石墨電極電火花加工機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀*

周玉海，王成勇

（1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510430）

0 引言

電火花加工機(jī)床是利用電火花加工原理加工導(dǎo)電材料的特種加工機(jī)床。又稱電蝕加工機(jī)床、數(shù)控電火花機(jī)床、電火花、火花機(jī)。電火花加工機(jī)床主要用于加工各種高硬度材料（如硬質(zhì)合金和淬火鋼等）和復(fù)雜形狀的模具、零件，以及切割、開槽和去除折斷在工件孔內(nèi)的工具（如鉆頭和絲錐）等，如電視機(jī)喇叭網(wǎng)型腔、手機(jī)型腔、揚(yáng)聲器格柵、型腔等。采用CIP（Cold Isostatic Pressing）工藝生產(chǎn)冷等靜壓石墨具有高強(qiáng)度、低消耗、結(jié)構(gòu)細(xì)密、理化特性均勻和各向同性等特性。相比普通模壓石墨具有優(yōu)異的機(jī)械物理性能，其顆粒沒有擇優(yōu)取向，強(qiáng)度和導(dǎo)電能力等在各方向上都一致，具有組織均勻、顆粒細(xì)小、強(qiáng)度高等特點。石墨電極在CAM編程、CNC加工、電極拋光、放電粗加工和放電精加工等工序的時間均比銅電極短，平均節(jié)約時間在2倍以上。石墨電極已經(jīng)取代銅電極成為電火花加工用電極材料，廣泛用于電加工修整大體積模具、微細(xì)筋槽、微細(xì)電極等特殊結(jié)構(gòu)要求的精密電極，具有復(fù)雜曲面的汽車輪胎模電極，用于形成模具中窄槽的薄壁電極，成為主流電極。影響石墨電極電火花加工性能（加工速度、加工表面粗糙度和電極損耗）的因素主要有機(jī)械系統(tǒng)性能、脈沖電源、控制系統(tǒng)、加工面積、放電參數(shù)、工件材料、工作液、電極形狀、沖液方式等。本文作者總結(jié)石墨電極電火花加工數(shù)控機(jī)床的特點，石墨電極由于材料和性質(zhì)與銅電極存在顯著差異，因此放電機(jī)床選型方面也具備特定的要求，對國內(nèi)外數(shù)控電火花加工機(jī)床技術(shù)特點及發(fā)展趨勢進(jìn)行比較深入和系統(tǒng)的評述，并對數(shù)控電火花加工機(jī)床的應(yīng)用與市場拓展進(jìn)行分析。

1 石墨電極電火花加工機(jī)床特點

1.1 石墨電極的EDM加工特性

石墨電極密度小，同等體積電極質(zhì)量輕，大體積使用時火花機(jī)主軸負(fù)載??；石墨材料導(dǎo)電性能好，可承受電流強(qiáng)度大，大電流下電極損耗小，可進(jìn)行高效率EDM加工；石墨為顆粒狀結(jié)構(gòu)，小電流放電時電極損耗大，不適用于拋光放電加工；石墨電極熔點高，熱膨脹系數(shù)小，不易變形，EDM加工時電極精度保持性好。石墨電極主要用于模具模芯骨位、異形曲面及微細(xì)復(fù)雜型腔的EDM成型加工，尤其在大電流高速EDM加工中具有獨特優(yōu)勢。圖1所示為石墨電極與銅電極的EDM加工速度和電極損耗率隨放電電流的變化趨勢，可知石墨電極的放電加工速度與放電電流成線性關(guān)系，可承受的電流強(qiáng)度更大；而石墨電極損耗在小電流下高，隨著電流的增大卻維持在低損耗狀態(tài)；銅電極的放電加工速度在40 A以下呈增加趨勢，40 A以上卻不再增加；而銅電極的損耗在小電流下高，在10～40 A維持低損耗，超過40 A則隨著電流的增大損耗呈增加趨勢，所以銅電極放電電流超40 A速度不加，損耗卻增大。

圖1 石墨與銅的EDM加工速度和電極損耗趨勢圖Fig.1 EDM processing speed and electrode loss trend diagram of graphiteand copper

1.2 石墨放電加工機(jī)床要求

在電火花加工中如何正確選用石墨材料，并達(dá)到最佳的使用效果，不僅需考慮石墨電極材料牌號，還要考慮加工參數(shù)及其機(jī)床性能等因素。影響石墨電極電火花加工性能（加工速度、加工表面粗糙度和電極損耗）的因素主要有機(jī)械系統(tǒng)性能、脈沖電源、控制系統(tǒng)、加工面積、放電參數(shù)、工件材料、工作液、電極形狀、沖液方式等。電火花加工機(jī)床由床身和立柱、工作臺、主軸頭、工作液和工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)、脈沖電源、伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、主軸頭和工作臺附件等部分組成。脈沖電能引起新的電能質(zhì)量問題。EDM放電加工設(shè)備發(fā)展路徑由RC弛張式脈沖電源和機(jī)械液壓伺服到晶體管模擬脈沖電源和電液伺服，再到數(shù)字脈沖電源和數(shù)控伺服電機(jī)?？刂品矫鎻臋C(jī)械開關(guān)式單軸控制發(fā)展成單軸數(shù)控和多軸數(shù)控。機(jī)床電源由脈沖電源發(fā)展到智能化模糊控制放電加工技術(shù)。機(jī)床結(jié)構(gòu)和精度決定了機(jī)床的加工性能和特點。王昆設(shè)計了電火花平動加工石墨電極，采用內(nèi)部沖液和微動進(jìn)給方式，搭建了電火花平動加工試驗系統(tǒng)，對碳化硅反射鏡安裝面電火花平動加工。本文作者根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)設(shè)備從電火花機(jī)床表面光潔度、電極損耗、加工速度、加工精度四大性能要素和規(guī)格方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析和論述，可為石墨電極放電加工機(jī)床選型等提供參考。

2 國外石墨電極放電加工機(jī)床廠家及其產(chǎn)品

目前國外主要生產(chǎn)石墨電極電火花放電加工專用機(jī)床的 廠 家 有 Makino、 Sodicks、 Agie Charmilles、 Exeron、Ops-Ingersoll等公司，他們推出了各種專業(yè)高端電火花加工機(jī)床。

表1 Sodicks石墨電火花放電加工機(jī)床規(guī)格對照表Table1 Parameter specification of Sodicks EDM machine

2.1 日本沙迪克Sodicks

日本沙迪克Sodicks直線電機(jī)驅(qū)動高速電火花機(jī)床主要 有 AM45Ls∕AM36Ls、 AD30Ls、 AG40L∕AG60L∕AG80L、AQ15L、AP1L、AP3L、AD25Ls等型號。其中AD25Ls機(jī)型小、精度高、加工速度快，適合小件少量精加工，最大工件質(zhì)量50 kg。AM45Ls是Sodicks公司的主流機(jī)型，號稱“最標(biāo)準(zhǔn)的石墨放電加工機(jī)床”，其特點是主軸采取直線電機(jī)驅(qū)動，表1為Sodicks部分石墨電極放電加工機(jī)床規(guī)格對照。

AQ15L為大型電火花放電加工機(jī)用直線電機(jī)驅(qū)動的高速、高精度加工，主要致力于儀表板等大型機(jī)動車相關(guān)零部件以及大型平板顯示器等的制造，是一種可實現(xiàn)大型模具高效率生產(chǎn)的大型電火花放電加工機(jī)。首創(chuàng)搭載X、Y、Z三軸直線電機(jī)，最大工件質(zhì)量10 000 kg，最大加速度1.2 g，實現(xiàn)高速、高加速SERVOJUMP無噴流、高精度復(fù)制加工。采用不受工件重量影響的高剛性龍門型構(gòu)造，在加工點軸線上配置Z軸，采用無過懸的機(jī)械構(gòu)造，從而避免對全軸的直線電機(jī)推力造成損害，實現(xiàn)高響應(yīng)、高精度的加工?！扒昂蟆⒆笥摇蓖耆珜ΨQ的構(gòu)造可以把環(huán)境溫度對機(jī)床變形影響抑制到最小，實現(xiàn)穩(wěn)定的高精度加工。表2 AD30Ls直線電機(jī)驅(qū)動高速電火花放電加工機(jī)床石墨電極加工實例參數(shù)表。

表2 AD30Ls直線電機(jī)石墨電極加工SKD11參數(shù)Table SKD11 parameters processing for AD30Ls linear motor graphiteelectrode

2.2 日本牧野Makino

2.2.1 超精密Edac1電火花機(jī)

Edac1超精密電火花機(jī)的特點在于通過機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)超精密加工功能，該機(jī)床主體結(jié)構(gòu)采用了無懸臂梁運動軸，加工區(qū)域接近運動軸導(dǎo)軌，機(jī)床整體剛度大，不容易變形，可實現(xiàn)直線度加工公差小于±2μm高精度加工。在處理環(huán)境溫度對機(jī)床變形方面，采取左右對稱結(jié)構(gòu)，保持加工區(qū)域和強(qiáng)電柜、加工液冷卻裝置、泵等熱源保持較遠(yuǎn)距離措施，EDAC1超精密電火花機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 牧野Makino電火花加工機(jī)床Fig.2 Makino EDMmachine

在機(jī)床主體的背面、底面、強(qiáng)電柜與機(jī)床之間安置熱源屏蔽層，強(qiáng)電柜所散發(fā)的熱氣流從頂部強(qiáng)制排出，徹底消除熱量對機(jī)床主體的影響。機(jī)床可以根據(jù)工件材料和形狀特性選擇多達(dá)百種加工條件和數(shù)十個模型工藝，并可以優(yōu)選高速或高精度加工，超精密EDAC1電火花機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 超精密EDAC1電火花機(jī)參數(shù)Table3 Parameter specification of EDAC1 EDMmachine

2.2.2 “超火花”快速大型精密Ednc6電火花加工機(jī)床

大型電火花機(jī)床包括Ednc6、Ednc8二款機(jī)型，大型機(jī)床采用固定工作臺設(shè)計，移動相對較輕的電極而不是工作臺，因此可高精度地在微米級往復(fù)搖動，具有良好加工性能且操作便捷。該款機(jī)型配置的“超火花”軟件控制技術(shù)提供了一種在粗、精加工時超出加工能量間隙的情況下更具適應(yīng)能力的一種跳動控制功能。超火花縮短粗加工和精加工時間，特別是當(dāng)單側(cè)帶錐度電極或筋骨類電極，例如采用石墨電極加工塑料模具鋼(Stavax)時加工深度為30 mm，最后獲得表面粗糙度Rz5μm(Ra0.9μm)，超火花耗時4.5 h，普通加工耗時9 h，縮短50%加工時間，效果明顯。

2.2.3 精密EDGE2電火花加工機(jī)床

高精密電火花機(jī)床包括Edge2、Edge3機(jī)型。加工系統(tǒng)配置多種加工知識資源庫，自動控制加工過程始終選擇合適的條件來實現(xiàn)最好的加工性能。超精面可提供細(xì)膩而均勻的粒狀表面，并防止產(chǎn)生針孔。少量的研磨加工即可得到所需要的表面。機(jī)器兩側(cè)取消維護(hù)空間，便于操作的緊湊設(shè)計。機(jī)床采用內(nèi)置ATC的結(jié)構(gòu)和可滑動的工作槽，可根據(jù)工件的厚度來調(diào)節(jié)高度三面開放式工作臺?？梢詫崿F(xiàn)Rz2.0μm(Ra0.4μm)表面粗糙度無針孔超精密加工。

2.2.4 高精密EDAF2電火花加工機(jī)床

高精密電火花機(jī)床包括EDAF2、EDAF3二款機(jī)型，通過機(jī)械方法實現(xiàn)高精度，固定工作臺和一個進(jìn)給軸設(shè)計在電極一側(cè)，使機(jī)床在電火花加工過程中提供快速反應(yīng)和自如操作的需求。鑄件冷卻系統(tǒng)使機(jī)床獲得良好的熱穩(wěn)定性，具有“超火花”軟件控制技術(shù)，最后加工精度可以達(dá)到Rz1.0 μm(Ra0.14 μm)。

2.3 瑞士阿奇夏米爾（AgieCharmilles）

2.3.1 通用模具FORM系列電火花加工機(jī)床

通用模具加工電火花機(jī)床包括FORM 300，200 Bp二款機(jī)型。裝備有專利技術(shù)的智能速度動力發(fā)生器（ISPG），在表面質(zhì)量、材料去除和形狀精度方面符合國際標(biāo)準(zhǔn)。對石墨電極以及銅電極在粗加工和加工過程中，電極的損耗大幅降低。生產(chǎn)力提高了30%的同時100%可以達(dá)到形狀。即使是沖洗條件困難深狹的空腔，刻模加工的速度可提高50%，并且電極的損耗不大，F(xiàn)ORM300機(jī)床外形和結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。

2.3.2 超精細(xì)電火花加工機(jī)床

FORM微細(xì)加工電火花機(jī)床包括FORM1000、2000 VHP、3000 VHP三款機(jī)型。滿足接播件、醫(yī)藥及手表行業(yè)中零件小型化的加工需求微精加工，F(xiàn)ORM1000配有適合精微加工要求和應(yīng)用的性能的放電控制。獨特的直接工件和電極數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)置的工件模型和數(shù)據(jù)輸入模板Vi?sion管理系統(tǒng)，可以滿足智能制造自動化車間的要求。FORM1000配備有可活動工作臺，根據(jù)工件尺寸自動調(diào)整工作箱和液面高度，操作方便，大理石工作臺安裝最底部位置以增加工作臺到機(jī)頭卡盤的距離，滿足標(biāo)準(zhǔn)的工件和電極的尺寸。此外還設(shè)計有附加的較高的大理石工作臺可以滿足精微加工時小工件和具有微小細(xì)節(jié)的電極的需求，號稱“最靈活的標(biāo)準(zhǔn)和精微放電加工”。機(jī)床外形和規(guī)格如圖3(b)所示。如圖3(c)所示為FORM 3000 HP獨特的機(jī)械結(jié)構(gòu)電火花刻模機(jī)。包括有可補(bǔ)償溫度變化的復(fù)雜和獨特系統(tǒng)的聚合物機(jī)床立柱。穩(wěn)定溫度是通過用溫度穩(wěn)定的電介質(zhì)冷卻X軸、Y軸和Z軸的玻璃鱗片涂料以及Z軸的滾珠絲桿實現(xiàn)。固定的工作臺帶有可自動降低的工作箱，這樣可以簡易地裝載重量大的工件。

圖3 阿奇夏米爾FORM系列電火花加工機(jī)床Fig.3 The AgieCharmilles FORMseries of EDMmachine

2.3.3 高速電火花加工機(jī)床

FORM高速加工電火花機(jī)床配置高速加工模塊，可保證各種幾何形狀的高精度加工要求，無論在小面積還是大面積的加工應(yīng)用中，可獲得均勻精微鏡面(≤Ra 0.4μm)，包括FORM200、300、400、200 Bp四款機(jī)型。

2.3.4 精密經(jīng)濟(jì)型電火花加工機(jī)床

Agie Charmilles FORM20和30緊湊小型低成本標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器，工作臺面液槽寬度1 000 mm，最大可安裝940 mm×540 mm工件，可以實現(xiàn)鏡面加工?？蛇x配GammaTEC技術(shù)從而使在大表面加工時可以快速、簡便地從Gamma TEC配置轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的EDM配置，達(dá)到最佳的加工。它具備普通加工和超精細(xì)加工兩用的優(yōu)勢。FORM系列通用模具加工、超精細(xì)加工、高速加工、精密經(jīng)濟(jì)型電火花加工機(jī)床規(guī)格參數(shù)如表4所示。

2.4 德國Exeron

德國Exeron高精密電火花機(jī)床主要包括Edm 310、Edm 312、Edm 313、Edm 314、Edm 316、Edm 316xxl六款機(jī)型。最大優(yōu)勢在于開發(fā)和設(shè)計出“Exopuls+”電源方面的獨特技術(shù)，在微細(xì)精密加工中可大幅減少電極損耗，確保工件質(zhì)量。利用智能制造將放電蝕除率，表面質(zhì)量，電極損耗和可靠性等因素結(jié)合，機(jī)床性價比高。Exerob開放MF30放電CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了以Metro Sytle為基礎(chǔ)，升級配置觸摸屏操作顯示器，該系統(tǒng)拓展機(jī)床控制軸可以達(dá)到6軸同時加工。EDM 310MF 30是小型機(jī)器，Z軸內(nèi)配有C軸，機(jī)床剛度大，不輕易變形，主要用于模具、醫(yī)療和機(jī)械零部件放電加工。該機(jī)床主體采用人造大理石平臺鑄造而成，設(shè)有過濾器確保加工過程清潔和工件質(zhì)量。EDM 312MF 30結(jié)構(gòu)緊湊比較適合小型工件加工，機(jī)床主軸采取AC伺服電機(jī)直驅(qū)交流電機(jī)，并且可以選裝有托盤的工作臺，以方便快速更換工件。機(jī)型主要特點在于配置免維護(hù)密封箱，短時間內(nèi)可填充以及排出火花油，循環(huán)周期短，方便機(jī)器清潔和粗精加工調(diào)整更換。EDM 313MF 30采用人造大理石鑄造框架，該款機(jī)型主要特點在于配置免維護(hù)密封箱，短時間內(nèi)可填充以及排出火花油，循環(huán)周期短，方便機(jī)器清潔和粗精加工調(diào)整更換。EDM 314MF 30是中型龍門電火花加工機(jī)床，機(jī)床配備高速ATC和滾珠球軸承直接支撐響應(yīng)速度快。EDM 316MF 30大型龍門電火花加工機(jī)床，機(jī)床采用人造大理石焊接框架，外部冷卻裝置保證機(jī)器和電火花油的溫度，澆筑的T型槽工作臺可以持續(xù)供應(yīng)火花油，Exeron機(jī)床主要參數(shù)如表5所示。

表4 AgieCharmilles火花機(jī)的性能參數(shù)Table4 Parameter specification of AgieCharmilles EDMmachine

表5 Exeron系列電火花加工機(jī)床規(guī)格(德國)Table5 Parameter specification of Exeron(Germany)EDMmachine

2.5 德國Ops-ingersoll歐吉索

德國歐吉索提供Gantry系列電火花加工機(jī)床，可與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人系統(tǒng)和線型機(jī)器人系統(tǒng)連接實現(xiàn)自動化，高端模具制造技術(shù)。機(jī)床采用龍門式結(jié)構(gòu)，具有良好剛度，確保加工的精度，同時兼顧了基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性能，包括Gantry 450C 、 Gantry 400、 Gantry 500、 Gantry 800、 Gantry 1200、Gantry 1400、Gantry2000七款機(jī)型。其中Gantry ea?gle 1400通過高給進(jìn)速度（Eagle Powerjump放電技術(shù)）和Eagle Powertec電源，在加工大模具和復(fù)雜工件時具有超強(qiáng)的加工能力和效率，能確保加工速度和質(zhì)量。針對石墨電極還支持多型腔石墨加工，提供適合石墨電極和銅電極的Eagle Powertec電源技術(shù)，該技術(shù)支持只需要使用一個電極，省去精加工電極就能完成全部加工。節(jié)省常常高于放電加工本身昂貴電極的制造成本，節(jié)省第二個電極的制造成本從而省去大量測量和設(shè)定的輔助時間。制造和應(yīng)用大型放電成型設(shè)備電火花Gantry Eagle 2000如表6所示。憑借制造和應(yīng)用大型放電成型設(shè)備和自動化設(shè)備優(yōu)勢，歐吉索已成為大模具制造行業(yè)的首選設(shè)備。

以某公司的石墨電極的模具自動化生產(chǎn)線為例，該自動化生產(chǎn)線由中央控制臺、Robot ES280D機(jī)器人、Rail TSL2000導(dǎo)軌、2臺OPSSpeedhawk 650模具鋼料加工中心、2臺OPSSpeedhawk 550石墨電極加工中心、2臺OPS Eagle 500火花機(jī)、ZEISSCMM三坐標(biāo)檢測儀、石墨電極庫、模具鋼料庫和工件清洗站組成。石墨電極高速切削和模具EDM放電自動化生產(chǎn)加工系統(tǒng)設(shè)備如圖4所示。采用高精度帶在線品質(zhì)檢測到自動化生產(chǎn)線加工精密微細(xì)石墨電極，可在保證電極精度要求的前提下提高電極加工效率，尤其是石墨電極在機(jī)械加工后無需后處理的特性，可實現(xiàn)全自動無人化生產(chǎn)。

表6 Ops-ingersoll Gantry Eagle 2000電火花加工機(jī)床技術(shù)參數(shù)Table6 Parameter specification of Ops-ingersoll Gantry Eagle 2000EDMmachine

圖4 石墨高速加工和EDM自動加工智能生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.4 High speed graphite processing and EDM automatic pro?duction and processingsystem

3 結(jié)束語

電火花加工特別是用石墨作為電極進(jìn)行各種復(fù)雜型腔的精密加工將越來越廣泛，石墨電極電火花加工機(jī)床越來越普及和受到模具制造企業(yè)關(guān)注。日本牧野Makino“超火花”軟件控制技術(shù)提供了一種在粗、精加工時超出加工能量間隙的情況下更具適應(yīng)能力的一種跳動控制功能。沙迪克Sodicks搭載XYZ三軸直線電機(jī)，最大工件質(zhì)量10 000 kg，最大加速度1.2 g，達(dá)到高速、高加速的Ser?vo Jump實現(xiàn)了無噴流、高精度復(fù)制加工。阿奇夏米（Agie Charmilles）超精細(xì)加工FORM 1000放電加工后工件表面質(zhì)量可以達(dá)到0.05μm德國歐吉索提供的Antry系列龍門式高剛度電火花加工機(jī)床配有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人系統(tǒng)和線型機(jī)器人系統(tǒng)實現(xiàn)自動化加工，確保加工的精度確保模具制造質(zhì)量和效率。充分發(fā)揮石墨電極電火花加工機(jī)床的特點和性能，對提高石墨電極的加工效率和質(zhì)量具有重要意義。