摘要 概括了当今电火花加工技术的新的成果及其发展方向，即电火花加工的高速度、高精度和自动化，介绍了电火花加工中的控制技术、机床本体、脉冲电源和加工工艺等。
关键词 电火花加工 模糊控制 电极驱动 节能电源 微细加工
中国图书资料分类法分类号 TG661
电火花加工技术自本世纪40年代出现以来，在现代科学技术的推动下，已发展成为一种极其重要的加工手段，弥补了传统加工方法在现代制造业中的不足，得到了广泛的应用，尤其是在模具制造业、航空航天等领域占有极为重要的地位。
1 电火花加工控制系统
电火花加工的控制系统是电火花加工技术的核心。伺服进给控制系统和脉冲电源加工规准的选择及调整直接关系到产品的质量、加工效率和加工稳定性。在控制系统中，加工间隙的放电状态检测是电火花加工控制系统的关键环节。
1.1 模糊控制技术
电火花加工技术虽得到了不断地发展完善，但由于对火花放电间隙的放电机理不十分清楚，外部的影响因素较多，因此，对电火花加工过程难以精确地建立起理论模型。在这种情况下，传统的经典控制方法及现代控制理论都很难达到预期的控制效果，而模糊控制技术则是解决电火花加工控制技术难题的主要途径之一。
电火花加工的模糊控制系统是一个反馈控制系统。
图1 模糊控制系统框图
图1为模糊控制系统框图，主要由电火花模糊控制器、被控对象及加工状态检测装置组成，而模糊控制器包括信号处理译码器、模糊推理器、操作控制器及加工知识库等。模糊控制器原理见图2。信号译码器采集各种加工状态的信号，不管加工状态如何，这些信号都将经过判断阶段的过程处理，再利用由加工经验建立起来的模糊规则，对采集到的加工信号进行模糊推理，以识别加工状态是否合适、稳定，由此确定下阶段的新的加工参数［1］。
图2 模糊控制器原理
采用模糊控制技术能够减少加工质量对操作者技术的依赖，使得系统操作简单、控制方便，只需简单地输入少量的加工条件，便可得到满意的加工质量，并且在加工过程中可进行各加工参数的优化，自动化程度较高。因此，与无模糊控制技术的电火花加工相比，加工速度可提高20%～30%。模糊控制技术特别适合对深槽、筋板、多腔等复杂形状零件的电火花加工［2～5］。
模糊控制技术被广泛地 应用在新型电火花加工机床上，如瑞士的夏米尔公司、阿奇公司，日本的三菱电机公司、沙迪克公司在市场上都有成熟的产品。目前，电火花加工中的模糊控制技术在国产电火花加工机床上也得到了应用。
1.2 放电点位置的在线检测
为实现电火花加工自动化，对加工间隙的放电状态的检测判断是必不可少的，尤其是在加工较深的型腔零件过程中，普遍存在的因电弧放电而烧伤电极和工件的问题比较严重。经过电加工界多年的努力，已经掌握了电火花加工过程中的空载、正常火花放电、异常火花放电、电弧放电和短路5种状态。为了实现稳定的电火花加工，就必须减少放电点集中造成的电弧放电现象，使放电点能均匀地分布在加工表面。对放电状态的检测与判断虽能对稳定的电火花加工起到促进作用，但这种方法是一种被动的调节手段，即只有在发生了不利于电火花放电加工的状态后，再去进行调节，因此这种检测调节方法总是滞后加工状态，从而影响了加工质量和加工速度。当前，通过检测放电位置，研究放电点的分布情况，进而预测放电状态，这是一种主动的控制手段，即在不利于电火花稳定加工因素出现前，主动地调节各个参数，从而减少不利因素的发生，保持稳定的放电加工，最终提高电火花加工速度和加工质量。目前，主要应用的检测方法有声波信号检测法、分割电极法、分割电流法、电位差法和霍耳元件法［6～9］。
2 电火花加工机床
精密的电火花加工机床是实现高精度电火花加工的前提保证。多功能精密电火花加工机床在生产中得到了充分的应用。当前，电火花加工机床在提高精度和自动化程度的同时，也在向结构的小型化方向发展。
2.1 精密、微细、多功能电火花加工机床
微小零件的尺寸小，刚度低，用传统的加工方法很难加工，而由于在电火花加工中，电极与工件的宏观作用力比较小，若再配以精密的伺服进给机构，电火花加工将非常适合微细加工。微细电火花加工技术能够在保证零件加工精度的同时，具有较高的加工效率，这是其它传统加工方法所不可比拟的。为了进一步提高零件的加工精度，类似于加工中心的精密多功能微细电火花加工机床受到青睐。在这种机床上，从微细电极的制做到微细零件的加工，电极只需一次装夹，因此减小了多次装夹电极所带来的误差，并且可以通过对电极的重加工来修正被损耗电极的形状，从而提高零件的加工精度。在这种多功能电火花加工机床上，可实现电火花线电极磨削加工、电火花复杂形状微细孔加工及电火花铣削加工等功能，并有望实现微细电火花三维形体加工［10～12］。
2.2 多轴联动的数控电火花加工机床
近年来，随着模具工业和计算机技术的发展，促进了多轴联动电火花加工技术的进步，新型数控电火花加工机床可以实现电极高精度的移动、定位(包括圆心定位和角定位等)和摇动等功能，利用多轴联动可以很方便地实现传统的成形加工机床难以加工的复杂型腔模具或微小零件的加工，如三维螺旋面、微细齿轮、微细齿条和多孔加工等。目前先进的多轴联动的电火花数控机床发展趋势是集多种功能于一体，这些功能包括旋转分度、自动交换电极、自动放电间隙补偿、电流自适应控制以及加工规准的实时智能选择等，从而实现从加工规准的选择到零件的加工全过程自动化，最终目标是实现真正的无人化加工。夏米尔公司、阿奇公司，三菱电机公司、沙迪克公司等著名的电火花机床厂商都有成熟的产品，国内的汉川机床厂、北京阿奇公司、北京迪蒙公司也在生产这类产品［8，13，14］。
2.3 电极直接驱动的小型电火花加工装置
电极直接驱动的小型电火花加工系统是90年代才出现的一门新兴技术。在航空航天、电子工业、医学、模具等领域中，有许多零件采用常规机床或机械无法加工或加工很困难，尤其是在狭小空间内作业的场合下，必须由微型机械或小型机械来实现。在微细电火花加工过程中，由于其加工间隙只有数微米，导致加工状态不稳定的因素增加，同时每次火花放电能量低，因此电火花加工的蚀除速度受到影响，妨碍了电火花加工技术在实际生产中的应用，特别是在小面积上多孔加工情况下(如飞机、火箭发动机叶片的冷却孔和气膜孔，直径为φ0.1～1 mm，数量很大，由于材料是耐热合金或钛合金，因此用传统方法加工困难，而用电解加工容易产生孔壁的杂散腐蚀、阴极沉淀等缺陷，若采用普通的精密电火花加工机床，利用梳状成形电极加工，则电极的制备周期长、利用率低，导致成本增加)，由于电蚀产物排除困难，导致电火花加工状态恶化，因此解决加工速度慢、加工周期长等矛盾也就越来越迫切。如果能在电极上附加轴向小振幅快速振动，并利用多电极同时加工，就会大大地提高生产率。而这就要求电火花加工系统要小型化，同时还应降低进给驱动系统的惯性质量，以利于提高响应速度，保证加工的稳定进行。因此，电极直接驱动的小型电火花加工机构受到了广泛的重视。在此研究方向上，国外的主要代表为日本东京大学的古谷克司和丰田工业大学的毛利尚武等人，已经研制出蠕动式(inchworm mechanism)、冲击式(impact drive mechanism)和利用椭圆运动驱动(elliptical movement)3种利用压电陶瓷的逆压电效应来直接驱动电极的小型电火花加工装置，其工作原理见图3、图4和图5。
图3 蠕动式小型电火花加工机构的动作过程
图4 冲击式小型电火花加工机构的动作过程
图5 椭圆驱动的小型电火花加工机构 哈尔滨工业大学特种加工与机电控制研究所利用蠕动式原理，南京航空航天大学利用冲击式原理制造出了样机，经过实验研究取得了阶段性成果［15～21］。
3 电火花加工脉冲电源
脉冲电源是电火花加工的动力。高效、节能、无污染的脉冲电源一直是电加工界努力追求的目标。智能自选规准脉冲电源及节能式脉冲电源具有良好的发展潜力和重大的社会经济价值。
3.1 智能自选规准电火花脉冲电源
电规准的选择非常复杂，要求操作者有丰富的加工经验。若电参数选择不当，将导致加工速度太低，工时太长，或者电极损耗太大，影响加工精度，甚至发生电弧放电，烧伤工件。因此实现加工规准的智能选取是有实际意义的。
简单地说智能自选规准脉冲电源，就是加工系统根据给定的加工条件，如加工形状、电极材料、加工精度、加工预留余量、电极损耗和加工表面粗糙度等参数，借助于计算机的快速运算和逻辑推理功能，自动归纳、整理，选择出最佳加工规准(如脉冲电源的脉宽、脉间、峰值电流和加工极性等)进行电火花加工。而且在加工过程中，由于加工状态的变化，智能自选规准电火花脉冲电源还应具有实时调节的功能，从而减少加工中频繁出现的短路、拉弧等不利于电火花加工的状态的出现，以满足电火花加工的稳定快速进行，并保证零件的加工质量［13，14］。
电火花脉冲电源的智能自选规准的实现，减少了工件加工质量和加工速度对操作者的依赖，能够大幅度地提高加工生产率，降低产品的加工成本。具有这种电源的国外产品有沙迪克公司的NF40，三菱公司的VX40系列等电火花加工机床，在生产中得到充分应用，很受欢迎。哈尔滨工业大学也开发了一套基于WINDOWS的数控电火花加工机床软件，实现了这种功能。
3.2 节能电火花脉冲电源
能源危机是目前世界范围所面临的严峻课题。在电火花加工领域，世界各国(包括发达的工业国家)电能的利用率都不高，浪费了大量的能源，尤其在像我国这样的发展中国家，如何节约能源是当务之急。随着电火花去除率越来越高，输出功率越来越大，大电流(大于800A)的电火花脉冲电源在生产中的应用也越来越普遍。若用传统的电火花电源，能量的损耗是相当大的，而且电源结构庞大复杂，工频变压器也将消耗大量的金属材料。因此，利用现代的电力电子技术，采用高频逆变器，并以电感元件取代限流电阻，研制高效、节能、结构小巧的电火花脉冲电源是当今电火花加工技术的发展方向之一。瑞士、日本等国正在研制节能电源。哈尔滨工业大学在这方面的研究已取得了阶段性成果。该研究运用PWM技术，去掉了耗能严重的限流电阻，从而提高电能利用率达200%；采用逆变技术，节能式电火花脉冲电源体积和重量约为传统的同等容量电源的1/10。从以上数据可以看出节能式电火花脉冲电源具有相当重要的地位，必将在电火花领域引发一场“绿色”革命，以此实现节约能源，减少污染的目标［22～23］。
4 电火花加工工艺
电火花加工工艺是实现电火化加工的高速度、高精度和自动化的最直接的手段。几十年来，人们开发出了多种高效的加工方法。本文介绍的混粉大面积镜面加工、电火花铣削加工和电火花微细加工等技术，已成为当前电火花加工发展的趋势，并在生产中取得了良好的经济效益。
4.1 混粉大面积镜面加工技术
电火花加工是模具加工的有利手段。然而，由于普通电火花加工出的模具表面的放电痕、变质层等不利因素，使之达不到模具产品的质量要求。因此，在用普通的电火花加工之后，还要进行抛光工艺以去除模具表面的放电痕和变质层。在多数情况下，手工机械抛光不但费时费力，还容易在抛光面上产生凹坑。因此，混粉大面积镜面电火花加工技术随着生产的需求而发展起来。镜面电火花技术随着生产的需求而发展起来。镜面电火花加工可实现粗糙度不大于Rmax 0.8的表面。这样的表面就可省去抛光工序，既提高了模具的质量，也降低了模具的加工成本［23～29］。
混粉大面积镜面加工不是简单地减少了放电能量或提高电极的形状精度所能达到的。因为精加工时，需要采用微小的放电能量，这样就必须减小电火花加工间隙，当面积较大时，工件与电极之间就会形成较大的寄生电容，从而导致放电能量的增加，容易产生放电集中现象，造成不良的加工表面，因此实现大面积镜面加工较困难。为了实现大面积的镜面加工，在电火花工作液中加入一定比例的导电的粉末(如硅、钛、钨或铬)以增大放电间隙，减少极间的寄生电容和电流密度，使放电点分散，减少放电集中现象的产生。另外掺入不同的粉末，还会获得不同的表面质量。具体情况如表1所示［24，25］。 表1 各种粉末添加液的放电加工特性比较
(工件：SKD-61，电极：铜或石墨) |
<DIV align=center>
| 项 目 | 添加物成分 |
通常的
加工油 | 硅 | 钛 | 钨 | 铬 |
| 表面处理层厚度(μm) | 4～5 | 5～6 | 5～6 | 5～6 | 8～9 |
| 表面硬度①(HV) | 384 | 885 | 914 | 946 | 1018 |
| 耐腐蚀性 | × | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 表面粗糙度Rmax(μm) | 2.8 | 0.8 | 1.0 | 1.2 | 0.8 |
| 处理时间②(min) | — | 3 | 4 | 4 | 3 |
| 电极损耗长度③(μm) | — | 10 | 4 | 3 | 3 |
</DIV>
| ①显微维式硬度，由加工表面开始0.5μm的测量数据(载荷9.80665×10-3 N)；②每1cm2预加工后表面(Rmax,7μm)所需时间；③相对7μm(Rmax)预加工面，用各种添加液加工时电极损耗长度。 目前，沙迪克公司、三菱电机公司利用此种方法取得了较大的成功，哈尔滨工业大学也在从事这方面的研究工作，并取得了初步成果。采用这种方法加工的模具不需要再进行抛光和电镀处理，而且脱模性和模具的寿命都有明显的提高。
4.2 电火花铣削加工技术
尽管电火花加工在加工脆硬材料方面具有得天独厚的优势，但自从电火花加工技术产生那一刻起，人们就一直致力于提高电火花加工速度。电火花铣削加工就是近年来发展起来的进行电火花高速加工的一种有效手段。电火花铣削加工机床高速旋转的主轴带动棒状或管状电极转动，同时采用多轴联动，进行电火花成形加工。由于这种电火花加工方法的电极运动轨迹类似铣削加工，故称其为电火花铣削加工。图6为传统的电火花加工与电火花铣削加工的比较。电火花铣削加工具有电极制造简单、更换电极方便和电极损耗易补偿等优点。电火花铣削加工改善了传统电火花加工存在的加工速度、电极损耗和表面质量之间的矛盾，并大大地简化了电火花工艺过程的控制，从而进一步降低了加工成本，使电火花加工技术在激烈的市场竞争中处于有利地位［14，30，31］ |
图6 普通电火花加工与电火花铣削加工
(a)传统的轮廓加工 (b)电火花铣削加工
4.3 电火花线电极磨削加工
微细加工技术在现代制造技术中占有极为重要的地位，是当代尖端科技成果的集中体现，反映了现代制造技术的发展方向。而微细电火花加工技术是实现微细加工技术的有利手段。由于微细电火花加工所用的电极制造精密、简单、方便，并且电极与工件之间的宏观作用力小，再配以微小的放电能量及精密的高分辨率的伺服进给系统，因此适合零部件的微细加工，是其它加工方法所不可比拟的。目前，微细加工技术已广泛地应用在电子工业、航空航天、医学、模具等各个领域，并在打印机、电子枪、微电子器件、生物技术、微型传感器和微型电器制造等方面得到充分体现。电火花线电极磨削加工技术的出现，促进了微细电火花加工的发展。电火花线电极磨削加工技术的工作原理见图7。
图7 电火花线电极磨削法示意图
线状电极在导向器上连续移动，导向器沿工件的径向微进给，而工件随着主轴旋转的同时作轴向进给，通过多轴联动，这种技术不仅可以加工出圆柱状的微细轴，而且可以加工出圆锥、棱柱、螺纹等多种形状的工件。电火花线电极磨削加工利用线电极与工件的点接触放电，而且线电极的连续移动，可以忽略电极损耗对工件的影响，因此可控性好，易于实现自动化，有利于提高工件的加工精度。目前，电火花线电极磨削加工技术已应用在微细孔加工、微细冲压、微细喷管加工、微细孔测量及微小零件的装配等方面。在微细孔加工方面，日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久教授已加工出小至φ5 μm的孔，代表了这一领域的世界前沿。国内则有南京航空航天大学和哈尔滨工业大学等单位在从事这方面的研究，都取得了满意的成果［32～37］。
上面介绍的仅是电火花加工技术的前沿性课题，当然还有一些值得考虑的其它问题，如电火花加工用专家系统、不燃性电火花加工工作液以及电火花加工技术的安全性等。在科学技术日新月异的今天，抓住有利时机，瞄准先进技术的世界前沿，才能使我国的电加工技术在世界电加工界占有一席之地，并在经济建设中发挥重要作用。
