电火花成形加工技术的发展历程

先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧，为电火花成形加工技术的研究和工艺开发、设备更新提供了新的动力。今后，电火花成形加工的加工对象将主要面向传统切削加工不易实现的难加工材料、复杂型面等加工，其中精细加工、精密加工、窄槽加工、深腔加工等将成为发展重点。同时，还与其他特种加工技术或传统切削加工技术的复合应用，充分发挥各种加工方法在难加工材料加工中的优势。

相对于切削加工技术而言，电火花成形加工技术仍是一门较年轻的技术，在今后的发展中，还将不断借鉴切削加工技术发展过程中取得的经验与成果，根据电火花成形加工自身的技术特点，充分运用数控技术，不断完善、创新，朝着高效率、高精度、低损耗、微细化、自动化、安全、环保等方向发展。

1.电火花成形加工理论的发展

在加工工艺理论研究方面，研究热点主要是如何提高电火花成形加工的表面质量和加工速度，降低损耗，拓展电火花加工的范围，以及探索复杂、微细结构的加工方法等。通过将研究成果应用于生产实践，全面提高了电火花成形加工的加工性能。在控制理论研究方面，智能控制一直是研究重点。国内外生产的新型电火花成形加工机床大多采用了智能控制技术，此项技术的应用使机床操作更容易，对操作人员要求更低。同时，智能控制系统具有自学习能力，可在线自动监测、调整加工过程，以实现加工过程的最优化控制。

虽然电火花成形加工的理论研究在基础理论、加工工艺理论、控制理论等方面都有一定发展和提高，但加工工艺理论、控制理论要得到更进一步全面发展，就必须在整个放电过程机理的研究上有所突破。因此，电火花成形加工理论研究的发展趋势将是在进一步探讨加工工艺理论和控制理论，提高电火花成形加工的加工性能及加工范围，取得更好控制效果的同时，重点研究放电过程的机理。

电火花成形加工机理研究未取得突破性进展的主要原因除放电过程本身的复杂性、随机性外，还由于研究方法及手段缺乏创新性。因此，还需要借鉴其他研究领域的成功经验，引入先进的研究方法和试验技术，克服传统研究方法的局限性、深入剖析和揭示整个放电过程的内在本质，建立可客观反映放电过程规律的理论模型，以指导电火花成形加工工艺理论和控制理论的研究，而计算机仿真技术可能是实现这一过程的有效工具。

2.电火花成形加工设备结构的改进

借鉴现代切削加工机床的发展经验，电火花成形加工设备向数控化方向发展是一个不可逆转的趋势。一方面以高精度、高速度、自动化为追求目标，以技术优势占领市场；另一方面充分考虑设备的性能价格比，通过对机床功能的合理定位，进行结构改进和模块化设计，采用开放性的数控系统，提高机床设计的合理性，以最低的价格和足够的功能向用户提供可满足不同加工需要的各类电火花成形加工机床。

为全面推动电火花成形加工设备的技术进步，在采用先进控制系统的同时，机床结构的设计也在进一步完善，其主要发展方向表现在以下两方面。

（1）直线伺服系统的应用

电火花成形加工设备采用直线电机伺服系统可使加工性能得到明显改善，具体表现为：

1）可实现轴的直接直线运动，省去丝杠—螺母传动环节，从而保证轴的高速运动。

2）采用直线电机与滑板一体化结构，可消除滑板与电机之间因存在中间环节而引起的机械响应滞后现象，提高系统的灵敏度，缩短动态响应时间，保证加工过程的稳定性。

3）直线电机伺服系统的运动方式决定了其位置检测环节必须采用直线位置反馈元件，实现无中间环节的直接位置检测，从而构成一个全闭环系统，保证加工过程的高精度及精度保持性。

目前，直线伺服系统的应用在深窄、微小型腔加工及模压零件一模多腔加工方面具有明显的技术优势。但是，这些技术优势要真正实现，除需结合电火花成形加工放电过程特性，解决直线伺服系统本身的技术难题外，还必须解决一系列与直线伺服系统配套的相关技术，如直线运动系统的动力平衡、工作台的结构改进等。

（2）机床运动方式的改进

突破现有电火花成形加工机床运动方式的局限性，是发挥其技术优势、推动其产业发展的另一重要途径。借鉴现代切削加工技术的发展经验，可在机床主要的加工成形运动基础上引入圆周运动，特别是采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，以适应不同种类工件的加工要求，扩大电火花成形加工的加工范围，提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。目前，国内外许多电火花成形加工机床在运动方式上作了一些改进，如瑞士阿奇公司生产的AGIF MONDO STAR20（50）机床拥有EQUIMODE功能，能实现空间任何方向的半球平动，这种平动功能在实际加工中具有很高的实用价值。但目前电火花成形加工机床增设的运动方式还较为单一，应用范围有限。电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破，一个重要的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。

此外，机床的整体结构设计必须充分考虑环境保护以及人—机协调性，借助先进的设计方法和手段（如CAD、有限元分析等）对机床结构进行全面优化设计，充分提高机床结构的先进性和合理性。

3.电火花成形加工工艺的发展趋势

通过对电火花成形加工机理的研究，进一步揭示放电过程的内在规律，并以此为指导，推动电火花成形加工工艺向高效率、高精度、低损耗方向发展，同时还应注意微细化加工方面的发展。(www.xing528.com)

（1）加工过程的高效化

加工过程的高效化不仅体现在通过改进电火花加工伺服系统、控制系统、工作液系统、机床结构等，减少上述因素对电火花成形加工效率的影响，在保证加工精度的前提下提高粗、精加工效率，同时还应尽量减少辅助时间（如编程时间、电极与工件定位时间、维修时间等），这就需要增强机床的自动编程功能，扩展机床的在线后台编程能力，改进和开发适用的电极与工件定位装置；在机床维护方面，应增强机床的多媒体功能和在线帮助功能，对于常见故障，操作人员可直接根据计算机提示实现故障排除，同时这也有利于增强机床的可操作性和操作人员的操作技能。

（2）加工过程的精密化

通过采用一系列先进加工技术和工艺方法，目前电火花成形加工精度已有全面提高，有的已可达到镜面加工水平。但从总体来看，先进技术在实际生产中的应用还不够成熟和广泛，因此有必要全面推动已有先进技术的进一步完善及向产业化方向发展。在保证加工速度、加工成本的前提下，使电火花成形加工的精度进一步提高，使电火花成形加工成为一些主要零件、关键零件的最终加工方式。同时，对加工精度的衡量不能仅仅局限于工件的尺寸精度和表面粗糙度，还应包括型面的几何精度、变质层厚度以及微观裂纹、氧化、锈蚀等。

（3）加工过程的微细化

电火花成形加工的一个重要应用领域是窄槽、深腔、微细零件的加工，因此加工过程的微细化是今后一个重要的发展方向。电火花微细加工机理与常规电火花成形加工相同，但有自身的工艺特点：每个脉冲的放电能量很小，工作液循环困难，稳定的放电间隙范围小等。基于这些工艺特点，微细电火花成形加工的加工装置、工作液循环系统、电极制备等必然与常规电火花成形加工有很大区别。因此，需要重点研究非机械作用力及其干扰对加工过程的影响等，进一步提高加工效率、加工精度及加工过程的稳定性。

（4）应用范围的扩大

目前，电火花成形加工不仅可加工各种导电金属材料和复杂型腔，还能实现对半导体材料、非导电材料的加工，并取得了较好的加工效果。同时，电极材料的种类也不断增多。这方面的主要发展趋势为：进一步研究半导体材料、非导电材料的放电加工机理，促进其加工效率、加工精度、加工过程稳定性的提高，扩大可加工材料的范围；除加工复杂型腔外，进一步实现对三维型腔、复杂型面的加工；研制性能优越的新型电极材料。

4.电火花成形加工数控系统的发展趋势

数控系统是数控机床的核心部分，其性能的提高不仅可直接改善加工效率、加工精度和加工稳定性，同时也是扩大加工范围、实现复杂精密加工的重要途径。先进数控系统的应用可为电火花成形加工带来显著的经济效益和广阔的发展前景，已成为衡量电火花成形加工技术水平的重要标志。电火花成形加工在数控系统方面的发展趋势主要表现在以下几方面。

（1）建立基于微型计算机（PC）的开放式数控体系

具有开放性的数控体系是当前数控系统的发展主流，而PC自身的特点决定了它是一种标准的开放性结构系统。与以前的数控系统相比，基于PC的数控系统具有以下优点：①系统具有更高的集成度和可靠性；②资源丰富，适于产品开发；③控制功能强大，形式多样，可实现多机控制、多目标控制；④系统具有更高柔性。

目前，应用于数控机床上基于PC的数控系统多为专用型结构，虽具有结构较简单、技术较成熟、开发成本较低等优点，但随着技术的进一步发展，其软、硬件具有封闭性的缺点日益明显。例如，这种结构的数控系统很难及时应用计算机技术的最新成果，不同系统之间很难相互兼容，用户不易增设或改进适合自身实际的专用功能，PC资源利用率低，难以完全发挥PC的优势，控制系统功能不完善等。

（2）实现加工过程控制的智能化

提高电火花成形加工过程的自动化是该加工技术发展的必然趋势。由于电火花成形加工是在复杂环境下基于复杂任务对复杂对象的控制，传统的控制系统已不能满足自动化加工的要求，因此需要建立多输入、多输出的控制系统，智能控制将是解决此类复杂问题的有效途径。智能控制系统具有自学习和自适应功能，能自主调节系统的控制结构、进行决策规划和广义问题求解。它就如同一个有经验的操作者，可通过对加工信息的定性刻画，模拟熟练操作者的思维方式，根据当前的加工状态调整加工参数，进而实现提高加工效率、加工精度、加工过程稳定性以及简化操作过程，拓宽加工范围的目的。

加工过程的智能控制主要包括三方面内容：①人工神经网络技术；②模糊控制；③专家系统。为了紧跟先进制造技术的发展步伐，应将最先进的人工智能技术引入电火花成形加工过程控制中，利用各种控制技术的特点与优势，研制智能化、模块化的电火花成形加工机床的控制部件和执行机构，促进电加工产业的全面技术进步。

5.操作安全与环境保护

随着科技进步和人类文明的发展，人们对工作条件的改善和环境保护的要求越来越高。电火花成形加工由于其自身特点，在加工过程中不可避免地会产生工作液飞溅、烟雾、噪声、电磁辐射、有害气体等不安全因素和污染，对操作者人身安全及环境的危害不可忽视。因此，为保证电加工产业的可持续发展，必须根据“绿色制造”原则，实现资源的最有效利用和废弃物的最低限度产生与排放。具体可采取以下措施：①封闭的机床工作区。这有利于改善工作液、烟雾、电磁辐射等对人体、机床、工作环境的污染，有利于操作过程中防止触电危险以及对有害气体的集中处理排放。②替代性技术的运用。例如，为减少使用工作液所造成的环境污染，可在保证加工效率、加工精度、加工成本以及加工过程稳定性的前提下，尽量选用污染较小的工作液，同时应大力研究、开发不使用工作液的成形加工技术。③废弃物的后处理。对于加工中产生的废液、废气必须经过处理后才能排放。需要特别指出，对加工过程产生的污染物的合理处理，不仅有利于提高工作的安全性、减少环境污染，还有利于改善操作者的工作环境，使操作者工作时心情愉快，这对于提高电加工产业的社会形象和市场竞争力是十分有益的。