POCO技术手册_第1章

第一章
电火花加工（EDM）发展史
第一节电火花加工工艺的
起源
见过闪电劈击地面的人其实都见识了电火花加工（EDM）的威力，闪电是电火花加工最原始的形式（图1-1）。

在古罗马时期的神话中，人们传说当伍尔坎（火与锻冶之神）锻造他的剑时，锤打的声音就是雷声，而锤打时溅出的火花便是闪电。

其实，这种古老的传说与电火花加工的原理相去不远了。

图1-1。

在钛氧化物上进行电火花加工。

来自电极（云层）的能量形成闪电，并通过电介质（空气）作用于工件（最近的物体）。

1. 早期
在一战之后二战之前，电火花加工工艺开始进入加工车间。

当时，由于它破坏性较小、成本较低，所有的使用者都用它替代传统加工手段从金属工件上去除损坏部分，如损坏的钻头、丝锥等。

但这种原始的电蚀工艺效率低下，操作困难，因此没有人将它用于生产。

同时因为电极的损耗几乎与蚀除的金属一样多，进给系统又由手工操作，这导致了更多的拉弧而非火花（图1-2）。

在这段时期内，还出现了控制火花间隙的振荡器，这是人类第一次试图控制火花。

由于上下运动可以达到理想的火花间隙，所以至少加工时间、工作效率和一致性得到了改善。

通过电极震荡提高了加工速度。

这就是整个二战期间电火花加工在美国的基本情况。

两位前苏联科学家，B.R. Lazarenko 博士和N.I. Lazarenko博士则认为可以更大程度的改进电火花加工，使之得到更广泛的应用。

于是他们在两方面对该工艺做出了改进，使电火花加工凭着自己的实力在机械制造业占据了应有的地位。

图1-2。

二战期间，人们使用如图所示的螺孔钻抢救有用的零件。

战后，一些制造螺孔钻的公司继续研制真正的电火花机。

（资料由Agie 集团公司Elox提供；北卡罗莱纳洲，戴维森）
科学家们做出的第一项发明就是引进RC阻容张弛电路，从而对脉冲时间的控制提供了可靠的方式（图1-3）。

并由此发现了电极与工件之间的最佳距离，取得最大的切削速度。

而第二项改革是给电火花机增加一个简单的侍服控制电路，使它能够自动确定并保持设定的火花间隙。

由于这两项改革，电火花机不再是偶尔用之的修补工具，而成为生产加工工具。

使用电火花机能够获得精确、可靠、恒定的结果。

图1-3。

该图为最基本的电火花加工电路。

本电路的使用为现代电火花加工业奠定了基础。

2. 电火花加工蓬勃发展时期
可以想见，此后各种各样的改进接踵而来。

这时焦点又回到了美国。

有关Lazarenko 博士们所作试验的消息在美国受到了极大的关注。

不久，人们便开始全力以赴，改善电火花加工的基本设置。

许多人将注意力集中在火花间隙中的电火花加工过程。

这段时间内形成了大量基本理论。

尽管各理论观点不尽相同，但有关火花间隙中电火花加工的原理在主要理论中是普遍认同的。

到了五十年代，人们不仅注重可控制火花间隙，而且致力于发展电源。

人们使用真空管来提供直流电（DC）保证持续的脉冲时间。

再加上张弛电路以及经过改善的电极配合，可以提高加工电流，减少电极损耗（图1-4）。

但是真空管无法负载足够大的电流，开关转换速度也不够快，这就使人们无法准确控制
图1-4。

人们使用真空管电源更方便的控制电火花加工过程。

（资料由电火花加工机供应有限公司提供；加利福尼亚，丹尼）
脉宽和间歇。

晶体管的发展解决了这个问题。

固态装置能够传输高电流；而且开关转换速度之快远非真空管可比。

人们大力发展使用晶体管的电路，使得脉宽、间歇、电流密度，以及脉冲向电极的传输都可得到精确的控制。

（图1-5）。

至此，电火花加工的基本系统完成了。

人们可以利用电火花加工获得精确、可靠、恒定的结果。

而电火花加工业也开始蓬勃发展。

图1-5。

由于引进了固态电源，电火花加工可以使用更强的电流和更快的转换速度。

图1-6。

一道弧线正在形成。

3. 电火花加工对传统加工的挑战
平动头、线切割加工、数控（CNC）加工，旋转主轴、自动换刀和自适应系统等技术代表了电火花加工从原先的“巫术”转变为广为接受、发展迅速的技术。

这些改革使电火花加工机操作简便，精确度增加，表面光洁度得以改善。

尽管在速度方面，它无法同传统的铣削、研磨媲美，但已经有了极大的提高。

电火花加工的魅力还在于它可以实现无人管理操作。

因此，在同传统加工的成本竞争时它具有极大的优势。

图1-7。

加工过程中产生弧线的结果。

顷刻间，有用的电极和工件变成了废品。

最新型的自适应性控制是实现电火花加工无人化管理的关键。

该装置能够监测火花间隙中的状态，避免直流拉弧（图1-6）。

它可以自动检测到加工时的不稳定状态并加以调整，在电蚀开始前，调整火花间隙达到稳定状态。

直流拉弧是由于蚀除下来的工件材料和电极的碎屑阻塞了火花间隙，由此产生直流电引起的。

这种情况危害很大，因为它会损坏甚至彻底破坏电极和工件（图1-7）。

现在我们可以完全避免直流拉弧，所以电火花机就可以长期无需人为管理了。

对众多设计师和制造工程师而言，电火花加工是一种理想的加工过程。

许多机械厂
已经开始考虑用电火花加工取代传统加工方法，配合现有的铣床、磨床，获得更好的加工效果。

电火花在加工硬质材料和其他难以加工的材料时表现最出色。

人们能够使用这种没有接触的加工方法制造加工脆性零件和薄壁零件。

第二节电极材料
由于技术的不断改善和发展，电火花加工各方面的竞争日趋激烈。

20世纪60年代，人们开始仔细研究电极的材料，开展了大量实验寻找经济、易于加工、损耗率低的材料。

石墨是在60年代中期开始被用作电极材料，但那时它只占很小的市场份额。

虽然当时的石墨十分廉价，加工方便，比大多数的金属都耐高温，并且损耗比普通金属要低，但是另一方面，它无法加工到精密尺寸，质量不均匀，而且由于石墨颗粒组成方向不同，用于电极时导电等向性表现就不一致。

1964年，POCO石墨有限公司开发了一种新型石墨，消除了以上所有的问题。

当时，POCO石墨有限公司并没有意识到这项发明将对电火花加工业的发展起到举足轻重的作用。

随着现场实验的继续，POCO新一代石墨的作用越来越明显，其对于电加工业的贡献绝不亚于先前的固态电源、主轴伺服控制和其它发明（图1-8）。

图1-8。

“POCO石墨馅饼”——代表了先进的石墨材料，它使电火花加工在美国得到彻底改革。

由于POCO石墨一经推出便被人们广泛接受，这促使POCO公司于1969年开始了一项电加工试验计划。

这项至今为止最富挑战性、最全面的长期电极测试项目在20年后仍向人们提供着重要的数据。

POCO的电火花专家同机械师共同合作，使用电火花加工过程不断更新电极同工件相互作用的信息。

这项贡献为美国的电极材料市场带来了巨大的变革。

当POCO首次向电火花加工业介绍其高强度、结构整齐、各向同性的极细石墨产品时，百分之八十的厂商使用的是金属，石墨的比例不到百分之二十。

而到1984年底，情况恰好相反，这得归功于先进的石墨材料本身具备的优越性和电火花加工业的发展（图1-9）。

图1-9。

随着新的电极材料的普及，金属的使用不断减少，直到使用石墨和使用金属的比例同原先正好相反。

第三节电火花机床
1. 电火花加工的基本系统
在基本的活塞型电火花加工系统（图1-10）中，主轴头在伺服系统驱动下作精确的上下运动。

伺服系统由同电源连接的微处理器控制。

电源使用晶体管，同样由微处理器控制。

电源的一极与工件相连，工件浸没于介质油中。

油槽与油箱、油泵及过滤系统相连。

油泵提供压力对加工面进行冲油，并使介质油流动；过滤器用于去除介质油中的杂质；而油箱用于提供和储存加工中使用和排出的介质油。

电源的另一极与电极相连。

电源向电极/工件系统提供直流脉冲。

脉宽、间歇、电压和电流值均由手工设置。

电火花机启动后，伺服微处理器若检测到放电间隙太大，无法进行电蚀，它将“通知”伺服机制降低主轴头。

一旦火花产生，主轴头的下降运动就停止。

这时，若火花间隙固定不变，电火花就不断蚀除工件表面。

当蚀除的金属达到一定的程度，火花间隙变大时，微处理器也能检测到这一情况，并“通知”伺服机制降低主轴头达到设置的间隙，继续进行电火花加工。

图1-10。

电火花加工的基本系统。

2. 可平动的手动电火花加工机床
20世纪70年代平动系统开始发展。

通过平动头，伺服系统能够按预置方式使电极侧向运动。

这样，电极用于切削的不仅是其端面，而且是它的每个侧面。

平动加工可以减少加工型腔所需的电极数量。

也因此，用于粗加工的电极同样还可用于精加工。

电极的平动能够提高加工速度，改善表面光洁度，改善冲油条件，提高加工精度。

但由于机床上平动的电极是无人控制的，所以火花间隙中的问题可能导致电极缩回，必须等到操作人员清理火花间隙，重新启动机器后才能继续工作。

3. 数控电火花加工机床
20世纪80年代，电火花加工机床配备了电脑，用于编程控制整个加工过程。

这些机器都是为实现无人化操作设计的。

主轴头的三轴工作方式不再由操作者手工设置来控制，而被编入这些新电脑的程序，由它们控制。

由于最新的自适应性电源能够监测火花间隙间的情况并自动调整，所以可以重置或维持稳定的加工环境。

一旦加工出现异常，间歇就会自动延长，使油泵和过滤器能够及时清除间隙内的杂质。

到了20世纪90年代，计算机控制系统能够对所有的加工参数进行控制。

它可以自动调节电流强度、脉宽、间歇、伺服系统和其他设置，从而提高加工效率。

同时，在精加工回路和平动加工控制方面也有了很大的进步。

多轴向加工及电极或工件的移位和旋转均可以实现程序控制。

如今，电极的损耗可以自动监测，机床的监测系统使电极的修整和加工方向的调整都无须操作者动手。

机床可以自动更换电极，连续加工，用机械手装夹工件，电火花加工机床因此进入了一个全新的时代。

第四节电火花加工业
最新的电火花机床是模拟技术精湛的操作者制成，它能在无人监控的情况下获得最佳的加工效果。

这些巨大的进步使制造行业中越来越多的部门开始使用电火花机床（图1-11）。

图1-11。

带自动换刀和堆积机的自动装置（资料由Leblond牧野加工刀具有限公司模具部提供；俄亥俄洲，梅森）。