(1)雕模放电加工机

放电加工技术趋势与分析

工研院机械所精密机械与控制技术组

数值控制部研究员林瑞宽

一、前言

放电加工机是模具加工不可缺少的生产设备，而国产放电加工机的产量虽已是世界第一，但大多为中、低阶产品，近年来由于工研院机械所与国内业界共同努力成功开发高附加价值的线切割机产品，估计2002年国内线切割机产量超过500台，居世界第三大生产国，仅次于瑞士与日本，也使得国内业界在这世界不景气中，不至于大幅衰退的现象，本文将针对目前雕模放电加工机、线切割机及细孔放电加工机技术之世界趋势及着名知名大厂开发之功能规格加以探讨及分析，希望有助于国内厂商提升产品形象及竞争力。

二、雕模放电加工机

(1)SODICK

SODICK在1999年推出配备以线性马达驱动的AQ系列雕模EDM后，至今其EDM产品各轴向均以线性马达驱动为其标准配备，SODICK使用自制的线性马达为0.1um/pluse，可达到36mm/min的高速控制，以无振动、无噪音进行平滑高速控制，实现安定加工，SODICK AP1L标榜超微细、超微小及超机密加工，最大电流8A，最小驱动单位0.1um，加速度1.2G，最高速度达36m/min，故其结构为低震动、高刚性、热温升冷却控制且Z轴具轻量化、安定性及高刚性的特色以改善排渣及提升薄片直深加工的效率，另外其还搭配新开发的高速、安定品质的SVC放电回路以提升修细加工的效率。

目前SODICK所开发之超修细回路(SQ回路)，可达到0.5μmRy之表面粗度。细加工时间亦大幅缩减。另外新超硬回路(STP回路)适用于超硬合金之加工，使电极磨耗大幅缩减。在SODICK各机种中，AQ系列适用于油或水加工，AP系列仅适用于油加工，LN1之最大同时控制轴数为4轴，LN10则为8轴。SODICK CNC EDM或WEDM分为AQ系列、AM系列、AP系列及K系列。此外在型中加”L”表示线性马达驱动，加”R”表示使用SODICK开发之主轴头。

图1. Sodick AQ35L三轴皆为Linear Motor[1]机型

(2)MITSUBISHI

三菱电机也推出MA2000配备线性马达之雕模EDM，且其排渣速度更进一步达到60m/min，而加速度则达到4G，以快速、稳定、自动化及精密加工为诉求。EDSCAN8E(创成、雕模、细孔三合一)结合CAD/CAM进行3D复杂曲面加工技术应用，无需成形电极的加工设备，利用棒状电极进行放电切削模具成形加工，若用原雕模放电加工机需电极成形制作相较之下可缩短为其1/6加工时间，尤其是在做微细加工时更显出其功效，因为微细成形放电加工很难将电极成形再放电加工，所以电极直径大小与有效加工面积有一定的比例关系，如图3所示，选择不对反而增加加工时间，因为大面积的成形加工还是利用电极成形再进行雕模放电加工较为有效率，EDSCAN8E另外提供线电极放电研磨机构(WEDG)来加工所需尺寸的棒电极再进行放电加工，如图5所示。

图2. EDSCAN8E[2]

图3 电极直径大小与有效加工面积关系曲线[2]

图4 EDSCAN8E加工例[2]

图5 EDSCAN8E电极成形装置(WEDG)[2]

图6 EDSCAN8E自动换电极装置[2]

(3) MAKINO

EDGE2S及EDNC157S，其中EDG2S亦可进行细孔放电。

此两台机型之特色如下：

(a)EDGE2S(EDM / DRILL EDM两用机)

·使用MAKINO开发之MGF电源，除了基本之加工回路之外，另提供微细回路。

·手动电极guide及自动电极guide。

·自动guide交换机构，可放置6个guide于此机构。

·具有特制MA head之内藏式C轴 (转速10~1000rpm)。

·自动电极交换机构。于展示场中搭配System 3R旋转式ATC。

·使用MAKINO之µSC粉末，可改善加工效率。

·最小加工孔径0.03mm(深度0.3mm)

(b)EDNC157S

·排渣速度可达40m/min。

·最大工件质量10吨。

·最大电极质量500kg。

·加速度可达1.5G。

·R-porcess control：于粗加工时，预测side gap并自动设定高速加工条件。

·MAKINO特制之Rib head 配合 R-process control可节省70%加工时间。

·使用一般之加工头排渣速度为15m/min，使用MAKINO特制之Rib head可达40m/min。

MAKINO之EDM可分为EDNC-S系列及EDNC系列。EDNC-S可于加工液中添加MAKINO之µSC粉末，以改善加工效率，如图8所示。目前EDNC-S系列之机种有EDGE2S、EDNC43S/65S/85S/106S/106WS/156S/156WS/157S/207S等，EDNC系列之机种有EDGE2、EDNC43/65/85/106/106W/156/156W/157/207等。

MAKINO基本放电电源MGF具有下列放电回路：低消耗加工回路、镜面加工回路、超镜面加工回路、超镜面(梨面)加工回路、梨面加工回路(MF-3，EDNC65以下机种专用)、CPBOX1(EDNC85以上机种专用)、超硬加工回路(EDNC65以上机种专用)、大面积加工回路(DD回路，特别附属品)。加工条件控制法则有A jump、jump量控制、jump周期控制、高速jump量控制。另外还有再加工控制、大面积控制、R伺服控制、放电伺服速度控制等。

图7 MAKINO EDGE2S机种[3]

图8 MAKINO 粉末放电加工结果[3]

(4) AGIE-CHARMILLES

为了提供模具业者更佳更快的解决方案，及强化本身在国际上的竞争力，大厂在系统整合上也各有动作。如George-Fisher集团旗下的AGIE-CHARMILLES除了AGIE及CHARMILLES两家EDM制造大厂外，近来又涵括了Decatool 及3R(ATC制造商)，Micron(切削工具机制造商，提供电极雕刻机)，Intech(放电周边耗材供应商)，并在取得北京AGIE的完全经营权后，推出低阶品牌ACTSPARKS，再配合自行开发之CAD/CAM软体，企图提供模具业者从高阶到低成本机种，从软体到硬体之整厂整线之total solution。相较于AGIE-CHARMILLES的动作，MAKINO及SODICK也不遑多让。MAKINO是由切削工具机的制造商跨入EDM领域，而SODICK则由于线性马达的放电机种的开发成功，跨入雕刻机的领域，两家也都各自拥有专用的CAD/CAM系统，可提供模具业者从工作/电极的绘图设计，经电极制作，工件粗加工、EDM制程、WEDM制程等到最终产品制出，皆可由一系统主机监控，在一贯化的自动流程中产出，并减少制程的时间浪费。

INNOVATION机型为AGIE EDM顶级机型如图8所示，除了结合CAD/CAM系统及自动化系统设备，放电加工性能有专家系统、Fuzzy Control、ACC/ACO(Adaptive Current Optimization /Adaptive Current Control)及加工程式自动产生(AEP)等，使得系统更加人性化与智慧化。

图9 AGIE INNOVATION 2[4]

CHARMILLES雕模放电加工机产品i如图9所示，发展出Quick Charge Robot(QCRi)系统使其能容易整合非Charmilles Robot自动化平台至ROBOFORM EDM，而ROBOFORM 35QCRi便是结合3R Workmaster，其提供30支电极、4个工作平台及一只机械手臂，采用其发展”PILOT-Expert 3”专家系统，依照实际加工深度随时调整脉波频率与长度，2us machine loop time，系统侦测每一发放电波形，即时消除不良的放电波形。

图10 ROBOFORM 35QCR[5]

雕模放电加工机规格分析

厂商	机种系列	最佳表面粗糙度	操作介面	驱动系统	排渣速度	特殊加工回路	CAD/CAM整合监控系统	ATC	备注
SODICK	AQ35、55、75L	Ry0.5μm(粉末加工)	Windows(具传统介面及导引精灵)	三轴线性马达，0.1μm光学尺回授	36m/min	粉末SQ 回路, 超硬回路STP	DIPRO/WIN(自行发展)	搭配EROWA或3R
	AM35、55、75L	Ry0.5μm(粉末加工)	Windows	Z轴配线性马达，0.1μm光学尺回授	Z轴36m/min	粉末SQ 回路, 超硬回路STP	DIPRO/WIN	搭配EROWA或3R
	A85L、A10L		Windows	W轴为线性马达
	AP1L	Ry0.31um	Windows	三轴线性马达，0.1μm光学尺回授	36m/min 1.2G	SVC回路	DIPRO/WIN	8支ATC	New
三菱	MA2000		Windows	三轴线性马达，0.1μm光学尺回授	60m/min(加速度4G)		ED-CELL	3R	New
	VX	Rmax0.2μm(粉末加工), Rmax 1.3μm(sf修细回路)	Windows	定位解析度0.1μm		GM粉末回路,低消耗路,SF修细回路	ED-CELL	3R
	EX	Rmax0.6μm(粉末加工)	Windows	定位解析度0.5μm		M粉末回路,低消耗路,SF修细回路	ED-CELL	3R
	EA8/12		Windows	定位解析度0.05μm		全无电阻回路	ED-CELL	3R
Makino	Edge2、3S(小型机)	Rmax1μm(粉末加工)	DOS	AC伺服马达，0.25μm定位解析度	10m/min	DDM粉末回路、Super spark高速加工回路	EDCam	配自行发展之8-16把刀ATC，可搭配EROWA或3R 夹头，
Makino	EDNC43, EDNC 65, EDNC 85,	Rmax1μm(粉末加工)	DOS	AC伺服马达，0.25μm 定位解析度(EDNC65以上可加配线性马达之W轴,排渣速度40m/min,图六)	约5m/min	DDM粉末回路、Super spark高速加工回路	EDCam	搭配EROWA或3R ATC
AGIE	Exact, Innovation,Impact, Compact, Advance	Ra0.2μm	Windows	AC伺服		无	Autonomy及AGIE Vision	3R
	Elosx Mondo 20,50	Ra0.4μm	Windows	DC 伺服		无	Autonomy及AGIE Vision		美制
	Mondo Star	Ra0.2μm	Windows ,智慧型全专家系统介面导引	DC 伺服		无			美制
Charmilles	Roboform 2400 QCRI、 35P QCRI	Ra0.1μm	DOS	0.5μm光学尺回授		SPAC防短路回路、Micro-Machining	MMS	QCR with 76 electrode and 4 pallet	家动率可达6000h/year
	Roboform 35/55	Ra0.1μm	DOS	0.5μm光学尺回授		PAC防短路回路、Micro-Machining	MMS

三、线切割放电加工机

在2002 JIMTOF展中，已有机型可以使用小至0.03mm线径的线切割放电加工机，如Makino的UPH-2、MITSUBISHI的PA05M及，以因应全球半导体的蓬勃发展，IC的体积越来越小，脚数越来越多，封装导线架模具也越来越精密，因此也带动线切割机的线径往越来越小的趋势发展，除此之外，表面粗糙度也越来越精细，如Agie的Vertex可以达到Ra0.05μm，此型的定位精度要求也特别高，使用双检查系统来确保定位精度可以达到0.1 µm，尤其SODICK的EXC100L定位精度达0.01um，这此小型高精度的机台的应用范围有：半导体产业、医疗器材、微机械元件及冲压模上的铜泊。

在粗加工的切削速度上，欧日等大厂目前约在300mm²/min，国内厂商在本所的协助下，目前的技术与大厂相差无几，自动穿线机构(AWT)目前为各知名大厂自动化的最基本配备，MITSUBISHI的FA-20机型具10sec自动完成穿线，目前国内仅有庆鸿及徕通具有自动穿线功能，由于AWT算是线切割机要达到长时间无人自动化加工最基本也是最重的条件，若要进一步扩展欧美的巿场，国内相关业界因加速其研发。在加工精度及表面粗糙度上，目前国外较高阶的机种可分别达到+/-2μm及0.1μm，是目前国内技术相差较多的地方，需要大家共同努力。

而MAKINO的UPH系列采用不同于一般线切割机的立式五轴，而如果需要也可加上旋转轴，以加工圆形工件，由于工件在机器上是被垂直悬挂着，具横向自动穿线功能(AWT)，因此可以很容配上自动换工件机构，工件切完自动掉落，以进行一天二十四小时不间断加工。

图11 MAKINO UPH机型工件垂直悬挂机头，加工线横向穿线加工[6]

图12 MAKINO UPH机型自动穿线示意图[6]

线切割放电加工机规格分析

厂商	机种系列	最佳表面粗糙度	操作介面	驱动系统	使用线径	Taper Angle	CAD/CAM整合	AWT（自动穿线）	备注
SODICK	AQ325L,AQ535L		Windows	XY轴线性马达、0.1μm光学尺回授	0.15~0.3mm（Ø 0.1：option）	+/- 20°/80mm	DIPRO/WIN(自行发展)	AWT 8秒冲水式/浸水式
	AQ550L		Windows	Y轴线性马达、0.1μm光学尺回授	0.15~0.3mm（Ø 0.1：option）	+/- 20°/150mm		冲水式/浸水式
	A325, A500	Rmax 1.5μm		AC伺服	0.1~0.3mm, (0.07mm option)	+/- 15°/100mm		冲水式/浸水式
	AP200L, AP450L	Ry 0.36μm	Windows	XY轴为 linear Motor	AP200L:0.05~0.2 mm AP450L:0.05~0.3mm	+/- 7°/100mm	DIPRO/WIN	油割浸油式
	EXC100L		Windows	0.01μm定位解析度	0.03~0.1mm	+/- 6°/60mm			New
三菱	Ra90		Windows	0.1μm定位解析度	0.2~0.3mm	15°/100mm	无	AWT 10秒冲水式	粗加工速度:320mm/min
	FX		Windows		0.2~0.3mm	15°/100mm	无	AWT 冲水式/浸水式
	PX05		Windows				无	AWT 浸水式	加工精度+/-2.0µm
	QA10/20		Windows		0.05~0.3mm	15°/100mm
	HA300/400		Windows		0.1~0.3mm	12°
Makino	UPH-2		DOS	卧式五轴, 旋转轴为option,0.1μm回授解析度	0.03~0.2mm	3°/30mm		AWT APC(option) 浸水式	加工精度+/-1.2µm, 起始孔大小为线径＋50 µm
	WPG1	Ry0.001μm(圆柱)	DOS	XYZC四轴	约5m/min	C轴旋转角+370°/-100°		AWT 16把刀APC 油割	加工精度+/-1µm,
	U32,U53	Ry3μm	DOS	五轴AC伺服,	0.1mm		FF CAM	浸水式	加工精度+/-2µm,
AGIE	Vertex	Ra0.05μm	Windows	五轴AC伺服，0.1μm解析度，双回授检查系统	0.02~0.2mm	3°/80mm	Autonomy及AGIE Vision	浸水式	2 wire spools，起始孔大小为线径＋50 µm
	Excellence	Ra0.1μm	Windows	五轴AC伺服	最小0.1mm, (加上选配装置可使用Ø 0.03~0.1 mm)	30°/100 mm		浸水式	粗加工速度:300mm/min,加工精度+/-1.5µm
	Evolution	Ra0.2μm,( Option 0.1 µm)	Windows	五轴AC伺服	0.2mm,0.1mm为option(加上选配装置可使用Ø 0.03~0.1 mm)	30°/100 mm		浸水式	粗加工速度:300mm/min, 加工精度+/-3.0µm
	Challence	Ra0.3 µm (Option 0.2 µm)	Windows	五轴AC伺服	0.2 mm (Option 0.1 mm)	30°/100 mm		浸水式	粗加工速度:300mm/min, 加工精度+/-4.0µm
	Classic	Ra0.3 µm (Option 0.2 µm)	Windows	五轴AC伺服	0.2 mm (Option 0.1 mm)	30°/100 mm		Classic2:冲水式 Classic2s:冲水式/浸水式	粗加工速度:300mm/min, 加工精度+/-6.0µm
	HSS	Ra 0.3µm	Windows	五轴AC伺服	0.1 mm	30° / 7 mm		浸水式
	Robofil 1000	Ra 0.1µm	Windows		0.03~0.3mm(0.03~0.05mm option)	+/-30°		浸水式
	Robofil 300/500		Windows		0.1~0.3mm	+/-30°		浸水式
	Robofil 330F		Funuc 18i WA		0.1~0.25mm	+/-30°		浸水式
FUNUC	Robocut		Funuc 18i WA		0.1~0.3mm	+/-30°/80mm			粗加工300mm/min
Seibu	EWP-B3S2	Ry0.7µm		0.1µm光学尺回授	0.07mm	+/- 7°/100mm		冲水式/浸水式	加工精度+/-2µm,粗加工300mm/min

四、细孔放电加工机

ELENIX(日本)、SODICK、三菱、MAKINO之细孔放电加工机最小可加工到孔径为0.03mm，一般深度大约在0.2~0.3mm，但SODICK表示其K3BL可达到0.5mm深度，而一般细孔放电加工孔径规格为0.1mm~3.0mm，孔深比约1:100。[7]

细孔放电加工近年跟随着WEDM的脚步，有逐渐往更细孔径发展的趋势，主要是半导体业及微机械元件的需求有关。其有大半需求是因应做为线切割制程起始孔加工，因此，当线切割之线径往更细发展时，细孔加工也必须跟上脚步。除此之外，当然也有些加工是纯粹以细孔加工来完成，如一些微细NOZZLE加工、纺织业的纤维抽丝模具、印表机喷墨板母模、X-Ray滤光板等。

由于细孔放电加工的每个孔穴加工时间约在几十秒至数分钟之间，再加上电极本身的磨耗也极大，通常加工几孔后，电极即会用尽。若要达到自动化加工的目的，除了NC化外，机台尚必须有自动换电极机构，以减少人力等待及更换电极时间，目前ELENIX(日本)、SODICK、三菱、MAKINO、ASTEC均有自动换电极装置[8]，所以我们正积极与Hirschmann策略合作开发细孔放电自动换电极机构，进而协助厂商搭配本所专为细孔放电加工机开发之CNC 控制器以提升产品附加价值及竞争力。

图13 Hirschmann Drill ATC

图14 ASTEC ”cartridge type”电极交换机构[8]

SODICK之K3BL[10]将线性马达应用在细孔放电加工机的X、Y及Z轴伺服上，以线性马达的高响应性，提高伺服响速度中，减少电极因短路而不当磨耗的可能。也有些大厂并不专门再为细孔放电加工机开发新机型，而选择改由CNC雕模放电加工机来改装，如MAKINO之EDNC30F、三菱之VH10，以EDNC30F为例，此型机器定位精度可达3μm，为五轴控制(XYZWC轴)，电极管径为0.1mm~0.25mm，ATC为一8或16把刀旋转机构，配置于机台后方，自动夹头可选用3R或EROWA。除了ATC外，此型机对其管状电极的guide也可以更换(AGC, Automatic guide changer)，因此，其可以在不需人为调整的情况下，使用不同管径的电极。其guide magaine置于机台右方，容量为六个，利用机头移动及3R的小型自动夹头来更换。另外，为了让换刀后的管状电极可以顺利穿过guide，在guide arm上尚有气压驱动的middle giuide夹头，辅助管状电极保持垂直性。另外，此机也可搭配AWC(Automatic workpiece changer)，容量为8 或16个，以进行全自动化加工。此外，必要时此机也可以做细孔及雕模放电的复合加工。

SODICK之K3BL则采用旋转式的换刀机构，最大容量为32把刀，其他如日商 ELENIX EDM之机型[9]，机头上可加一旋转θ轴，其ATC最大容量为24把刀，AGC容量为4 Guides。另外如日商ASREC，其ATC和AGC机构是整合在一个匣内，最多可容纳32个电极匣，此型机构换刀速度快(5秒)，但缺点除了较电极匣较占空间外，电极匣的夹持精度也有疑虑，其最小电极直径为0.2mm。而国内厂商Top EDM最近开发的ATC和AGC，其ATC部分也是采取旋转式库，而AGC则直接在Guide Arm的下绿置一固定转盘，利用转盘的转动来选定Guide，Guide的容量为5个，其优点是机构简单易实现，缺点则为了要保持guide arm的刚性，guide arm必须做得更强壮。

图15 ELENIX CT900FX机种[9]

图16 Sodick K3BN[10]

细孔放电加工机规格比较

厂商	机种系列	电极直径及长度	操作介面	驱动系统	JOG移动速度	特殊加工回路	加工液	ATC	备注
SODICK	K1BL	Ø 0.08~0.25 mm, 长度250mm	Windows	4轴，Z轴线性马达，0.1μm光学尺回授	Z:5 m/min XYW:3m/mn		油性	旋转式32把刀，Guide 无法更换
	K3BL	Ø 0.03~3.0 mm, 长度250mm	Windows	3轴线性马达，0.1μm光学尺回授			油性	旋转式32把刀，Guide 无法更换	New
	K1CN	Ø 0.3~3.0 mm, 长度300mm	DOS	AC伺服，XYZ三轴，Z轴解析度0.004mm，XY轴0.002mm	0.8m/min		水性	笔筒式ATC，Guide 无法更换，故障率高
三菱	VH10	Ø 0.05~1.0 mm, 长度300mm	Windows	回授解析度0.05μm	XY:2m/min Z:0.8.m/min	无电解电源AE回路	水性/油性	旋转式16/32/48把刀 Guide 无法更换
Makino	EDNC30F	Ø 0.1~3.0 mm, 长度250mm	Windows	定位解析度0.1μm	5m/min		油性	旋转式8/16/24把刀，Guide 6 pieces, AWC 8/16 pieces	可与雕模Edm复合加工
Current EDM	CT500F	Ø 0.3~3mm ( 0.1~0.3 option)	Windows	五轴XYZGθ,Z轴用DC伺服,定位解析度1μm			水性	旋转式24把刀，Guide 4 pieces
ASTEC	A34CNC	Ø 0.2~3.0mm	Windows	四轴，定位解析度Ｚ轴5μm，其余１μm			水性	ATC与AGC整合成匣体，最大32把刀
TOP EDM		Ø 0.3~3.0	DOS	四轴XYZW+旋转工作台			水性	旋转式ATC，32把刀固定转盘式AGC, Guide 5 pieces