目录
基本原理
加工特点
放电过程
机床组成
发展现状
研究热点
设备改进
发展趋势
数控系统
操作安全
基本原理
data/attachment/portal/201111/06/145239u0zp4domuudpwm0l.jpg电火花成型加工
电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度最低处。由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达10000-12000℃，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。
加工特点
电火花成型加工能加工高熔点、高硬度、高强度、高纯度、高韧性的各种材料，而其加工机理与切削方法完全不同，具有以下特点：
1、脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。
2、脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小。
3、加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。
4、可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。
放电过程
data/attachment/portal/201111/06/145239lqlnqmbsefb88llf.jpg电火花成型加工原理
电火花加工是不断放电蚀除金属的过程。虽然一次脉冲放电的时间很短，但它是电磁学、热力学和流体力学等综合作用的过程，是相当复杂的。综合起来，一次脉冲放电的过程可分为以下几个阶段：
1、极间介质的电离、击穿及放电通道的形成
当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20~30V），电流则由0上升到某一峰值电流。
2、介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀
极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽化。这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。
3、电极材料的抛出
通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。
熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。
实际上，金属材料的蚀除、抛出过程比较复杂的，目前，人们对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。
4、极间介质的消电离
随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。
由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。
机床组成
data/attachment/portal/201111/06/145239n1l1nm0n2wmmjjb1.jpg电火花成型加工机床
电火花成形加工机床由床身和立柱、工作台、主轴头、工作液和工作液循环过滤系统、脉冲电源、伺服进给机构、主轴头和工作台附件等部分组成。
1、床身和立柱
床身和立柱是基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相互位置。位置精度的高低对加工有直接的影响，如果机床的精度不高，加工精度也难以保证。因此，不但床身和立柱的结构应该合理，有较高的刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性力，还应能减小温度变化引起的变形。
2、工作台
工作台主要用来支承和装夹工件。在实际加工中，通过转动纵横向丝杆来改变电极与工件的相对位置。工作台上装有工作液箱，用以容纳工作液，使电极和工件浸泡在工作液里，起到冷却、排屑作用。工作台是操作者装夹找正时经常移动的部件，通过移动上下滑板，改变纵横向位置，达到电极与工具件间所要求的相对位置。
3、主轴头
主轴头是电火花成形加工机床的一个关键部件，在结构上由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。用以控制工件与工具电极之间的放电间隙。
主轴头的好坏直接影响加工的工艺指标，如生产率、几何精度以及表面粗糙度，因此对主轴头有如下要求:
1）有一定的轴向和侧向刚度及精度；
2）有足够的进给和回升速度；
3）主轴运动的直线性和防扭转性能好；
4）灵敏度要高，无爬行现象；
5）具备合理的承载电极质量的能力。
中国早在20世纪60~70年代曾广泛采用液压伺服进给的主轴头如DYT－l型、DYT－2型，目前已普遍采用步进电动机、直流电动机或交流伺服电动机作进给驱动的主轴头。
4、电火花加工机床的工作液和循环过滤系统
工作液循环过滤系统主要由储油箱、过滤泵、控制阀及各种管道等组成。主要向主机加工液槽提供足够的加工液，实现工具电极与工件的正常放电加工。
5、机床附件
机床附件的品种很多，常用的附件有可调节的工具电极夹头、平动头、油杯、永磁吸盘及光栅磁尺等。其主要作用是为了装夹工具电极、压装工件、辅助主机实现各种加工功能。
发展现状
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，其研究热点主要集中在高效加工技术、高精密加工技术(如镜面加工技术)、低损耗加工技术、微细加工技术、非导电材料加工技术、电火花表面处理技术、智能控制技术(如人工神经网络技术、模糊控制技术、专家系统等)以及操作安全、环境保护等方面。在工艺设备开发方面，目前的新型电火花成形加工机床在加工功能、加工精度、自动化程度、可靠性等方面已全面改善，许多机床已具备了在线检测、智能控制、模块化等功能，已不再是传统意义上的特种加工机床，而更像切削加工中的数控机床甚至加工中心。
研究热点
data/attachment/portal/201111/06/145239r9m9yljx6l41eorj.jpg电火花成型加工
电火花加工目前的研究热点主要有以下几个方面。
1、高效率电火花加工技术。采用工作液中加入气体的方式以提高电火花加工的效率。
2、镜面电火花加工技术。通过在工作液中添加一定浓度的导电性硅、铝等微细粉末，以改变电火花放电状态，使大面积电火花加工表面的粗糙度值显著降低，表面性能得到改善。
3、低电极损耗电火花加工技术。采用电流斜率控制方法控制放电初期的放电能量，使这一阶段内的电子流尽可能小，可有效地改善电极的损耗情况。
4、微细电火花加工技术。主要指尺寸小于300μm的轴孔、沟槽、型腔等的加工。
5、非导电材料的电火花加工技术。在非导电材料表面预制一层具有导电性的辅助电极，然后将辅助电极和工件一起置入加工液中进行加工。
6、弯曲孔电火花加工技术。
7、机械脉冲放电加工技术。在直流电源的作用下，通过工具电极与工件的机械相对运动来实现脉冲放电，具有加工过程稳定、放电脉冲利用率高以及设备较简单等优点。
在基础理论研究方面，近十年来，电火花加工机理研究没有取得突破性进展，因此有必要引入现代研究技术和方法，突破传统研究方法的局限。计算机仿真技术在很多领域获得的成功及其在电火花加工研究中的初步应用，都表明了它是研究电火花加工机理的有效工具。电火花加工仿真技术研究才刚刚开始，但已呈现出勃勃生机，是今后电火花加工机理研究的重要手段。
在加工工艺理论研究方面，如何提高电火花加工速度和加工质量、降低工具电极损耗将是今后研究的主题。在加工技术研究方面，加工工艺的高效化、精密化、微细化、绿色化、自动化，低损耗、无污染将是今后的研究重点。
设备改进
data/attachment/portal/201111/06/145240jmdk5zximddxky5k.jpg电火花成型加工设备
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。一方面应以高精度、高速度、自动化为追求目标，以技术优势占领市场；另一方面应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。
受现代切削加工技术发展的冲击，以前适合采用电火花加工的一部分加工领域已逐步为切削加工方式所替代。但是，现代科技的发展对零件的制造精度提出了更高要求，各种高性能材料的应用日益广泛，同时，一些零件结构趋于复杂化、微型化、薄型化，这都使切削加工技术在某些加工领域的应用受到限制，而这些恰好是电火花成形加工的技术优势，也是其具有生存空间和发展潜力的现实依据。
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，机床结构的设计也需要进一步完善，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获得明显改善，具体表现为:①可实现轴的直接直线运动，省去丝杠一螺母传动环节，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人圆周运动，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AGIFMONDOSTAR20(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。最近，日本东京大学余组元博士、增泽隆久教授等提出了电极等损耗概念，即通过对加工路径的合理规划，可使电极损耗处于等损耗状态，从而使电极损耗的补偿变得极为简单。这一概念的提出为电火花成形加工运动方式的改进提供了必要的理论依据。当然，由此产生的机床结构改变及其相关技术理论的研究还需进一步深人与完善，甚至有可能发展出一种全新的加工理论。
此外，机床的整体结构设计必须充分考虑环境保护以及人一机协调性，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。
发展趋势
data/attachment/portal/201111/06/145240jjndjypjdyla9ard.jpg电火花成型加工发展
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。
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水平进一步提高，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。
数控系统
data/attachment/portal/201111/06/145240rntrept3nsnlvnl1.jpg电火花成型加工控制系统
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PC机的开放式数控体系
具有开放性的数控体系是当前数控系统的发展主流，而PC机自身的特点决定了它是一种标准的开放性结构系统。PC机技术的迅速发展及性能价格比的不断提高为数控系统提供了优越的软硬件平台、更友好的人机接口和在线实时控制功能。与以前的数控系统相比，基于PC机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的基于PC机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愈益明显。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机资源利用率低，难以完全发挥PC机的优势；控制系统功能不完善等。针对上述缺陷，建立基于PC机的电火花成形加工数控系统应将重点放在以下几方面：
①模块化系统
应根据开放性数控体系的统一规则建立模块化的系统结构，通过对电火花成形加工的系统研究，精选必要的功能，扩充可选功能，剔除不必要的功能。同时各模块应具有标准化的应用程序接口，不同的模块可运行于不同的系统平台，相互之间应具有协调工作的能力。
②缩放性用户可根据自己的加工要求，通过增添、剔除特定的功能模块，实现用户的“专用系统”。
③互换性具有相似功能及可靠性水平的模块之间可以相互替换。
充分利用PC机资源来开发性能优异的数控系统将是电火花成形加工的一个重要发展趋势。
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、参数和方法，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划，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。
虽然智能控制系统在电火花成形加工中得到了大量应用，但仍有许多不完善之处，主要需解决以下问题：①根据不同加工要求确定工具电极与工件加工表面之间的合理间隙和合理加工参数；②开发能根据加工过程中间隙状态的改变而自适应变化的脉冲电源；③工作液的合理选用及其对加工过程的影响；④降低各种干扰对加工过程的影响。针对以上问题，电火花成形加工智能控制系统应重点研究和应用以下技术：
①专家系统的应用
由于电火花成形加工的复杂性，操作人员需要熟练掌握数控编程技术、加工规准选择、电极损耗补偿等技术和相关知识，其中任何一个环节的欠缺都将造成加工过程的缺陷或失败。采用专家系统可以较好解决这一问题。专家系统的建立及功能的完善需要根据电火花成形加工的特点，结合多年来的试验研究成果及实际操作经验，不断充实、改进专家系统知识库，细化推理过程，建立良好的人机接口，从而根据不同的加工要求，实现加工参数优化及加工过程中的在线实时调整，达到降低操作难度、实现高效率、高精度和稳定加工的目的。
②人工神经网络技术的应用
虽然专家系统可使计算机控制系统具有类似人类专家的解决间题的能力，但其在知识的获取方面存在困难，自学能力差。人工神经网络是一种通过利用计算机对人类大脑功能进行抽象、简化和模拟而建立的高度非线性系统，它具有自组织、自学习、容错性和并行处理信息的能力，特别适合处理复杂问题，是对专家系统的有力补充。目前，人工神经网络技术已有多种不同的结构模型，今后应将多种结构模型合理结合，充分发挥人工神经网络技术的自身优势，与专家系统、模糊控制技术互相取长补短，提高对放电状态、加工效率、放电位置等的预测精度，提高在线实时控制效果，推动电火花成形加工过程控制向更高层次发展。
③模糊控制技术的应用
模糊控制技术是在模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理技术的基础上发展起来的先进计算机控制技术，通过输入少量参数，模糊控制系统即可自动选择最优参数，自动监控加工过程，实现自动化、最优化控制。此外，将自适应和学习能力引人模糊控制系统，可实现对模糊控制规则、隶属函数和模糊量化在控制中的自动调整和完善。由于电火花成形加工机理尚未得到充分认识，因此模糊控制技术在电火花成形加工中的应用还存在许多不完善之处，需要进一步深人研究，如：模糊集合隶属函数的求取、模糊控制参数调整的优化方法、用模糊方法对加工状态建模、模糊预测的设计、运算速度的提高等。有必要进一步完善模糊控制与自适应控制、人工神经网络、专家系统的结合，充分发挥各种控制方法的优势，以解决上述难题，实现高效率、高精度、低损耗、稳定的加工过程控制。
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人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。
操作安全
data/attachment/portal/201111/06/145241zmcgbkmmmu2xhvkb.jpg电火花成型加工操作
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。
具体应采取以下措施：
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也是十分有益的。