CIMT2015特種加工機床展品評述（上）
CIMT2015特種加工機床展品評述（上）
CIMT2015特種加工機床評述專家組
摘要：通過對第十四屆中國國際機床展覽會（CIMT2015）展出的各類特種加工機床的現場調研、資料收集及與參展廠商的座談交流，對國內外電火花加工機床、激光加工機床、增材制造設備等新產品、新技術、新工藝及其發展趨勢進行了比較深入和系統的評述，并對市場需求進行了分析。
第十四屆中國國際床展覽會（CIMT2015）于2015年4月20-25日在北京舉行，展出面積達13.1萬平方米，創歷屆規模之最，包括世界機床制造業百強企業在內的28個國家和地區的1554家知名機床工具制造廠商參加了展會，其中境內展商780家、境外展商774家。
特種加工機床國內外展商共65家，其中境內（包括中外合資）44家、境外21家，共展出機床129臺。其中境內參展機床89臺，境外參展機床40臺，主要產品仍是各類電加工機床和激光加工機床。
一、數控電火花成形機床
本屆展會展出的數控電火花成形機床（NCSEDM），不論在技術性能還是工藝指標方面都有一定進步。
1.從單機自動化向成套加工技術和初步柔性制造系統發展
從單機自動化到成套加工技術再到成套自動化加工系統，瑞士阿奇夏米爾公司15年前就有所準備。它先后并購了以HSM生產為主的瑞士米克朗公司，以精密工裝夾具和機器人（機械手）生產為主的system 3R公司，經過多年的磨合，才使成套加工技術水到渠成。2015年干脆將公司名稱改為“GF加工方案”。
從單機自動化到成套自動化加工系統有個發展過程。即開始是“開式”的，是針對某一工件（模具）需要由NCSEDM、HSM或精密電火花線切割等加工來完成，為此由供應商統一提供成套加工設備（機床）、成套加工工藝以及這些機床通用精密夾具等，以完成全部的加工。例如，2014年GF在LED生產線上有上百臺大訂單，就是NCSED、HSM、電火花線切割機床（WEDM）組成的成套設備及成套加工工藝技術；日本牧野公司一年捆綁銷售NCSEDM、HSM達400臺之多，足以說明這種銷售方式是從單機銷售向成套銷售發展，具有交鑰匙工程要素，也是技術服務日益成為制造企業的重心的發展趨勢。
成套加工技術的進一步發展成為由NCSEDM、HSM和system 3R系統組成的成套自動化加工系統。這次展會展出的成套自動化加工系統已發展到更高階段，GF稱之為自動化的柔性加工系統（見圖1）。
圖1 GF加工方案的柔性加工系統
GF加工方案展出的柔性加工系統是由一臺移動的system 3R TRANSFORMER（機械手）將高速銑HSM400LP和FORM200精密NCSEDM聯接，system3R進行工件/電極庫中的工件/電極自動交換，并通過小車與海克斯康三坐標測量機的電極測量和自動補償系統連接起來，整個系統GF稱之為自動化柔性加工系統。
這種自動化柔性系統，可大大縮短機床待機時間，避免操作人員對加工過程的干預，使零部件不間斷加工制造成為現實，并可保證加工工藝參數的一致性。這種加工制造系統，特別適用于批量零部件的加工制造，而對于模具制造基本不存在批量問題，所以增加了復雜性。
2．NCSEDM在航空航天領域具有良好市場前景
（1）在航空航天領域具巨大市場潛力
從本屆展會看，航空航天發動機的需求受到了業界重點關注。航空航天發動機制造的特點主要是材料和結構難加工，而這些正是NCSEDM的優勢所在。
（2）NCSEDM在航空航天領域的應用
這次展會上，瑞士GF以飛機艙形式布置了航空航天室，召開了航空航天小型研討會，現場演示了航空發動機葉盤、支架零件以及葉片冷卻孔的加工過程，還展示了專為加工葉片冷卻孔的DRILL300五軸電火花鉆孔機床。
西班牙歐納公司在展臺的背景墻和樣本中重點介紹了在航空航天領域的應用，給出了用于航空航天葉片型面、密封圈、密封槽、前緣、后緣等關鍵件的加工實例。
通過國家科技重大專項的支持，國內NCSEDM在航空航天的應用取得了明顯進展。
蘇州電加工機床研究所展出的DK7140精密NCSEDM（見圖2），可實現X、Y、Z、A、C五軸聯動，可對帶冠整體渦輪盤扭曲葉形及其他復雜型面進行加工，可對高溫耐熱合金、鈦合金等材料進行高效穩定加工，最佳表面粗糙度Ra0.1~0.2 μm。
圖2 DK7140五軸聯動電火花成形機床
北京迪蒙數控技術有限公司展出了A系列機床，北京迪蒙卡特機電設備有限公司展出了CTM系列機床等多款面向中、高端市場的產品。北京迪蒙數控的A30精密數控電火花成形機床（見圖3），采用有限元技術，全面貫徹國家安全標準，精度高于國家標準。機床解決了大扭曲整體葉輪電火花加工問題，為航天航空相關重點企業解決了帶葉冠整體渦輪盤、發動機整體閉式葉輪等加工難題。北京迪蒙卡特展出的CTM550-ABC機床，搭載了二維精密轉臺，六工位工具電極庫，擴大了機床的應用范圍，并具有多軸聯動及在線監測功能，可實現空間任意角度的點位、溝槽及復雜曲面的加工，可應用于航空航天相關零件加工。
圖3 A30精密數控電火花成形機床
北京安德建奇數字設備有限公司展出了AF1300四軸全功能數控電火花成形機床（見圖4），X、Y、Z、C四軸都可以伺服加工，配備4工位電極自動交換裝置，配合C軸的旋轉功能，可以實現任意方向的圓形和方形平動，可進行擴孔加工、球形等三維平動加工。可應用于航空航天相關零件加工。
圖4 AF1300四軸數控電火花成形機床
3．NCSEDM幾個值得關注的問題
我國NCSEDM的發展雖然已取得相當大的技術進步，但與國外先進水平和發展思路相比，還存在不小的差距，還有一些值得我們關注的問題。
（1）具有高速抬刀功能的機床結構技術：NCSEDM自從采用高速抬刀技術后，加速度和移動速度大幅提高。當前NCSEDM的機床結構形式更接近于HSM，今天的HSM已采用直線電機驅動，并已采用高低軌布局、同步雙驅、重心導向等新技術，對NCSEDM來說都有參考價值。日本牧野公司的NCSEDM結構就是采用加工中心的結構形式。
（2）智能隨形控制技術：一般來說，型腔加工在加工過程中的加工面積會產生變化，有的加工面積變化很大，要人工編制轉換加工能量的程序，往往很復雜，而且不準確，搞不好會出現加工面積突變時的電極過度損耗，甚至發生燒弧等現象。由于以往對加工過程中面積的變化采用人工編制轉換加工能量程序的方法存在的問題，因而采用工件型腔和電極的CAD建模技術，即使型腔在HSM預銑的情況下，也可利用預銑的CAD/CAM技術及電極的CAD技術，使在加工過程中兩種模型（圖形）不斷“隨形”，并不斷改變加工參數及相應的伺服抬刀等參數，以保證加工的安全、高效。
（3）NCSEDM在航空航天領域的加工工藝技術：以帶冠渦輪葉片加工為典型對象，對航空航天特殊零件、特殊材料的加工工藝需要進行系統研究。帶冠渦輪葉片是一種變截面三維通道加工，需要五軸以上的NCSEDM，因此需對特定軌跡的坐標組合方式、加工余量的分配、加工效率及表面質量等加工工藝進行研究。特別是對加工表面完整性的研究，在航空航天工業中顯得尤為重要。
（4）模具加工的Rsm：電火花成形加工可實現精密復雜型腔的直接加工，但對有些模具來說，不單是Ra的要求，還有Rsm（粗糙度的波峰與波谷寬度的算術平均值）的要求。研究表明，較大的Rsm值可以實現易脫模、少粘接以及塑壓件的時尚紋理外觀。對于半導體塑封模來說易脫模、少粘接具有重要意義。
本次展會中，日本沙迪克公司開發IC PIKA電源，與其他電源相比，在同樣的Ra條件下，可實現較大的Rsm值（見圖5），但這方面還沒有引起我國廠商的重視。
圖5 標準條件加工面與IC PIKA加工面的比較
（5）重視成套加工技術的研究：如前所述，國外已從開式的成套加工技術發展為成套自動加工系統，并進一步發展為初步的柔性制造系統，而我國還處于單機生產階段。其實NCSEDM和HSM是相輔相成的加工技術，有很大的互補性，特別是型腔模具加工，往往需要NCSEDM和HSM共同完成。因此，在我國可以考慮NCSEDM與HSM的開發、生產企業進行合作，研究成套工藝技術，開發通用夾具，為用戶提供成套解決方案，改變單機生產服務方式，并逐步向成套加工系統發展。
二、電火花線切割機床
1. 單向走絲電火花線切割機床
本屆展會共有15臺單向走絲線切割機床參展，其中境外品牌8臺，境內品牌7臺。與上屆展會比較，此類機床的主要加工指標未有重大突破，境外展機主要在一次切割的直線度、多次切割性能等細節方面有明顯進步，境內線切割機床的總體性能有所提升。本屆展會單向走絲線切割機技術性能指標從最佳表面粗糙度Ra0.6 μm到Ra0.008 μm，最大切割效率從200～500 mm2/min，產品銷售價格從30萬/臺到200多萬/臺，各層次相關機床都有展示。
（1）提高性價比的市場競爭策略
日本和歐洲幾大著名電加工廠家為了爭奪中國大市場，紛紛采取不同的競爭策略，最大限度滿足不同層次客戶需求。同時在市場銷量最大的中檔機床上開發新的實用技術，提高切一修一、切一修二的零件表面粗糙度與零件加工精度，以吸引更多的客戶購買這類產品。一些后起制造廠商只能采取價格與新技術應用相結合的策略，來分得一些市場份額。
（2）加工精度及綜合加工效率的技術提升
本次展會展商更注重向用戶宣傳實用的加工性能指標，最突出的亮點在于一次切割時直線度的控制技術。不同廠家采取了不同的直線度控制策略，如日本牧野公司U6機床研發了GS-CUT（凸面精靈）技術，通過在切割路徑的正交方向上控制電極絲的微振擺或微震動方法，實現了一次切割的高直線度。日本三菱電機公司MV系列機床的形狀控制電源（Digital-AEⅡ），通過控制上下進電塊進電能量的配比，實現了一次切割的高直線度。日本沙迪克公司SL400GS單向走絲線切割機床，采用TMP控制技術，一次切割直線度達到2 μm/100 mm（單側）。
（3）基于油基工作液的電火花線切割機床
日本沙迪克公司的AP250L展機，采用油基工作液，X、Y、U、V四軸直線電機驅動，門式立柱結構，搭載“Super Pika Oil”精加工回路，最佳表面粗糙度達到Ra0.008 μm，細小模具加工形狀精度控制在±1.5 μm，該機代表了本次展會同類展機最高技術水平。
（4）直線電機驅動技術更加普及
直線電機驅動在精密單向走絲線切割機床使用的趨勢越來越強。本屆展會除日本沙迪克和三菱電機公司4臺展機全部使用直線電機以外，臺灣慶鴻公司兩臺展機也使用了直線電機。日本沙迪克公司使用直線電機已有15年、3萬臺的歷史，10年后的機床坐標精度仍然很好，10年的單向走絲機床殘值也有原值的50 %。隨著直線電機成本越來越低，這項技術將會在近幾年內，在大部分單向走絲線切割機床上廣泛使用。
（5）自動化加工技術
單向走絲線切割機床實現自動加工、無人化操作的主要技術就是自動穿絲技術和型芯廢料保持技術。自動穿絲系統在不斷提高小于0.1 mm絲徑穿絲成功率，以及在曲面工件或中空工件上的穿絲成功率。日本三菱電機、日本牧野及日本西部電機公司重點向客戶展示了直徑0.2 mm電極絲在多級中空零件上的自動穿絲技術，同時結合型芯多點熔接技術，將切割下來的型芯與零件本體進行多點熔接，更易實現無人自動加工。
（6）變截面隨形智能控制技術及雙噴嘴加工技術
日本三菱電機公司、日本沙迪克公司等線切割機床3D圖形的直接導入與處理，實現了變高度工件的電火花線切割加工過程中工藝參數的智能控制，減少加工中斷絲，減輕變截面加工條紋的產生。日本牧野公司的機床上下兩個噴水嘴分別由兩個高壓泵單獨提供沖水，每個噴嘴可以提供更高的沖水壓力，對提升切割效率有很大幫助。
（7）單向走絲線切割機的細分市場
單向走絲線切割機的應用也在向一些細分市場轉移。日本FANUC公司的展機α-C400iA，安裝英國Renishaw測頭和德國高精度分度軸，實現棍狀、盤狀刀具的自動找正、自動加工。德國孚爾默PCD刀具加工專用單向走絲線切割機QDW760，具有五軸聯動功能，配置刀具切割編程專用軟件，提供多種刀具形狀標準圖形庫，僅需找到對應的刀具形狀，將必要的尺寸填寫進去，就能夠直接生成加工的圖形文件。北京安德建奇數字設備公司展覽的一臺AE1100大型單向走絲線切割機床，最佳加工表面粗糙度：Ra＜0.3 μm，最大切割效率：250 mm2/min，滿足大型汽車模具高精度加工，是國內第一臺大行程單向走絲線切割機床。
2.往復走絲電火花線切割機床
本屆展會共有13家內資企業展出往復走絲電火花線切割機床，均為中走絲線切割機床。與上屆展會相比，國內展品在整體外觀質量和實用性加工指標方面取得較大進步。
（1）所有參展的中走絲線切割機床都采用了封閉液槽結構，增強了機床環保性能。
（2）引進工業設計技術，對機床的外觀與色調進行較大改進。
（3）一體式結構已經逐步被制造企業所采納，節省了占地面積。
（4）開始生產T型床身、C型結構的高檔中走絲線切割機床，說明產業升級正在進行。
（5）加工速度等性能指標進一步提高。大部分中走絲線切割機床的最大加工效率已經＞200 mm2/min，部分產品＞300 mm2/min。最佳表面粗糙度一般為Ra0.8 μm，個別產品達到Ra0.6 μm。
（6）更加重視機床實用性的宣傳，突出多次切割的平均效率、表面粗糙度、絲損耗等指標。
（7）隨著各項技術的發展，與中走絲線切割機床相關配套的切割液、導輪、掩模等都有一定技術提升，制造廠家更加重視機床在細分市場的應用。
（8）借鑒單向走絲電火花線切割技術，尋求自身技術上的突破。更加突出中走絲線切割機床在加工大厚度、大錐度零件上的優勢。
（9）中走絲線切割機床將向性能可靠、精度穩定、操作簡單、維修方便的綜合實力方向發展。
（未完待續）
