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电火花加工的最新发展(上)
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电火花加工和高速铣削加工的区别
来源：洪先生 发布时间： 10:37:46
&&& 牧野电火花成型加工是一种放电热腐蚀的加工工艺，在放电加工时几乎没有机械力的作用。而高速铣削加工则是一种采用一定几何外形的刀刃进行切削的加工工艺。即使从这些经常不太注重的区别中，就能为某些应用确定基本能力的一些特征。高速铣削加工是通过加工转向，在制造石墨电极和铜电极中站稳了脚跟，从这个角度来看，高速铣削工艺已成为牧野电火花加工工艺的一种互补的加工工艺。
　　牧野电火花加工机床和高速铣床的运行费用在很大程度上是相称的。前提是以相同类型的机床进行相互比较。在进行这种比较时，等费用的考虑是尽管高速铣削有明显的长处，但对于一些几何外形复杂的构件，只能采用牧野电火花机加工才能精密和可靠地进行加工。
　　与牧野电火花加工相比，高速铣削还受到另外一些条件的限制，即型腔深度对宽度的比例。型腔深度对型腔内壁转角处半径的比例对高速铣削也有着类似的限制。对此，两种加工工艺可以例如在加工单元中不同平常地进行组合是有意义的。对于这种组合，通过牧野电火花加工来完成那些用高速铣削不可能完成的加工任务。
　　在最近的十年里，高速铣削不仅减少了电火花加工的市场占有率，而且也使常规铣削加工减少了市场份额，高速铣削还挤进了硬加工领域。
　　从可以达到的加工表面质量来看，目前，这两种加工工艺都能达到同等的水平，而高速铣削则占有小小的优势。在实际生产中，牧野电火花加工受到下列限制：电火花加工所能达到的加工表面质量取决于电极的作用面积，若增大作用面积，则所能达到的表面质量会下降。
　　可以认为高速铣削是一种快速的加工工艺。粗加工时，在所能达到的单位时间材料切除量，或精加工时，在单位时间可实现的加工表面积，高速铣削比电火花加工有着3～4倍的速度优势。但是，就无人操作运行来说，牧野电火花加工设备在自动化运行方面应该说过程是比较可靠的，这种设备在一天工作之后还可以继承运行。
　　&往复走丝电火花线切割机床的切割方法&是一种全智能控制电极丝往复走丝的方法，是往复走丝四十多年发展过程中的重大创新，是对传统加工方法的一次革命，它彻底颠覆了往复走丝机床是&低成本、低精度&的传统观念。走出了一条&低成本、高精度&的全新之路。
　　江苏三星机械发明的这种切割方法，具体是将贮丝筒加长，使贮丝量增加。加工时，将贮丝筒上的电极丝分成三个工作区域，即粗加工区、半精加工区和精加工区。在多次切割(即一刻两修或一刻四修)时，将被加工工件的粗、半精、精加工分别使用不同区域的电极丝进行切割。粗加工时，利用贮丝筒上电极丝总长的二分之一；中加工时，利用总长的四分之一；精加工时，利用总长的四分之一。
　　长时间加工后，电极丝的损耗主要集中在大电流、大脉宽的粗加工段，而半精加工段的电极丝损耗，仅为粗加工段的三分之一左右，精加工段电极丝损耗则小于0.001m。经过一割二修或一割四修加工出来的工件，采用该切割方法，可以确保小批量模具(如电机模的冲头)零件加工精度、表面粗糙度的一致性；加工大型模具工件时，其加工精度，粗糙度不会因为电极丝损耗，而使切割的产品精度、粗糙度下降。其加工精度可以和慢走丝(单向走丝)相媲美。
　　由于精加工段电极丝的加工电流和脉冲能量很小，所以精加工段电极丝损耗及表面的电蚀坑也非常小，使得电极丝在长时间的加工后，表面仍能保持很好的粗糙度和圆度。而传统机床粗加工、半精加工、精加工共用一段电极丝。用不了多长时间，电极丝损耗和表面粗造度的变化较大，不但被加工零件的精度下降，粗造度也同时变差。本切割方法弥补了传统往复快走丝线切割机床因电极丝长时间加工损耗，降低加工件精度、表面粗糙度的缺馅；
　　传统的往复走丝电火花线切割机床，一年运行成本仅1万-1.5万，而慢走丝一年运行成本需6万-10万，年运行费用约为慢走丝的1/6左右(不包含电费、人员工资、折旧费等)。但慢走丝具有加工粗糙度好、加工精度高的优点，这是传统快走丝机床无法实现的。
　　运用&往复走丝电火花线切割机床的切割方法&，既保持了往复走丝原有&低价格、低使用费用&的优势，又能实行精度高、粗糙度好的一体加工。因此，使用这种切割方法可以让往复走丝线切割机床成为一种高性价比的高精度、高粗糙度的电火花线切割机床。
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核心提示： 高速铣削加工与传统的数控加工方法没有什么本质的区别，两者牵涉到同样的工艺参数进给量、切削速度和切削深度，也同样需要切削刀具和NC程序。 高速铣削加工与传统数控铣削加工方法的主要区别在于进给速度、切削速度
&&& 高速铣削加工与传统的数控加工方法没有什么本质的区别，两者牵涉到同样的工艺参数&&进给量、切削速度和切削深度，也同样需要切削和NC程序。
&&& 高速铣削加工与传统数控铣削加工方法的主要区别在于进给速度、切削速度和切削深度的工艺参数值不同。高速数削加工采用高进给速度和小切削参数；而传统数控加工则采用低进给速度和大切削参数。具体地说，从切削用量的选择看，高速铣削加工的工艺特点表现在以下几个方面：
&&& 1)主轴转速（切削速度）高在高速加工中，主轴转速能够达到r/min，一般在20000r/min以上。高速加工的这个特点必须依赖于良好的设备，特别是高质量的机床主轴和主轴。
&&& 2)进给速度快典型的高速加工进给速度对切削钢材而言在5m/min以上。最近开发的的切削进给速度远远超过这个值，如德国的XHC240，最大进给速度可达60m/min。
&&& 3)切削深度小& 高速加工的切削深度一般在0.3&0.6mm之间，在特殊情况下切削深度也可以达到0.1mm以下。小的切削深度可以减小切削力，降低加工过程中产生的切削热，延长刀具的使用寿命。从加工方式上讲，小的切削深度和快的进给速度能够获得加工时更好的刀具长径比L/D（其中L指刀具长度，D指刀具直径），使得许多深度很大的零件也能完成加工。应该说，这是一种相当合理的加工方法。
&&& 4)切削行距小高速铣削加工采用的刀具轨迹行距一般在0.2mm以下。一般来说，小的刀具轨迹行距可以降低加工过程中的表面粗糙度，提高加工质量，大幅度减少后续的精加工过程。
&&& 从加工的效果和经济效益看，高速铣削加工具有以下的优点：
&&& 1)加工质量好& 与传统的切削加工相比，用高速加工容易生产和剪断切屑。当切屑厚度减小时，切屑温度上升，结果切屑更为碎小，而当应力和切屑都减小时，刀具负载变小，工件变形也小，产生的磨擦热降低，同时大量的切削热量被高速离去的切屑带走，所以和刀具的热变形很小，模具表面没有变质及微裂纹，从而大大改善工件的加工质量，并且有效地提高其加工精度。一般来说，高速加工精度为10&m甚至更高，表面粗糙度，有效地减少了电加工和抛光工作量。
&&& 2)刀具的使用寿命长在高性能计算机数控系统的控制下，高速加工工艺能保证刀具在不同速度下工作的负载恒定，再加上刀具每刃的切削量极小，有利于延长刀具使用寿命。
&&& 3)工作效率高模具制造中，采用高速铣削对模具进行高速精加工，可改进模具的表面粗糙度和几何精度，除最后的油石打磨工序外，可免除所有的手工精整。虽然切削深度和厚度小，但由于主轴转速高，进给速度快，金属切除量反而增加了，加工效率也提高了。如在的锻压模的加工中，型腔全部可由高速铣削来完成，材料硬度高达54HRC，加工时间为88min，而按照以前的工艺，从生产电极、加工到抛光大约得需17h。新日本工机(SNK)公司开发了一个横向进给量为0.5mm的汽车模具高速铣削工艺，其直流系列的主轴转速为8000r/min，带有恒定切削负载的双CPU控制，精加工后的摸具表面粗糙度为10&m。一个30&的主轴附件使刀具倾斜，因而不使用球头刀的顶端切削，以得到足够高的切削速度，并可用于在垂直壁上进行加工，结果在加工精度与速度方面都得到了改善，模具的加工时间缩短为原来的29%。
&&& 4)加工总成本低模具制造工时中钳工作业时间占25%&38%，为了在竞争中能加快投入市场，迫使工厂力争缩短交货期。钳工精整也是产生几何误差的一个根源，因为手工打磨并不像机床上编程的刀具轨迹那样得到控制，钳工误差在模具试用阶段会导致失效而需要更多的返修费用，所以从产量与质量而言，都关心如何免除或尽量减少钳工作业，尽管钳工作业的单位费用比CNC的单位加工费用要低，但总费用往往是要高得多。球头端铣刀是用于高速精铣的基本刀具，它能加工出较细的表面粗糙度，或是较小的加工残差。表面粗糙度值愈小，最终的抛光循环时间愈短。高进给率只有在驱动球头铣刀以较小的跨距快速切削时才有好处，从一些实例表明，高速镜削能将精铣的时间减少4/5。高速有利于提高生产率，更主要的是能尽量减少或免除钳工作业。
&&& 5)直接加工淬硬模具高速加工可以在高速度、大进给的方式下完成淬硬钢的精加工，且可达到很高的模具表面质量，且效率比常规方式高出4-6倍，所加工的材料硬度高达62HRC，而传统铣削加工只能在淬火之前进行，因淬火造成的变形必须经手工修整或采用电加工最终成形，现在则可以通过高速加工来完或，省去了电极材料、电极加工编程及加工以及加工过程所导致的表面硬化。另外，由于高速加工切削量少，从而降低了工件的表面粗糙度，加上较高的加工精度，所以不仅仅是省去了过去机加工和电加工几道工序，还省去了电加工后的磨削和抛光的工序。加工工序的简化对缩短生产周期的贡献甚至可超过高速加工速度提高而产生的价值。
&&& 6)加工高质量的模型和样件对于耐热、耐磨要求较低的模型（例如吹塑模、蒸发皿等）以及批量生产之前的样件常常采用易加工材料，但精度要求往往较高。像手工工抛光这样成本高的再加工应该尽量避免。高速切削技术也被应用在加工光学部件上，加工时间由25h缩短为5h，表面质量也有所提高，不需要进一步抛光，表面便可到达镜面要求。
&&& 另外，高速铣削加工对机床主轴、切削刀具、计算机数控系统、伺服进给系统和数控编程方法的要求与传统的加工方式不同。当今，电火花加工和高速铣削是制造模具的关键工艺，这两种工艺既相互竞争，又相互补充。近十年来，随着超硬、驱动技术、机床和控制技术的不断发展，高速铣削已在部分场合替代了电火花加工。高速铣削工艺在加工自由曲面及体积较大的型腔时，有着无可比拟的高效率，并由于加工精度高和表面质量好，从而可免去后续的补充加工，大大简化了生产工艺流程。然而，电火花成形加工工艺，在诸如加工较深、较窄或有着极小的内圆角半径的型腔和加工复杂几何形状的零件，以及在加工硬度超过60 HRC的模具零件时，则有着比高速铣削更好的技术经济优势。
由此可见，通过高速铣削和电火花加工两种工艺的相互结合，实现优势互补，也就是通过工业机器人和工件储存库把电火花加工机床和高速铣床连接成一个单元，或一个系统， 实现自动化加工，由此来提高生产效率、降低单件成本、提高加工精度和缩短生产流程时间及供货时间，从而增强企业的竞争力。
近5～6年来，在欧洲生产电火花加工机床又同时制造高速铣床的诸如像德国的欧普斯-英格索尔（OPS-Ingersoll）、瑞士的GF阿奇夏米尔（GF Agie Charmilles）和德国的艾克隆（Exeron）等公司纷纷推出集成电火花加工和高速铣削加工的加工单元或模具中心等自动化综合加工设备。
GF阿奇夏米尔公司为在模具制造领域里展示自己在电火花加工和高速铣削加工方面的相关技术，在其舍恩多夫（Schorndorf）的应用和服务中心里陈列了一个集成铣削加工和电火花加工的线型加工单元，用于制造注塑模型芯的镶件。高效加工中心（Mikron UCP 600 Vario）和电火花加工机床（Form 2000）通过沿轨道行走的机器人（Workmaster Linear-System 3R）操作搬运电极和工件托盘。该单元系模块化结构，可根据需要进行扩充。据报道，采用该设备可降低46%的制造费用。
该加工单元在接受作为订单的加工任务后，就可从CAD/CAM开始，从编程、机床控制、工件托盘夹紧、电极和铣刀的选取，机床的加工启动和已加工完的工件成品取下以及在框架式储存库上工件的存取均可自动进行，而工人只需在装卸料工位把工件托盘装到加工单元的框架式储存库上。通过自动化解决方案把两种不同加工方式的机床集成在一起，实现工件的综合高效加工。客户可以拿着他们的加工任务来到应用中心，利用GF阿奇夏米尔公司的专有技术帮助找到合适的解决方案。
德国Ruhla模具制造公司是一家制造注塑模、冲模和弯曲模的小型企业，有职工45人。前几年，由于公司业务的开拓和发展，现有两台机床的电火花加工能力，一年只能达到5000个小时，而实际需要8000个小时。而外购的电极和外面的电火花加工往往不能符合厂里的质量要求。当时Ruhla公司的领导在Schorndorf的GF阿奇夏米尔公司的应用和服务中心里看到了电火花成形加工的自动化解决方案，因此决定和GF阿奇夏米尔公司进行合作。在2008年初，在公司里安装了一个全自动、集成电火花成形加工和高速铣削石墨电极的加工单元（图1），在当时，这一套设备是欧洲的首台设备，通过投资于高度现代化的加工单元，在技术上大大提升了公司的竞争能力。
图1 集成电火花成形加工和高速铣削的全自动化加工单元
(资料来源：Ruhla模具制造公司)
这一套加工单元主要由下列设备组成：
◇ 两台电火花成形加工机床（Agietron Impact 2和AT Hyperspark 2 HS）；
◇ 高速加工中心（Mikron HSM 300 Graphite Master）；
◇ 三坐标测量机（Zeiss公司的Vista）；
◇ 关节型工业机器人（Handling Tech公司）；
◇ 识别系统（Zwicker系统公司的Flashident）；
◇ 系统管理软件（Zwicker系统公司）；
◇ 装卸料工位和（加工单元的）上料工位。
加工单元的运行方式：设计石墨电极、电极的高速铣削，然后由机器人（图2）将电极存放到框架式中间储存库里。工人在外面从框架式仓库上取下电极，在三坐标测量机上进行测量，然后把电极放回料库任何一个位置上，由识别系统将位置信息传给管理系统。在装卸料工位工件夹紧在工件托盘上，通过上料工位传输给加工单元。在加工单元内，由关节型工业机器人来操作工件托盘，在进行加工工序期间，机器人把工件托盘存放在框架式料库上，由识别系统确认这个存放位置。在后续加工结束后，机器人又把托盘送回到卸料位置。
图2 目前，加工单元有300个电极托盘储存位置和24个工件托盘储存位置。
在一台空架轨道上行走的关节型机器人为一台加工中心和两台电火花成形加工机床供给电极坯料和电火花加工用的电极。（资料来源：GF阿奇夏米尔）
总共有四名职工分别为加工单元拟订加工规划、设计电极和在装卸料工位、测量工位以及加工单元上从事一些辅助服务工作。加工单元也可以在无人看管的情况下运行。
加工单元投入使用以来，其主要使用效果表现在电火花成形加工的能力提高约3000个小时，电极的制造时间缩短约70%和提高了设备的柔性。
欧普斯&英格索尔公司为Beckmann模具制造厂提供了一套由一台电火花成形加工机床Gantry 500、一台高速铣床OPS 650、一个料库和一台机器人组成的模具中心。由任务管理系统协调加工过程，根据任务优先原则对加工进行排序。料库有装有发讯芯片的8个工件托盘和180个电极夹头，机器人和机床由此能可靠识别任何一种工件。模具中心可24小时可靠运行。工件能在一次装夹后完成综合加工，大大提高了加工质量，成倍提高了加工速度和产量，从而缩短了供货时间。
在这里，对艾克隆（Exeron）公司和它的自动化加工系统Cxo-Cell作一简单介绍，艾克隆公司是一家有着30年制造电火花加工机床历史的著名企业。该公司为了提升自己在模具加工设备领域里的竞争力，几年前，它收购了Chiron公司高速加工中心的Digma品牌。目前，该公司推出的自动化加工系统是由一台电火花加工中心exeron 312、一台铣削中心exeron HSC 300 、一台6轴工业机器人和一个回转式料库（exeron AWEX 150/10）组成。
从上述介绍的情况可以看出，高速铣削和电火花加工的结合，体现了模具加工工艺朝着高效低成本发展的趋势。同时还可以看出，模具生产企业显然是特别注重这种自动化集成的解决方案应由既生产电火花加工机床，又制造高速铣床的一家公司来供应，同掌握这两种工艺的厂家进行合作，无疑可获得工艺上不偏不倚的建议和投资决策的帮助，这种一揽子解决方案同时也方便于设备的维护和检修。
目前，通过系统自动化技术，集成不同加工工艺已是模具制造技术的发展趋势。电火花成形加工和高速铣削集成到了一个加工单元或加工系统中，充分发挥各自的工艺优势，明显提高了设备生产效率、缩短制造和供货时间，提高加工精度以及降低单件成本，从而提高了企业的竞争力，而这些成果对于采用单独运行的设备是难于取得的(编辑：李莉)
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作者：上海沙迪克软件有限公司 李立&&&&来源：现代模具
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高速铣削加工(HSM或HSC)一般采用非常高的转速，较快的进给量，非常小的径向与轴向铣削深度对进行铣削加工。在铣削时，大量的铣削热被切屑带走，因此工件的表面温度较低，工件变形小，可切削较硬的表面，给现代模具加工带来了新的加工技术。
(1)改善了工件的加工精度和表面质量。高速必须具备高刚性高精度等性能，同时由于铣削力低，工件热变形减少，高速铣削的加工精度很高。铣削深度较小，而进给较快，加工表面粗糙度很小，铣削铝合金时可达Ra0.4~0.6，铣削钢件时可达Ra0.2~0.4。
(2)有利于加工薄壁模具和整体结构式零件。高速铣削铣削力小，有较高的稳定性，可高质量地加工出薄壁模具和整体结构式零件。如高速切削可使飞机大量采用整体结构零件，明显减轻部件重量，提高零件可靠性，减少装配工时。在数码产品或继电器产品中，薄壁模具加工困难，但采用高速铣削技术可以大大改善。能加工出壁厚0.2mm，壁高20mm的薄壁零件。
(3)可加工高硬度高强度的脆性材料，代替部分加工。 目前，高速铣削已可加工硬度达HRC60的零件，进行硬切削。高速铣削允许在热处理以后再进行切削加工，改变了模具的制造工艺，不再是硬材料非得电火花加工的单一模式。
(4)提高了模具的生产率
铣削速度和进给速度的提高，就提高了材料的去除率，加工速度得到一定的提高。同时，可加工淬硬材料，表面质量达到加工要求，无需抛光或电加工，缩短了工艺路线，大大提高了生产率。
电火花加工() 又称电加工，属于特种加工的技术范畴，是广泛采用的高速铣削加工的重要补充和发展，主要包括电火花成型加工和电火花加工。现代电火花加工是数字系统控制下直接利用电能加工工件的一种方法，因些与其他加工方式相比有自己独立的特点：
(1)直接利用成型电极或线状的电极丝作为切削工具，不需要专门购买昂贵的，可节约制造费用。
(2)可以加工用传统切削加工方法难以加工或无法加工的形状复杂的工件。对不同的工件只需编制不同的控制程序或加工电极，很容易实现自动加工，很适合小批量形状复杂零件、单件和试制品的加工，且加工周期短。
(3)利用电蚀加工原理，电极丝或成型电极与工件不直接接触，两者之间的作用很小，故而电极丝或工具电极不需要太高的强度。
(4)在高速铣削加工中，刀具硬度必须比工件大，而数控电火花加工的电极材料不必比工件材料硬，可节省辅助时间和刀具费用。
(5)直接利用电、热能进行加工，可以方便地对影响加工精度的加工参数(脉冲宽度、间隔、伺服速度等)进行调整，有利于加工精度的提高，便于实现加工过程的自动化控制。
(6)工作液一般采用水基乳化液或专用火花油，可实现浸液加工，冷却状态好。
(7)利用四轴或五轴联动，可加工锥度、上下面异形体或回转体、螺纹等各种零件。
(8)电火花线切割加工由于电极丝比较细，可以方便地加工微细异形孔、窄缝和复杂截面的型柱、型孔。由于切缝很窄，实际金属去除量很少，材料的利用率很高。对加工、节约贵重金属有重要意义。
近几年来，由于电火花加工解决了加工表面质量问题，再加上自动化智能化一系列的技术进步，使得电火花加工技术有了质的飞跃，其以柔克刚独特的加工性能，目前还找不到哪一种加工技术可以与之竞争。
现代模具制造的发展方向是两者结合，取长补短。 高速铣削是一项系统技术，企业必须根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床，选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速模具加工效果。电火花加工是高速铣削加工的有力补充和坚强后盾，在高速铣削无法加工的微小区域或复杂区域电加工机床发挥着极其重要的作用。如国外将高速铣削中心与电火花机床并在一起制造，由同一系统控制，称之为模具制造中心。该模具制造中心可实现模具制造的无人化智能化加工。总之，模具企业必需充分发挥两种数控技术的各自优势，并进行优化结合，才能发挥出模具的最高效率！
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作者简介：
李立，男，1979 年生，测试与应用培训工程师。主要测试应用培训范围为数控精密电火花加工、数控高速铣削加工,发表过多篇数控加工实用性论文,编著有/＜＜...
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