模具電火花加工自動化效率的提高

黃登懿，唐助才，陶永亮

（1.四川長虹模塑科技有限公司，四川綿陽 610200；2.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712）

1 引言

注射模型腔和型芯成型部位加工方式較多，其中應用最多的是電火花加工，先進的設備能達到電極損耗小于0.1%，表面粗糙度值Ra0.5μm要求[1]，電火花加工后可以直接獲得成型部位較理想的形狀和尺寸，電火花加工過程中電極加工占有主導地位。從電極設計到成型加工整個過程中，電極占有裝夾、校正、加工和檢測的非加工時間較多，一直困擾著模具加工企業。在引進模具智能制造技術后，從電極設計到成型加工整個過程中，全部實施自動化設計到自動化成型加工，裝夾、校正、加工和檢測等非加工時間縮短，設備稼動率逐月上升，縮短模具生產周期，降低模具成本，減少加工出錯的可能。

2 模具智能制造平臺內容與應用于電極加工方面

2.1 模具智能制造的架構和內容

模具智能制造是通過云平臺，將模具的智能設計、數字化制造，現場加工等信息落實到智能制造系統平臺對模具制造過程的全面管控，把模具智能設計、智能設備、智能加工有機的融合一體，實現模具的智能化制造。智能制造系統是把傳統的模具生產變成流水線生產。

模具智能制造平臺是基于制造云平臺的建立之上，將模具行業常用的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/MES軟件集成為一站式解決方案，涵蓋項目管理、智能設計、智能工藝、智能編程、智能制造、智能測量、OEE設備監控、APS排產等多項功能融合在一起，解決好人機交互智能調度[2]，為模具行業提供全自動機器人生產線的整體解決方案，真正做到智能制造一站式服務，為模具企業打造模具智慧工廠。如圖1所示。

圖1 模具智能制造平臺架構示意圖

2.2 模具智能制造平臺應用于電極加工方面

模具智能制造系統平臺中數字化制造是主體功能，其中CNC自動加工、EDM自動加工和CMM自動檢測最適應電極加工的范疇，通過CNC、EDM和CMM自動化和智能化加快了電火花電極加工及其使用，為模具自動化和智能化建設奠定了重要的基礎[3]。其中CNC、EDM和CMM介紹如下：

CNC加工中心：①CNC（Computerized Numerical Control加工中心）工件加工。通過掃描RFID（Radio Frequency IDentification射頻識別、數據采集）自動獲取程式，程式自動上傳到控制器中，安全可靠避免人為異常；②CNC電極加工。通過掃描RFID自動獲取程式，輔助于專用機械手操作，能同時加工多個電極，避免浪費換刀時間，極大的提高設備稼動率，降低操作員的工作強度；本案主要強調電極加工。

EDM電火花加工：EDM（ElctronDischarge Machining）放電加工，放電條件通過標準放電條件庫自動生成，通過掃描RFID芯片自動獲取放電位置和坐標，有效避免人為異常，設備利用率可以達到95%。

CMM自動檢測：CMM（CoordinateMeasuring Machining坐標測量）自動檢測、校正，CMM Offline脫機編程，通過掃描RFID自動獲取檢測程序，檢測結果自動上傳到數據庫中，比傳統檢測方法效率提升3倍以上。

（1）電極加工原有的模式。電火花成型加工技術，自20世紀40年代開創以來，已成為模具制造技術領域不可或缺的重要組成部分[4]。傳統的電極加工到成型加工基本工藝為：依據模具圖設計要求由工藝人員設計電極（考慮電極裝夾，校正因素），模具圖和電極圖一同下達到模具制造車間，模具車間通過備料（紫銅或石墨）按要求加工電極，由加工中心（或其他設備）加工完成，進行檢測，再通過人工修整或拋光處理后，上火花機進行裝夾、校正、分中等，最后電火花加工脈沖電源，提供擊穿加工介質所需的電壓，并在間隙擊穿后提供能量以蝕除金屬，達到加工目的[5]。電極加工時間的延長和上火花機時的裝夾、校正、分中等非加工時間的增加，影響整個模具制造周期。

（2）電極加工改進后模式。引進模具智能制造系統平臺后，電極加工實行自動化和智能化操作。模具設計CAD（Computer Aided Design）全3D設計，包括模具CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析等，基于NX（UnigraphicsNX）的 CAM（ComputerAided Manufacturing）專家系統，高效快捷，CAM任務系統化管理，CAM完成狀態同步反饋現場，快速電極設計系統，能自動生成放電程序，系統中增加的作用并定義作用后對應粗糙度，對電極設計起到了重要作用。電極在CNC加工中心完成（包括精雕機在內），電極檢測CMM自動檢測完成。從裝夾、校正、分中到放電等都是自動完成，完全保證了模具加工要求，縮短了模具加工周期。

建立電極加工自動化生產線：電極加工、檢測、放電由自動化控制系統及機械手全自動完成。具體優點：①電極設計：按自動化方式進行電極設計；②電極加工前裝夾：采用3R夾具裝夾（減少裝夾時間）如圖2所示，保證加工精度；③CNC電極加工：利用夾具實現快速裝夾，不需要找電極中心（基準）；④電極檢測：利用夾具定位，不需要找電極中心（基準），快速檢測；⑤電極放電：利用夾具定位，不需要拉表找正及碰數，實現快速裝夾放電加工。

圖2 虎鉗及3R裝夾示意圖

（3）改進后的案例。

a.電極裝夾、拉直找正效率提高。圖3所示為橢圓電極加工示意圖，一般電極先用粗打電極對成型加工的前工序留下的余量（0.5～1.0mm）進行粗打，粗打的目的為以后精打留下0.1mm余量，減少精打電極的損耗，保證成型加工質量。

表1所示橢圓電極加工各階段花費時間，表2所示電火花準備時間對比表，表3所示橢圓電極三坐標檢測時間對比表，都是在表1的基礎上所做的分解項。引進智能化操作平臺后，效益提升為82.35%，電火花準備時間下降89.28%，三坐標檢測時間下降90.80%。

b.電火花加工效率提高。圖4所示為sj127模具滑動小鑲塊為鈹銅件。電極為紫銅，深度20mm（紅線圈定部位），粗（精）放電火花位都是0.15mm/s（電極火花位單邊放電間隙為0.15mm），放電時間改進前加工2件4,800min，粗糙度值Ra3.6μm；放電時間改進前加工4件4,200min，粗糙度值Ra3.1μm（粗糙度數字為粗糙度儀器實際測量值），加工效益提高30%以上。

表3 橢圓電極三坐標檢測時間對比表

圖4 sj127滑動小鑲塊

3 結束語

電極加工、電火花加工傳統加工方式，每一個電極裝夾均需進行人工拉直、找正，受操作者技能水平、加工環境和態度的影響，效率低下，質量波動較大。引進模具智能制造系統平臺，全年超過2.0萬個電極分別進行CNC、CMM、EDM加工，平均每個電極裝夾、找正時間為3min多，全年在裝夾、找正的時間上超過4,000h（CNC、CMM、EDM 3項之和）；平均每件電極檢測需要13min，全年超過2.0萬件電極檢測時間超過4,000h。從實施模具智能制造平臺后，僅僅電火花電極裝夾準備中裝夾、校表、碰數時間從5min多下降到1min之內；三坐標電極檢測準備中裝夾、檢測、圖像轉換時間從從12min多下降到1～2min之間。裝夾效率提高60%以上，提高加工精度，精度可保證在0.02mm內。電極設計全部采用自動化設計，電極編程全部采用自動化編程，加工中自動刀庫使用，程序自動化傳輸。通過實施模具智能制造平臺，提高加工效率，縮短模具生產周期，降低模具成本，減少加工出錯的可能。