摘要：通过第十四届中国国际模具技术和设备展览会中模具加工技术及其关键设备、测量仪器、模具加工刀具技术等评述，介绍了现代模具制造技术的现状、特点和发展趋势。
关键词：加工中心；数控铣床；特种加工机床；测量仪器；刀具
第十四届中国国际模具技术和设备展览会（DMC2012）于2012年5月31~6月3日在上海新国际博览中心举办。本届展览会云集了来自中国、日本、德国、意大利和美国等15个国家和地区的1 500多家厂商参展，展出面积超过70 000 m2。DMC2012是展示国内外模具、模具制造技术及设备的重要舞台，体现了我国模具工业的技术水平和发展趋势，也是国内外同行开展交流和经贸活动的高层平台。本届展览会中模具加工设备的展出面积约占70%，数控特种加工机床、高速铣床、加工中心及数控雕刻机、测量仪器以及刀具等装备显示出了高技术含量，尤其是数控特种加工机床中的数控电火花加工机床，国内外知名厂商悉数到会，充分反映了当今数控电火花加工机床的国内外先进水平。
1数控特种加工机床
1.1数控电火花加工机床
本届展会上，国外厂商主要参展展品有：阿奇夏米尔机电（上海）有限公司（简称阿奇夏米尔）的FO350SP、FORM200数 控 电 火 花 成 形 机 床 及CUT2000 OIL Tech（ 用 油 工 作 液 ）、CUT2000、CUT200单向走丝电火花线切割机床；沙迪克机电（上海）有限公司（简称沙迪克）的AG40L、AD30L、AQ45L数控电火花成形机床，AP200L、AG400L、AQ400L、AQ600L单向走丝电火花线切割机床；三菱电机自动化（中国）有限公司（简称三菱电机）的EA8A数控电火花成形机床、MV2400R、MV1200R单向走丝电火花线切割机床；牧野机床（中国）有限公司（简称牧野）的EDAF3数控电火花成形机床、U3单向走丝电火花线切割机床；OPS-英格索尔机床（上海）有限公司（简称英格索尔）的GANTRY EA⁃GLE 400数控电火花成形机床等。
国内参展的单向走丝电火花线切割机床有：苏州电加工机床研究所有限公司的DK7632、苏州三光科技股份有限公司的LA500、北京阿奇夏米尔工业电子有限公司的CA20U、CA30等。数控电火花成形机床有：苏州电加工机床研究所有限公司的DK7140、北京阿奇夏米尔工业电子有限公司的SA20、苏州宝玛数控设备有限公司的EDMN640CNC等。参展的多次切割往复走丝电火花线切割机床（中走丝机床）较多，基本上每个电火花加工机床展位上都有多次切割机床。例如：苏州三光科技股份有限公司的HA系列机床、北京阿奇夏米尔工业电子有限公司的FW2U机床、苏州宝玛数控设备有限公司的BM400-C机床、苏州新火花机床有限公司的M732机 床 、上 海 大 量 电 子 设 备 有 限 公 司 的TP400-8WPC-B机床以及江苏冬庆数控机床有限公司、杭州华方数控机床有限公司的多次切割机床等。
国内外数控电火花加工机床的评述、报导较多，本文仅就当前几个热点、亮点进行评述。
1.1.1单向走丝电火花线切割机床采用水、油工作液加工发展动态
当前单向走丝电火花线切割机床（WEDM-UT）已发展得相当完善，尤其是国外的水平更高，如参展的阿奇夏米尔机电（上海）有限公司的CUT2000及CUT2000 OiL Tech等千系列机床、沙迪克的AP200L、AG400L、AQ600L等系列机床、三菱电机的MV2400R、MV1200R等MV系列机床、牧野的U3机床等等，这些机床的精密制造技术、精密加工技术、自动化智能化技术、电极丝（双丝）自动交换技术、配备自动托盘转换装置的工件自动交换技术、网络远程控制技术等都已发展到相当高的水平，有的专家甚至说，今后WEDM-UT的精密加工技术发展空间已相当有限。我国的WEDM-UT虽然还有很长的一段路要走，但也在不断进步，例如，苏州电加工机床研究所有限公司、苏州三光科技股份有限公司、北京安德建奇数字设备有限公司、北京阿奇夏米尔工业电子有限公司等的WEDM-UT机床加工精度为±2 μm、表面粗糙度Ra0.2 μm、最大切割速度可达300~350 mm2/min。苏州电加工机床研究所有限公司和苏州三光科技股份有限公司的DK7632以及北京阿奇夏米尔工业电子有限公司的CA2U机床还具有自动穿丝功能等等。
虽然WEDM-UT精密加工已达到相当高的水平（尤其国外机床），但以往其加工工件的表面质量还达不到机械精密磨削的水平，这主要由于WEDM-UT的工作液为去离子水，在加工硬质合金时，硬质合金的粘接剂钴会在水中溢出，造成硬质合金的表面产生“软化层”，影响了加工表面质量。
研究表明，如果硬质合金在水中浸泡80 h以上，硬质金材料表面会粉末化，而目前在高速冲模中的凸模和凹模的镶块多采用硬质合金，由于硬质合金在冲模中的普遍应用，其表面质量引起广泛关注。即使工件是钢材，在去离子水中也会产生锈蚀或点腐蚀，这成为WEDM-UT高水平精密加工技术不能直接完成精密零件和模具零件加工的主要问题。对上述问题，最初阿奇夏米尔提出了“表面完整性”技术的研究，把表面“软化层”（变质层）控制在1.0 μm以内。后来，沙迪克开发了油工作液加工的AP系列机床，实践证明，不论是硬质合金或钢在油工作液中进行精密加工，都可以获得良好的表面质量。
但是使用油工作液存在最大的问题是粗加工和第一次切割加工速度很低，而在去离子水中加工，当前加工速度的最高速度已达500 mm2/min，因此制约了油工作液WEDM-UT的发展。在精加工方面，阿奇夏米尔的试验证明，在Ra≤0.2 μm时，去离子水工作液和油工作液的加工速度已非常接近。所以对于表面质量要求高的硬质合金零件的加工，阿奇夏米尔推荐采用油工作液机床加工，如硬质合金镶块的精密多工位级进模、粉末冶金模、信息通信行业的电子元器件的高速冲模零件、对表面质量要求很高的小型零件，如手表行业的小型零件等。其它零件加工应选用去离子水加工机床。
最近在提高去离子水工作液中加工的工件表面质量及在油工作液中加工提高加工速度问题有了新进展：一是原采用油工作液的沙迪克对水工作液防锈、防腐蚀开展了进一步的研究，采取了电防腐蚀和化学防腐蚀两方面的措施，在电防腐蚀方面对Super-BS防电解电路进行了改进，主要是针对不同的工件材料，设定适合工件材料的不同参数，进一步抑制了锈腐的产生。在化学防腐蚀方面，采用了“RUST-less”选配件，可抑制在水中浸渍加工以及加工后工件长时间放置在水工作液中产生的锈蚀、腐蚀等现象。二是阿奇夏米尔一直以水工作液实现精密加工，但在今年展会上，第一次展出以油作为工作液的CUT2000 OiL Tech机床，并可实现表面粗糙度Ra0.03 μm的精密加工，面对油工作液机床粗加工及第一次切割加工速度低下的问题，他们认为，其独有的双丝交换切割技术可以有效解决这一问题。
1.1.2五轴联动精密电火花成形加工新技术
此次展会上由苏州电加工机床研究所有限公司展出的DK7140五轴联动（三轴联动）精密数控电火花成形机床是根据国家数控机床重大专项任务研制的新产品，机床采用了主机主要结构件的有限元分析、优化设计技术、热变形检测分析技术、数控轴全闭环控制技术、五轴（x、y、z、A、C）五联动专用数控系统软、硬件技术、超光加工技术、智能化技术以及专家系统等一系列精密制造、精密加工技术，从总体来说，其工艺技术水平已基本达到发达国家同类产品水平。此机床的研制成功为航空航天领域提供了一种新型的高端加工装备，并且已在航空航天领域应用方面实现了新的突破，例如：（1）难加工材料的加工已达到国际先进水平。开发的钛合金、高温耐热合金等难加工材料的高效脉冲电源具有等能量脉冲、加工过程适应控制及高精度稳压等功能，在难加工材料加工方面已达到国际先进水平，为航空航天工业难加工材料的加工提供了加工性能优异的先进装备。
（2）可实现带冠整体涡轮盘扭曲叶形及其他复杂型面的高难度加工。为带冠整体涡轮盘扭曲叶形五轴联动加工开发了五轴联动电火花加工CAD/CAM软件系统以及成套加工工艺技术，完成了高温耐热合金、钛合金材料的带冠整体涡轮盘扭曲叶形的五轴联动电火花成形加工，并已应用于火箭发动机涡轮盘等加工，这是金属切削机床难以完成的加工技术。
1.1.3数控电火花成形机床与高速铣的系统集成
在模具加工中，数控电火花成形机床（NC⁃SEDM）和高速铣（HSM）各具特长，相辅相成，所以NCSEDM和HSM已成为高效、精密模具加工的核心技术。由这方面核心技术组成的成套解决方案和系统集成主要有以下几种形式。
成套解决方案在机床制造企业为用户服务方面是一个重要的发展方向，即针对用户的加工对象提供成套的机床装备和成套加工工艺技术。例如，阿奇夏米尔为国内某企业提供精密LED硬质合金模具零件成套加工机床和工艺技术。该成套解决方 案 是 用 阿 奇 夏 米 尔 的ROBOFIL440CCWEDM-UT机床进行硬质合金模具零件外形加工、用米克朗（MIKRON）公司的HSM300 HSM机床进行铜电极加工、最后用阿奇夏米尔的FO350SP NC⁃SEDM机床完成硬质合金LED模具零件加工。这是专门针对特定加工对象提供的成套设备及成套加工工艺技术。
成套解决方案的进一步发展是NCSEDM与HSM的CAD/CAM技术。例如，三菱电机及牧野开发了利用HSM与NCSEDM进行电极制作和模具加工的CAD/CAM技术。以牧野的成套加工系统为例：先由模具3D模型到建立电极3D模型（CAD）以及生成EPX格式文件，采用FF/eye生成电极铣削加工程序，由HSM（或加工中心）进行电极铣削加工（CAM）；采用EPX格式文件，生成电火花成形加工程序，采用通用夹具，将铣削加工的电极安装在NC⁃SEDM主轴上，由NCSEDM进行模具零件的成形加工（CAM）。当前，成套解决方案的最高阶段是系统集成。国外在电火花加工机床（EDM）方面的系统集成主要由NCSEDM、HSM、机器人（或机械手）、电极库、工件库等组成。以阿奇夏米尔的EDM系统集成为例：由瑞士system 3R公司的机械手以及电极库和工件库与１台阿奇夏米尔的FO350MS NCSEDM和米克朗公司的HSM500 HSM进行系统集成，机械手的一端可将电极毛坯自动放入HSM500中进行铣削加工，并将所有加工好的电极放入电极库中，以待下一步进行放电成形加工；机械手的另一端进行工件的自动交换和管理，工件库中的待加工工件等待系统的指令，待加工工件经测量和调整之后，机械手将会扫描所有待加工工件和电极，并通过操作员在软件系统中的排序和管理，控制所有待加工工件的加工顺序和状态，以完成全部放电成形加工。这种系统集成还可以有多种组合，例如HSM和NC⁃SEDM的集成，HSM不但完成电极铣削加工，还可进行工件的高速铣加工，对工件中需要NCSEDM加工的部分，采用HSM制作好的电极进行放电成形加工；也可以根据加工工件要求，进行NCSEDM、HSM、WEDM-UT三种机床的系统集成，WEDM-UT可完成工件的型孔加工等。
今后，成套解决方案和系统集成将成为我国EDM的一个重要发展方向。
1.1.4往复走丝电火花线切割机床多次切割技术的热点问题
往复走丝电火花线切割机床（WEDM-RT）以往又称“快走丝机床”，虽然最多可以四轴（x、y、u、v）联动，但由于加工精度、加工效率和加工表面质量较低，所以一直被列为低档机床。近几年开发了多次切割WEDM-RT（又称中走丝）机床，由于对工件加工可以进行粗、中、精多次切割，故工件加工精度和表面粗糙度有较大改善，目前生产WEDM-RT的厂家几乎都生产多次切割WEDM-RT，是当前的一个热点。
多次切割WEDM-RT与以往WEDM-RT相比其水平有很大提高，例如苏州三光科技股份有限公司的WEDM-RT机床可切割厚度40 mm的Cr12材料，对边为15 mm的八角，经4次切割后表面粗糙度Ra0.8 μm，加工精度≤0.005mm；苏州宝玛数控设备有限公司的WEDM-RT机床最大切割速度为200mm2/min，加工精度＜0.01 mm，表面粗糙度Ra≤0.8μm；苏州新火花机床有限公司的WEDM-RT最大切割速度为200 mm2/min，加工精度0.005 mm，表面粗糙度 Ra0.8 μm；上海大量电子设备有限公司的WEDM-RT最大切割速度＞150mm2/min，加工精度0.005 mm，表面粗糙度Ra≤0.8μm；杭州华方数控机床有限公司的WEDM-RT最大切割速度200 mm2/min，加工精度0.005 mm，表面粗糙度Ra1.0 μm；还有如北京阿奇夏米尔工业电子有限公司、江苏冬庆数控机床有限公司等的WEDM-RT都达到了相应的水平。这些指标表明，多次切割WEDM-RT已达到中档机床的水平。
虽然多次切割WEDM-RT与普通WEDM-RT相比确有较大的技术进步，但还存在不少问题，主要是钼丝运行空间位置精度的保持性问题，引起这个问题的因素较多，如电极丝换向引起电极丝的张力波动、加工过程中电极丝在高温影响下引起屈服点的变化和弹性变形也会引起空间位置的变化、电极丝的重复使用会引起电极丝的损耗（变形）。硬度远大于铜丝且高速运行的钼丝不可避免地引起导轮、导向器的磨损，而影响导轮、导向器的精度和寿命等问题都会影响钼丝的空间位置精度。针对上述问题，各企业做了许多工作。例如，针对电极丝往复运动的张力波动问题都设置了张力控制装置。在这方面，苏州宝玛数控设备有限公司多次切割机床采用闭环张力控制电路，该电路通过钼丝张力传感器检测钼丝张力的变化，实时调整加工时的钼丝张力，以达到控制张力的目的。该电路采用频响特性达到2 kHz的小功率交流伺服电机作为实时调整张力的执行元件，以保证钼丝恒定张力伺服跟踪的控制精度。苏州新火花机床有限公司采用双向涨丝及导轮组导向结构，改善了钼丝的平稳运行。对电极丝导轮、导向器的精度、寿命及防水方面的研究也取得了一定的进展。在加工过程中减小钼丝的损耗也不断取得进展，例如杭州华方数控机床有限公司切割4×106mm2工件，钼丝损耗0.01mm。还有如改进进电装置、消除或减小钼丝在进电块间的机械磨损、降低钼丝损耗等，有利于钼丝在导向器中配合精度的提高。以上这些，都是为提高钼丝在加工中的空间位置精度而采取的措施，取得了一定效果。
但应当指出，上面提到多次切割WEDM-RT存在的问题基本上是一些固有的问题，例如：钼丝往复运动和周期性停、放电会造成张力的波动就属于固有问题之一，虽然采取了恒张力措施，但其水平还难以与WEDM-UT相比，故当前还难以长时间稳定保持钼丝的空间位置精度。虽然多次切割WEDM-RT取得了长足进步，已达到了中档机床水平，但其精度的稳定性、保持性在今后仍需要进行深入的研究。
1.2数控激光加工机床
这次展出的激光加工机床不多，而且参展的基本是外资企业，主要有以下几种。
1.2.1数控激光雕（铣）机
阿奇夏米尔展出的LASER500激光雕铣机床，具有3轴（x、y、z）、4轴（x、y、z、c）和5轴（x、y、z、A、B）数控功能。激光器为20 W光纤激光器，可以选配50 W光纤激光器。激光头为3轴，也可以选配5轴（倾斜激光头）。主要用于二维或三维物体高效可重复的纹理、图案、标志和标记、微细结构等雕刻加工。可对铝、铜、钢、石墨、硬质合金、黄铜、陶瓷等各种材料进行雕刻加工，还可以对放电加工用的石墨电极和铜电极进行雕刻，实现先激光加工后放电加工。这种加工方法对于多个相同纹理、图案、标志、标记的加工有重要意义。
杭州先临三维科技股份有限公司自主研发的Shining3D-LaserEngraving系列激光内雕机（又称水晶激光雕刻机、3D激光机）采用进口激光器，自主设计控制系统，可用于水晶、玻璃制品的加工。
高速桌面式系列SPARK、ARGUS是杭州先临三维科技股份有限公司推出的全新外观的高速三维激光雕刻机，该机融入多项高新技术，使雕刻速度达到4 000点/s，大大提高了加工效率。大幅面系列GlassMax激光雕刻机（激光内雕机），可雕刻幅面为1 350 mm×1 750 mm×80 mm的平板玻璃制品。
未完待续
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