申明：此文已在《电加工与模具》2011年第3期正式发表。
作者：CIMT 2011特种加工机床评述专家组*
摘要：通过对第十二届中国国际机床展览会（CIMT 2011）展出的各类特种加工机床的调研及资料收集，对国内外电火花加工机床、激光加工机床、快速成形机床等产品的技术性能及发展趋势进行了比较深入和系统的评述，对市场动态进行了分析。
关键词：特种加工机床；数控电火花成形机床；电火花线切割机床；激光加工机床；快速成形机床
中图分类号：TG66 文献标识码：A 文章编号：1009-279X(2011)03-00 01-08
The Reviews for Non-traditional machines Exhibited in CIMT 2011
The expert group of the reviewing in the non-traditional Machines of CIMT 2011
Abstract: After had an adequate research and information collection for various types of non-traditional machines exhibited in CIMT 2011, the technical characteristics and the development trends of the electro-discharge machines, the laser beam machines, the rapid prototyping machines (equipments), etc. at home and abroad are profoundly and systematically has been reviewed. Further, the market dynamics of these machines has been also had an analysis.
Key words: non-traditional machines (NTM); NC sinking electro-discharge machines (SEDM); wire electrical-discharge machines (WEDM); laser beam machines; rapid prototyping machines (equipments)
第十二届中国国际机床展览会（CIMT 2011）于2011年4月11～16日在北京举办，展览规模为历届最大，占地面积约12万平方米，共有1 406家国内外厂家参展，展出各类机床、柔性生产线和大型量仪1 040台（套）。
特种加工机床展出规模也是历届之最。据初步统计，共有40家国内外企业参展，国内外知名企业悉数到会。其中国内企业26家，展出各类特种加工机床61台；国外企业14家，展出各类特种加工机床30台。国内外机床中包括：数控电火花成形机床20台（国内：13台、国外：7台）、单向走丝电火花线切割机床17台（国内：6台、国外11台）、往复走丝电火花线切割机床25台（国内）、激光加工机床24台（国内：11台、国外13台）、电火花微孔及小孔加工机床4台（国内）、放电切割机1台（国内）、水切割机1台（国内）、快速成形机床1台（国外）、超声加工机床1台（国外）。从展出情况来看，当前特种加工机床市场的主体是电火花加工机床和激光加工机床。
这次展览会上，还专门设立“数控机床与基础制造装备国家科技重大专项图片展”，在特种加工机床方面，展示了5项国家重大项目(有实物展出)：①苏州电加工机床研究所有限公司的D7132五轴联动精密电火花成形加工机床；②北京市电加工研究所的N850五轴五联动精密数控电火花成形机床；③苏州三光科技股份有限公司的DK7632自动穿丝精密高效数控电火花线切割加工机床；④北京安德建奇数字设备有限公司的精密数控低速走丝电火花线切割机床（六轴数控）；⑤武汉法利莱切割系统工程有限责任公司的大功率宽幅面厚板数控激光切割机床。这些项目所取得的成果及研制的设备代表了我国特种加工机床的领先水平。在2011年4月12日由国家发改委、工信部、能源局和国防 工业局召开的“军工行业与能源装备领域国产数控机床应用座谈会”上，北京市电加工研究所的N850精密数控电火花成形机床获得了“国产数控机床优秀合作项目”大会表彰。
1 数控电火花成形机床
1.1 NCSEDM的市场定位是精密微细加工
在高速铣（HSM）技术大发展的今天，通用NCSEDM的市场定位越来越清楚了，即向精密微细方向发展。
这次展会上展示的精密微细加工样品比以往要精彩得多，尤其是展示很多精密微小型腔 (如1 mm3型腔)，需要用放大镜才能看得清楚。它不但小，而且清棱清角，这种微型腔是生产微器件的关键技术。在1 mm3的空间内加工10 μm的清角，对HSM来说太困难了。
随着科学技术的进步，微机电系统（MEMS）发展越来越受到人们的高度重视，已相继应用于精密机械、光电通讯、影像传输、生化医疗、信息存储等领域，这些领域需要很多微型模具。国际MEMS发展迅速，有关资料预测，我国20 11年增速有望达到29.2%。这说明微型模具市场有良好的发展前景，必将推动NCSEDM精密微细技术的发展。
即使在一般规格的型腔模加工中，NCSEDM也定位在精加工。因为HSM粗、中加工优势十分明显，且在很多场合可直接用HSM加工就能达到图纸要求，但要使HSM加工无刀花和接刀痕花费就大了，而且还有清角加工的问题，所以对于高档模具，采用NCSEDM加工精铣后的型腔，则既有精整加工又有抛光作用，平整度又好。而如果用手工抛光去掉刀花和接刀痕，则会使平整度变差，也难于解决清角问题，影响高档模具的精度要求。现在的问题是NCSEDM能否达到型腔模精加工的要求，也就是说，在精加工时，要保证不烧弧，防止集中放电，规范放电能量，保证精加工表面粗糙度均匀，且Ra≤0.2 μm，平整度要好，清角等。目前 ，一般的小家电模具、手机模具等都可实现NCSEDM直接精密加工，即使采用石墨电极也能达到上述要求。例如：石墨电极本身的表面粗糙度为Ra0.49 μm，进行精密平动加工，工件表面粗糙度可提升到Ra0.11 μm。
现在的问题是大面积型腔加工。由于EDM固有的问题，大面积型腔加工时难以达到Ra≤0.2 μm的水平。因此开发了混粉加工技术。在一定浓度超细混粉加工时，可达到Ra ≤0.1 μm的水平。但由于混粉在加工间隙中分布的不均匀性，加工精度（平面度等）会受到一定的影响，因此，如何选择适当浓度，在精度与表面粗糙度之间找到平衡，是工艺上亟待解决的问题。
1.2 精密加工技术的进步
1.2.1 集中放电控制技术
电火花放电加工在正常状态下，放电在间隙中是不断转移的，集中放电引发的电弧放电会破坏加工正常进行。这次日本沙迪克公司的AG系列机床，采用SGFⅡ电路，实现整个加工过程无电弧放电加工，值得关注。
避免集中放电对精密加工保证加工表面质量十分重要，对于采用石墨电极的中、精加工尤为重要。以往我们对防止由集中放电引发的电弧放电的相关技术进行过报道，下面再介绍几项防止集中放电的控制技术，供参考。
(1) CAD的3D技术：加工时引发集中放电往往与脉冲能量和加工面积不匹配有关。以往认为，某一脉冲能量有个最佳加工面积并与加工稳定性、加工效率密切相关，其实它还与防止集中放电也密切相关。一个与脉冲能量匹配（最佳）的加工面积，可有效防止集中放电。当前应用CAD的3D技术，可事先计算出每个变化的加工截面，这样放电加工面积是预知的，就可根据加工工艺规律，准备好一套脉冲电源参数及伺服控制参数，以适应加工过程中加工面积的变化，防止集中放电，保证精密加工的表面质量。
为了实现电压（脉冲能量）平缓调节，当前已用电子变压器替代用抽头调节电压的常规变压器，形成数字化的电压平缓调节，从而能实现自动的脉冲能量平缓调节，还能使脉冲能量的微调成为可能，为CAD的3D技术创造了条件。
(2) 微抬刀（脉动抬刀）技术：集中放电产生型面不平局部粗糙的重要原因，尤其精加工时问题更为突出。因为精密加工时放电间隙小，易产生放电产物在间隙中的不均匀分布。产物的局部集中，使放电点转移造成困难，间隙局部过热内阻减小，形成集中不良放电。放电间隙的局部污染，说明间隙中蚀除物分布不均匀。为使蚀除产物在间隙中分布均匀，所以提出微抬刀的新概念，它新在不是排屑而是匀屑，是“脉动”一下，使间隙中产物均匀分布，避免集中放电，这种微（脉动）抬刀，一般是在二个高抬刀之间进行，创造放电点自由转移的有利条件。
(3) 抬刀脉冲控制技术：为了避免电极和工件之间形成的电容以及输出回路寄生参数在主轴抬起时大量空载大脉冲的充电，这种充电会给抬刀过程结束时首发放电产生一个大能量脉冲，而在工件表面打出深坑，因而采用在抬刀时不发脉冲的措施。这也是为避免产生集中放电，而采取的技术措施但概念与上述二种不同。
1.2.2 精密加工的智能脉冲电源
从这次参展的情况来看，国外厂商都重视智能脉冲电源开发应用。例如：瑞士阿奇夏米尔公司ISPG智能高效脉冲电源，新电源在加工表面质量、电极损耗、生产效率等方面都达到了新的高度，采用SF模块进行精密加工，可达Ra0.05 μm的水平，电极损耗大幅度下降，平均生产效率提高30%；日本牧野公司参展的EDAF2机床智能脉冲电源的超级放电技术（SST），具有放电能量自动调节（AFT）、节能、低损耗、超精面加工等9项功能，超精面加工Ra0.06 μm；日本沙迪克公司参展的AG40L机床，配置的能实现高品位精加工的SVC回路，可达到镜面加工的水平；日本三菱电机公司EA Advance机床，配置的NP2回路，在10 mm×10 mm加工面积时，可达Ra0.06 μm。
在国家科技重大专项展品方面，苏州电加工机床研究所有限公司的D7132五轴联动机床，配置了智能化脉冲电源及高精加工电路，可稳定实现Ra0.1～0.15 μm的精密加工；北京市电加工研究所的N850五轴五联动机床，其镜面加工回路对微小放电脉冲能量的恒定输出进行精确控制，在加工直径为40 mm的面积时，表面粗糙度Ra0.1 μm，并实现了工程化稳定加工。
脉冲电源在精细加工时，微小脉冲能量在放电回路中传输，其放电回路上的寄生参数产生的附加能量，会使加工件表面粗糙度变差。放电回路的寄生参数由两部分组成，一是放电能量传输线路；二是电极和工件间的寄生电容，这一部分是由电极和工件之间的加工面积决定的，难以改变，但缩短放电能量传输线路，减小寄生参数，却具有重要意义。目前国内外都采用缩短传输线路这个办法，因此都把精密加工电源做成专用电路或模块，从电气柜内移到立柱侧面或主轴箱侧面等，使放电回路线路最短，这样会使镜面加工的面积有所增加，如前所述，一般小家电模具、手机模具等都能满足精加工要求。
1.2.3 精密电火花加工机床的热稳定系统
随着精密微细加工技术的发展，机床的热平衡、热补偿功能越来越重要。机床的长时间运行，相关元器件的温升、工作液的温度变化、机床室内环境温度的影响，包括由于抬刀速度和频率的增加，Z轴的丝杠螺母也成为新的发热源等。即使在小电流加工时，这些因素依然存在，影响机床的精密加工。从这次展览会上可看出，近来国外对热稳定系统予以高度重视。例如：瑞士阿奇夏米尔公司参展的FROM3000机床具有温度恒定系统，该系统是通过具有恒定温度介质冷却X、Y 和Z轴的直线光栅尺，作为温度补偿系统的一个恒定参照。配置的热稳定系统和温 度管理系统，可防止温度变化对加工工件精度的影响。日本沙迪克公司参展的AG40L机床，采用气流调节系统，与以往机床相比，大幅减少了本机的热变形量。机床的热变形修正软件是从机床各部位测量所得温度数据推断实时的机床热变形，并对之实行补偿。日本三菱电机公司参 展的EA系列机床，实时掌握机床周围的温度变化，及时补偿温度变化引起的变形。通过工作液恒温循环，可进一步提高该功能。日本牧野公司采用多种方法防止机床热变形，如采用隔热板和隔热层来屏蔽热源。由于Z轴和电机、轴承、滚珠丝杠及螺母在Z轴伺服及抬刀过程中产生的热量使Z轴产生热变形，所以采用滚珠丝杠中心冷却及支架冷却的Z轴稳定器，以防止热变形；更进一步是采用热防护罩，增设空气冷却器，使防护罩内的温度变化控制在±0.5 ℃，可以忽略外部温度的影响。
我国对于精密电火花成形机床热变形技术的研究和应用还不够重视，市售机床尚未见到采用较完善的减少热变形的技术，这方面与国外相比，还有较大的差距。随着NCSEDM逐步向精密微细方向发展，行业内已认识到防止热变形的重要性，开始启动这方面的工作。例如，苏州电加工机床研究所有限公司购买了成套热变形检测仪器，开始着手这方面的研究工作。
1.3 展会中几个值得关注的新动向
（1） NCSEDM的电极和工件自动交换系统
在我国具有电极自动交换系统的NCSEDM已有多年的历史了，但电极和工件自动交换（AEC/AWC）系统国内还没有开发。以往在中国各种展会上，外国公司也没有展示过AEC/AWC系统，但在这次展会上日本沙迪克和牧野二家公司展出了AEC/AWC系统，以前这二家公司的AEC/AWC只在欧美展览会中展出，这说明中国用户对自动化、开机率、交货周期、节省人工等方面提出了更高的要求，也说明中国用户规模大了，加工模具的水平更高了。以往我们认为AWC适合批量生产，但实际上在工件库内可以放置不同的加工工件，单件加工生产也适合使用AEC/AWC进行全自动加工，这是今后值得关注的问题。
（2） 电火花成形加工的工作液
在这次展会上我们看到有一种浅绿色的煤油工作液，不但颜色好看，而且没有以往煤油那种刺鼻的感觉。虽然我们不知道这种工作液成分、配比，但说明一点，就是国外重视工作液的研究，而我国在工作液方面没有多大进展。其实，工作液除关系到安全、环保外，对加工工艺指标影响也较大。以往国外开发了一种混粉工作液，这次又出现了一种浅绿色工作液，值得关注。
（3） 整体加工工艺解决方案
在整体加工工艺解决方案方面，参展的国外机床都有比较完善的加工工艺系统，例如日本三菱电机公司EA系列机床的Advance控制装置，采用CAD/CAM系统，建立电极和模具的3D模型，读取CAD/CAM中的加工信息（EPX格式文件），进行电极安装及位置确认，并进行电极铣削加工（CAM）。采用3D-EXPERT软件，利用电极和模具的3D模型，计算放电加工面积的变化，生成最佳加工条件进行电火花成形加工。日本牧野公司同样采用CAD/CAM技术，建立电极及模具3D模型，采用FF/eye格式文件，生成电极加工程序，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，进行电火花成形加工（CAM）。瑞士阿奇夏米尔公司、日本沙迪克公司等都有完整的加工工艺系统。
加工设备的成套性也体现整体加工工艺解决方案，国外有的企业既生产NCSEDM，又生产HSM，还生产专用石墨电极加工机床，设备的成套性有利于满足用户需求，有利于市场开发。
我国虽在整体工艺解决方案方面还存在一定差距，但在这次展会上，北京凝华科技有限公司提出的参展主题是：利用3D控制中心制作3D模型→高速雕铣机加工电极→三坐标检测电极精度→NCSEDM加工模具→三坐标检测加工精度等整体工艺解决方案，值得关注。
*CIMT 2011特种加工机床评述专家组成员：
叶军（组长）、陈德忠（副组长）、肖荣诗、朱宁、张人佶、沈洪、山昌祝、张宝华、伏金娟、徐均良、于志三。
