石墨電極電火花加工機床的發展現狀*

周玉海，王成勇

（1.廣東工業大學，廣東廣州 510006；2.廣州鐵路職業技術學院，廣東廣州 510430）

0 引言

電火花加工機床是利用電火花加工原理加工導電材料的特種加工機床。又稱電蝕加工機床、數控電火花機床、電火花、火花機。電火花加工機床主要用于加工各種高硬度材料（如硬質合金和淬火鋼等）和復雜形狀的模具、零件，以及切割、開槽和去除折斷在工件孔內的工具（如鉆頭和絲錐）等，如電視機喇叭網型腔、手機型腔、揚聲器格柵、型腔等。采用CIP（Cold Isostatic Pressing）工藝生產冷等靜壓石墨具有高強度、低消耗、結構細密、理化特性均勻和各向同性等特性。相比普通模壓石墨具有優異的機械物理性能，其顆粒沒有擇優取向，強度和導電能力等在各方向上都一致，具有組織均勻、顆粒細小、強度高等特點。石墨電極在CAM編程、CNC加工、電極拋光、放電粗加工和放電精加工等工序的時間均比銅電極短，平均節約時間在2倍以上。石墨電極已經取代銅電極成為電火花加工用電極材料，廣泛用于電加工修整大體積模具、微細筋槽、微細電極等特殊結構要求的精密電極，具有復雜曲面的汽車輪胎模電極，用于形成模具中窄槽的薄壁電極，成為主流電極。影響石墨電極電火花加工性能（加工速度、加工表面粗糙度和電極損耗）的因素主要有機械系統性能、脈沖電源、控制系統、加工面積、放電參數、工件材料、工作液、電極形狀、沖液方式等。本文作者總結石墨電極電火花加工數控機床的特點，石墨電極由于材料和性質與銅電極存在顯著差異，因此放電機床選型方面也具備特定的要求，對國內外數控電火花加工機床技術特點及發展趨勢進行比較深入和系統的評述，并對數控電火花加工機床的應用與市場拓展進行分析。

1 石墨電極電火花加工機床特點

1.1 石墨電極的EDM加工特性

石墨電極密度小，同等體積電極質量輕，大體積使用時火花機主軸負載??；石墨材料導電性能好，可承受電流強度大，大電流下電極損耗小，可進行高效率EDM加工；石墨為顆粒狀結構，小電流放電時電極損耗大，不適用于拋光放電加工；石墨電極熔點高，熱膨脹系數小，不易變形，EDM加工時電極精度保持性好。石墨電極主要用于模具模芯骨位、異形曲面及微細復雜型腔的EDM成型加工，尤其在大電流高速EDM加工中具有獨特優勢。圖1所示為石墨電極與銅電極的EDM加工速度和電極損耗率隨放電電流的變化趨勢，可知石墨電極的放電加工速度與放電電流成線性關系，可承受的電流強度更大；而石墨電極損耗在小電流下高，隨著電流的增大卻維持在低損耗狀態；銅電極的放電加工速度在40 A以下呈增加趨勢，40 A以上卻不再增加；而銅電極的損耗在小電流下高，在10～40 A維持低損耗，超過40 A則隨著電流的增大損耗呈增加趨勢，所以銅電極放電電流超40 A速度不加，損耗卻增大。

圖1 石墨與銅的EDM加工速度和電極損耗趨勢圖Fig.1 EDM processing speed and electrode loss trend diagram of graphiteand copper

1.2 石墨放電加工機床要求

在電火花加工中如何正確選用石墨材料，并達到最佳的使用效果，不僅需考慮石墨電極材料牌號，還要考慮加工參數及其機床性能等因素。影響石墨電極電火花加工性能（加工速度、加工表面粗糙度和電極損耗）的因素主要有機械系統性能、脈沖電源、控制系統、加工面積、放電參數、工件材料、工作液、電極形狀、沖液方式等。電火花加工機床由床身和立柱、工作臺、主軸頭、工作液和工作液循環過濾系統、脈沖電源、伺服進給機構、主軸頭和工作臺附件等部分組成。脈沖電能引起新的電能質量問題。EDM放電加工設備發展路徑由RC弛張式脈沖電源和機械液壓伺服到晶體管模擬脈沖電源和電液伺服，再到數字脈沖電源和數控伺服電機?？刂品矫鎻臋C械開關式單軸控制發展成單軸數控和多軸數控。機床電源由脈沖電源發展到智能化模糊控制放電加工技術。機床結構和精度決定了機床的加工性能和特點。王昆設計了電火花平動加工石墨電極，采用內部沖液和微動進給方式，搭建了電火花平動加工試驗系統，對碳化硅反射鏡安裝面電火花平動加工。本文作者根據國內外的有關設備從電火花機床表面光潔度、電極損耗、加工速度、加工精度四大性能要素和規格方面進行系統的分析和論述，可為石墨電極放電加工機床選型等提供參考。

2 國外石墨電極放電加工機床廠家及其產品

目前國外主要生產石墨電極電火花放電加工專用機床的 廠 家 有 Makino、 Sodicks、 Agie Charmilles、 Exeron、Ops-Ingersoll等公司，他們推出了各種專業高端電火花加工機床。

表1 Sodicks石墨電火花放電加工機床規格對照表Table1 Parameter specification of Sodicks EDM machine

2.1 日本沙迪克Sodicks

日本沙迪克Sodicks直線電機驅動高速電火花機床主要 有 AM45Ls∕AM36Ls、 AD30Ls、 AG40L∕AG60L∕AG80L、AQ15L、AP1L、AP3L、AD25Ls等型號。其中AD25Ls機型小、精度高、加工速度快，適合小件少量精加工，最大工件質量50 kg。AM45Ls是Sodicks公司的主流機型，號稱“最標準的石墨放電加工機床”，其特點是主軸采取直線電機驅動，表1為Sodicks部分石墨電極放電加工機床規格對照。

AQ15L為大型電火花放電加工機用直線電機驅動的高速、高精度加工，主要致力于儀表板等大型機動車相關零部件以及大型平板顯示器等的制造，是一種可實現大型模具高效率生產的大型電火花放電加工機。首創搭載X、Y、Z三軸直線電機，最大工件質量10 000 kg，最大加速度1.2 g，實現高速、高加速SERVOJUMP無噴流、高精度復制加工。采用不受工件重量影響的高剛性龍門型構造，在加工點軸線上配置Z軸，采用無過懸的機械構造，從而避免對全軸的直線電機推力造成損害，實現高響應、高精度的加工?！扒昂?、左右”完全對稱的構造可以把環境溫度對機床變形影響抑制到最小，實現穩定的高精度加工。表2 AD30Ls直線電機驅動高速電火花放電加工機床石墨電極加工實例參數表。

表2 AD30Ls直線電機石墨電極加工SKD11參數Table SKD11 parameters processing for AD30Ls linear motor graphiteelectrode

2.2 日本牧野Makino

2.2.1 超精密Edac1電火花機

Edac1超精密電火花機的特點在于通過機械結構優化設計實現超精密加工功能，該機床主體結構采用了無懸臂梁運動軸，加工區域接近運動軸導軌，機床整體剛度大，不容易變形，可實現直線度加工公差小于±2μm高精度加工。在處理環境溫度對機床變形方面，采取左右對稱結構，保持加工區域和強電柜、加工液冷卻裝置、泵等熱源保持較遠距離措施，EDAC1超精密電火花機床機械結構如圖2所示。

圖2 牧野Makino電火花加工機床Fig.2 Makino EDMmachine

在機床主體的背面、底面、強電柜與機床之間安置熱源屏蔽層，強電柜所散發的熱氣流從頂部強制排出，徹底消除熱量對機床主體的影響。機床可以根據工件材料和形狀特性選擇多達百種加工條件和數十個模型工藝，并可以優選高速或高精度加工，超精密EDAC1電火花機參數如表3所示。

表3 超精密EDAC1電火花機參數Table3 Parameter specification of EDAC1 EDMmachine

2.2.2 “超火花”快速大型精密Ednc6電火花加工機床

大型電火花機床包括Ednc6、Ednc8二款機型，大型機床采用固定工作臺設計，移動相對較輕的電極而不是工作臺，因此可高精度地在微米級往復搖動，具有良好加工性能且操作便捷。該款機型配置的“超火花”軟件控制技術提供了一種在粗、精加工時超出加工能量間隙的情況下更具適應能力的一種跳動控制功能。超火花縮短粗加工和精加工時間，特別是當單側帶錐度電極或筋骨類電極，例如采用石墨電極加工塑料模具鋼(Stavax)時加工深度為30 mm，最后獲得表面粗糙度Rz5μm(Ra0.9μm)，超火花耗時4.5 h，普通加工耗時9 h，縮短50%加工時間，效果明顯。

2.2.3 精密EDGE2電火花加工機床

高精密電火花機床包括Edge2、Edge3機型。加工系統配置多種加工知識資源庫，自動控制加工過程始終選擇合適的條件來實現最好的加工性能。超精面可提供細膩而均勻的粒狀表面，并防止產生針孔。少量的研磨加工即可得到所需要的表面。機器兩側取消維護空間，便于操作的緊湊設計。機床采用內置ATC的結構和可滑動的工作槽，可根據工件的厚度來調節高度三面開放式工作臺?？梢詫崿FRz2.0μm(Ra0.4μm)表面粗糙度無針孔超精密加工。

2.2.4 高精密EDAF2電火花加工機床

高精密電火花機床包括EDAF2、EDAF3二款機型，通過機械方法實現高精度，固定工作臺和一個進給軸設計在電極一側，使機床在電火花加工過程中提供快速反應和自如操作的需求。鑄件冷卻系統使機床獲得良好的熱穩定性，具有“超火花”軟件控制技術，最后加工精度可以達到Rz1.0 μm(Ra0.14 μm)。

2.3 瑞士阿奇夏米爾（AgieCharmilles）

2.3.1 通用模具FORM系列電火花加工機床

通用模具加工電火花機床包括FORM 300，200 Bp二款機型。裝備有專利技術的智能速度動力發生器（ISPG），在表面質量、材料去除和形狀精度方面符合國際標準。對石墨電極以及銅電極在粗加工和加工過程中，電極的損耗大幅降低。生產力提高了30%的同時100%可以達到形狀。即使是沖洗條件困難深狹的空腔，刻模加工的速度可提高50%，并且電極的損耗不大，FORM300機床外形和結構如圖3(a)所示。

2.3.2 超精細電火花加工機床

FORM微細加工電火花機床包括FORM1000、2000 VHP、3000 VHP三款機型。滿足接播件、醫藥及手表行業中零件小型化的加工需求微精加工，FORM1000配有適合精微加工要求和應用的性能的放電控制。獨特的直接工件和電極數據輸入，內置的工件模型和數據輸入模板Vi?sion管理系統，可以滿足智能制造自動化車間的要求。FORM1000配備有可活動工作臺，根據工件尺寸自動調整工作箱和液面高度，操作方便，大理石工作臺安裝最底部位置以增加工作臺到機頭卡盤的距離，滿足標準的工件和電極的尺寸。此外還設計有附加的較高的大理石工作臺可以滿足精微加工時小工件和具有微小細節的電極的需求，號稱“最靈活的標準和精微放電加工”。機床外形和規格如圖3(b)所示。如圖3(c)所示為FORM 3000 HP獨特的機械結構電火花刻模機。包括有可補償溫度變化的復雜和獨特系統的聚合物機床立柱。穩定溫度是通過用溫度穩定的電介質冷卻X軸、Y軸和Z軸的玻璃鱗片涂料以及Z軸的滾珠絲桿實現。固定的工作臺帶有可自動降低的工作箱，這樣可以簡易地裝載重量大的工件。

圖3 阿奇夏米爾FORM系列電火花加工機床Fig.3 The AgieCharmilles FORMseries of EDMmachine

2.3.3 高速電火花加工機床

FORM高速加工電火花機床配置高速加工模塊，可保證各種幾何形狀的高精度加工要求，無論在小面積還是大面積的加工應用中，可獲得均勻精微鏡面(≤Ra 0.4μm)，包括FORM200、300、400、200 Bp四款機型。

2.3.4 精密經濟型電火花加工機床

Agie Charmilles FORM20和30緊湊小型低成本標準機器，工作臺面液槽寬度1 000 mm，最大可安裝940 mm×540 mm工件，可以實現鏡面加工?？蛇x配GammaTEC技術從而使在大表面加工時可以快速、簡便地從Gamma TEC配置轉換成標準的EDM配置，達到最佳的加工。它具備普通加工和超精細加工兩用的優勢。FORM系列通用模具加工、超精細加工、高速加工、精密經濟型電火花加工機床規格參數如表4所示。

2.4 德國Exeron

德國Exeron高精密電火花機床主要包括Edm 310、Edm 312、Edm 313、Edm 314、Edm 316、Edm 316xxl六款機型。最大優勢在于開發和設計出“Exopuls+”電源方面的獨特技術，在微細精密加工中可大幅減少電極損耗，確保工件質量。利用智能制造將放電蝕除率，表面質量，電極損耗和可靠性等因素結合，機床性價比高。Exerob開放MF30放電CNC控制系統，該系統除了以Metro Sytle為基礎，升級配置觸摸屏操作顯示器，該系統拓展機床控制軸可以達到6軸同時加工。EDM 310MF 30是小型機器，Z軸內配有C軸，機床剛度大，不輕易變形，主要用于模具、醫療和機械零部件放電加工。該機床主體采用人造大理石平臺鑄造而成，設有過濾器確保加工過程清潔和工件質量。EDM 312MF 30結構緊湊比較適合小型工件加工，機床主軸采取AC伺服電機直驅交流電機，并且可以選裝有托盤的工作臺，以方便快速更換工件。機型主要特點在于配置免維護密封箱，短時間內可填充以及排出火花油，循環周期短，方便機器清潔和粗精加工調整更換。EDM 313MF 30采用人造大理石鑄造框架，該款機型主要特點在于配置免維護密封箱，短時間內可填充以及排出火花油，循環周期短，方便機器清潔和粗精加工調整更換。EDM 314MF 30是中型龍門電火花加工機床，機床配備高速ATC和滾珠球軸承直接支撐響應速度快。EDM 316MF 30大型龍門電火花加工機床，機床采用人造大理石焊接框架，外部冷卻裝置保證機器和電火花油的溫度，澆筑的T型槽工作臺可以持續供應火花油，Exeron機床主要參數如表5所示。

表4 AgieCharmilles火花機的性能參數Table4 Parameter specification of AgieCharmilles EDMmachine

表5 Exeron系列電火花加工機床規格(德國)Table5 Parameter specification of Exeron(Germany)EDMmachine

2.5 德國Ops-ingersoll歐吉索

德國歐吉索提供Gantry系列電火花加工機床，可與標準機器人系統和線型機器人系統連接實現自動化，高端模具制造技術。機床采用龍門式結構，具有良好剛度，確保加工的精度，同時兼顧了基礎的經濟性能，包括Gantry 450C 、 Gantry 400、 Gantry 500、 Gantry 800、 Gantry 1200、Gantry 1400、Gantry2000七款機型。其中Gantry ea?gle 1400通過高給進速度（Eagle Powerjump放電技術）和Eagle Powertec電源，在加工大模具和復雜工件時具有超強的加工能力和效率，能確保加工速度和質量。針對石墨電極還支持多型腔石墨加工，提供適合石墨電極和銅電極的Eagle Powertec電源技術，該技術支持只需要使用一個電極，省去精加工電極就能完成全部加工。節省常常高于放電加工本身昂貴電極的制造成本，節省第二個電極的制造成本從而省去大量測量和設定的輔助時間。制造和應用大型放電成型設備電火花Gantry Eagle 2000如表6所示。憑借制造和應用大型放電成型設備和自動化設備優勢，歐吉索已成為大模具制造行業的首選設備。

以某公司的石墨電極的模具自動化生產線為例，該自動化生產線由中央控制臺、Robot ES280D機器人、Rail TSL2000導軌、2臺OPSSpeedhawk 650模具鋼料加工中心、2臺OPSSpeedhawk 550石墨電極加工中心、2臺OPS Eagle 500火花機、ZEISSCMM三坐標檢測儀、石墨電極庫、模具鋼料庫和工件清洗站組成。石墨電極高速切削和模具EDM放電自動化生產加工系統設備如圖4所示。采用高精度帶在線品質檢測到自動化生產線加工精密微細石墨電極，可在保證電極精度要求的前提下提高電極加工效率，尤其是石墨電極在機械加工后無需后處理的特性，可實現全自動無人化生產。

表6 Ops-ingersoll Gantry Eagle 2000電火花加工機床技術參數Table6 Parameter specification of Ops-ingersoll Gantry Eagle 2000EDMmachine

圖4 石墨高速加工和EDM自動加工智能生產系統Fig.4 High speed graphite processing and EDM automatic pro?duction and processingsystem

3 結束語

電火花加工特別是用石墨作為電極進行各種復雜型腔的精密加工將越來越廣泛，石墨電極電火花加工機床越來越普及和受到模具制造企業關注。日本牧野Makino“超火花”軟件控制技術提供了一種在粗、精加工時超出加工能量間隙的情況下更具適應能力的一種跳動控制功能。沙迪克Sodicks搭載XYZ三軸直線電機，最大工件質量10 000 kg，最大加速度1.2 g，達到高速、高加速的Ser?vo Jump實現了無噴流、高精度復制加工。阿奇夏米（Agie Charmilles）超精細加工FORM 1000放電加工后工件表面質量可以達到0.05μm德國歐吉索提供的Antry系列龍門式高剛度電火花加工機床配有標準機器人系統和線型機器人系統實現自動化加工，確保加工的精度確保模具制造質量和效率。充分發揮石墨電極電火花加工機床的特點和性能，對提高石墨電極的加工效率和質量具有重要意義。