陳德忠 蘇州電加工機床研究所| 在衝壓模加工方面獨樹一幟的數控低速走絲電火花線切割機床（LSWEDM），近年來其加工效率不斷提升，加工精度也邁上了新台階。同時，得益於優化放電能量的新型電源和防電解（AE）脈衝電源的採用，LSWEDM技術的加工表面質量也取得了全新突破。 |
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電火花加工機床（EDM）用於模具加工已相當成熟。EDM技術在模具工業中的作用和地位還將不斷攀升。在我國，技術含量高的大型、精密、複雜、長壽命模具不斷增長，催生了諸多高新技術模具加工設備，高效、精密、數控低速走絲電火花線切割機床（LSWEDM）便是其中的一個典型代表。
在衝壓模加工中“獨樹一幟”
在衝壓模加工方面，數控低速走絲電火花線切割機床可謂獨樹一幟。只是在相當長的一段時間裏，限於LSWEDM加工後的表面質量問題，影響了模具的壽命，故其一直未能作為最終加工的手段。近幾年來，LSWEDM在加工表面質量上的問題得以解決，同時這一技術有了質的飛躍，獲得了超群的加工性能。
LSWEDM主要用於精密、高效、長壽命衝壓模的加工製造。標誌著衝壓模先進水平的是多工位級進模，這種模具具有結構複雜、製造難度大、精度高、壽命長、生產效率高及耗能耗材低等一系列特點。較具代表性的有以下幾種：
1. 機電一體化的電機鐵芯自動叠片硬質合金多工位級進模。其精度達2μm，步距精度達3μm，拼塊精度1μm，雙回轉精度1’，表面粗糙度Ra 0.10~0.40μm。具有自動衝壓、疊片、扭槽、分組、回轉等功能，模具壽命達1.0億次以上。
2. 精密、高效、長壽命的空調器翅片多工位級進模。其精度達2μm，凹凸模工作面近千處，沖裁間隙為0.01mm的有300多處，同類型可互換，模具壽命達2億次以上。
3. 高難度成形的彩管電子槍零件，G5底25工位硬質合金級進模。其精度達2μm，沖制0.245mm厚的無磁不鏽鋼，製品精度±5μm，模具壽命3000萬次以上。
4. 高水平的集成電路框架32工位級進模。其精度達2μm，模具沖速達350~500次/分，壽命5000萬次以上。
5. 手機連接器50工位級進模，其精度達2μm，步距精度3μm，沖速400次/分以上，模具壽命2億次。
在這些精密、高效、長壽命模具的加工製造中，LSWEDM是不可缺少的關鍵設備，特別是作為模具關鍵部位的硬質合金型孔加工，更成為LSWEDM大顯身手的“舞台”。反過來，不懈滿足這些高新技術模具加工需求的過程本身，又有力促成了LSWEDM技術的不斷進步。
LSWEDM高效加工技術的新進展
1. 最大加工效率
在我國，LSWEDM的最大加工效率剛達到300-400mm2/min。在國外，最近有了新的突破。最大加工效率依賴於窄脈寬高峰值電流脈衝電源的開發，國外在窄脈寬的情況下，其最大峰值電流1200A，甚至更高，高峰值電流與其他條件配合（各種控制方式、供液條件、複合電極絲等），可使最大加工效率達到500mm2/min。
圖1 PROGRESS機床在Ra 0.8μm時的最大加工效率 |
例如，瑞士GF阿奇夏米爾公司的AGIE CUT PROGESS機床採用數字化的IPG智能電源，用φ0.33mm的電極絲，其最大加工效率可達500mm2/min以上。值得一提的是，該機床配備的e-cut電源，使用標準電極絲在加工效率達350~500 mm2/min的情況下，Ra可達0.8μm（圖1），這種能達到Ra 0.8μm水平的高效粗加工，對於最終實現精密加工的多次切割來說，可節省約50%的加工時間，減少約40%的濾芯消耗、40%的樹脂消耗、60%的絲材消耗，技術經濟效益相當明顯。
2. 平均加工效率
由於需要使用粗絲（φ0.33~0.36mm），而精密加工只能用細絲（例如φ0.10mm等），因此最大加工效率在精密衝壓模加工中往往難於應用。GF阿奇夏米爾公司開發的雙絲切割機床，可進行電極絲的自動交換，實現了粗加工用粗絲、精加工用細絲，不僅大幅提高平均加工效率，還實現精密加工。
瑞士GF阿奇夏米爾的ROBOFIL 2050TW、ROBOFIL 6050TW雙絲加工機床，解決了精密和高效加工的矛盾，使總體加工時間大為縮短，一般可節省30~50%的加工時間，同時可節省價格昂貴的細絲，有效降低了加工成本。
3. 變截面加工效率
LSWEDM在模具實際加工過程中，不可避免地會遇到不同的加工截面。隨著加工截面的變化，通過自動檢測，能夠根據截面的變化自動控制加工能量，使加工效率自始至終保持最佳狀態，這也是提高變截面加工效率的一種有效措施。
例如，日本三菱公司的FA系列機床採用了加工電源控制系統，該系統由工件厚度檢測器、加工狀態檢測器和脈衝能量輸出控制器等部分組成，以適應加工截面的變化，尤其適合台階形、中空形、薄形等零件加工，能有效防止斷絲，提高加工效率。
圖2 有無最大能量控制專家系統的加工比較 |
圖2顯示出這種智能化加工技術的實例。在應用了最大能量控制專家系統的場合，只需在該系統中輸入電極絲直徑和類型、工件材料即可自動進行最佳加工，根據加工過程中不同的加工厚度自動增減加工能量，以保持最高加工效率。經驗證，採用這一專家系統之後，加工效率一般能提高約30%。
LSWEDM加工表面質量的新突破
加工表面質量決定了LSWEDM能否直接進入精密加工領域。有關LSWEDM技術在加工表面質量改善的新突破，主要體現在以下兩方面。
1. 優化放電能量的新型電源
電火花加工時，為保持同樣的加工效率，在放電能量相同的原則下，採取壓縮放電時間和增大峰值電流I的方法可以優化脈衝能量，從而較大程度地改觀表面質量。
2. 防電解（AE）脈衝電源
一系列的生產實踐證明，AE脈衝電源是控制工件表面電化學反應的最有效方法。
AE電源的交變脈衝是平均電壓為零的脈衝電源，由於交變脈衝使OH—離子在工作液中處於振盪狀態，不趨向於工件及電極絲，可以防止工件表面的鏽蝕氧化，硬質合金的鈷結合劑也不會流失，與優化放電能量配合，可使表面“變質層”控制在1μm以下，這樣，LSWEDM加工的硬質合金模具的壽命便能達到機械磨削的水平。
LSWEDM加工精度上新台階
1. 新興精密機床結構
提高LSWEDM的加工精度是個系統工程，除了脈衝電源、各種控制系統、工作液系統、加工工藝技術等等以外，精密機床結構也是非常重要的基礎因素。
在精密機床結構方面，例如GF阿奇夏米爾的AGIE CUT VERTEX機床。
該機床採用了類似三坐標測量機的三點吸振支撐結構，各軸的運動不會影響其他軸的精度；各運動軸採用直線光柵尺與編碼器雙測量回饋伺服系統，其位置檢測控制精度達0.1μm。為滿足φ0.02mm電極絲的精密切割加工，機床上設置了兩個電極絲探測器以檢測絲的運行狀態，以精確控制絲的張力、吸收振動和隔絕外界乾擾等。此外，該機床還推出了錐度切割新功能，有效提高了錐度切割精度。
2. 多次切割加工工藝
LSWEDM粗、精加工的多次切割加工不是新技術，但它是實現精密加工的重要工藝技術，能體現整機的總體水平。可以說，多次切割最終加工的工藝指標如何，可直觀體現出精密機床的設計製造技術、數控技術、智能化技術、脈衝電源技術、精密傳動及控制技術、工作液系統等等的水平高低。
代表LSWEDM精密加工的主要指標是加工精度和表面粗糙度。對於加工精度，國外各廠商的表達方式各不相同。在我國以國家標準檢驗加工精度。
儘管這樣，對於高檔LSWEDM來說，以其完善的表面質量（無變質層），高水平的加工精度，完全可對各類精密衝壓模進行最終精密加工，無需手工拋光等後道工序，因此工件表面不會有任何拋光損傷。
3. 細絲切割加工技術
細絲切割屬於精密加工技術。過去的細絲切割絲徑為φ0.05mm，現在則已達到φ0.02mm。細絲切割加工中的自動穿絲功能十分重要，目前已能對φ0.02mm的細絲進行自動穿絲。在一台機床上進行粗、細絲自動交換加工，是雙絲系統LSWEDM的明顯優勢。
在衝壓模加工中，細絲用於內清角加工，用φ0.02mm的細絲，可加工出內角半徑為15μm的清角。在IC行業中，集成電路框架模的細絲切割加工，有其重要的應用價值。目前集成電路引線腳已多達100根以上，其引線的線腳間距很小，模具材料一般為硬質合金，所以適合細絲加工。其他則還可用於如微型接插件、微型馬達鐵芯、微型齒輪等的模具加工。
在LSWEDM加工精度方面，除上述內容外，還有如錐度加工精度、拐角加工精度、平直度等。
當前，瑞士GF阿奇夏米爾公司、日本沙迪克公司、日本三菱等的LSWEDM應為國際知名品牌，我國的內資企業蘇州電加工機床研究所有限公司、蘇州三光科技股份有限公司等的LSWEDM當屬國內領先水平。
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