模具电火花加工自动化效率的提高

黄登懿，唐助才，陶永亮

（1.四川长虹模塑科技有限公司，四川绵阳 610200；2.重庆川仪工程塑料有限公司，重庆 400712）

1 引言

注射模型腔和型芯成型部位加工方式较多，其中应用最多的是电火花加工，先进的设备能达到电极损耗小于0.1%，表面粗糙度值Ra0.5μm要求[1]，电火花加工后可以直接获得成型部位较理想的形状和尺寸，电火花加工过程中电极加工占有主导地位。从电极设计到成型加工整个过程中，电极占有装夹、校正、加工和检测的非加工时间较多，一直困扰着模具加工企业。在引进模具智能制造技术后，从电极设计到成型加工整个过程中，全部实施自动化设计到自动化成型加工，装夹、校正、加工和检测等非加工时间缩短，设备稼动率逐月上升，缩短模具生产周期，降低模具成本，减少加工出错的可能。

2 模具智能制造平台内容与应用于电极加工方面

2.1 模具智能制造的架构和内容

模具智能制造是通过云平台，将模具的智能设计、数字化制造，现场加工等信息落实到智能制造系统平台对模具制造过程的全面管控，把模具智能设计、智能设备、智能加工有机的融合一体，实现模具的智能化制造。智能制造系统是把传统的模具生产变成流水线生产。

模具智能制造平台是基于制造云平台的建立之上，将模具行业常用的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/MES软件集成为一站式解决方案，涵盖项目管理、智能设计、智能工艺、智能编程、智能制造、智能测量、OEE设备监控、APS排产等多项功能融合在一起，解决好人机交互智能调度[2]，为模具行业提供全自动机器人生产线的整体解决方案，真正做到智能制造一站式服务，为模具企业打造模具智慧工厂。如图1所示。

图1 模具智能制造平台架构示意图

2.2 模具智能制造平台应用于电极加工方面

模具智能制造系统平台中数字化制造是主体功能，其中CNC自动加工、EDM自动加工和CMM自动检测最适应电极加工的范畴，通过CNC、EDM和CMM自动化和智能化加快了电火花电极加工及其使用，为模具自动化和智能化建设奠定了重要的基础[3]。其中CNC、EDM和CMM介绍如下：

CNC加工中心：①CNC（Computerized Numerical Control加工中心）工件加工。通过扫描RFID（Radio Frequency IDentification射频识别、数据采集）自动获取程式，程式自动上传到控制器中，安全可靠避免人为异常；②CNC电极加工。通过扫描RFID自动获取程式，辅助于专用机械手操作，能同时加工多个电极，避免浪费换刀时间，极大的提高设备稼动率，降低操作员的工作强度；本案主要强调电极加工。

EDM电火花加工：EDM（ElctronDischarge Machining）放电加工，放电条件通过标准放电条件库自动生成，通过扫描RFID芯片自动获取放电位置和坐标，有效避免人为异常，设备利用率可以达到95%。

CMM自动检测：CMM（CoordinateMeasuring Machining坐标测量）自动检测、校正，CMM Offline脱机编程，通过扫描RFID自动获取检测程序，检测结果自动上传到数据库中，比传统检测方法效率提升3倍以上。

（1）电极加工原有的模式。电火花成型加工技术，自20世纪40年代开创以来，已成为模具制造技术领域不可或缺的重要组成部分[4]。传统的电极加工到成型加工基本工艺为：依据模具图设计要求由工艺人员设计电极（考虑电极装夹，校正因素），模具图和电极图一同下达到模具制造车间，模具车间通过备料（紫铜或石墨）按要求加工电极，由加工中心（或其他设备）加工完成，进行检测，再通过人工修整或抛光处理后，上火花机进行装夹、校正、分中等，最后电火花加工脉冲电源，提供击穿加工介质所需的电压，并在间隙击穿后提供能量以蚀除金属，达到加工目的[5]。电极加工时间的延长和上火花机时的装夹、校正、分中等非加工时间的增加，影响整个模具制造周期。

（2）电极加工改进后模式。引进模具智能制造系统平台后，电极加工实行自动化和智能化操作。模具设计CAD（Computer Aided Design）全3D设计，包括模具CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析等，基于NX（UnigraphicsNX）的 CAM（ComputerAided Manufacturing）专家系统，高效快捷，CAM任务系统化管理，CAM完成状态同步反馈现场，快速电极设计系统，能自动生成放电程序，系统中增加的作用并定义作用后对应粗糙度，对电极设计起到了重要作用。电极在CNC加工中心完成（包括精雕机在内），电极检测CMM自动检测完成。从装夹、校正、分中到放电等都是自动完成，完全保证了模具加工要求，缩短了模具加工周期。

建立电极加工自动化生产线：电极加工、检测、放电由自动化控制系统及机械手全自动完成。具体优点：①电极设计：按自动化方式进行电极设计；②电极加工前装夹：采用3R夹具装夹（减少装夹时间）如图2所示，保证加工精度；③CNC电极加工：利用夹具实现快速装夹，不需要找电极中心（基准）；④电极检测：利用夹具定位，不需要找电极中心（基准），快速检测；⑤电极放电：利用夹具定位，不需要拉表找正及碰数，实现快速装夹放电加工。

图2 虎钳及3R装夹示意图

（3）改进后的案例。

a.电极装夹、拉直找正效率提高。图3所示为椭圆电极加工示意图，一般电极先用粗打电极对成型加工的前工序留下的余量（0.5～1.0mm）进行粗打，粗打的目的为以后精打留下0.1mm余量，减少精打电极的损耗，保证成型加工质量。

表1所示椭圆电极加工各阶段花费时间，表2所示电火花准备时间对比表，表3所示椭圆电极三坐标检测时间对比表，都是在表1的基础上所做的分解项。引进智能化操作平台后，效益提升为82.35%，电火花准备时间下降89.28%，三坐标检测时间下降90.80%。

b.电火花加工效率提高。图4所示为sj127模具滑动小镶块为铍铜件。电极为紫铜，深度20mm（红线圈定部位），粗（精）放电火花位都是0.15mm/s（电极火花位单边放电间隙为0.15mm），放电时间改进前加工2件4,800min，粗糙度值Ra3.6μm；放电时间改进前加工4件4,200min，粗糙度值Ra3.1μm（粗糙度数字为粗糙度仪器实际测量值），加工效益提高30%以上。

表3 椭圆电极三坐标检测时间对比表

图4 sj127滑动小镶块

3 结束语

电极加工、电火花加工传统加工方式，每一个电极装夹均需进行人工拉直、找正，受操作者技能水平、加工环境和态度的影响，效率低下，质量波动较大。引进模具智能制造系统平台，全年超过2.0万个电极分别进行CNC、CMM、EDM加工，平均每个电极装夹、找正时间为3min多，全年在装夹、找正的时间上超过4,000h（CNC、CMM、EDM 3项之和）；平均每件电极检测需要13min，全年超过2.0万件电极检测时间超过4,000h。从实施模具智能制造平台后，仅仅电火花电极装夹准备中装夹、校表、碰数时间从5min多下降到1min之内；三坐标电极检测准备中装夹、检测、图像转换时间从从12min多下降到1～2min之间。装夹效率提高60%以上，提高加工精度，精度可保证在0.02mm内。电极设计全部采用自动化设计，电极编程全部采用自动化编程，加工中自动刀库使用，程序自动化传输。通过实施模具智能制造平台，提高加工效率，缩短模具生产周期，降低模具成本，减少加工出错的可能。