“中國(guó)制造2025”視域下電火花加工技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究

崔 玲

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730060)

電火花加工又稱(chēng)為放電加工。要產(chǎn)生火花放電,工件電極和工具電極必須保持一定的距離,一般在0.02～0.1mm之間,在工具和工件之間有絕緣的工作液,在兩極間施加電壓,工作液局部被擊穿,產(chǎn)生火花放電,電極材料被放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫蝕除掉[1]。由于電火花加工在加工過(guò)程中工具電極和工件電極保持一定的距離,不接觸,這就區(qū)別與傳統(tǒng)金屬切削加工——刀具的硬度一定要比工件高。由于非接觸,所以對(duì)被加工金屬的硬度沒(méi)有要求。隨著材料技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了很多合金材料,還有硬度很高的導(dǎo)電陶瓷。對(duì)這些材料進(jìn)行加工很難選擇刀具材料,因此可以采用電火花加。但是由于要產(chǎn)生電火花,所以要求工具電極和工件電極具有導(dǎo)電性,但是隨著電加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在半導(dǎo)體材料也可以加工。

1 電火花加工工藝

1.1 電加工設(shè)備

電加工機(jī)床采用可控、低損耗的脈沖電源(電子管電源、晶體管電源、RC、RLC復(fù)合脈沖電源),利用數(shù)控技術(shù)依靠計(jì)算機(jī)來(lái)控制電極絲的運(yùn)動(dòng),機(jī)械方面有伺服控制系統(tǒng)(滑動(dòng)導(dǎo)軌、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠副)。

數(shù)控電火花機(jī)床主要分為兩類(lèi),電火花線切割機(jī)床和電火花成型機(jī)床。電火花線切割又分為快走絲和慢走絲?？熳呓z和慢走絲最大的區(qū)別就是加工工具——電極絲,快走絲可以重復(fù)使用而慢走絲不能?，F(xiàn)在的電火花機(jī)床的都是高效、低損耗、無(wú)電阻和綠色節(jié)能型脈沖電源,為了能夠保證加工間隙的穩(wěn)定性和連貫性,防止短路和短路,采用了加工狀態(tài)檢測(cè)及控制、細(xì)絲自動(dòng)穿絲技術(shù)、恒張力恒速度的運(yùn)絲技術(shù)、熱變形控制技術(shù)、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)及智能化控制等關(guān)鍵技術(shù)[2]。這樣不僅加工速度大大提高,零件表面質(zhì)量也很好。由于機(jī)床配備了自動(dòng)穿絲技術(shù),所以大大提高了加工的安全性和效率,該機(jī)床不需要人工編程,結(jié)合CAD/CAM技術(shù)可以自動(dòng)的將圖形轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)控代碼,并且自動(dòng)補(bǔ)償半徑和加工間隙,加工智能化得以實(shí)現(xiàn)。

快走絲機(jī)床的電極絲可以往復(fù)使用,這是快走絲的優(yōu)點(diǎn):加工速度快,而且加工成本相對(duì)于慢走絲加工要低。但是由于電極絲的往復(fù)使用也帶來(lái)了缺點(diǎn):電極絲磨損增大,加工精度降低。所以在選擇機(jī)床時(shí),要綜合考慮加工精度和速度選擇快走絲和慢走絲機(jī)床。

加工方式的多樣性,就增大了電加工的加工范圍,在模具制造、航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。特別適合加工一些具有復(fù)雜型面和精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件。

1.2 影響電火花工藝實(shí)施的因素

電加工的加工精度精可達(dá)1～2μm、表面粗糙度 Ra<0.1μm,在加工過(guò)程中影響電加工的表面質(zhì)量、加工速度的因素很多,例如:零件自身的復(fù)雜程度;工作液;電火花成型加工時(shí)電極的制造裝夾的精度;工具電極、工件電極選擇的材料;兩級(jí)間的放電間隙;電參數(shù)等等,但是影響最大的是以下幾個(gè)因素。

1.2.1電參數(shù)的影響

與傳統(tǒng)加工相比,由于電加工是局部的脈沖放電,所以電加工的加工效率較低,在加工過(guò)程中對(duì)加工速度影響的因素主要是電參數(shù)

電參數(shù)主要包括:脈沖電壓、脈沖間隙、和脈沖電流。電火花加工是把電能轉(zhuǎn)化成熱因此在加工過(guò)程中只需要調(diào)節(jié)電參數(shù)就可以完成零件的粗加工、半精加工、精加工。電火花加工過(guò)程中腐蝕金屬的量(即電蝕量)與單個(gè)脈沖能量、脈沖效率等電參數(shù)密切相關(guān)。滿足如下公式(1)。

WM=(25～30)iete

(1)

式中WM——表示脈沖能量,J;

ie——表示脈沖電流,A;

te——表示脈沖寬度,s。

脈沖能量的大小是火花放電能量的大小,從而決定蝕除金屬速度的大小。所以要想提高金屬蝕除速度,就要增加脈沖能量,即增加ie和te,也就是提高脈沖電流和脈沖寬度。

但是,由于是火花放電產(chǎn)生的電腐蝕,零件表面是一個(gè)一個(gè)的凹坑,所以電參數(shù)越大脈沖電流越大,凹坑就會(huì)越大,零件的粗糙度就越差。這種加工速度和加工質(zhì)量難以達(dá)到統(tǒng)一就是現(xiàn)在制約電加工發(fā)展的一大因素。所以在加工零件時(shí),要根據(jù)實(shí)際情況選擇電參數(shù)。

除了電參數(shù)的大小對(duì)加工過(guò)程的影響,施加在工具電極、工件電極的電源極性也會(huì)影響材料的蝕除量。這種現(xiàn)象我們稱(chēng)為極性效應(yīng)。

1.2.2電極材料的影響

工具電極和工件電極之間的工作液被擊穿,產(chǎn)生瞬時(shí)高溫,金屬材料被蝕除下來(lái)。工具電極和工件電極都會(huì)被蝕除掉。工件被蝕除掉,是我們希望的,蝕除量越大,生產(chǎn)效率越高。如果單從提高生產(chǎn)率的角度我們可以選擇熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熔化熱、氣化熱低的材料。但是擊穿后產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫仍然會(huì)蝕除工具電極。這種工具電極被蝕除的現(xiàn)象我們稱(chēng)為電極損耗。電極損耗會(huì)影響加工精度,特別是電火花成型加工,工具電極是成型電極,電極損耗過(guò)大,會(huì)重新制作更換電極,所以我們要把握電極損耗的規(guī)律,比如可以利用極性效應(yīng),選擇合適的電極材料,從而減少電極的損耗,從而保證加工精度。

在電加工過(guò)程中,工具電極的不同部位其損耗也是不同的,如圖1所示。

圖1 電極損耗示意圖

在加工中,電極部位的不同,損耗也是不同的,尖角、棱邊等凸起部位的損耗(角損耗)是最大的,其次是邊損耗,再次是斷面損耗。加上二次放電,工具電極會(huì)形成損耗斜度,如圖2所示。這會(huì)影響零件的加工精度。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)工件電極時(shí)要盡量減少尖角等結(jié)構(gòu)。

圖2 工具斜度

1.2.3放電間隙的影響

電火花是瞬時(shí)脈沖放電,要達(dá)到此要求,工具電極和工件電極間必須要有放電間隙。一般在0.02～0.1mm之間。放電間隙的一致性會(huì)影響加工質(zhì)量的穩(wěn)定性,我們可以選擇更高級(jí)的機(jī)床,如五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床來(lái)保證間隙的穩(wěn)定性。同時(shí)采用較小的放電間隙,加工速度、質(zhì)量會(huì)提高,但是放電間隙過(guò)小,會(huì)給排屑帶來(lái)影響,從而影響加工精度和加工速度。

從上分析,提高加工質(zhì)量和提高加工效率是矛盾的,所以要根據(jù)綜合加工條件,選擇合適的電參數(shù)、放電間隙、電極材料及工作液。當(dāng)然,隨著電加工技術(shù)的發(fā)展,很多先進(jìn)的機(jī)床具有專(zhuān)家數(shù)據(jù),可以根據(jù)材料、工作液,自動(dòng)選擇各種參數(shù),進(jìn)行自適應(yīng)加工。

2 電加工技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天裝備零件形狀復(fù)雜,有很多細(xì)微結(jié)構(gòu),還有小孔、窄槽。比如航空發(fā)電機(jī)的小型葉片氣膜孔,這些孔不僅是異形孔而且是深孔,導(dǎo)流葉片上的孔深可達(dá)200 mm,由于為了減少重量,發(fā)電機(jī)采用的材料是鈦合金。鈦合金采用機(jī)械加工,具有粘刀性,且硬度高。切削難度大屬于難加工材料。(一般采用相對(duì)切削加工性系數(shù)K來(lái)表示相對(duì)切削加工性,即K=V60,凡K>1的材料,其切削性能比45剛好;凡是K<1,其切削性能比45剛差。一般認(rèn)為K<0.5的屬于難加工材料[3],所以可以采用傳統(tǒng)加工和電加工相結(jié)合的電解加工。還有航空發(fā)電機(jī)的機(jī)芯,采用的是硅鋼片,厚度是80mm[4]。線切割有加工精度較高的慢走絲,加工精度可以達(dá)到0.02nm,粗糙度通常可以達(dá)到Ra=0.8μm。機(jī)芯這種薄壁材料可以采用電火花線切割加工?？梢詽M足加工精度的要求。

2.2 在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

軍工領(lǐng)域中,一些新武器是由大量的特殊材料加工而成的,而且這些武器形狀復(fù)雜,還有一些細(xì)微結(jié)構(gòu)。例如,各類(lèi)戰(zhàn)略武器、高新技術(shù)武器的閥及閥件加工、多晶硅材料零件蜂窩狀型腔的電火花成形加工、高精度非球面空間曲面的零件加工、特殊材料的精密薄片異形孔加工、炮管來(lái)復(fù)線的電化學(xué)加工等[4],這些都需要通過(guò)電加工技術(shù)來(lái)完成。

2.3 在模具工業(yè)中的應(yīng)用

模具加工是現(xiàn)代制造業(yè)最為重要的一種加工方式之一,特別是對(duì)于大批量零件加工,可以大大的降低加工成本。而且模具加工的零件互換性很高,加工效率也非常高。要降低成本,那就要提高模具的壽命。在當(dāng)代,金屬模具是主流。以前加工模具的方法是比較傳統(tǒng)的機(jī)加工,但是對(duì)于小孔分布復(fù)雜,表面形狀復(fù)雜的模具采用機(jī)加工達(dá)不到要求,就可以采用電加工來(lái)制造模具。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),500萬(wàn)元/年以上產(chǎn)值的模具廠平均擁有5～10臺(tái)電加工機(jī)床,而1000萬(wàn)元/年以上的模具企業(yè)平均擁有15～20臺(tái)電加工機(jī)床,有的模具企業(yè)擁有幾十臺(tái)甚至數(shù)百臺(tái)電加工機(jī)床,80%左右的電加工機(jī)床用于模具加工[5]。

此外,汽車(chē)有80%的零部件都是采用模具加工。最進(jìn)輪胎也可以采用模具加工。輪胎花紋模具就是采用電火花加工制造的。

要滿足汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放滿足國(guó)家要求,這就對(duì)燃油噴嘴提出了要求,可以采用用電火花成型加工的微孔加工技術(shù)。

2.4 在醫(yī)療器械制造中的應(yīng)用

現(xiàn)在很多國(guó)家都采用電加工技術(shù)來(lái)制造醫(yī)療器械。最早的實(shí)例是美國(guó)利用電加工技術(shù)來(lái)制造人造骨骼,經(jīng)過(guò)發(fā)展,目前德國(guó)也采用線切割和電火花成型加工來(lái)制造骨骼。

金屬鈦,由于其柔性好,彈性高的特點(diǎn)現(xiàn)在普遍適用與牙科行業(yè),用于智造細(xì)微鉆頭。由于其直徑為0.6nm,采用傳統(tǒng)的機(jī)加工,廢品率過(guò)半,所以現(xiàn)在采用電加工來(lái)加工。

還有手術(shù)使用的導(dǎo)尿管、內(nèi)視鏡用的微細(xì)測(cè)量件以及縫合用的器械等正在更多地應(yīng)用電火花加工[6]。更為典型的是利用電加工工藝加工注射針,優(yōu)勢(shì)在于電加工產(chǎn)品不會(huì)產(chǎn)生毛刺,在注射使用時(shí)可以減輕疼痛。

2.5 在大飛機(jī)制造中的應(yīng)用

在飛機(jī)制造行業(yè)中,大部分采用的加工方法是傳統(tǒng)加工,如數(shù)控加工和模具加工。但是由于大型機(jī)體要既要減輕重量又要增加強(qiáng)度,所以會(huì)采用高強(qiáng)度材料,如鈦合金、鋁鋰合金等,對(duì)于這些材料可以采用電火花加工。電火花加工主要用于大飛機(jī)機(jī)體中具有合適尺寸的由難切削材料制成的特殊結(jié)構(gòu)的制造。最大切割效率可達(dá) 700mm2/min,并且最佳表面粗糙度可達(dá) Ra0.02μm,加工精度可達(dá)±0.002mm,同時(shí)工藝準(zhǔn)備時(shí)間短,使用成本也較低,因此多用于中間和最終加工工序[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)械、電子技術(shù)的快速發(fā)展,電加工技術(shù)也在進(jìn)步,加工范圍從從導(dǎo)體到現(xiàn)在的半導(dǎo)體,加工精度、表面質(zhì)量都在提高。電加工技術(shù)也在和一些傳統(tǒng)加工方法結(jié)合,在制定加工工藝時(shí)可以充分考慮各種加工方法的優(yōu)勢(shì),制定出更高效的加工方案,從而提高電加工的應(yīng)用范圍。經(jīng)過(guò)多年的努力,“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略取得了顯著成果。中國(guó)制造業(yè)的整體實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力得到了明顯提升,一批具有全球影響力的品牌和企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí),“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施,也為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。