1.1 电火花加工概述

1.1.1 电火花加工的概念

电火花线切割加工是常用的特种加工方法之一，属于电火花加工类。电火花加工又称放电加工或电蚀加工（Electrical Discharge Machining, EDM），其加工原理和加工过程与传统的机械加工完全不同。电火花加工是指在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间不断产生的脉冲放电的电蚀作用，对工件进行蚀除，是一种利用电能、热能相结合的复合加工方法。加工时，工件与加工所用的工具为极性不同的电极对，电极对的工作环境充满了工作液，工作液主要起恢复电极间的绝缘状态、带走放电时产生的热量及清洗加工时所产生的蚀除物的作用，以维持电火花加工的持续放电。在正常电火花加工过程中，电极与工件并不接触，而是保持一定的距离（称为放电间隙），在工件与电极间施加一定的脉冲电压，当工具电极向工件进给至某一距离时，两极间的工作液介质被击穿，局部产生火花放电，放电产生的瞬时高温将电极对的表面材料熔化甚至汽化，使材料表面形成电腐蚀的微小凹坑。如果能适当控制这一过程，就能准确地加工出所需的工件形状。因为在放电过程中常伴有火花现象出现，故称为电火花加工。日本、美国、英国等国家通常称作放电加工。

1.1.2 电火花加工的发展现状

20世纪40年代后期，苏联科学院院士鲍·洛·拉扎连科针对插头或电器开关在闭合与断开时经常发生电火花烧蚀这一现象头痛不已，在研究避免烧蚀的过程中突发奇想，发明了电火花加工技术，把对人类有害的电火花烧蚀转化为对人类有益的一种全新工艺方法。20世纪50年代初研制出电火花加工装置，采用双继电器作为控制元件，控制主轴头电动机的正、反转，达到调节电极与工件间隙的目的。这台装置只能加工出简单形状的工件，自动化程度很低。

我国是国际上开展电火花加工技术研究较早的国家之一，20世纪60年代末，哈尔滨工业大学刘晋春教授去苏联莫斯科机床与工具学院和苏联科学院中央电火花加工实验研究室进修，在电火花加工发明人拉扎连科院士等指导下，学习电火花加工和特种加工新技术，最早将该技术引到国内，并率先开展包括电火花在内的特种加工的教学和科研。中国科学院电工研究所牵头，在我国率先研制出了电火花成形机床和线切割机床。瑞士、日本等一些先进工业国家已先后加入了电火花加工技术的研究行列，使电火花加工工艺在世界范围取得巨大的发展，应用范围日益广泛。

我国电火花成形机床经历了双机差动式主轴头，电液压主轴头，力矩电动机或步进电动机主轴头，直流伺服电动机主轴头，交流伺服电动机主轴头，到直线电动机主轴头的发展历程；控制系统也由单轴简易数控逐步发展到了对双轴、三轴乃至更多轴的联动控制；脉冲电源也以最初的RC张弛式电源及脉冲发电机，逐步推出了电子管电源，闸流管电源，晶体管电源，晶闸管电源，以及RC、RLC、RCLC复合的脉冲电源。成形机床的机械部分也以滑动导轨、滑动丝杠副逐步发展为滑动贴塑导轨、滚珠导轨、直线滚动导轨及滚珠丝杠副，机床的机械精度达到了微米级，最佳加工表面粗糙度 Ra 值已由最初的32μm提高到目前的小于0.1μm，从而使电火花成形加工步入镜面、精密加工技术领域，与国际先进水平的差距逐步缩小。

电火花成形加工的应用范围从单纯的穿孔加工冷冲模具、取出折断的丝锥与钻头，逐步扩展到加工汽车、拖拉机零件的锻模、压铸模及注塑模具，近几年又大踏步跨进精密微细加工技术领域，为航空、航天及电子、交通、无线电通信等领域解决了传统切削加工无法胜任的一大批零部件的加工难题，如心血管的支架、陀螺仪中的平衡支架、精密传感器探头、微型机器人用的直径仅1mm的电动机转子等工件的加工，充分展示了电火花加工工艺作为常规机械加工“配角”的不可缺少的重要作用。

电火花线切割加工（Wire Electrical Discharge Machining, WEDM）是在电火花加工基础上发展起来的一种新的工艺形式，采用线状电极（钼丝或铜丝等）依靠火花放电对工件进行切割加工，简称线切割。目前，线切割加工技术已经得到了迅速发展，成了一种高精度和高自动化的加工方法，在模具、各种难加工材料、成形刀具和复杂表面零件的加工等方面得到了广泛应用。

苏联于1960年研制成功了电火花线切割机床，瑞士于1968年研制成功了数控电火花线切割机床。电火花线切割加工历经半个多世纪的发展，已经成为先进制造技术领域的重要组成部分。电火花线切割加工不需要制作成形电极，能方便地加工形状复杂的、大厚度直纹面工件，工件材料的预加工量少，因此在模具制造、新产品试制和零件加工中得到了广泛应用。尤其是进入20世纪90年代以后，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，电火花线切割加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展。

我国是国际上开展电火花线切割加工技术研究较早的国家之一，20世纪50年代后期先后研制了电火花穿孔机床和线切割机床。线切割加工机床经历了靠模仿形、光电跟踪、简易数控等发展阶段，在上海张维良高级技师发明了世界独创的快速走丝线切割技术后，出现了众多形式的数控线切割机床，线切割加工技术突飞猛进，全国的线切割机床拥有量快速增长，为我国国民经济，特别是模具工业的发展做出了巨大的贡献。随着精密模具需求的增加，对线切割加工的精度要求愈来愈高，高速走丝线切割机床目前的结构与其配置已无法满足精密加工的要求。科研人员和行业工程师在研究高速走丝线切割机床工艺特点的基础上，通过多次切割、无进给切割方式，提升高速走丝线切割机床的加工精度。在大量引进国外慢走丝精密线切割机床的同时，也开始了国产慢走丝机床的研制工作，至今已有多种国产慢走丝线切割机床问世。我国的线切割加工技术的发展要高于电火花成形加工技术，如在国际市场上除高速走丝技术外，我国还陆续推出了大厚度（≥300mm）及超大厚度（≥600mm）线切割机床，在大型模具与工件的线切割加工方面，发挥了巨大的作用，拓宽了线切割工艺的应用范围，在国际上处于先进水平。

1.1.3 电火花加工的基本原理

电火花加工的原理是利用工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。研究结果表明，引起电火花腐蚀的主要原因是：电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、汽化而被蚀除掉，形成放电凹坑。要利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工应具备以下条件。

1）必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，这一间隙由加工条件而定，通常为几微米至几百微米。如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电；如果间隙过小，很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。为此，在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置，使其和工件保持合适的放电间隙。

2）两极之间应充入有一定绝缘性能的介质。对导电材料进行加工时，两极间为液体介质；进行材料表面强化时，两极间为气体介质。液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度（103～107Ω·cm），如煤油、皂化液或去离子水等，以有利于产生脉冲性的火花放电。同时，液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、炭黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。

3）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后（1～1000μs），需停歇一段时间（50～100μs）。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电蚀除点分别局限在很小的范围内；否则，会形成电弧放电，使工件表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。图1-1所示为脉冲电源的空载电压波形。

以上这些目标是通过图1-2所示的电火花加工系统来实现的。工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相连接。自动进给调节装置3（此处为电动机及丝杠螺母机构）用于调节工具和工件之间的距离，使其经常保持一个很小的放电间隙。当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图1-3所示。其中图1-3a表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图1-3b表示多次脉冲放电后的电极和工件表面。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔 t _o ，简称脉间），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上并延迟一段时间（即脉冲宽度 t _i ，简称脉宽），又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。就这样以相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑组成。