电火花成型与线切割加工技术及其研究进展综述

电火花成型与线切割加工技术及其应用进展综述电火花成型与线切割加工技术及其应用进展综述摘要：本文简单总结了电火花成型加工技术和电火花线切割加工技术的发展现状和发展趋势，并结合实例就电火花成型与线切割加工技术及其应用进展进行简单叙述和举例说明。

关键词：电火花成型加工；电火花线切割加工；应用进展；发展趋势1. 引言作为先进制造技术的一个重要分支，特种加工技术，尤其是电火花加工技术，自20世纪40年代开创以来，历经半个多世纪的发展，已成为先进制造技术领域不可或缺的重要组成部分。

尤其是进人20世纪90年代后，随着信息技术、网络技术、航空和航天技术、材料科学技术等高新技术的发展，电火花加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展。

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。

按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工可大体分为：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加工和电火花表面强化等。

2. 电火花成型加工技术2.1 电火花成型加工发展现状进入21 世纪，电火花成形加工技术得到了迅猛发展，突破了许多传统观念和概念的束缚，产生了一些新的技术和应用领域，成为现代制造技术的重要组成部分。

目前，在电火花加工基础理论研究领域，由于放电过程本身的复杂性、随机性以及研究手段缺乏创新性，迄今尚未取得突破性进展。

但在加工工艺和控制理论研究领域，由于研究成果可直接应用于生产实践。

因此已成为目前电火花成形加工技术研究中较为活跃的领域。

电火花成形加工的数控系统采用人工神经网络技术、混沌理论、仿真技术，以进一步提高加工的各项工艺指标、可靠性和自动化程度；脉冲电源则在保证电火花加工工艺指标的前提下，向稳定、可靠、环保、绿色、节能方向发展。

电火花成形加工技术在“微纳”加工、“镜面”加工、半导体和超硬材料加工中发挥越来越重要的作用。

2.2 电火花成型加工发展误区电火花成形加工研发误区之一: 认为电火花加工就是电比机重要得多, 故脉冲电源的研发永远是第一位的, 这是不正确的。

电火花成形加工技术已形成一个复杂的体系, 在发展中其关键技术在不同阶段是不同的, 取决于市场的需求。

当前对电火花成形加工的要求是主攻精密加工, 而此时脉冲放电控制不好、脉冲利用率很低就成为问题, 所以首先要做好控制。

虽然控制平台的硬件也是电,但实际运作最重要的是智能软件,工作重点在工艺和应用实践。

总之, 电火花成形精密加工不仅仅要研究微精脉冲电源, 更要注重与工艺的结合应用。

电火花成形加工研发误区之二: 认为电火花加工的创新采用移植成熟的新技术是一条捷径, 但拿来主义并不简单。

电火花加工引入NC 技术是很成功的, 而从微型机到64 位机用了20多年的时间, 相反直线电机技术的应用就有点问题。

NC 技术带来的是信息技术, 把控制速度提高了, 把复杂的电火花加工操作简单化了。

而直线电机技术带来的除了在加工深窄槽方面有一定效果外, 在其他应用方面尤其是精加工并没有突出的表现。

故选用移植法时, 首先要对双方的机理有深入了解，深入到机理层面, 才会有好的效果。

电火花成形加工研发误区之三: 许多人一听到电火花加工要向精密加工方向发展, 就立刻想到要研发微精加工功能( Microfine features, 简称MF)的线路, 这样做当然不能算错, 但这是不够的。

在实施微精加工之前, 首先要将前面的粗、中加工基础做好, 如果粗、中加工的集中放电没有控制好, 加工表面不平, 表面粗糙度不均匀, 边角损耗较大, 留给精加工的余量大, 微精加工功能再好也无能为力, 不能顺利地加工出高质量的表面。

故向精密加工方向发展, 不仅仅是解决微精加工的问题, 而要从体系的高度全面推进。

电火花成形加工研发误区之四: 把电火花加工的创新看得太简单。

例如,混粉加工技术曾铺天盖地而来, 但很快就知道, 混粉真正合适的范围是有限的, 在向精密加工方向发展中作用有限。

当前的电火花加工技术已成为一个系统工程, 是一个复杂的综合技术集成, 要有所创新不是很容易的事。

电火花成形加工研发误区之五: 许多人认为电火花加工技术的创新高不可攀, 特别是一些从业者囿于成见, 认为放电间隙、电极损耗极不确定, 注定电火花加工与精密加工无缘。

但是参考国外先进技术水平，若下功夫研究精密电源、精密工艺数据库、精密伺服控制系统、精密脉冲控制和精密机床, 把基础工作做好, 创新是完全可以的。

电火花成形加工研发误区之六: 研发的目标要明确, 不应该只是几项工艺指标, 而应该是具体的工艺应用, 以典型的模具或零件加工满足设计要求作为考核的内容。

加工表面粗糙度应该与它的加工深度、加工面积、表面不平度、表面粗糙度的均匀度结合起来考核, 加工精度同样也应该和它的尺寸精度、定位精度和形位公差一起考虑, 还要结合加工经济性、操作的难易程度、形成商品的潜力以及市场前景等进行综合考核。

2.3 电火花成型加工发展趋势先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对电火花成形加工技术提出了更高要求，同时也为电火花成形加工技术加工理论的研究和工艺开发、设备更新提供了新的动力。

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，因此在发展中应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，选用适当的加工理论、控制原理和工艺方法，并在已有成果的基础上不断完善、创新。

电火花成形加工机床的数控化发展应注意不可盲目追求“大而全”，应以市场为导向，建立具有开放性的数控体系。

总体而言，电火花成形加工技术今后的发展趋势应是高效率、高精度、低损耗、微细化、自动化、安全、环保等。

2.3.1 电火花微细加工微细加工在近代加工技术中是一个新的加工领域。

对于电火花微细加工而言，主要指尺寸小于300 μm 的轴孔、沟槽、型腔等的加工。

实现精密、微细加工的一个重要条件是加工单位(即每次放电的蚀除量)尽可能小。

而在电火花加工过程中，其加工单位只取决于单个放电脉冲的能量。

微细电火花加工的极限能力一直是研究工作者追求的目标之一。

日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久教授加工出的直径5 μm 的微细孔和直径2 .5 μm 的微细轴，代表了当前这一领域的世界前沿水平。

除了微细孔和微细轴的加工外，微细电火花加工技术更深远的意义在于通过微细电火花铣削技术制造更小的微三维结构，进而制造更小的微型机械及微型机器人，从而体现该技术更为广泛的潜在价值和应用前景。

图1 是美国林肯大学加工的1/8微型球瓣，其球径为150 μm 。

日本东京大学增泽隆久教授利用简单形状的微细电极，制作出了长500 μm 、宽300μm 、深200 μm 的微型汽车模具，并用此模具制作出了微型汽车模型。

日本三菱电机公司成功地制作出了由齿顶圆直径为1 .2 mm 的大齿轮、齿顶圆直径为0 .2 mm 的小齿轮和直径为0 .1 mm 的内心轴构成的、最深部的加工尺寸为270 μm 的齿轮铸模(图2)。

图1 1/8微型球瓣图2微小齿轮模具2.3.2 高性能脉冲电源控制技术高性能脉冲电源控制技术即是对脉冲电源参数的精确控制，其主要体现在3 个方面，即：蚀除脉冲精度的精确控制、阻断清扫脉冲的控制、稳定放电脉冲的控制。

1.逐个脉冲检测技术实现逐个脉冲检测并做出相应对策的首要条件是速度要快，为此AGIE-Hyperspark 脉冲电源研制了FPGA 脉冲优化模块，具有超强计算能力，可在约33.3ns时间内对脉冲前沿的状况进行一次检测，不仅可消除拉弧的风险，还可按使用中效率和表面质量(表面粗糙度的一致性和加工表面平整性)的权重来设定阈值有了这一脉冲控制技术，使诸如300mm×300 mm的大面积精加工得以实现。

2.阻断清扫脉冲控制技术瑞士AGIE-Hyperspark 脉冲电源的阻断清扫脉冲控制技术是在放电柱渐近进入饱和状态前突加一个适当的高电流脉冲，以阻断已没有蚀除作用的放电柱，形成第一次材料抛出，凹坑中有明显残留物;然后重建新的放电柱，在其扩展过程中又会有些蚀除，更重要的是在其放电结束后的第二次材料抛出时，将原坑中的残料充分清除，形成光滑干净的放电凹坑，此放电凹坑比通常脉冲的放电凹坑浅，从而使表面粗糙度减小，白层(变质层)减薄。

由于脉冲蚀除量的增加以及表面质量改善使后续精修省力，故此项技术使加工效率提高(采用铜和石墨电极时平均提高30 %，深窄槽加工提高50 %)，电极损耗降低。

3.中小型模具的低损耗加工电火花成形加工在中小型模具，尤其是小型高档模具的加工方面呈现很大的优势。

市场因素是机电产品的功能集成及相应的产品小型化，使其模具在小容积内包容了复杂的多个型腔，加上为提高模具寿命采用高硬度材料，对此，加工中心的高效率长项发挥不出来，相反由于需要去除的材料少，电火花成形加工相对低的材料去除效率，有一定损耗等则不成问题。

型腔越小越复杂，它的优势越明显。

当然这并不是说加工中心面对小型复杂型腔绝对做不了，而是说在加工工时和刀具费用等方面已不合算。

就是在中大型模具上，除了窄深槽和清角的工作外，如音响设备的音窗，汽车的进风格栅，以及落差大的型腔(如汽车发动机箱压铸模型芯)，需要超长的铣刀加工，此时由于刀具刚度不足，表面质量无法保证，只能用电火花成形加工。

可以说在小型腔加工上电火花成形加工已成为主角，这块市场现在发展很快，足以使电火花成形加工站稳脚跟，而在中大型型腔加工上至少也是最佳配角了。

实际上电火花成形加工和加工中心所代表的高速铣，已是优势互补，进入双赢的局面。

为此，电火花成形加工近年来技术上有了长足的进步，并在此基础上推出一系列新机型。

例如:GF .Agiecharmilles 公司的F0350μ，直接宣称为制作1 mm3容积的小型腔专用，Sodick 的C32 电源容量仅15 A ，最大亮点是所谓“零损耗”，与之相当的有MITSUBISHI ELECTRIC 公司的EA8PVMAdvance 小型高速高精度机床，保证精度±0 .003mm ;MAKINO 公司的EDACI ，可以实现与磨削表面的接刀痕在±1 μm 以内。

令人印象深刻的样件是接插件模具的宽0 .2 mm 深0 .3 mm 的微细槽，其底角半径可稳定达到0 .01 mm ，甚至更小仅0 .005 mm 。

在微细加工中的清角是此类机型的显著标志。

清角是小器件中为了更好地利用空间所必需。

此外，小型腔的高精度很大程度上是为了光，加工表面的光不仅是为了脱模，而且为了省掉抛光，节省工时。

电火花成形加工的大方向是向高端精密微细方面发展，在超硬和高耐热材料加工领域内，为减少昂贵的刀具消耗，常规电火花成形加工还有一定市场。