低速走丝电火花线切割加工的技术进步

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低速走丝电火花线切割加工的技术进步
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9 g9 u" M3 Z- y5 n9 ]. _1.1  加工表面质量日臻完善
9 b' {$ [) `4 \$ l! O+ v    （1）纳秒级大峰值电流脉冲电源技术
* p) z& B0 @, c+ a) A8 U+ L    电火花加工时金属的蚀除分熔化和气化两种。宽脉宽作用时间长，容易造成熔化加工，使工件表面形貌变差，变质层增厚，内应力加大，易产生裂纹。而脉宽小到一定值时，作用时间极短，形成气化加工，可以减小变质层厚度，改善表面质量，减小内应力，避免裂纹产生。
    先进的低速走丝电火花线切割机采用的脉冲电源其脉宽仅几十ns，峰值电流在1 000 A以上，形成气化蚀除，不仅加工效率高，而且使表面质量大大提高。
    （2）防电解（AE）脉冲电源
    低速走丝电火花线切割加工采用水质工作液。水有一定的导电性，即使经过去离子处理，降低电导率，但还有一定的离子数量。当工件接正极，在电场作用下，OH-离子会在工件上不断聚集，造成铁、铝、铜、锌、钛、钨的氧化和腐蚀，并使硬质合金材料中的结合剂—钴成离子状态溶解在水中，形成工件表面的“软化层”。曾采用提高电阻率的措施(由几十千欧·厘米提高到几百千欧·厘米)，尽可能降低离子浓度，虽对改善表面质量起了一定的作用，但还是不能有效地彻底解决“软化层”的问题。
' k3 y, m  I& ^7 |: i    防电解电源是解决工件“软化层”的有效技术手段。防电解电源采用交变脉冲，平均电压为零，使在工作液中的OH-离子电极丝与工件之间处于振荡状态，不趋向工件和电极丝，防止工件材料的氧化。
    采用防电解电源进行电火花线切割加工，可使表面变质层控制在1μm以下，避免硬质合金材料中钴的析出溶解，保证硬质合金模具的寿命。
) R* P5 ?  `* K    测试结果表明，防电解电源加工硬质合金模具寿命已接近机械磨削加工，在接近磨损极限处甚至优于机械磨削加工。
1.2  切割精度日益提高
- q$ a$ y" U, r0 r2 J: f    （1）多次切割技术
4 Y1 L9 ~1 Z; L8 h+ S$ B  [( C* H1 D    多次切割技术是提高低速走丝电火花线切割加工精度及表面质量的根本手段。它是设计制造技术、数控技术、智能化技术、脉冲电源技术、精密传动及控制技术的科学整合。一般是通过一次切割成形，二次切割提高精度，三次以上切割提高表面质量。原来为达到高质量的表面，多次切割的次数需高达7～9次，现在只需3～4次。
    瑞士阿奇夏米尔公司开发的E-CUT新型电源在一次切割时Ra≤0.8μm，切割速度达30 0 mm2/min。
    （2）拐角加工技术不断优化完善
    由于在切割拐角时电极丝的滞后，会造成角部塌陷。为了提高拐角切割精度，研究人员采取了更多的动态拐角处理策略。如：改变走丝路径；改变加工速度（薄板）；自动调节水压；控制加工能量等。
    通过采用综合的拐角控制策略，粗加工时角部形状误差减少70%，可一次切割达5靘的配合 精度。
5 D$ x( }* |2 f- U2 i# h    （3）采用提高平直度的技术
    日本三菱电机公司的HL回路、牧野公司的ST3高精度精加工回路都是提高平直度的技术，被认为对厚件加工意义重大。
4 `" R) q/ k$ I; `7 |4 |- Z    （4）机床结构更加精密
! n- I% N: c: b3 H8 q: F    为了保证高精度的加工，采用了许多技术措施来提高主机精度：①控制温度。采用水温冷却装置，使机床内部温度与水温相同，减小了机床的热变形。②采用直线电机。响应度高，精密定位可实现0.1μm当量的控制，进给无振动，无噪音，提高放电频率，保持稳定放电，两次切割Ry5 μm。③采用陶瓷、聚合物人造花岗岩制件，其热惯性比铸铁大25倍，降低温度变化对切割精度的影响。④采用固定工作台、立柱移动结构，提高工作台承重，不受浸水加工和工件重量变化的影响。⑤采用浸入式加工，降低工件热变形。⑥电机伺服，闭环电极丝张力控制。⑦高精度对刀：采用电压调制对刀电源。对刀精度可达±0.005 mm，不损伤工件，不论干湿。
    （5）细丝切割
    为了进行小圆角、窄缝、窄槽及微细零件的微精加工，各制造企业都花大力气进行细丝切割技术的研究。目前世界主要电加工机的制造企业都可以采用0.02～0.03 mm的电极丝进行切割。
1.3  加工效率明显提高
    （1）最高加工效率
# b! h* {' `+ T+ i3 ]% ^    由于ns级大峰值电流脉冲电源技术及检测、控制、抗干扰技术的发展，低速走丝电火花线切割机的加工效率也在不断提高。瑞士阿奇公司称其PROGRESS机床使用标准电极丝时，加工效率为 350～500 mm2/min。日本三菱电机公司称其FA-V系列机床的最高加工效率可达500 mm2/ min。
: k4 ^; Z" U1 Y7 `9 E  l  y    （2）较大厚度工件的加工效率
    日本三菱电机公司FA-V系列机床在切割300 mm厚的工件时，加工效率可达170 mm2/min。这是很有实际意义的技术提升。
    （3）厚度变化工件的加工效率
    自动检测加工件的厚度，自动调整加工参数，防止断丝，达到该状态的最高加工效率。
3 N  @" G! a" ^! a6 m    （4）双丝自动交换技术
9 K+ N8 I2 i! \! b6 m    瑞士阿奇夏米尔公司推出的ROBOFIL 2030S1-TW机床能采用0.20～0.02 mm的电极丝自动进行双丝切换加工。采用粗丝进行第一次切割，一般丝径为0.25 mm，以提高加工效率，并可无芯切割；然后采用细丝进行修整，一般采用0.10 mm的细丝，切割出小圆角，并可提高精度。总体可节省30%～50%的切割时间。
    （5）快速自动穿丝技术
    日本牧野公司称自动穿丝时间＜15 s；日本沙迪克公司称穿丝时间为13 s；日本三菱电机公 司称其具有全世界最快的自动穿丝装置，当板厚为50 mm 时，穿丝时间为10 s，切丝、穿丝总时间为25 s。

. I' U7 ^5 _( S, H" a" z   2  低速走丝电火花线切割机开发生产情况
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    2.1  瑞士、日本制造的低速走丝电火花线切割机
4 |2 w( Y) G0 h; h$ ~    （1）顶级低速走丝电火花线切割机
    这种低速走丝电火花线切割机代表了目前的最高水平，如瑞士夏米尔公司的千系列机床、日本三菱电机公司的PA系列超高精度机床、日本牧野公司的UPJ-2超精密机床等。这类机床的 最大特点是加工精度很高，在±0.002 mm以内，表面粗糙度Ra<0.2μm，一般都能使用<0.03 mm的电极丝进行微精加工，主机大都具有热平衡系统，一些机床采用在油中进行切割加工。瑞士阿奇夏米尔公司的双丝机床也属于这个档次。这个档次的中型机床每台售价一般在200万元以上。
    （2）高档低速走丝电火花线切割机
+ L- P9 K+ H0 z    这档机床除了采用无电阻防电解电源外，一般均带有自动穿丝装置，能采用0.10 mm的电极 丝进行切割，精度在±0.003 mm左右。最高加工效率能达500 mm2/min的超高速机也属于这个档次，如夏米尔公司的240CC、440CC机，日本三菱电机公司的FA-V超高速高性能机等。这个档次的中型机床每台售价在100万元以上。
    （3）中档低速走丝电火花线切割机
+ g0 @- ]' r, U9 b( `. b- {( m6 V* B    为了抢占中国市场，日本、瑞士的电加工机床制造企业推出了这档机床，价格一般在50～80万元/台。如瑞士阿奇公司的XENON、夏米尔公司的380，日本沙迪克公司的AQ系列、三菱电机公司的FA系列等。这类机床一般由这些公司在中国设立的工厂制造，如北京阿奇夏米尔公 司、大连三菱公司、苏州沙迪克特种公司。
; s* C5 N* R: I8 |# |+ U. \& h    这档机床的配置和性能满足了用户采用低速走丝电火花线切割加工的基本要求。一般都采用无电阻、防电解电源，具有水浸式加工、锥度切割功能。实用的最高加工效率为120～150 mm2/min ，最佳表面粗糙度达Ra＜0.5μm，切割精度可达±0.005mm，一般都采用0.15 mm以上的铜丝进行切割。这档机床一般都具备自动穿丝功能，可供用户选配。
    上述3个档次的低速走丝电火花线切割机也可称为高档机、标准机、入门机。
2.2  台湾制造的低速走丝电火花线切割机
: J$ Z! U7 ^, c$ e    台湾的低速走丝电火花线切割机起步虽然较晚，但这几年来发展迅速。其关键的一个举措就是由若干家电加工机床制造企业共同出资，在有关部门一定限度的支持下，由台湾工业技术 研究院投入大量的人力、物力做关键技术的开发。经过10多年的攻关，在控制系统及电源等关键技术上取得了突破。
2 Y) T# R4 N( A& D. _0 U    台湾各企业制造的低速走丝电火花线切割机目前应属中档机的范围，销售价一般在50～60万元/台。这些机床一般都采用无电阻防电解电源具有锥度切割、浸入式加工等功能，庆鸿、徕通两家公司已掌握自动穿丝技术。
/ _) _+ q  A4 {0 ?/ z    台湾低速走丝电火花线切割机的最高加工效率在200 mm2/min左右，实用加工效率为120～ 150 mm2/min，切割表面粗糙度为Ra 0.4～0.5μm。一般认为台湾机的切割精度应在±0.005 mm左右。
, ]1 G% {1 U6 P; v/ ~8 L! g1 L2.3  大陆企业制造的低速走丝电火花线切割机
. @! U5 ]( p7 `" T$ ?4 W    （1）苏州三光科技公司的低速走丝电火花线切割机
" g6 ?) x0 J% [; n2 Y. G6 ?    苏州三光科技公司通过与日本沙迪克公司的合资经营以及自身的不断整合，生产的低速走丝电火花线切割机属国产机中的佼佼者。该公司目前的产品属中档机范围，每台售价为50余万 元 。采用无电阻电源、防电解电源及水浸式加工技术，可以搭载销售。最大加工率超过200 mm2/min，有效加工效率为120～150 mm2/min，最佳表面粗糙度为Ra0.8μm，切割精度为±0.005mm。
    （2）苏州电加工机床研究所、苏州中特公司的低速走丝电火花线切割机
$ F$ `" K* Z4 R& K, i3 D    苏州电加工研究所于20世纪70年代末在机械工业部的支持下开始研究低速走丝线切割技术，是国内首家引进日本FUNAC公司低速走丝电火花线切割机技术的研究所，并进行许可证生产，先后共销售了200余台。“七五”、“八五”期间，在国家的支持下，又立项进行攻关，不断增强了低速走丝电火花线切割加工技术的研发能力。
    目前苏州电加工研究所中特公司生产的一种普及型DK7632C低速走丝电火花线切割机，其加工精度在±0.005 mm，最佳表面粗糙度为Ra0.8μm，有效加工效率为50～60mm2/min，售价为每台20余万元。
# ^& |$ W1 A* x) J    近年来，苏州电加工研究所在科技部专项基金的支持下，投入了较大的研发力量，已完成新一代低速走丝电火花线切割机的研发，产品在第九届中国国际机床展览会上推出，其性能指标可达中档机水平。
    （3）汉川机床公司等企业的低速走丝电火花线切割机开发情况
    汉川机床有限责任公司曾与日本沙迪克公司、印度某公司合作过，现仍在不懈地研发低速走丝电火花线切割加工技术，据悉试验样机的最大加工效率可达200 mm2/min。
    还有一些企业则希望通过与台湾相关企业的合作，来发展低速走丝电火花线切割加工技术，如杭州机床集团（原杭无专）购入了台湾低速走丝电火花线切割机的电箱，自己生产主机与之配套，已在展览会上亮相。北京安德公司也与台湾徕通公司进行合作。

9 `1 {" N/ E8 [   3  低速走丝电火花线切割机市场状况分析

3.1  2004年国内低速走丝电火花线切割机的销售情况
6 c' ?! i& p+ p' g( C9 x4 ~! ]3 i    2004年在中国大陆生产销售的低速走丝电火花线切割机约1 000台，总计约6亿元。其中苏州三光科技公司销售了350台左右，其余600多台为日本、瑞士公司在中国大陆的制造厂生产并 销售的。
    据初步统计，2004年我国进口低速走丝电火花线切割机约824台，主要为日本沙迪克公司、 三菱公司、牧野公司、瑞士阿奇夏米尔公司以及台湾企业制造的产品。
    台湾2003年约生产600台低速走丝电火花线切割机，2004年估计在800台左右。据业内人士分析，约有40%在中国大陆销售，2004年预计为300余台。
    估计今年中国大陆的低速走丝电火花线切割机的总销售量在1 800台左右，销售额在15亿元 左右。
3.2  低速走丝电火花线切割机市场走势分析
    苏州三光科技公司的低速走丝电火花线切割机高速发展，每年都以大于30%的幅度增长，占有国内低速走丝电火花线切割机市场的相当份额。
: U/ s$ m/ ?' g1 m1 i' e4 D    台湾低速走丝电火花线切割机近3年每年达到20%～30%的增长率，业内人士认为是近10年来台湾机械制造业的最大奇迹。
    低速走丝电火花线切割机的增长速度相当快，如果依此种势头发展，估计未来5年中国大陆的低速走丝电火花线切割机市场可达3 000～4 500台/年，相当于高速走丝电火花线切割机总量的10%，但二者的销售额却可以相当，甚至低速走丝机的销售额会超过高速走丝机。
/ U3 a0 r' \# Q& }    低速走丝电火花线切割机的高速发展，除了与中国经济的快速增长密不可分之外，还有其特定的因素：
    （1）低速走丝电火花线切割机优异的加工性能具有不可替代性，目前找不到别的加工技术可以与之竞争。
$ }% c  y& k# N; I/ D9 K6 n    （2）低速走丝电火花线切割机主要应用领域是模具和航天航空制造业。我国目前模具制造企业有2万余家，近年来模具制造业的年增长率都在20%左右，是我国GDP增长率的3倍。我国的航天航空制造业的高速发展也是有目共睹，国家的投资力度很大。
    （3）在过去相当长的一段时间里，许多企业不把低速走丝电火花线切割加工作为精密模具的最终加工手段，往往在模具型腔用低速走丝切割后，再用各种磨削的手段进行最终加工，这主要是由于当时低速走丝电火花线切割技术在加工表面质量、加工精度等方面还不能满足精密、长寿命模具的制造要求。但近年来，低速走丝电火花线切割加工技术发展迅速，各方面的加工性能指标都得到了明显的改善和提高，已被越来越广泛地作为最终加工手段，“以割代磨”的趋势越来越明显。
4 |; c" d& ~6 H) Y' h! h" b4 m    （4）我国的高速走丝电火花线切割机据估计年产量已超过4万台，但由于模具制造精度及表面质量要求的不断提高，高速走丝线切割机已不能适应精密模具的制造要求，其市场必定会让出一块给低速走丝电火花线切割机。
" m5 v; Y+ P# I! N3.3  低速走丝电火花线切割机市场竞争日趋激烈
( C5 t1 k: r; I, F4 U    瑞士、日本的电加工设备制造企业对中国大陆的低速走丝电火花线切割机市场是志在必得，大多已在中国完成了制造、营销甚至包括研发方面的本土化，他们还有明显的技术及资金优势。利用他们的品牌，同档产品销售价高于国产机及台湾机20%～30%，用户也是可以接受的。
    台湾低速走丝电火花线切割机是强有力的竞争对手，他们已在各方面做好了准备，极有可能会再上演一幕与电火花成形机类似的大举进军大陆市场的话剧。目前已有庆鸿、亚特、徕通、健升、乔懋、美溪、秀丰、健晟等厂商能投入批量生产，估计未来5年，台湾低速走丝电火花线切割机的年产量能达2000台，可占世界市场的25%以上。
- s0 n; N6 w' ^2 W1 l1 y  {    在台湾低速走丝电火花线切割机的强力挤压下，估计中档机的价格在未来2～3年内可能下降20%～30%，即每台销售价在30～40万元是完全可能的。
* d9 c$ b4 Z  e- L5 T3.4  我们的出路
    低速走丝电火花线切割机的技术含量高、市场前景好，可以获得较高的回报，是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。也可以说，谁掌握了低速走丝电火花线切割机的技术，谁就获得了下一步企业发展壮大的机遇。
7 a- D3 o. B9 ?/ T2 l* z    低速走丝电火花线切割机也很有可能是电加工行业最后一块也是最大的一块蛋糕。面对瑞士、日本、台湾品牌的强力竞争，国产低速走丝电火花线切割机的前景的确是危机重重。
0 ^( @7 J% [  d1 G3 y6 v    好在中档机方面，我们还有苏州三光科技这么一个“王牌”，但是三光低速走丝线切割机如何在技术上得以进一步提升，如何进一步控制成本，如何进一步做好用户的服务，这也可能是三光人面临的一个关口。
( n% F3 n! j# N+ \9 I    苏州电加工机床研究所、汉川机床有限责任公司研发具有自主知识产权的低速走丝线切割机是否能抓住机遇，取得最后的突破，为国产低速走丝线切割机再铸利剑，这也是他们面临的严峻考验。
    与台湾企业合作，用他们的电箱配套，也未必完全不可取，但在不得不面对的激烈的价格竞争面前，却又可能会显得发展余地太小。
2 k: t2 p0 T* @6 U7 O/ d% l    低速走丝线切割机的技术的确相当复杂，可以说是电加工产品皇冠上的明珠，从脉冲电源到检测控制、从主机到数控系统的确有许多难题。一般的企业要单打独斗，的确是难度很大，有可能会掉入陷阱而难以自拔。但是台湾成功开发低速走丝电火花线切割机的经验，也给我们提供了一个极好的借鉴。我们是否也可以合作、联合，集众人之力，在关键技术上取得突破，最后资源共享，达到众人受惠之目的。
) x& }1 M5 m) b" j7 {    2004年4月，温家宝总理对进一步发展我国的机床行业，特别是数控机床制造业作了重要批 示，为我国机床行业的进一步发展带来了很大的机遇。特种加工机床在中国机床工具工业协会的关心关怀下，国家各部委的重视程度也在不断提高，低速走丝电火花线切割技术也作为发展重点内容上报给国家有关部委，在今后的发展中，很有可能得到国家更多、更大的支持。
    我们有信心抓住机遇，把国产低速走丝电火花线切割机的技术提高到一个新的水平。