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(diǎn)。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(shí)間均比銅電極短，平均節(jié)約時(shí)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(diǎn)，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(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)控電火花加工機(jī)床技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行比較深入和系統(tǒng)的評(píng)述，并對(duì)數(shù)控電火花加工機(jī)床的應(yīng)用與市場(chǎng)拓展進(jìn)行分析。

1 石墨電極電火花加工機(jī)床特點(diǎn)

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(shí)火花機(jī)主軸負(fù)載小；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(shí)電極損耗大，不適用于拋光放電加工；石墨電極熔點(diǎn)高，熱膨脹系數(shù)小，不易變形，EDM加工時(shí)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。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(shì)，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(shì)，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(shì)，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(shì)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(hào)，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(tái)、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(tái)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)。控制方面從機(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(diǎn)。王昆設(shè)計(jì)了電火花平動(dòng)加工石墨電極，采用內(nèi)部沖液和微動(dòng)進(jìn)給方式，搭建了電火花平動(dòng)加工試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)碳化硅反射鏡安裝面電火花平動(dòng)加工。本文作者根據(jù)國(guó)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(guó)外石墨電極放電加工機(jī)床廠家及其產(chǎn)品

目前國(guó)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(duì)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(dòng)高速電火花機(jī)床主要 有 AM45Ls∕AM36Ls、 AD30Ls、 AG40L∕AG60L∕AG80L、AQ15L、AP1L、AP3L、AD25Ls等型號(hào)。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(hào)稱“最標(biāo)準(zhǔn)的石墨放電加工機(jī)床”，其特點(diǎn)是主軸采取直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，表1為Sodicks部分石墨電極放電加工機(jī)床規(guī)格對(duì)照。

AQ15L為大型電火花放電加工機(jī)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速、高精度加工，主要致力于儀表板等大型機(jī)動(dòng)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(shí)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(shí)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(diǎn)軸線上配置Z軸，采用無過懸的機(jī)械構(gòu)造，從而避免對(duì)全軸的直線電機(jī)推力造成損害，實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)、高精度的加工。“前后、左右”完全對(duì)稱的構(gòu)造可以把環(huán)境溫度對(duì)機(jī)床變形影響抑制到最小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高精度加工。表2 AD30Ls直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速電火花放電加工機(jī)床石墨電極加工實(shí)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(diǎn)在于通過機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)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(yùn)動(dòng)軸，加工區(qū)域接近運(yùn)動(dòng)軸導(dǎo)軌，機(jī)床整體剛度大，不容易變形，可實(shí)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(duì)機(jī)床變形方面，采取左右對(duì)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(duì)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(gè)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(tái)設(shè)計(jì)，移動(dòng)相對(duì)較輕的電極而不是工作臺(tái)，因此可高精度地在微米級(jí)往復(fù)搖動(dòng)，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(shí)超出加工能量間隙的情況下更具適應(yīng)能力的一種跳動(dòng)控制功能。超火花縮短粗加工和精加工時(shí)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(shí)加工深度為30 mm，最后獲得表面粗糙度Rz5μm(Ra0.9μm)，超火花耗時(shí)4.5 h，普通加工耗時(shí)9 h，縮短50%加工時(shí)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(shí)資源庫，自動(dòng)控制加工過程始終選擇合適的條件來實(shí)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(jì)。機(jī)床采用內(nèi)置ATC的結(jié)構(gòu)和可滑動(dòng)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(tái)。可以實(shí)現(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(shí)現(xiàn)高精度，固定工作臺(tái)和一個(gè)進(jìn)給軸設(shè)計(jì)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(dòng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(shí)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(dú)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(dòng)化車間的要求。FORM1000配備有可活動(dòng)工作臺(tái)，根據(jù)工件尺寸自動(dòng)調(diào)整工作箱和液面高度，操作方便，大理石工作臺(tái)安裝最底部位置以增加工作臺(tái)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(jì)有附加的較高的大理石工作臺(tái)可以滿足精微加工時(shí)小工件和具有微小細(xì)節(jié)的電極的需求，號(hào)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(dú)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(dú)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(shí)現(xiàn)。固定的工作臺(tái)帶有可自動(dòng)降低的工作箱，這樣可以簡(jiǎn)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(tái)面液槽寬度1 000 mm，最大可安裝940 mm×540 mm工件，可以實(shí)現(xiàn)鏡面加工。可選配GammaTEC技術(shù)從而使在大表面加工時(shí)可以快速、簡(jiǎn)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(shì)。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(guó)Exeron

德國(guó)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(shì)在于開發(fā)和設(shè)計(jì)出“Exopuls+”電源方面的獨(dú)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(jià)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(jí)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(shí)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(tái)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(tái)，以方便快速更換工件。機(jī)型主要特點(diǎn)在于配置免維護(hù)密封箱，短時(shí)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(diǎn)在于配置免維護(hù)密封箱，短時(shí)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(tái)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(guó))Table5 Parameter specification of Exeron(Germany)EDMmachine

2.5 德國(guó)Ops-ingersoll歐吉索

德國(guó)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)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(gè)電極的制造成本從而省去大量測(cè)量和設(shè)定的輔助時(shí)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(dòng)化設(shè)備優(yōu)勢(shì)，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(dòng)化生產(chǎn)線為例，該自動(dòng)化生產(chǎn)線由中央控制臺(tái)、Robot ES280D機(jī)器人、Rail TSL2000導(dǎo)軌、2臺(tái)OPSSpeedhawk 650模具鋼料加工中心、2臺(tái)OPSSpeedhawk 550石墨電極加工中心、2臺(tái)OPS Eagle 500火花機(jī)、ZEISSCMM三坐標(biāo)檢測(cè)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(dòng)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(cè)到自動(dòng)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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(dòng)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(shí)超出加工能量間隙的情況下更具適應(yīng)能力的一種跳動(dòng)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(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(diǎn)和性能，對(duì)提高石墨電極的加工效率和質(zhì)量具有重要意義。