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精密数控低速走丝电火花线切割加工技术
日期:2008-11-5 23:11:38 来源:中国自动化网  
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概述
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我国模具工业发展迅速,2005年的模具产值预计达570~600亿,至2010年的“十一?五”末,模具产值预计达1000亿。模具工业的发展主要依靠技术进步,目前技术含量高的大型、精密、复杂、长寿命模具不断增长,这些高技术模具的发展,推动了模具加工设备的技术进步,高效、精密、数控低速走丝电火花线切割机床(LSWEDM)、精密数控电火花成形机床(NCSEDM)、高速铣(HSM)等许多高新技术模具加工设备应运而生,而在冲压模加工方面,LSWEDM可谓独树一帜。LSWEDM在相当长的一段时间里,由于其加工后的表面质量问题,影响了模具的寿命,故一直没有作为最终加工的手段。近几年来,由于LSWEDM解决了加工表面质量问题,并由于它一系列的技术进步,使LSWEDM有了质的飞跃,其优异的加工性能,目前还找不到哪一种加工技术可以与之竞争。
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精密、高效、长寿命冲压模的发展推动了LSWEDM技术进步
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LSWEDM主要用于精密、高效、长寿命冲压模的加工制造。标志冲压模先进水平的是多工位级进模,这种模具具有结构复杂、制造难度大、精度高、寿命长、生产效率高及耗能耗材低等一系列特点,这些模具中具有代表性的有:机电一体化的电机铁芯自动阀片硬质合金多工位级进模,其精度达2μm,步距精度达3μm,拼块精度1μm,双回转精度1’,表面粗糙度Ra 0.10~0.40μm。具有自动冲压、阀片、扭槽、分组、回转等功能,模具寿命达1.0亿次以上;精密、高效、长寿命的空调器翅片多工位级进模,其精度达2μm,凹凸模工作面近千处,冲裁间隙为0.01mm的有300多处,同类型可互换,模具寿命达2亿次以上;高难度成形的彩管电子枪零件,G5底25工位硬质合金级进模,其精度达2μm,冲制0.245mm厚的无磁不锈钢,制品精度±5μm,模具寿命3000万次以上;高水平的集成电路框架32工位级进模,其精度达2μm,模具冲速达350~500次/分,寿命3000万次以上;自主创新的手机连接器50工位级进模,其精度达2μm,步距精度3μm,冲速400次/分以上,模具寿命2亿次;还有如数码相机弹簧片18工位级进模、汽车零件多工位级进模、接插件46工位级进模、微电机机壳12工位级进模等等属当今水平制高点的冲压模,这些模具的加工制造,LSWEDM是不可缺少的关键设备,特别是这些精密、高效、长寿命模具中关键部位的硬质合金型孔加工更是LSWEDM的“用武之地”。同时为了适应这些高新技术模具加工的需要又推动了LSWEDM技术的不断进步。
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LSWEDM高效加工技术的新进展
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一、最大加工效率
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国外LSWEDM的最大加工效率停留在300mm2/min已有多年了,但最近又有了新突破,我国则刚刚开始达到300mm2/min。
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最大加工效率依赖于窄脉宽高峰值电流脉冲电源的开发,国外在窄脉宽的情况下,其最大峰值电流≧1200A,高峰值电流与其它条件配合(各种控制方式、供液条件、复合电极丝等),可使最大加工效率达到400~500mm2/min。例如,瑞士阿奇公司的AGIE CUT PROGESS机床采用数字化的IPG智能电源,用Φ0.33mm的电极丝,其最大加工效率可达500mm2/min以上;日本三菱电机公司的FA-V机床,采用Φ0.36mm的电极丝,加工效率也可达到500mm2/min;日本沙迪克公司开发的LQ33W新电源,在AQ325L机床上,用Φ0.30mm的复合电极丝,加工效率可达400mm2/min等等。总之,国外目前最大加工效率在400~500mm2/min,又有了新进展。
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但目前最有价值的最大加工效率要数瑞士阿奇公司的AGIE CUT PROGESS机床,该机床开发的e-cut电源使用标准电极丝在加工效率达到350~500 mm2/min的情况下,Ra可达到0.8μm(见图1),这种高效粗加工能达到Ra 0.8μm水平,对于最终实现精密加工的多次切割来说,可节省约50%的加工时间,减少约40%的滤芯消耗,40%的树脂消耗,60%的丝材消耗,具有明显的技术经济效益。
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二、 平均加工效率
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最大加工效率在精密冲压模加工中往往难于应用,主要原因是最大加工效率需要使用粗丝(Φ0.33~0.36mm),而粗丝难于实现精密加工,精密加工只能用细丝,例如Φ0.10mm等。瑞士阿奇夏米尔公司为发挥机床的最大加工效率,开发了双丝切割机床,可进行电极丝自动交换,实现粗加工用粗丝,精加工用细丝的目的,可大幅度提高平均加工效率,还可以实现精密加工。
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瑞士夏米尔的ROBOFIL 2050TW、ROBOFIL 6050TW双丝加工机床,解决了精密和高效加工的矛盾,使总的加工时间大为缩短,一般可节省30~50%的加工时间,同时可节省价格昂贵的细丝,降低了加工成本。
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瑞士阿奇的双丝切割系统具有同样的效果,并还有:(1)自动交换不同直径电极丝无须更换导向器;(2)自动交换没有精度损失;(3)自动穿丝时间一般只有15秒;(4)穿丝的可靠性100%等特点。
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三、 变截面加工效率
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LSWEDM在模具实际加工过程中,不可避免地会遇到不同的加工截面。随着加工截面的变化,通过自动检测,根据截面的变化自动控制加工能量,使加工效率自始至终保持最佳状态,是提高变截面加工效率的有效措施。
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例如,日本三菱公司的FA系列机床采用了加工电源控制系统,该系统由工件厚度检测器、加工状态检测器和脉冲能量输出控制器等部分组成,以适应加工截面的变化,尤其适合台阶形、中空形、薄形等零件加工,能有效防止断丝,提高加工效率。
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作为这种智能化加工技术的实例如图2所示。最大能量控制专家系统只要输入电极丝直径和类型、工件材料即可自动进行最佳加工,根据加工过程中不同的加工厚度自动增减加工能量,以保持最高加工效率,应用这种专家系统效率一般能提高30%左右。
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LSWEDM加工表面质量的新突破
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LSWEDM的加工表面质量是影响LSWEDM发展的关键,也就是LSWEDM能否直接进入精密加工领域的关键技术。加工表面质量除表面粗糙度和几何形貌(尺寸精度)外,在LSWEDM中还应包括二个方面:一是LSWEDM加工表层的化学、物理、力学性能,主要包括表层金相组织、表层的显微硬度、残余应力及宏观和微观裂纹等,即所谓表面“变质层”;二是由于LSWEDM采用水质工作液,在脉冲电源的作用下产生的电化学反应在工件表面形成的表面“软化层”,也称表面“变质层”。这二个方面的“变质层”直接影响模具寿命和性能(耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度)等。随着LSWEDM的发展,表面质量的改善有了新的突破,其技术进步主要体现在以下二个方面。
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一、 优化放电能量的新型电源
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电火花加工时,金属材料蚀除分为熔化和气化二种,宽脉宽(放电时间长)易造成熔化放电加工,使加工表面形貌变差、“变质层”加厚、内应力加大,易产生裂纹;而当脉宽小到一定值时,易成为气化放电加工,气化放电加工变质层很小,内应力也减小,并可避免表面裂纹的产生,改善了表面质量。因此为了保持相同的加工效率,在放电能量相同的原则下,采取压缩放电时间和增大峰值电流I的方法,这种优化脉冲能量的方法,使表面质量得到很大改善。优化放电能量示意图如图3所示。
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二、防电解(AE)脉冲电源
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优化放电能量只能改善一个方面的表面质量,如表面粗糙度、形貌、内应力、裂纹等等。不过LSWEDM采用水质工作液,虽然采用的是“去离子”水,但还存在一定数量离子,在脉冲电源的作用下产生电化学反应。当工件接正极时,在电场的作用下,氢氧根负离子(OH-)会在工件上不断沉积,使铁、铝、铜、锌、钛、碳化钨等材料氧化、腐蚀,造成所谓的“软化层”。在使用硬质合金工件时,硬质合金中的结合剂钴成为离子状态溶解在水中,同样形成“软化层”。

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