、智能化、个性化、绿色环保化和高效化等方面获得了长足的发展。 “电火花加工的优点就是精密加工”，精密电火花加工一直是电火花加工技术的一个重要发展方向。信息、航空航天、电子、国防等领域尖端科学技术发展对模具的精密化及精密产品零件的加工要求，又促进了电火花加工技术的发展。根据国外的调查和统计，在众多的微细加工方法中(切削、线切割、磨削、激光、超声、电子束等加工)，电火花微细加工的应用占第一位3，这说明了电火花微细加工的重要作用。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。随着现代电力电子技术的发展，电火花加工的加工精度与表面质量得到了极大的提高，加工单位也日趋变小，有些零件的加工精度已属于微纳加工的范畴。目前，应用电火花成形加工技术已可稳定地得到尺寸精度高于0.1m、表面粗糙度Ra 0.01m的加工表面。电火花成形加工已成为零件精、微加工的有效手段之一。二、电火花技术发展趋势 （一）精密化 电火花加工的精密核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。时下数控电火花机床加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可达2-3m、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3m。通过采用一系列先进加工技术和工艺方法，可达到镜面加工效果且能够成功地完成微型接插件、IC塑封、手机、CD盒等高精密模具部位的电火花加工。从总体来看，现代模具企业在先进数控电火花机床的应用上，还没能很好地挖掘出机床的精密加工性能。因此有必要全面推动已有数控加工技术的进一步发展，不断提高模具加工精度。 （二）智能化 智能控制技术的出现把数控电火花加工推向了新的发展高度。新型数控电火花机床采用了智能控制技术。专家系统是数控电火花机床智能化的重要体现，它的智能性体现在精确的检测技术和模糊控制技术两方面。专家系统采用人机对话方式，根据加工的条件、要求，合理输入设定值后便能自动创建加工程序，选用最佳加工条件组合来进行加工。在线自动监测、调整加工过程，实现加工过程的最优化控制。专家系统在检测加工条件时，只要输入加工形状、电极与工件材质、加工位置、目标粗糙度值、电极缩放量、摇动方式、锥度值等指标，就可自动推算并配置最佳加工条件。模糊控制技术是由计算机监测来判定电火花加工间隙的状态，在保持稳定电弧的范围内自动选择使加工效率达到最高的加工条件；自动监控加工过程，实现最稳定的加工过程的控制技术。专家系统智能技术的应用使机床操作更容易，对操作人员的技术水平要求更低。目前智能化技术不断地升级，使得智能控制技术的应用范围更加的广泛。随着市场对电加工要求的提升，智能化技术将获得更为广阔的发展空间。 （三）自动化目前最先进的数控电火花机床在配有电极库和标准电极夹具的情况下，只要在加工前将电极装入刀库，编制好加工程序，整个电火花加工过程便能日以赴继地自动运转，几乎无需人工操作。机床的自动化运转降低了操作人员的劳动强度、提高生产效率。但自动装置配件的价格比较昂贵，大多模具企业的数控电火花机床的配置并不齐全。数控电火花机床具备的自动测量找正、自动定位、多工件的连续加工等功能已较好地发挥了它的自动化性能。自动操作过程不需人工干预，可以提高加工精度、效率。普及机床的自动化程度是当前数控电火花机床行业的发展趋势之一。 （四）高效化 现代加工的要求为数控电火花加工技术提供了最佳的加工模式，即要求在保证加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手机外壳、家电制品、电器用品、电子仪表等领域，都要求将大面积（例如100100mm）工件的放电时间大幅缩短，同时又要降低粗糙度。从原来的Ra0.8m改进到Ra0.25m，使放电后不必再进行手工抛光处理。这不但缩短了加工时间且省却后处理的麻烦，同时提升了模具品质，使用粉末加工设备可达到要求。另外减少辅助时间(如编程时间、电极与工件定位时间等)，这就需要增强机床的自动编程功能，配置电极与工件定位的夹具、装置。若在大工件的粗加工中选用石墨电极材料也是提高加工效率的好方法。最佳的加工模式是企业扩大市场空间、提升市场竞争力的资本，其开发而成的新产品、新技术亦愈受欢迎。随着互联网技术的高速发展和普及，EDM 机床的通信和控制也发生了巨大的变化。FANAC公司开发了集中管理软件包。公司的总监视器通过国际互联网可很便利地监控多台远程异地的WEDM机床的工作状况，并能实时诊断分析每一台机床的工作故障，及时向用户提出解决措施。三菱电机公司也开发了远程操作监控系统。远程终端的显示器画面与机床旁的显示器画面完全一样。用户通过随机携带电话可与制造商讨论加工参数调整、机床故障诊断维修、订货等有关问题，实现了电火花加工过程的高效性。 （五）水基工作液、气体介质等绿色工作液得到应用 油类介质常用于电火花成形加工中。但使用油类介质有燃爆的危险，且介质易挥发，造成环境污染。对于电火花加工中散发的有害气体，一方面采取通风、排气等处理措施，保证操作环境清新；另一方面可选用产生有害气体成分少、浓度低、工艺性能良好的介质作为工作液。目前，绿色工作液主要可分为两种类型，即水基工作液和气体介质。近期，混合型介质的研究和应用也取得进展。 (六）电火花加工技术的改进 数控电火花加工技术日新月异的发展，至使机床生产厂家纷纷对生产技术予以了改进。目前数控电火花机床在伺服系统和脉冲电源的改进上取得了重大成果，大大的提高了数控电火花加工的质量、加工效率。机床伺服系统的改进精密的机床伺服系统对电火花加工具有重要的意义。日前开发出的直线电机驱动的数控电火花加工设备，使加工性能获得明显改善。在驱动轴上配置直线电机从而实现了高响应、平滑的驱动，提高了机械系统的稳定性，避免了动作滞后。数控电火花机床主轴采用直线电机的高速抬刀技术，使加工屑的排出性能进一步提高，进而提高了加工性能，实现免冲液加工。直线电机驱动的机床，由于高响应性伺服产生的良好跟踪性，能把加工深度误差控制在最小限度达到高精度加工。直线伺服系统的应用在深窄、微小型腔加工方面具有明显的技术优势。直线电机技术将成为21世纪电火花机床伺服系统的主导。机床脉冲电源的改进脉冲电源对提升加工速度、降低电极损耗、确保加工精度及提高表面质量中扮演着极其重要的作用。各种脉冲电源对高速、高品位的加工作出了较大贡献。超精加工电源用于电火花精密、微细加工中，这类电源具有极小的单个脉冲能量（纳秒级脉冲宽度），在电路上通过其它措施解决了加工速度慢、电极损耗大与低脉宽的工艺矛盾。智能型自适应电源采用微机数字化控制技术，自选加工规准，自适应调节加工中相关脉冲参数，从而达到高生产率的最佳稳定放电状态。另外新型的脉冲电源还有节能型脉冲电源、等能量脉冲电源、各种专用辅助电源等。随着研究和开发工作的深入，脉冲电源的性能也随之取得更大的进步。 (七）其它 数控电火花加工技术在微细化、安全化、环保化等方面也取得了长足的发展。三、电火花技术中的新应用（一）标准化夹具实现快速精密定位 数控电火花加工为保证极高的重复定位精度且不降低加工效率，采用快速装夹的标准化夹具。目前有瑞士的EROWA和瑞典的3R装置可实现快速精密定位。这类装置的原理是电极在制造时，是集电极与夹具为一体的组件在装有同数控电火花机床上配备的工艺定位基准附件相同的加工设备上完成的。工艺定位基准附件都统一同心、同位，并且各数控机床都有坐标原点。因此电极在制造完成后，直接取下电极和夹具的组件，装入数控电火花机床的基准附件上，无需再进行纠正调节。加工过程中如需插入一“急件”加工，同样可以将正在加工的半成品卸下，待急件加工完后再继续快速装夹加工。标准化夹具，是一种快速精密定位的工艺方法，它的使用大大减少了数控电火花加工过程中的装夹定位时间，有效地提升了企业的竞争力。（二）混粉加工方法实现镜面加工效果 在放电加工液内混入粉末添加剂，以高速获得光泽面的加工方法称之为混粉加工。该方法主要应用于复杂模具型腔，尤其是不便于进行抛光作业的复杂曲面的精密加工。可降低零件表面粗糙度值，省去手工抛光工序，提高零件的使用性能（如寿命、耐磨性、耐腐蚀性、脱模性等）。其加工原理主要是电火花工作液中加入一定比例的导电粉末，放电间隙增大，电极间的寄生电容和电流密度减少；使放电点分散、放电集中现象减少。混粉方法加工镜面主要技术要求有：电火花机床具有镜面精加工电路（具有极小的单个脉冲能量）；选择合适的粉末添加剂；进行粉末添加剂的浓度管理；利用扩散装置来消除浓度的误差；采用无冲液处理方式。混粉加工技术的发展，使精密型腔模具镜面加工成为现实。（三）摇动加工方法实现高精度加工 电火花加工复杂型腔时，在不同方向上的加工难度和加工面积相差很大，会引起加工屑局部集中，触发加工不稳定、放电间隙不均匀等情况。为了保证高效率下放电间隙的一致性、维持高的稳定加工性，可以在加工过程中采用电极不断摇动的方法。加工中采用摇动的方法可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度，更容易控制加工尺寸。摇动加工选用是根据被加工部位的摇动图形、摇动量的形状及精度的要求而定。如果在加工中不采用摇动的方法，则很难实现小间隙放电条件下的稳定加工。在精加工中很容易发现因这个原因造成的不稳定加工现象，不稳定放电使尺寸不能准确地得到控制且粗糙度不均匀。采用摇动的加工方法能能很好解决这些问题且能保证高精度、高质量的加工。（四）多轴联动加工方法实现复杂加工 近年来，随着模具工业和计算机技术的发展，促进了多轴联动电火花加工技术的进步。采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，以适应不同种类工件的加工要求，扩大了数控电火花加工的加工范围，提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。数控电火花加工机床可利用多轴联动很方便地实现传统电火花机床难以加工的复杂型腔模具或微小零件的加工，如三维螺旋面、微细齿轮、微细齿条等。目前模具企业采用数控电火花加工基本采用成型电极的轴向伺服加工，但也可以巧用多轴联动的方法来提高加工性能，如清角部位在加工可行的情况下采用X、Y、Z三轴联动的方法，即斜向加工，避免了因加工部位面积小而发生放电不稳定的现象。模具潜伏式胶口的加工通过对电极斜度装夹定位的设计，也可进行斜向多轴联动加工。（五）基于PC的数控系统的开发 数控系统是数控机床的核心部分，其控制性能不仅直接影响机床加工的质量和稳定性，而且也是扩大机床加工范围、实现复杂加工的重要手段。目前，各国都非常重视数控技术的研究，将其作为实现制造技术突破性发展的一个重点。数控系统技术当前发展的一个重要趋势是开放式数控系统。其含义是：数控系统的开发者在一个统一的体系结构下开发自己的产品，该体系结构是一个广泛认可且透明的规范。这种结构对电加工机床数控系统的重要性已非常明确了。高速走丝线切割机要进一步发展，必须摆脱单板机作为数控系统，采用新的数控系统。根据目前国际上数控系统发展趋势及PC的发展情况，应开发和使用基于PC的数控系统。众所周知，PC本身是插卡式结构，是标准的开放式体系结构的系统。如高速走丝线切割机开发基于PC的数控系统，那将是国产高速走丝线切割机数控系统向开放式数控系统发展的一个有效方法。当前，PC的价格持续下降，而性能和稳定性不断增强，使用PC不仅为高速走丝线切割机数控系统提供了优越的硬件平台，而且能保持机床性能价格比的优势。目前国内已有基于PC的高速走丝线切割机数控系统，但其主要功能是加工轨迹编程，机床加工控制功能还很不完善，没有充分利用PC的资源，充分利用PC的资源来开发高性能的数控系统，将是高速走丝线切割机的一个重要发展方向。（六）多次切割工艺的应用多次切割加工是高速走丝线切割加工技术的一个重要发展方向。目前无论是金属切