【正文】 設(shè)計(jì)巴巴工作室 1 電火花成形加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 作者： Sherry L. Baranek 來源： MM《現(xiàn)代制造》 一、引言 作 為先進(jìn)制造技術(shù)的一個重要分支，特種加工技術(shù)，尤其是 電火花 加工技術(shù)，自 20世紀(jì) 40 年代開創(chuàng)以來，歷經(jīng)半個多世紀(jì)的發(fā)展，已成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域 不可或缺的重要組成部分。尤其是進(jìn)人 20 世紀(jì) 90 年代后，隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、航空和航天技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展， 電火花 成形加工技術(shù)也朝著更深層次、更高水平的方向發(fā)展。雖然一些傳統(tǒng)加工技術(shù)通過自身的不斷更新發(fā)展以及與其它相關(guān)技術(shù)的融合，在一些難加工材料加工領(lǐng)域（尤其在模具加工領(lǐng)域）表現(xiàn)出了加工效率高等優(yōu)勢，但這些技術(shù)的應(yīng)用沒有也不可能完全取代 電火花 成形加工技術(shù)在難加工材料、復(fù)雜型面、模具等加工領(lǐng)域中的地位。相反， 電火花 成形加工技術(shù)通過借鑒其它加工技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，正不斷向微細(xì)化、高效化、精密化、自動化、智能化等方向發(fā)展。 二、 電火花 成形加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，在 電火花 加工基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域，由于放電過程本身的復(fù)雜性、隨機(jī)性以及研究手段缺乏創(chuàng)新性，迄今尚未取得突破性進(jìn)展。但在加工工藝和控制理論研究領(lǐng)域，由于研究成果可直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，因此已成為目前 電火花 成形加工技術(shù)研究中較為活躍的領(lǐng)域，其研究熱點(diǎn)主要集中在高效加工技術(shù)、高精密加工技術(shù)（如鏡面加工技術(shù)）、低損耗加工技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、非導(dǎo)電材料加工技術(shù)、 電火花 表面處理技術(shù)、智能控制技術(shù)（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、專家系統(tǒng)等）以及操作安全、環(huán)境保護(hù)等方面。在工藝設(shè)備開發(fā)方面，目前的新型 電火花 成形加工機(jī)床在加工功能、加工精度、自動化程度、可靠性等方面已全面改善，許多機(jī)床已具備了在線檢測、智能控制、模塊化等功能，已不再是傳統(tǒng)意義上的特種加工機(jī)床，而更像切削加工中的 數(shù)控機(jī)床 甚至 加工中心 。 三、 電火花 成形加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展和制造業(yè)市場競爭的加劇對 電火花 成形加工技術(shù)提出了更（譯文） 2 高要求，同時也為 電火花 成形加工技術(shù)加工理論的研究和工藝開發(fā)、設(shè)備更新提供了新的動力。今后 電火花 成形加工的加工對象應(yīng)主要面向傳統(tǒng)切削加工不易實(shí)現(xiàn)的難加工材料、復(fù)雜型面等加工，其中精細(xì)加工、精密加工、窄槽加工、深腔加工等將成為發(fā)展重點(diǎn)。同時，還應(yīng)注意與其它特種加工技術(shù)或傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用，充分發(fā) 揮各種加工方法在難加工材料加工中的優(yōu)勢，取得聯(lián)合增值效應(yīng)。相對于切削加工技術(shù)而言，電火花 成形加工技術(shù)仍是一門較年輕的技術(shù)，因此在今后的發(fā)展中，應(yīng)借鑒切削加工技術(shù)發(fā)展過程中取得的經(jīng)驗(yàn)與成果，根據(jù) 電火花 成形加工自身的技術(shù)特點(diǎn)，選用適當(dāng)?shù)募庸だ碚?、控制原理和工藝方法，并在己有成果的基礎(chǔ)上不斷完善、創(chuàng)新。 電火花 成形加工機(jī)床向數(shù)控化方向發(fā)展的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)，但應(yīng)注意不可盲目追求 “ 大而全 ” ，應(yīng)以市場為導(dǎo)向，建立具有開放性的數(shù)控體系?？傮w而言， 電火花 成形加工技術(shù)今后的發(fā)展趨勢應(yīng)是高效率、高 精度、低損耗、微細(xì)化、自動化、安全、環(huán)保等。 1． 電火花 成形加工理論的發(fā)展趨勢 近年來， 電火花 成形加工的基礎(chǔ)理論研究尚未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，雖然一些學(xué)者對加工過程的放電痕跡、材料蝕除原理等提出了一些新看法，但在 電火花 加工機(jī)理研究方面并未取得重大突破。較為活躍的研究領(lǐng)域主要集中在加工工藝?yán)碚摵涂刂评碚摲矫妗? 在加工工藝?yán)碚撗芯糠矫?，研究熱點(diǎn)主要是如何提高 電火花 成形加工的表面質(zhì)量和加工速度，降低損耗，拓展 電火花 加工的范圍，以及探索復(fù)雜、微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工方法等。通過將研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，全面提高了 電火花 成形加工的加工性能。在控制理論研究方面，智能控制一直是研究重點(diǎn)。國內(nèi)外生產(chǎn)的新型 電火花 成形加工機(jī)床大多采用了智能控制技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)床操作更容易，對操作人員要求更低。同時，智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力，可在線自動監(jiān)測、調(diào)整加工過程，以實(shí)現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化控制。 雖然 電火花 成形加工的理論研究在基礎(chǔ)理論、加工工藝?yán)碚?、控制理論等方面都有一定發(fā)展和提高，但加工工藝?yán)碚?、控制理論要得到更進(jìn)一步全面發(fā)展，就必須在整個放電過程機(jī)理的研究上有所突破。因此， 電火花 成形加工理論研究的發(fā)展趨勢將是在進(jìn)一步探討加工工藝?yán)碚摵涂刂评碚摚岣?電火花 成形加工的加工性能及加工范圍，取得更好控制效果的同時，重點(diǎn)研究放電過程的機(jī)理。 電火花 成形加工機(jī)理研究未取得突破性進(jìn)展的主要原因除放電過程本身的復(fù)雜性、隨機(jī)性外，還由于研究方法及手段缺乏創(chuàng)新性。因此，有必要借鑒其它研究領(lǐng)域的成功 3 經(jīng)驗(yàn)，引人先進(jìn)的研究方法和試驗(yàn)技術(shù)，克服傳統(tǒng)研究方法的局限性、深人剖析和揭示整個放電過程的內(nèi)在本質(zhì)，建立可客觀反映放電過程規(guī)律的理論模型，以指導(dǎo) 電火花 成形加工工藝?yán)碚摵?控制理論的研究，而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可能是實(shí)現(xiàn)這一過程的有效工具。 2． 電火花 成形加工設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 借鑒現(xiàn)代切削加工機(jī)床的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)， 電火花 成形加工設(shè)備向數(shù)控化方向發(fā)展是一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。一方面應(yīng)以高精度、高速度、自動化為追求目標(biāo)，以技術(shù) 優(yōu)勢占領(lǐng)市場；另一方面應(yīng)充分考慮設(shè)備的性能價(jià)格比，通過對機(jī)床功能的合理定位，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和模塊化設(shè)計(jì)，采用開放性的數(shù)控系統(tǒng)，提高機(jī)床設(shè)計(jì)的合理性，以最低的價(jià)格和足夠的功能向用戶提供可滿足不同加工需要的各類 電火花 成形加工機(jī)床。 受現(xiàn)代切削加工技術(shù)發(fā)展的沖擊，以前適合采用 電火花 加工的一部分加工領(lǐng)域已逐步為切削加工方式所替代。但是，現(xiàn)代科技的發(fā)展對零件的制造精度提出了更高要求，各種高性能材料的應(yīng)用日益廣泛，同時，一些零件結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化、微型化、薄型化，這都使切削加工技術(shù)在某些加工領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，而這些恰好是 電火花 成形加工的技術(shù)優(yōu)勢，也是其具有生存空間和發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)實(shí)依據(jù)。 為全面推動 電火花 成形加工設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，在采用先進(jìn)控制系統(tǒng)的同時，機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也需要進(jìn)一步完善，其主要發(fā)展方向表現(xiàn)在以下兩方面： （ 1） 直線伺服系統(tǒng)的應(yīng)用 電火花 成形加工設(shè)備采用直線電機(jī)伺服系統(tǒng)可使加工性能獲得明顯改善，具體表現(xiàn)為： ① 可實(shí)現(xiàn)軸的直接直線運(yùn)動， 省去絲杠一螺母傳動環(huán)節(jié)，從而保證軸的高速運(yùn)動； ② 采用直線電機(jī)與滑板一體化結(jié)構(gòu)，可消除滑板與電機(jī)之間因存在中間環(huán)節(jié)而引起的機(jī)械響應(yīng)滯后現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的靈敏度，縮短動態(tài)響應(yīng)時間，保證加工過程的穩(wěn)定性； ③ 直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動方式?jīng)Q定了其位置檢測環(huán)節(jié)必須采用直線位置反饋元件，實(shí)現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接位置檢測，從而構(gòu)成一個全閉環(huán)系統(tǒng)，保證加工過程的高精度及精度保持性。目前，直線伺服系統(tǒng)的應(yīng)用在深窄、微小型腔加工及模壓零件一模多腔加工方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。但是，這些技術(shù)優(yōu)勢要真正實(shí)現(xiàn)，除需結(jié)合 電火花 成形加工放電過程特性，解決直線伺服系統(tǒng)本身的技術(shù)難題外，還必須解決一系列與直線伺服系統(tǒng)配套的相關(guān)技術(shù)，如直線運(yùn)動系統(tǒng)的動力平衡、工作臺的結(jié)構(gòu)改進(jìn)等。 4 （ 2） 機(jī)床運(yùn)動方式的改進(jìn) 突破現(xiàn)有 電火花 成形加工機(jī)床運(yùn)動方式的局限性，是發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢、推動其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一重要途徑。借鑒現(xiàn)代切削加工技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，可在機(jī)床主要的加工成形運(yùn)動基礎(chǔ)上引人圓周運(yùn)動，特別是采用多軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與多種直線運(yùn)動協(xié)調(diào)組合成多種復(fù)合運(yùn)動方式，以適應(yīng)不同種類工件的加工要求，擴(kuò)大 電火花 成形加工的加工范圍，提高其在精密加工方面的比較優(yōu)勢和技術(shù)效益。目前，許多 電火花 成形加工機(jī)床在運(yùn)動方式上作了一些改進(jìn)，如瑞士阿奇公司生產(chǎn)的 AGIF MONDO STAR20（ 50）機(jī)床擁有 EQUIMODE功能，能實(shí)現(xiàn)空間任何方向的半球平動，這種平動功能在實(shí)際加工中具有很高實(shí)用價(jià)值。但目前 電火花 成形加工機(jī)床增設(shè)的運(yùn)動方式還較為單一，應(yīng)用范圍有限。 電火花 成形加工要在加工精度、加工效率、加工范圍等方面取得重大突破，一個重要的發(fā)展方向就是對機(jī)床成形運(yùn)動方式的創(chuàng)新和多樣化。最近，日本東京大學(xué)余組元博士、增澤隆久教授等提出了電極等損耗概念，即通過對加工路徑的合理規(guī)劃，可使電極損耗處于等損耗狀態(tài)，從而使電極損耗的補(bǔ)償變得極為簡單。這一概念的提出為 電火花 成形加工運(yùn) 動方式的改進(jìn)提供了必要的理論依據(jù)。當(dāng)然，由此產(chǎn)生的機(jī)床結(jié)構(gòu)改變及其相關(guān)技術(shù)理論的研究還需進(jìn)一步深人與完善，甚至有可能發(fā)展出一種全新的加工理論。 此外，機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須充分考慮環(huán)境保護(hù)以及人一機(jī)協(xié)調(diào)性，借助先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和手段（如 CAD、有限元分析等）對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性和合理性。 3． 電火花 成形加工工藝的發(fā)展趨勢 通過對 電火花 成形加工機(jī)理的研究，進(jìn)一步揭示放電過程的內(nèi)在規(guī)律，并以此為指導(dǎo)，推動 電火花 成形加工工藝向高效率、高精度、低損耗方向發(fā)展，同時還應(yīng)注意微細(xì)化加工方面的發(fā)展。 （ 1） 加工過程的高效化 加工過程的高效化不僅體現(xiàn)在通過改進(jìn) 電火花 加工伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工作液系統(tǒng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)等，減少上述因素對 電火花 成形加工效率的影響，在保證加工精度的前提下提高粗、精加工效率，同時還應(yīng)盡量減少輔助時間（如編程時間、電極與工件定位時間、維修時間等），這就需要增強(qiáng)機(jī)床的自動編程功能，擴(kuò)展機(jī)床的在線后臺編程能力，改進(jìn)和開發(fā)適用的電極與工件定位裝置 。 在機(jī)床維護(hù)方面，應(yīng)增強(qiáng)機(jī)床的多媒體功能和在線幫助功能，對于常見故障，操作人員可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)提示實(shí)現(xiàn)故障排除，同時這 5 也有利于增強(qiáng)機(jī)床的可操作性和操作人員的操作技能。 （ 2） 加工過程的精密化 通過采用一系列先進(jìn)加工技術(shù)和工藝方法，目前 電火花 成形加工精度已有全面提高，有的已可達(dá)到鏡面加工水平。但從總體來看，先進(jìn)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用還不夠成熟和廣泛，因此有必要全面推動已有先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步完善及向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。在保證加工速度、加工成本的前提下，使 電火花 成形加工的精度水平進(jìn)一步提高，使 電火花 成形加工成為一些主要零件、關(guān)鍵零件的最終加工方式。同時，對加工精度的衡量不能僅僅局限于 工件的尺寸精度和表面粗糙度，還應(yīng)包括型面的幾何精度、變質(zhì)層厚度以及微觀裂紋、氧化、銹蝕等。 （ 3） 加工過程的微細(xì)化 電火花 成形加工的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是窄槽、深腔、微細(xì)零件的加工，因此加工過程的微細(xì)化是今后一個重要的發(fā)展方向。 電火花 微細(xì)加 工機(jī)理與常規(guī) 電火花 成形加工相同，但有自身的工藝特點(diǎn)：每個脈沖的放電能量很小，工作液循環(huán)困難，穩(wěn)定的放電間隙范圍小等。基于這些工藝特點(diǎn)，微細(xì) 電火花 成形加工的加工裝置、工作液循環(huán)系統(tǒng)、電極制備等必然與常規(guī) 電火花 成形加工有很大區(qū)別。因此，需要重點(diǎn)研究非機(jī)械作用力及其干擾對加工過程的影響等，進(jìn)一步提高加工效率、加工精度及加工過程的穩(wěn)定性。 （ 4） 應(yīng)用范圍的擴(kuò)大 目前， 電火花 成形加工不僅可加工各種導(dǎo)電金屬材料和復(fù)雜型腔，還能實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體材料、非導(dǎo)電材料的加工，并取得了較好的加工效果 。同時，電極材料的種類也不斷增多。這方面的主要發(fā)展趨勢為：進(jìn)一步研究半導(dǎo)體材料、非導(dǎo)電材料的放電加工機(jī)理，促進(jìn)其加工效率、加工精度、加工過程穩(wěn)定性的提高，擴(kuò)大可加工材料的范圍；除加工復(fù)雜型腔外，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對三維型腔、復(fù)雜型面的加工；研制性能優(yōu)越的新型電極材料。 四、操作安全與環(huán)境保護(hù) 隨著科技進(jìn)步和人類文明的發(fā)展，人們對工作條件的改善和環(huán)境保護(hù)的要求越來越高。 電火花 成形 加工由于其自身特點(diǎn)，在加工過程中不可避免地會產(chǎn)生工作液飛濺、煙霧、噪聲、電磁輻射、有害氣體等不安全因素和污染，對操作者人身安全及環(huán)境的危害不可忽視。因此，為保證電加工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須根據(jù) “ 綠色制造 ” 原則，實(shí)現(xiàn)資源的最有效利用和廢棄物的最低限度產(chǎn)生與排放。 具體應(yīng)采取以下措施： 6 ① 封閉的機(jī)床工作區(qū)。這有利于改善工作液、煙霧、電磁輻射等對人體、機(jī)床、工作環(huán)境的污染，有利于操作過程中防止觸電危險(xiǎn)以及對有害氣體的集中處理排放； ② 替代性技術(shù)的運(yùn)用。例如，為減少使用工作液所造成的環(huán)境污染，可在保證加工效率、加 工精度、加工成本以及加工過程穩(wěn)定性的前提下，盡量選用污染較小的工作液，同時應(yīng)大力研究、開發(fā)不使用工作液的成形加工技術(shù)； ③ 廢棄物的后處理。對于加工中產(chǎn)生的廢液、廢氣必須經(jīng)過處理后才能排放。需要特別指出，對加工過程產(chǎn)生的污染物的合理處理，不僅有利于提高工作的安全性、減少環(huán)境污染，還有利于改善操作者的工作環(huán)境，使操作者工作時心情愉快，這對于提高電加工產(chǎn)業(yè)的社會形象和市場競爭力也是十分有益的。 五、結(jié)語 電火花 成形加工技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域占有重要地位，是實(shí)現(xiàn)難加工材料、復(fù)雜零件精密加工的有效手段。研究人員應(yīng)借鑒其它加工技術(shù)發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長避短，充分利用現(xiàn)代科技發(fā)展的相關(guān)成果，在深人研究 電火花 放電機(jī)理的基礎(chǔ)上，指導(dǎo) 電火花 成形加工工藝?yán)碚摵涂刂评碚摰难芯?，改善機(jī)床結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，建立基于 PC 機(jī)的開放性數(shù)控體系，實(shí)現(xiàn)智能控制技術(shù)與 電火花 成形加工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，同時高度重視操作安全和環(huán)境保護(hù)，全面推動 電火花 成形加工技術(shù)更快發(fā)展。 參考資料 [1] R. Neugebauer, C. Harzbecker, S. Ihlenfeldt, Intelligente Produktionssysteme—Prozesse, Komponenten, Anlagen, in: Offensivkonzeptewirtschaftlicher Prod