我國(guó)電加工技術(shù)及裝備發(fā)展與展望

蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司董事長(zhǎng) 葉 軍

目前我國(guó)電加工機(jī)床擁有量約50萬(wàn)臺(tái)，成為世界之最。近年來(lái)，我國(guó)每年進(jìn)口電加工機(jī)床在2000臺(tái)左右，進(jìn)口額約3億美元，已經(jīng)成為世界最大的電加工機(jī)床消費(fèi)市場(chǎng)。

電加工機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)瑞士原有2家，現(xiàn)并為1家（瑞士阿奇夏米爾公司），年銷售量為2500～3000臺(tái)，銷售額約有人民幣30億元；另一個(gè)電加工機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)日本也只有4～5家公司，年銷售量為6000～6500臺(tái)，銷售額約合人民幣40億元。我國(guó)的電加工企業(yè)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前已有約170家生產(chǎn)企業(yè)，每年生產(chǎn)3～5萬(wàn)臺(tái)電加工機(jī)床，為航空航天、軍工、模具等行業(yè)提供了大量裝備，推動(dòng)了這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也確立了我國(guó)在國(guó)際電加工領(lǐng)域的地位。但我國(guó)內(nèi)資電加工企業(yè)仍然是多而不強(qiáng)，銷售額超1億元的企業(yè)只有2～3家。我國(guó)電加工機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)的效益和綜合實(shí)力相對(duì)差距很大。

我國(guó)電加工機(jī)床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整取得的主要突破

1.高端電加工機(jī)床在與跨國(guó)企業(yè)（集團(tuán)）的競(jìng)爭(zhēng)中艱難前行

高端電加工機(jī)床面對(duì)的是跨國(guó)電加工企業(yè)性能品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品，近期有關(guān)內(nèi)資企業(yè)在國(guó)家數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)成果的支撐下，在與跨國(guó)企業(yè)（集團(tuán)）的競(jìng)爭(zhēng)中艱難前行，有喜有憂。

內(nèi)資企業(yè)生產(chǎn)的高端數(shù)控電火花成形機(jī)床近期在性能質(zhì)量上有明顯提高，3軸以上數(shù)控電火花成形機(jī)床達(dá)到了中端機(jī)的水平，有的逼近國(guó)際先進(jìn)水平，打破了國(guó)外產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，市場(chǎng)份額在不斷提升。

用戶對(duì)內(nèi)資企業(yè)生產(chǎn)的該類機(jī)床認(rèn)可度在提升，相關(guān)產(chǎn)品在精密模具、航空航天、軍工等領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用。

內(nèi)資企業(yè)生產(chǎn)的單向走絲電火花線切割機(jī)床，自2008年金融危機(jī)以來(lái)市場(chǎng)份額在不斷下降，這類機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力還明顯不足，亟待進(jìn)一步提升。有的產(chǎn)品能做了“形似”，是第一步，但要做到“神似”，則還有更艱難、更長(zhǎng)的路要走。

高端的多軸數(shù)控微小孔電火花加工機(jī)床，由于技術(shù)提升較快，內(nèi)資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品占據(jù)了90%以上的市場(chǎng)份額。為航空航天領(lǐng)域研制的7軸數(shù)控電火花高速小孔加工機(jī)床基本滿足了用戶的要求，但在某些性能上與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在差距，應(yīng)加速提升。

多軸數(shù)控的微孔加工機(jī)床，內(nèi)資企業(yè)的產(chǎn)品不僅能滿足國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴精密噴油孔的加工要求，而且開(kāi)發(fā)的具有倒錐孔加工功能的產(chǎn)品也得到了應(yīng)用，加工化纖噴絲板精密微孔的機(jī)床性能也有明顯提升，更好地滿足了用戶新型產(chǎn)品的加工要求。

2.多次切割技術(shù)推動(dòng)往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床由低端向中端發(fā)展

量大面廣的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床屬低端電加工機(jī)床，近幾年開(kāi)發(fā)的多次切割加工技術(shù)，使該類產(chǎn)品加工精度、表面質(zhì)量及相關(guān)性能有明顯提高，獲得了突破性的進(jìn)展，推動(dòng)了該類機(jī)床由低端產(chǎn)品向中端產(chǎn)品的發(fā)展。但在加工精度穩(wěn)定性（保持性）、可靠性方面還有待進(jìn)一步提高。

3.細(xì)分市場(chǎng)專用數(shù)控電加工機(jī)床的開(kāi)發(fā)形成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的亮點(diǎn)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及先進(jìn)制造業(yè)的高速發(fā)展，在航空航天、軍工、能源、汽車、鋼鐵、IT和醫(yī)療器械等領(lǐng)域中新產(chǎn)品、新工藝和新材料不斷涌現(xiàn)，遇到大量用傳統(tǒng)機(jī)械加工或常規(guī)通用電加工設(shè)備無(wú)法解決的加工難題，為電加工技術(shù)及裝備的發(fā)展提供了極好的發(fā)展機(jī)遇。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電加工企業(yè)和研究院所積極為這些重點(diǎn)領(lǐng)域制造業(yè)排憂解難，研制了一大批各種各樣的具有專項(xiàng)技術(shù)的專用電加工設(shè)備，如數(shù)控高效放電銑削加工機(jī)床、多軸數(shù)控微小孔加工機(jī)床、蜂窩環(huán)數(shù)控電火花磨削專用設(shè)備、數(shù)控高效鈦合金電火花加工專用設(shè)備、超硬材料電火花工具磨床、高效特種鋼陽(yáng)極機(jī)械切割設(shè)備、特殊材料復(fù)雜型面電解加工機(jī)床和輪胎模花紋塊5軸數(shù)控電火花加工機(jī)床等。這些產(chǎn)品不僅有力地支撐了我國(guó)相關(guān)制造業(yè)的快速發(fā)展，特別是為我國(guó)航空航天、軍工領(lǐng)域新機(jī)種、新武器的研制和神州飛船的上天發(fā)揮了重要作用，而且促進(jìn)了有關(guān)企業(yè)避開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)、差異發(fā)展，開(kāi)啟了電加工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的亮點(diǎn)。

我國(guó)電加工技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步

1.自動(dòng)穿絲、精密、高效數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床

通過(guò)重大專項(xiàng)及863計(jì)劃相關(guān)課題的實(shí)施，該產(chǎn)品的最大切割速度達(dá)到350mm2/min，切割精度≤±0.002mm，最佳表面粗糙度值Ra≤0.2μm，這3項(xiàng)指標(biāo)與以往的產(chǎn)品相比有明顯提高。另外，還新增了直徑0.05mm細(xì)絲切割功能、自動(dòng)穿絲功能，A（B）軸的三維切割功能，完善提升了工藝專家系統(tǒng)及專用數(shù)控系統(tǒng)，明顯縮小了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

2.五軸聯(lián)動(dòng)精密、數(shù)控電火花成形機(jī)床

重大專項(xiàng)及863計(jì)劃相關(guān)課題開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品最大生產(chǎn)率為50 A時(shí)400mm3/min、100 A時(shí)1125mm3/min，加工鈦合金為829mm3/min，最小電極損耗≤0.1%，最佳表面粗糙度值Ra＝0.1～0.2μm，加工鈦合金的最佳表面粗糙度值Ra＝0.166μm，機(jī)床備有智能工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，具有X、Y、Z、A（B）、C五軸聯(lián)動(dòng)功能。所開(kāi)發(fā)的帶冠整體渦輪盤扭曲葉形五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工CAD/CAM軟件系統(tǒng)及工藝技術(shù)，可進(jìn)行對(duì)高溫耐熱合金、鈦合金材料的帶冠扭曲葉形火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤加工，打破了西方國(guó)家對(duì)我國(guó)國(guó)防工業(yè)高端電加工機(jī)床的封鎖。以上這些技術(shù)的突破，使五軸聯(lián)動(dòng)、精密、數(shù)控電火花成形機(jī)床達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。

3.全浸泡式精密電加工機(jī)床專用密封精密數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

課題根據(jù)電加工機(jī)床的特殊要求，在重大專項(xiàng)相關(guān)課題的支撐下，開(kāi)發(fā)了兩種規(guī)格的浸泡式、全密封精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，可以在油水工作液中使用，具有良好的饋電和伺服性能。小規(guī)格的產(chǎn)品采用了先進(jìn)的直驅(qū)電動(dòng)機(jī)技術(shù)；產(chǎn)品采用全閉環(huán)控制。重復(fù)分度精度≤5″，分度精度≤15″?？捎糜陔娀鸹ǔ尚螜C(jī)床、電火花線切割機(jī)床和電火花微小孔機(jī)床等各類電加工機(jī)床，能擴(kuò)展機(jī)床的加工功能，提升機(jī)床檔次。

4.多次切割往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床技術(shù)進(jìn)步

近期，電加工行業(yè)針對(duì)往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床精度不高、加工表面質(zhì)量較差（有切割條紋）等問(wèn)題，對(duì)該類機(jī)床的主機(jī)精度、電極絲張力控制、數(shù)字化脈沖電源、工作液系統(tǒng)、專用數(shù)控系統(tǒng)等進(jìn)行了綜合技術(shù)提升，采用粗、中、精多次切割技術(shù)，使切割精度從0.03mm提高到0.01mm，表面粗糙度值由原來(lái)的Ra＝2.5μm提高到了Ra＝0.8μm，消除了表面條紋，加工效率也有明顯提高，使這類量大面廣的電加工機(jī)床取得了重大的技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了該類產(chǎn)品從低端向中端的發(fā)展。但這類機(jī)床的精度穩(wěn)定性和可靠性技術(shù)將是今后需要研究的重要課題。

5.細(xì)分市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)取得的技術(shù)進(jìn)步

細(xì)分市場(chǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的重要方面，電加工高檔專用數(shù)控機(jī)床在細(xì)分市場(chǎng)中發(fā)揮著重要作用。近年根據(jù)用戶的需求開(kāi)發(fā)了不少專用機(jī)床，全部是創(chuàng)新產(chǎn)品，有些填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，有些在國(guó)際上也沒(méi)有，是我國(guó)自主原創(chuàng)產(chǎn)品，在航空航天、軍工、汽車、能源、冶金和模具工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。下面列舉幾個(gè)典型成果。

（1）高效、數(shù)控和放電銑加工技術(shù)及設(shè)備（863計(jì)劃項(xiàng)目）。該技術(shù)及產(chǎn)品屬我國(guó)自主原創(chuàng)，擁有多項(xiàng)發(fā)明專利。其采用簡(jiǎn)單銅管為電極，以類似數(shù)控銑的方式對(duì)難加工材料的復(fù)雜型面進(jìn)行高效率、低成本去余量加工。在加工中需對(duì)電極損耗進(jìn)行在線檢測(cè)和補(bǔ)償，以達(dá)到一定的加工精度。該機(jī)床具有六軸數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)功能，最大加工效率達(dá)3000mm3/min，表面粗糙度值Ra≤2.5μm，主要應(yīng)用于航空航天、軍工等領(lǐng)域高溫耐熱合金材料的整體葉盤扭曲葉形、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣復(fù)雜型面的高效放電銑加工。已在西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司、沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司和成都發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司等企業(yè)成功應(yīng)用。其加工難加工材料零件，不僅加工效率高，而且加工成本很低，是采用加工中心加工的幾十分之一。

（2）精密微孔數(shù)控電火花加工工藝及設(shè)備（863計(jì)劃項(xiàng)目）。該設(shè)備的微孔加工精度可達(dá)±0.002mm，深徑比≥30∶1，最佳表面粗糙度值Ra≤0.4μm，加工噴油嘴孔的流量散差≤3%。4～6軸數(shù)控機(jī)床已應(yīng)用于航空航天、軍工、汽車和內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)的噴油嘴、噴油環(huán)和噴片的噴孔等精密微孔加工，以及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的氣膜孔加工，也可用于化纖噴絲板精密噴絲孔加工。為了滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，還開(kāi)發(fā)了6軸數(shù)控電火花倒錐微孔加工設(shè)備，替代了進(jìn)口產(chǎn)品。

（3）特種材料復(fù)雜型面電解加工技術(shù)及設(shè)備（863計(jì)劃項(xiàng)目）。該機(jī)床可進(jìn)行7軸分組聯(lián)動(dòng)加工，屬于復(fù)雜型面的電解展成加工技術(shù)，最大加工效率為4000mm3/min，用于航空航天的高溫合金、鈦合金等材料的整體葉盤、葉片的精密加工，其加工精度為±0.025mm，型面表面粗糙度值Ra≤0.63μm，該加工技術(shù)和設(shè)備達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。

（4）蜂窩環(huán)數(shù)控電火花磨床。該機(jī)床主要用于飛機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)蜂窩環(huán)的磨削加工。蜂窩環(huán)是金屬片壓制的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，直徑一般為200～1000mm，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中起到關(guān)鍵的密封作用。由于金屬片很薄，不能承受機(jī)械切削或磨削加工，因此只能采用電加工無(wú)切削力的特點(diǎn)進(jìn)行加工。

（5）超硬材料電火花工具磨床。機(jī)床配備7個(gè)傳動(dòng)軸，具備3軸數(shù)控3軸聯(lián)動(dòng)功能，可滿足多刃超硬刀具電火花加工的各項(xiàng)要求，可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度值Ra＜0.2μm的PCD、PCBN刀具刃磨加工。

與國(guó)外電加工機(jī)床相比存在的差距

1.數(shù)控電火花成形機(jī)床國(guó)外現(xiàn)狀及存在的差距

數(shù)控電火花成形機(jī)床雖然由于國(guó)家科技重大專項(xiàng)的實(shí)施，縮小了與國(guó)外的差距，有些指標(biāo)及功能已接近或達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但總體來(lái)說(shuō)與國(guó)外還有一定的差距，主要體現(xiàn)在：機(jī)床熱變形控制技術(shù)、機(jī)床動(dòng)靜剛度設(shè)計(jì)技術(shù)、專家系統(tǒng)、智能化技術(shù)、電極和工件自動(dòng)交換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)及系統(tǒng)集成等方面。

2.單向走絲電火花線切割機(jī)床國(guó)外現(xiàn)狀及存在的差距

單向走絲電火花線切割機(jī)床近年取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，例如在自動(dòng)穿絲技術(shù)、細(xì)絲切割技術(shù)、智能化技術(shù)以及精密加工技術(shù)等方面取得了重大進(jìn)展，但就這些方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還存在一定差距，有些在我國(guó)還是空白，如細(xì)絲切割、加工效率、加工表面質(zhì)量以及電極絲自動(dòng)交換技術(shù)、工件自動(dòng)交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面。

3.電火花微小孔加工機(jī)床國(guó)外現(xiàn)狀及存在差距

電火花微小孔加工機(jī)床不論從數(shù)控軸數(shù)、加工孔徑精度、最小表面粗糙度值和深徑比等方面都不低于國(guó)外水平，但在多回路多電極加工、自動(dòng)更換電極、復(fù)雜形面工件外形的在線檢測(cè)及糾偏等方面還存在一定差距。

我國(guó)電加工機(jī)床產(chǎn)品的研發(fā)與提升

1.新一代數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床

（1）研究?jī)?nèi)容：以10 ns窄脈寬、高峰值電流的高效、無(wú)電阻、防電解、綠色節(jié)能脈沖電源技術(shù)、加工狀態(tài)檢測(cè)及控制、細(xì)絲自動(dòng)穿絲技術(shù)、恒張力恒速度的運(yùn)絲技術(shù)、熱變形控制技術(shù)、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)及智能化控制等關(guān)鍵技術(shù)突破為重點(diǎn)，研制出效率和精度更高、加工表面質(zhì)量更好的綠色節(jié)能、智能化的新一代數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床。

（2）指標(biāo)：最高生產(chǎn)率≥500mm2/min；在第一刀切割效率≥300mm2/min時(shí)，3次切割表面粗糙度值達(dá)到Ra＝0.8μm；切割精度≤±0.0015mm；最佳表面粗糙度值Ra≤0.05μm；最細(xì)電極絲直徑0.02mm；自動(dòng)穿絲功能；可配置高精度A軸；具有難加工材料工藝專家數(shù)據(jù)庫(kù)；直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；3D圖形CAD導(dǎo)入、判析，根據(jù)工件切割厚度變化適應(yīng)控制。

2.更高水平的數(shù)控電火花成形加工機(jī)床

（1）研究?jī)?nèi)容：高效、低損耗、無(wú)電阻和綠色節(jié)能型脈沖電源技術(shù)，納秒級(jí)微精脈沖電源技術(shù)，更高水平的加工狀態(tài)檢測(cè)，優(yōu)化及策略的智能化控制技術(shù)，高精度保持性的機(jī)床熱變形控制技術(shù)，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，電磁兼容技術(shù)，微細(xì)微精加工技術(shù)，特殊材料加工技術(shù)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，工藝專家數(shù)據(jù)庫(kù)等，研制新一代高效、微精、綠色和智能5軸以上數(shù)控電火花成形加工機(jī)床。

（2）指標(biāo)：最大加工電流50～200 A；最高生產(chǎn)率≥450mm3/min（模具鋼、電流50 A）；最佳表面粗糙度值Ra≤0.08μm；直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；主軸最高抬刀速度≥12mm/min；自動(dòng)電極交換；3D圖形CAD導(dǎo)入、判析、根據(jù)加工面積變化自適應(yīng)控制；具有難加工材料電火花成形加工工藝專家?guī)臁?/p>

3.加工指標(biāo)更加穩(wěn)定的具有多次切割功能的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床

（1）研究?jī)?nèi)容：在現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究加工精度、表面質(zhì)量等加工指標(biāo)的穩(wěn)定性。主要研究新一代高效、精密、低損耗數(shù)字化脈沖電源；更先進(jìn)的張力控制及運(yùn)絲技術(shù)；全面滿足多次切割要求的數(shù)控系統(tǒng)、工作液的潔凈及安全防護(hù)技術(shù)、智能化的工藝及加工精度和表面質(zhì)量穩(wěn)定性控制技術(shù)。

（2）指標(biāo)：加工精度穩(wěn)定達(dá)到±0.01mm；加工表面粗糙度值穩(wěn)定達(dá)到Ra≤1.0μm；實(shí)用最大切割速度150mm2/min；操作環(huán)境潔凈；全面達(dá)到新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4.細(xì)分市場(chǎng)電加工機(jī)床的研制及提升

在前述相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)更高水平的滿足細(xì)分市場(chǎng)要求的電加工機(jī)床產(chǎn)品，如油浸式數(shù)控低速走絲電火花線切割、鈦合金數(shù)控電火花加工機(jī)床，具有倒錐的電火花微孔加工機(jī)、多軸數(shù)控電火花小孔加工機(jī)床、聚晶刀具數(shù)控電火花磨床、數(shù)控電火花輪胎模具加工機(jī)床和數(shù)控電火花蜂窩磨床等，以滿足一些關(guān)鍵制造領(lǐng)域?qū)﹄娂庸C(jī)床的迫切需求。