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        我國電加工技術(shù)及裝備發(fā)展與展望

        2014-04-09 13:13:44蘇州電加工機床研究所有限公司董事長
        金屬加工(冷加工) 2014年8期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品

        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(jīng)成為世界最大的電加工機床消費市場。

        電加工機床生產(chǎn)大國瑞士原有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,銷售額約有人民幣30億元;另一個電加工機床生產(chǎn)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(yè)數(shù)量遠遠超過其他國家,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前已有約170家生產(chǎn)企業(yè),每年生產(chǎn)3~5萬臺電加工機床,為航空航天、軍工、模具等行業(yè)提供了大量裝備,推動了這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也確立了我國在國際電加工領(lǐng)域的地位。但我國內(nèi)資電加工企業(yè)仍然是多而不強,銷售額超1億元的企業(yè)只有2~3家。我國電加工機床生產(chǎn)企業(yè)的效益和綜合實力相對差距很大。

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

        1.高端電加工機床在與跨國企業(yè)(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(yè)性能品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品,近期有關(guān)內(nèi)資企業(yè)在國家數(shù)控機床重大專項成果的支撐下,在與跨國企業(yè)(集團)的競爭中艱難前行,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(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面,市場份額在不斷提升。

        用戶對內(nèi)資企業(yè)生產(chǎn)的該類機床認可度在提升,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用。

        內(nèi)資企業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)品能做了“形似”,是第一步,但要做到“神似”,則還有更艱難、更長的路要走。

        高端的多軸數(shù)控微小孔電火花加工機床,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(shù)控的微孔加工機床,內(nèi)資企業(yè)的產(chǎn)品不僅能滿足國Ⅲ排放標準的汽車發(fā)動機噴油嘴精密噴油孔的加工要求,而且開發(fā)的具有倒錐孔加工功能的產(chǎn)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(chǎn)品的加工要求。

        2.多次切割技術(shù)推動往復走絲電火花線切割機床由低端向中端發(fā)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(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,獲得了突破性的進展,推動了該類機床由低端產(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一步提高。

        3.細分市場專用數(shù)控電加工機床的開發(fā)形成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的亮點

        隨著我國國民經(jīng)濟及先進制造業(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)機械加工或常規(guī)通用電加工設(shè)備無法解決的加工難題,為電加工技術(shù)及裝備的發(fā)展提供了極好的發(fā)展機遇。近年來,國內(nèi)電加工企業(yè)和研究院所積極為這些重點領(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床、多軸數(shù)控微小孔加工機床、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、高效特種鋼陽極機械切割設(shè)備、特殊材料復雜型面電解加工機床和輪胎?;y塊5軸數(shù)控電火花加工機床等。這些產(chǎn)品不僅有力地支撐了我國相關(guān)制造業(yè)的快速發(fā)展,特別是為我國航空航天、軍工領(lǐng)域新機種、新武器的研制和神州飛船的上天發(fā)揮了重要作用,而且促進了有關(guān)企業(yè)避開競爭、差異發(fā)展,開啟了電加工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的亮點。

        我國電加工技術(shù)取得了長足的進步

        1.自動穿絲、精密、高效數(shù)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(guān)課題的實施,該產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)及專用數(shù)控系統(tǒng),明顯縮小了與國際先進水平的差距。

        2.五軸聯(lián)動精密、數(shù)控電火花成形機床

        重大專項及863計劃相關(guān)課題開發(fā)的產(chǎn)品最大生產(chǎn)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(shù)據(jù)庫,具有X、Y、Z、A(B)、C五軸聯(lián)動功能。所開發(fā)的帶冠整體渦輪盤扭曲葉形五軸聯(lián)動電火花成形加工CAD/CAM軟件系統(tǒng)及工藝技術(shù),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(fā)動機渦輪盤加工,打破了西方國家對我國國防工業(yè)高端電加工機床的封鎖。以上這些技術(shù)的突破,使五軸聯(lián)動、精密、數(shù)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(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺

        課題根據(jù)電加工機床的特殊要求,在重大專項相關(guān)課題的支撐下,開發(fā)了兩種規(guī)格的浸泡式、全密封精密數(shù)控轉(zhuǎn)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(guī)格的產(chǎn)品采用了先進的直驅(qū)電動機技術(shù);產(chǎn)品采用全閉環(huán)控制。重復分度精度≤5″,分度精度≤15″??捎糜陔娀鸹ǔ尚螜C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(shù)進步

        近期,電加工行業(yè)針對往復走絲電火花線切割機床精度不高、加工表面質(zhì)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(shù)字化脈沖電源、工作液系統(tǒng)、專用數(shù)控系統(tǒng)等進行了綜合技術(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(shù)進步,推動了該類產(chǎn)品從低端向中端的發(fā)展。但這類機床的精度穩(wěn)定性和可靠性技術(shù)將是今后需要研究的重要課題。

        5.細分市場的產(chǎn)品開發(fā)取得的技術(shù)進步

        細分市場的產(chǎn)品開發(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)控機床在細分市場中發(fā)揮著重要作用。近年根據(jù)用戶的需求開發(fā)了不少專用機床,全部是創(chuàng)新產(chǎn)品,有些填補了國內(nèi)空白,有些在國際上也沒有,是我國自主原創(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計劃項目)。該技術(shù)及產(chǎn)品屬我國自主原創(chuàng),擁有多項發(fā)明專利。其采用簡單銅管為電極,以類似數(shù)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(shù)控五軸聯(lián)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(lǐng)域高溫耐熱合金材料的整體葉盤扭曲葉形、發(fā)動機機匣復雜型面的高效放電銑加工。已在西安航空發(fā)動機有限公司、沈陽黎明航空發(fā)動機有限公司和成都發(fā)動機股份有限公司等企業(yè)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(shù)控電火花加工工藝及設(shè)備(863計劃項目)。該設(shè)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(shù)控機床已應用于航空航天、軍工、汽車和內(nèi)燃機等行業(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(fā)動機國Ⅳ排放標準的要求,還開發(fā)了6軸數(shù)控電火花倒錐微孔加工設(shè)備,替代了進口產(chǎn)品。

        (3)特種材料復雜型面電解加工技術(shù)及設(shè)備(863計劃項目)。該機床可進行7軸分組聯(lián)動加工,屬于復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)備達到或接近國際先進水平。

        (4)蜂窩環(huán)數(shù)控電火花磨床。該機床主要用于飛機、燃氣輪機蜂窩環(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)動機中起到關(guān)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(shù)控3軸聯(lián)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(xiàn)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(shù)控電火花成形機床國外現(xiàn)狀及存在的差距

        數(shù)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(xiàn)在:機床熱變形控制技術(shù)、機床動靜剛度設(shè)計技術(shù)、專家系統(tǒng)、智能化技術(shù)、電極和工件自動交換技術(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床國外現(xiàn)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(shù)、細絲切割技術(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(zhì)量以及電極絲自動交換技術(shù)、工件自動交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面。

        3.電火花微小孔加工機床國外現(xiàn)狀及存在差距

        電火花微小孔加工機床不論從數(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(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床

        (1)研究內(nèi)容:以10 ns窄脈寬、高峰值電流的高效、無電阻、防電解、綠色節(jié)能脈沖電源技術(shù)、加工狀態(tài)檢測及控制、細絲自動穿絲技術(shù)、恒張力恒速度的運絲技術(shù)、熱變形控制技術(shù)、直線電動機驅(qū)動技術(shù)、開放式數(shù)控系統(tǒng)及智能化控制等關(guān)鍵技術(shù)突破為重點,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床。

        (2)指標:最高生產(chǎn)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(shù)據(jù)庫;直線電動機驅(qū)動;3D圖形CAD導入、判析,根據(jù)工件切割厚度變化適應控制。

        2.更高水平的數(shù)控電火花成形加工機床

        (1)研究內(nèi)容:高效、低損耗、無電阻和綠色節(jié)能型脈沖電源技術(shù),納秒級微精脈沖電源技術(shù),更高水平的加工狀態(tài)檢測,優(yōu)化及策略的智能化控制技術(shù),高精度保持性的機床熱變形控制技術(shù),直線電動機驅(qū)動技術(shù),電磁兼容技術(shù),微細微精加工技術(shù),特殊材料加工技術(shù),開放式數(shù)控系統(tǒng),工藝專家數(shù)據(jù)庫等,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床。

        (2)指標: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;直線電動機驅(qū)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(jù)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?guī)臁?/p>

        3.加工指標更加穩(wěn)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(nèi)容:在現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上,重點研究加工精度、表面質(zhì)量等加工指標的穩(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;更先進的張力控制及運絲技術(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:加工精度穩(wěn)定達到±0.01mm;加工表面粗糙度值穩(wěn)定達到Ra≤1.0μm;實用最大切割速度150mm2/min;操作環(huán)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(guān)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上,開發(fā)更高水平的滿足細分市場要求的電加工機床產(chǎn)品,如油浸式數(shù)控低速走絲電火花線切割、鈦合金數(shù)控電火花加工機床,具有倒錐的電火花微孔加工機、多軸數(shù)控電火花小孔加工機床、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床的迫切需求。

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