我國電加工技術及裝備發展與展望

蘇州電加工機床研究所有限公司董事長 葉 軍

目前我國電加工機床擁有量約50萬臺，成為世界之最。近年來，我國每年進口電加工機床在2000臺左右，進口額約3億美元，已經成為世界最大的電加工機床消費市場。

電加工機床生產大國瑞士原有2家，現并為1家（瑞士阿奇夏米爾公司），年銷售量為2500～3000臺，銷售額約有人民幣30億元；另一個電加工機床生產大國日本也只有4～5家公司，年銷售量為6000～6500臺，銷售額約合人民幣40億元。我國的電加工企業數量遠遠超過其他國家，經過幾十年的發展，目前已有約170家生產企業，每年生產3～5萬臺電加工機床，為航空航天、軍工、模具等行業提供了大量裝備，推動了這些產業的發展，也確立了我國在國際電加工領域的地位。但我國內資電加工企業仍然是多而不強，銷售額超1億元的企業只有2～3家。我國電加工機床生產企業的效益和綜合實力相對差距很大。

我國電加工機床產品結構調整取得的主要突破

1.高端電加工機床在與跨國企業（集團）的競爭中艱難前行

高端電加工機床面對的是跨國電加工企業性能品質優良的產品，近期有關內資企業在國家數控機床重大專項成果的支撐下，在與跨國企業（集團）的競爭中艱難前行，有喜有憂。

內資企業生產的高端數控電火花成形機床近期在性能質量上有明顯提高，3軸以上數控電火花成形機床達到了中端機的水平，有的逼近國際先進水平，打破了國外產品一統天下的局面，市場份額在不斷提升。

用戶對內資企業生產的該類機床認可度在提升，相關產品在精密模具、航空航天、軍工等領域得到了更廣泛的應用。

內資企業生產的單向走絲電火花線切割機床，自2008年金融危機以來市場份額在不斷下降，這類機床的市場競爭力還明顯不足，亟待進一步提升。有的產品能做了“形似”，是第一步，但要做到“神似”，則還有更艱難、更長的路要走。

高端的多軸數控微小孔電火花加工機床，由于技術提升較快，內資企業生產的產品占據了90%以上的市場份額。為航空航天領域研制的7軸數控電火花高速小孔加工機床基本滿足了用戶的要求，但在某些性能上與國際先進水平相比還存在差距，應加速提升。

多軸數控的微孔加工機床，內資企業的產品不僅能滿足國Ⅲ排放標準的汽車發動機噴油嘴精密噴油孔的加工要求，而且開發的具有倒錐孔加工功能的產品也得到了應用，加工化纖噴絲板精密微孔的機床性能也有明顯提升，更好地滿足了用戶新型產品的加工要求。

2.多次切割技術推動往復走絲電火花線切割機床由低端向中端發展

量大面廣的往復走絲電火花線切割機床屬低端電加工機床，近幾年開發的多次切割加工技術，使該類產品加工精度、表面質量及相關性能有明顯提高，獲得了突破性的進展，推動了該類機床由低端產品向中端產品的發展。但在加工精度穩定性（保持性）、可靠性方面還有待進一步提高。

3.細分市場專用數控電加工機床的開發形成了產品結構調整的亮點

隨著我國國民經濟及先進制造業的高速發展，在航空航天、軍工、能源、汽車、鋼鐵、IT和醫療器械等領域中新產品、新工藝和新材料不斷涌現，遇到大量用傳統機械加工或常規通用電加工設備無法解決的加工難題，為電加工技術及裝備的發展提供了極好的發展機遇。近年來，國內電加工企業和研究院所積極為這些重點領域制造業排憂解難，研制了一大批各種各樣的具有專項技術的專用電加工設備，如數控高效放電銑削加工機床、多軸數控微小孔加工機床、蜂窩環數控電火花磨削專用設備、數控高效鈦合金電火花加工專用設備、超硬材料電火花工具磨床、高效特種鋼陽極機械切割設備、特殊材料復雜型面電解加工機床和輪胎模花紋塊5軸數控電火花加工機床等。這些產品不僅有力地支撐了我國相關制造業的快速發展，特別是為我國航空航天、軍工領域新機種、新武器的研制和神州飛船的上天發揮了重要作用，而且促進了有關企業避開競爭、差異發展，開啟了電加工產品結構調整的亮點。

我國電加工技術取得了長足的進步

1.自動穿絲、精密、高效數控單向走絲電火花線切割機床

通過重大專項及863計劃相關課題的實施，該產品的最大切割速度達到350mm2/min，切割精度≤±0.002mm，最佳表面粗糙度值Ra≤0.2μm，這3項指標與以往的產品相比有明顯提高。另外，還新增了直徑0.05mm細絲切割功能、自動穿絲功能，A（B）軸的三維切割功能，完善提升了工藝專家系統及專用數控系統，明顯縮小了與國際先進水平的差距。

2.五軸聯動精密、數控電火花成形機床

重大專項及863計劃相關課題開發的產品最大生產率為50 A時400mm3/min、100 A時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，機床備有智能工藝數據庫，具有X、Y、Z、A（B）、C五軸聯動功能。所開發的帶冠整體渦輪盤扭曲葉形五軸聯動電火花成形加工CAD/CAM軟件系統及工藝技術，可進行對高溫耐熱合金、鈦合金材料的帶冠扭曲葉形火箭發動機渦輪盤加工，打破了西方國家對我國國防工業高端電加工機床的封鎖。以上這些技術的突破，使五軸聯動、精密、數控電火花成形機床達到或接近國際先進水平。

3.全浸泡式精密電加工機床專用密封精密數控回轉工作臺

課題根據電加工機床的特殊要求，在重大專項相關課題的支撐下，開發了兩種規格的浸泡式、全密封精密數控轉臺，可以在油水工作液中使用，具有良好的饋電和伺服性能。小規格的產品采用了先進的直驅電動機技術；產品采用全閉環控制。重復分度精度≤5″，分度精度≤15″。可用于電火花成形機床、電火花線切割機床和電火花微小孔機床等各類電加工機床，能擴展機床的加工功能，提升機床檔次。

4.多次切割往復走絲電火花線切割機床技術進步

近期，電加工行業針對往復走絲電火花線切割機床精度不高、加工表面質量較差（有切割條紋）等問題，對該類機床的主機精度、電極絲張力控制、數字化脈沖電源、工作液系統、專用數控系統等進行了綜合技術提升，采用粗、中、精多次切割技術，使切割精度從0.03mm提高到0.01mm，表面粗糙度值由原來的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床取得了重大的技術進步，推動了該類產品從低端向中端的發展。但這類機床的精度穩定性和可靠性技術將是今后需要研究的重要課題。

5.細分市場的產品開發取得的技術進步

細分市場的產品開發是轉方式、調結構的重要方面，電加工高檔專用數控機床在細分市場中發揮著重要作用。近年根據用戶的需求開發了不少專用機床，全部是創新產品，有些填補了國內空白，有些在國際上也沒有，是我國自主原創產品，在航空航天、軍工、汽車、能源、冶金和模具工業中發揮著重要作用。下面列舉幾個典型成果。

（1）高效、數控和放電銑加工技術及設備（863計劃項目）。該技術及產品屬我國自主原創，擁有多項發明專利。其采用簡單銅管為電極，以類似數控銑的方式對難加工材料的復雜型面進行高效率、低成本去余量加工。在加工中需對電極損耗進行在線檢測和補償，以達到一定的加工精度。該機床具有六軸數控五軸聯動功能，最大加工效率達3000mm3/min，表面粗糙度值Ra≤2.5μm，主要應用于航空航天、軍工等領域高溫耐熱合金材料的整體葉盤扭曲葉形、發動機機匣復雜型面的高效放電銑加工。已在西安航空發動機有限公司、沈陽黎明航空發動機有限公司和成都發動機股份有限公司等企業成功應用。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）精密微孔數控電火花加工工藝及設備（863計劃項目）。該設備的微孔加工精度可達±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軸數控機床已應用于航空航天、軍工、汽車和內燃機等行業的噴油嘴、噴油環和噴片的噴孔等精密微孔加工，以及發動機葉片的氣膜孔加工，也可用于化纖噴絲板精密噴絲孔加工。為了滿足汽車發動機國Ⅳ排放標準的要求，還開發了6軸數控電火花倒錐微孔加工設備，替代了進口產品。

（3）特種材料復雜型面電解加工技術及設備（863計劃項目）。該機床可進行7軸分組聯動加工，屬于復雜型面的電解展成加工技術，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，該加工技術和設備達到或接近國際先進水平。

（4）蜂窩環數控電火花磨床。該機床主要用于飛機、燃氣輪機蜂窩環的磨削加工。蜂窩環是金屬片壓制的蜂窩狀結構，直徑一般為200～1000mm，在航空發動機中起到關鍵的密封作用。由于金屬片很薄，不能承受機械切削或磨削加工，因此只能采用電加工無切削力的特點進行加工。

（5）超硬材料電火花工具磨床。機床配備7個傳動軸，具備3軸數控3軸聯動功能，可滿足多刃超硬刀具電火花加工的各項要求，可實現表面粗糙度值Ra＜0.2μm的PCD、PCBN刀具刃磨加工。

與國外電加工機床相比存在的差距

1.數控電火花成形機床國外現狀及存在的差距

數控電火花成形機床雖然由于國家科技重大專項的實施，縮小了與國外的差距，有些指標及功能已接近或達到了國際先進水平，但總體來說與國外還有一定的差距，主要體現在：機床熱變形控制技術、機床動靜剛度設計技術、專家系統、智能化技術、電極和工件自動交換技術、網絡化技術及系統集成等方面。

2.單向走絲電火花線切割機床國外現狀及存在的差距

單向走絲電火花線切割機床近年取得了長足進步，例如在自動穿絲技術、細絲切割技術、智能化技術以及精密加工技術等方面取得了重大進展，但就這些方面與國外先進水平相比，還存在一定差距，有些在我國還是空白，如細絲切割、加工效率、加工表面質量以及電極絲自動交換技術、工件自動交換技術和網絡技術等方面。

3.電火花微小孔加工機床國外現狀及存在差距

電火花微小孔加工機床不論從數控軸數、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外水平，但在多回路多電極加工、自動更換電極、復雜形面工件外形的在線檢測及糾偏等方面還存在一定差距。

我國電加工機床產品的研發與提升

1.新一代數控單向走絲電火花線切割機床

（1）研究內容：以10 ns窄脈寬、高峰值電流的高效、無電阻、防電解、綠色節能脈沖電源技術、加工狀態檢測及控制、細絲自動穿絲技術、恒張力恒速度的運絲技術、熱變形控制技術、直線電動機驅動技術、開放式數控系統及智能化控制等關鍵技術突破為重點，研制出效率和精度更高、加工表面質量更好的綠色節能、智能化的新一代數控單向走絲電火花線切割機床。

（2）指標：最高生產率≥500mm2/min；在第一刀切割效率≥300mm2/min時，3次切割表面粗糙度值達到Ra＝0.8μm；切割精度≤±0.0015mm；最佳表面粗糙度值Ra≤0.05μm；最細電極絲直徑0.02mm；自動穿絲功能；可配置高精度A軸；具有難加工材料工藝專家數據庫；直線電動機驅動；3D圖形CAD導入、判析，根據工件切割厚度變化適應控制。

2.更高水平的數控電火花成形加工機床

（1）研究內容：高效、低損耗、無電阻和綠色節能型脈沖電源技術，納秒級微精脈沖電源技術，更高水平的加工狀態檢測，優化及策略的智能化控制技術，高精度保持性的機床熱變形控制技術，直線電動機驅動技術，電磁兼容技術，微細微精加工技術，特殊材料加工技術，開放式數控系統，工藝專家數據庫等，研制新一代高效、微精、綠色和智能5軸以上數控電火花成形加工機床。

（2）指標：最大加工電流50～200 A；最高生產率≥450mm3/min（模具鋼、電流50 A）；最佳表面粗糙度值Ra≤0.08μm；直線電動機驅動；主軸最高抬刀速度≥12mm/min；自動電極交換；3D圖形CAD導入、判析、根據加工面積變化自適應控制；具有難加工材料電火花成形加工工藝專家庫。

3.加工指標更加穩定的具有多次切割功能的往復走絲電火花線切割機床

（1）研究內容：在現有技術水平的基礎上，重點研究加工精度、表面質量等加工指標的穩定性。主要研究新一代高效、精密、低損耗數字化脈沖電源；更先進的張力控制及運絲技術；全面滿足多次切割要求的數控系統、工作液的潔凈及安全防護技術、智能化的工藝及加工精度和表面質量穩定性控制技術。

（2）指標：加工精度穩定達到±0.01mm；加工表面粗糙度值穩定達到Ra≤1.0μm；實用最大切割速度150mm2/min；操作環境潔凈；全面達到新的國家標準。

4.細分市場電加工機床的研制及提升

在前述相關關鍵技術突破的基礎上，開發更高水平的滿足細分市場要求的電加工機床產品，如油浸式數控低速走絲電火花線切割、鈦合金數控電火花加工機床，具有倒錐的電火花微孔加工機、多軸數控電火花小孔加工機床、聚晶刀具數控電火花磨床、數控電火花輪胎模具加工機床和數控電火花蜂窩磨床等，以滿足一些關鍵制造領域對電加工機床的迫切需求。