发掘电火花加工的潜能

作者:LOTHAR HANDGE 发布时间:2011-08-09
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图1 在加工难加工材料时,在机械加工方式达到极限时,如在模具和成型制造过程中电火花加工就开始得到应用了

如果必须在难加工材料上加工精细轮廓或非常小的孔洞时,电火花线割机和沉降熔蚀机就可以大展身手了。更为先进、性能更高的机床创造了新的应用领域。

电火花加工机的下一步发展目标是提高生产率、降低单件成本、根据订单波动状况调整生产能力以及缩短加工时间和供货时间。在对生产过程进行优化时,例如将电火花加工机与高速磨削联合用于HSC(高速切削)加工时,那些精通这两个领域技术的制造厂商可以提供完整的解决方案,在其中提供全面自动化和软件概念,从而拥有优势。这一点也同样适用于自动化电火花加工系统,此类系统通过集成额外的外部设备而具备突出的性能。对电极和托盘转换系统的自动化或将多台机床用工业机器人连接起来,这些措施都能够大幅提升电火花加工的灵活性和效率。在制造冲压工具和后续复合工具时,例如,可以采用油槽来防止对刀刃的电化学侵蚀,否则将在刀具上出现微锈斑和质量损耗。在开发“油槽式电火花加工机”时,原先在经济上的考虑是以大幅减少切削性能损失为目标的。为达到此目标,开发出了特殊发电机以避免电火花熔蚀问题。配备了这种发电机的机床能够加工出最精细的表面光洁度和毫无瑕疵的刃口,从而可以显著减少加工工作量。


图2 电火花线割机Cut 1000 Oiltech正在油槽中执行加工作业,此款机床适于切割最为精细的陶瓷部件

油槽式电火花加工机采用了特殊发电机

电火花熔蚀工艺本身也在不停地改进着。通过微细电火花熔蚀可以加工出非常精细的结构。在微细加工中采用电火花熔蚀的前提条件是,机床采用特别坚固和热稳定特别好的机架而且拥有高精密度的可定位轴以及路径和角度测量系统。这种技术允许以深度/直径比来加工出最小的内径以及空腔。此外,微细加工还为加工材料也提供了极大的成型自由度。在机床加工时使用油槽而不是通常的水槽时,线割工艺的质量就可以得到提升。例如,GF Agie Charmilles公司已经成功地以CUT 1000 Oiltech的名称推出了一款带有油槽的高精密电火花切割机Cut 1000。在Agie进行联合研究和开发工作的同时,也努力将导电陶瓷工艺可靠地运用在这款机床上。

Oximatec公司执行合伙人Wolfgang Burger表示:“我们开发的置于陶瓷内的电导体是一种树脂材料,我们已将其体积百分比降到约20%~24%。采用这种陶瓷材料以及CUT 1000 Oiltech型机床后,与使用机加工加工金属相比,我们采用电火花加工的效果令人惊讶。”据Leonhardt Graveurbetrieb的所有者Wolfgang Leonhardt报告,此项评估的基础是针对电火花线割和沉降熔蚀做出的试验以及在加工一个陶瓷齿轮时所达到的惊人效果:“我们用电火花线割方式加工了这个齿轮以测试其在齿轮箱内的功能,特别是此齿轮在干磨擦条件下的抗磨性。我们想要在冲压和折弯作业中测试其用来切削冲压的适用性。


图3 刀库上的LED指示灯:每种颜色都提供了有关工件或电极加工状态的信息

油槽防止了微锈蚀

在制造冲压工具和后续复合工具时,例如,可以采用油槽来防止对刀刃的电化学侵蚀,否则将在工具上出现微锈斑和质量损耗。在开发“油槽机”时,原先在经济上的考虑是以大幅减少切削性能损失为目标的。为达到此目标,开发出特殊发电机以避免电火花侵蚀问题。配备了这种发电机的机床就因而能够加工出最精细的表面光洁度和毫无瑕疵的刃口,从而可以显著减少加工工作量。

起始孔钻孔方面的进一步发展体现在新型起始孔钻孔机Drill 20上。据GF Agie Charmilles表示,这款机床将速度与精度以及用户友好性结合在一起,使得刀具制造商获得了更大的竞争优势。这款高速立式钻床计划用于加工导电性材料,包括硬化钢、金属碳化物、铝、铜和黄铜。Drill 20拥有0.15~3.0mm直径以及深度达200mm的钻孔能力,成为了电火花线切割应用这一宽广阵营的一种通用型辅助设备。

这款钻术达到高性能的决定性因素是配备了触摸屏的新型高性能Windows-CNC加工中心。据制造商表示,除了其他重要特性之外,这款产品拥有直观和特别用户友好的界面、网络连接能力、快速作业设置、多次钻孔作业快速执行的拓展功能、用于定位的数据输入、内置式操作手册以及用于自动识别边缘和中心的功能。


图4 Brensbach的Zimmer & Kreim公司董事会主席Wolfgang Emert这样宣布:“智能化执行功能将使得本系统更加安全和有效。”

电火花钻床能够加工高达2600mm深的钻孔

“当难加工材料的机械加工达到其极限时,电火花熔蚀加工的应用就开始了,”这就是位于Kahl的Heun Werkzeugmaschinen & Industriebedarf公司CEO Rüdiger Heun的经验之谈。他补充说:“一次再一次地,创新和未来发展表明此项技术仍然存在着巨大的潜力,能够进入那些以前从未涉足的应用领域。”在使用一台电火花熔蚀钻床时,这家企业以仅3mm的电极直径达到了2600mm的钻孔深度。

电火花熔蚀钻孔用于生产质量最精细的钻孔。只有在电火花熔蚀钻孔的基础上,刀具的微细加工、机床部件、外科针头或植入物才成为可能。Rüdiger Heun继续说:“采用0.08~6.0mm的管状电极可以加工出柴油发动机和汽油发动机用的喷油喷嘴内的钻孔,而且没有抛光和入口变形问题。涡轮机叶片内的冷却孔也可以在不对材料本身产生影响的情况下加工出来。进一步的应用领域是加工用于轮胎花纹的通气孔以及用于电火花线切割的起始孔钻孔。


图5 在油槽内对一个陶瓷齿轮进行电火花线割加工

目前正在试图加工深度2900mm的钻孔

最初的要求是在一个工件上钻出一个1500mm深的盲孔以及深度为3000mm和直径为300mm的通孔。这个孔用2~6mm直径的电极加工完成。Rüdiger Heun表示:“通过大量的实验工作以及与客户合作进行不断的改进,我们获得了目前的成果。”目前,正在进行用1mm直径电极加工深度高达2900mm的孔。

据位于Brensbach的Zimmer & Kreim公司的计划,制造业至少在电火花加工领域会变得更加丰富,董事会主席Wolfgang Emert这样宣布:“智能化执行功能将使得本系统更加安全和有效。”位于Chameleon输送系统刀库凸缘多达7种颜色数值的LED指示灯甚至能从远距离给出有关加工过程的重要信号:刀库空间已占用(绿灯)、刀具正在使用中,加工过程正在进行中(黄灯闪烁)或“警告——过程中发生错误”(红灯)。

这些LED指示灯安装在每个刀库凸缘的背侧。“这样用户即使在较远距离就可以检查工件或电极的状态并迅速做出相应反应,”Emert这样说明。这种信号语言通过用于Chameleon输送系统软件的拓展编程实现。这样指示灯颜色的组合类似于“作业管理器”或机床控制系统所使用的刀库总览图。即使人为失误也已经计算在内;如果用户错误地想要占用一个已经标为黄色的刀库位,程序就会自动通知此事并给出警告。然后,机器人将重新执行识别程序,拣取那些要在此时重新安放的部件,然后将这些部件登记到当前程序内。当前正在使用的电极将由操作者给出一个新的位置,程序将记下这个位置。

刀库监测系统控制刀具分配

在某个明显空闲的位置被宽度过宽的工件或电极错误填充时,这套系统将通过一套特殊的警告系统做出反应。“这种错误放置操作有可能导致代价高昂的后果,因为这样有可能导致钩挂、碰撞或甚至损伤邻近工件,”Wolfgang Emert解释说。程序允许提前阻塞邻近空间的使用,从而阻止发生此类错误。用户将立刻得到相关刀库发出的错误信号的提醒,而且LED指示灯将转为红色。这里有一项特别的功能,在触摸某个按钮时,所有分配给同一订单的电极都将显示出来,相关LED指示灯转为紫色。

刀库凸缘本身得到了改进。凸缘上安装了额外的溢放管:滴落的电介质材料将逐层通过一些薄层向下转送并汇集到一个地板滴盘之内,而不会与工件和电极发生任何接触。这样滴落的介质材料就再不会弄脏工件或电极的接触点,从而不会造成电火花加工过程中精度的损失。

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