電火花成形機(jī)床（SinkingElectro-DischargeMachines，SEDM）是電火花加工機(jī)床的主導(dǎo)產(chǎn)品。以信息化、智能化為代表的第三代電火花成形機(jī)床，其主要任務(wù)是開拓電火花中精加工、超精加工可量化的性能指標(biāo)，這就需要在電火花成形機(jī)床的方方面面做深入細(xì)致的探索與研究工作。
　　
　　脈沖電源的關(guān)鍵技術(shù)
　　
　　1干凈脈沖
　　
　　首先要解決能量的度，即當(dāng)進(jìn)入中、精加工后，線路上形成的寄生參數(shù)所產(chǎn)生的能量相對該規(guī)準(zhǔn)脈沖能量來說已足夠大，它疊加在放電中，就形成了一些很難拋光的針孔，也造成了在電極邊角處的異常損耗，甚至出現(xiàn)黑斑和燒傷疤痕。這和研磨中磨料粒度的品質(zhì)一樣，在精研磨時(shí)，若存在一顆大粒度的砂子就會劃傷已研磨好的表面。隨著新器件的出現(xiàn)和使用，線路大大精簡，走線大大縮短，大量的限流電阻、大風(fēng)扇、大散熱片，甚至連變壓器都被取消，使能效利用率從20%提高到80%；電壓采用數(shù)字細(xì)分化，且微精加工線路板被安裝在主軸滑枕上，只需一根較短的電纜線固定在工作臺上，減少了寄生參數(shù)。機(jī)床還采用雙向絕緣，主軸接板和工作臺面都采用花崗巖進(jìn)行絕緣，以減少極間電容。
　　
　　2精密電源
　　
　　和研磨一樣，越是精密加工分檔越細(xì)，電火花加工亦如此。比如，電火花加工表面粗糙度Ra要達(dá)到0.1μm時(shí)，需要換13檔規(guī)準(zhǔn)，如果電火花加工表面粗糙度Ra要達(dá)到0.05μm時(shí)，那就需要換17~18檔規(guī)準(zhǔn)。后面幾檔脈沖能量之差微乎其微，所以要做到脈沖能量極其準(zhǔn)確，也就是脈沖電源亦要高精度化。
　　
　　3超高頻脈沖電源
　　
　　過去微精電源多用TR-RC線路，也即采用電容的充放電再細(xì)分成更窄的脈沖寬度，目的是達(dá)到更好的表面粗糙度質(zhì)量要求，但是這種弛張式放電停歇極小，空載、短路頻發(fā)，有空載就會有能量疊加，這直接影響到表面質(zhì)量的控制。TR-RC對小孔或放電面積較小的加工問題不大，但對有一定面積要求的型腔加工這種極間電容仍是一大問題。因此，需要限制電容值，并選用更*的開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)更窄的脈沖寬度，盡可能在極短的時(shí)間內(nèi)RC放電基本是穩(wěn)定的。按目前器件水平可以做到納米級，如脈沖寬度≤80ns是可行的，此時(shí)頻率可達(dá)到500~1000kHz，表面質(zhì)量就可提高了。
　　
　　4“干凈表面”的要求，促使脈沖電源智能化
　　
　　表面質(zhì)量僅用表面粗糙度Ra來表示是不夠的，同樣的Ra表面，可能會有不同的微細(xì)缺陷存在，這就是單位面積內(nèi)的針孔數(shù)。這會嚴(yán)重影響脫模效果，可能會發(fā)生型腔內(nèi)材料粘接，從而產(chǎn)生用戶難以接受的模具使用壽命縮短的問題。
　　
　　SEDM的放電坑深度越不一致、越深，精修越難。放電坑深度的不一致是因?yàn)榈竭_(dá)工件表面的脈沖能量不一致。脈沖能量受寄生參數(shù)的影響在減少寄生參數(shù)值和避免空載充電后已大大減少，而且它僅是對精加工起作用。zui大問題是脈沖能量在到達(dá)工件表面前在放電間隙的等離子柱中的消耗是不固定的，尤其是*放電時(shí)的放電間隙可能僅是正常放電間隙的1/20~1/10（粗、中加工時(shí)差距要小一些），此時(shí)到達(dá)工件表面的能量肯定大。再者，SEDM在中精加工中多用抬刀來維持正常放電，每次抬刀的返回都是一次*放電，都會留下一批比正常放電要深的坑。而在電火花線切割機(jī)床（WireElectro-DischargeMachines，WEDM）中有專門的切入程序來應(yīng)對*放電，比如，采用圓弧切入、減能量、緩進(jìn)給等措施，避免了斷絲及過深痕跡。這種現(xiàn)象在WEDM中出現(xiàn)較少，而在SEDM中出現(xiàn)較多。從點(diǎn)火放電至回退到正常放電間隙，zui快也得數(shù)毫秒，可以有成百上千個(gè)脈沖放電，為形成正常放電間隙產(chǎn)生必需的屑子。如有能量成階梯上升的脈沖串與之配套，情況會好一點(diǎn)。即隨著間隙逐步加大，才恢復(fù)到正常的脈沖能量。同時(shí)也需要控制抬刀高度，勿使間隙內(nèi)的屑子排除太*，從而使點(diǎn)火間隙過小。甚至在一個(gè)抬刀周期內(nèi)隨著間隙內(nèi)的屑子濃度的增加，脈沖能量也能隨之微調(diào)減小，從而使放電坑尺寸更加一致。放電能量針對放電狀況的變化有規(guī)律的調(diào)節(jié)應(yīng)該是脈沖電源智能化的一個(gè)方向。這種能量控制亦可有效的防止過度的集中放電，間隙過熱，造成局部坍陷，亦會zui終留下針孔。
　　
　　要特別注意的是：第三代電火花成形機(jī)床脈沖電源并不僅僅是微精加工特性有較大改進(jìn)，而是粗中精加工特性全面改進(jìn)，只有逐級精細(xì)化，到微精加工才會有均勻合適的加工余量。當(dāng)然，zui重要的還不是發(fā)脈沖，而是如何讓此類微能量脈沖發(fā)揮作用，達(dá)到穩(wěn)定放電的目的。所以第三代電火花成形機(jī)床的研發(fā)重點(diǎn)在于技術(shù)的集成，而今大間隙放電控制技術(shù)的確是一大亮點(diǎn)。
　　
　　新理念指導(dǎo)下的間隙放電控制技術(shù)
　　
　　在WEDM出現(xiàn)前，SEDM主要是加工冷沖模，用鋼沖頭打凹模，廣泛采用油杯沖油加工，僅依靠進(jìn)給伺服的控制，加工穩(wěn)定性還是可以保證的。之后有了低損耗脈沖電源，轉(zhuǎn)而加工型腔，仍繼續(xù)使用沖油。但是沖油會造成電極損耗的不均勻和加工間隙的不均勻，而且有不少型腔亦很難實(shí)施沖油，需采用抬刀進(jìn)行排屑，穩(wěn)定加工的目的達(dá)到了，但效率卻降低了。
　　
　　抬刀排屑下的SEDM是在靜止的介質(zhì)中放電，窄窄的間隙密封性*，中精加工脈沖爆炸力又小，屑子擴(kuò)散困難，故集中放電向電弧過渡要容易，而且來得很快。這些和WEDM比情況要相差很多，WEDM有強(qiáng)烈水介質(zhì)沖刷或是在一個(gè)比較開放的空間精修，工具電極僅是一根細(xì)絲，故放電點(diǎn)是可以檢測的，放電點(diǎn)上集中放電時(shí)間過長亦是知道的。SEDM曾采用火花射頻測量放電點(diǎn)，但效果不佳。采用脈沖波形分類、統(tǒng)計(jì)、判斷取間隙狀態(tài)信息，一是干擾太大，二是速度太慢，反饋不足以防止?fàn)顩r出現(xiàn)。所以，當(dāng)時(shí)的適應(yīng)控制只能偏空和過度反應(yīng)，用降低效率的代價(jià)取得一定的穩(wěn)定性。
　　
　　故障預(yù)兆檢測在實(shí)際應(yīng)用中有一定困難，出現(xiàn)問題時(shí)就顯得非常突然。采取預(yù)防控制方法也是一種有效的措施，在工程上稱前饋控制（FeedForwardControl）。SEDM的集中放電向電弧的過渡有如下因素：
　　
　　（1）加工規(guī)準(zhǔn)脈沖能量和當(dāng)前實(shí)際放電面積不匹配。要穩(wěn)定加工，放電電流密度是必須控制的，在電極進(jìn)給開始放電加工到整個(gè)面接觸，放電面積的變化很大。尤其是在大部分余量都由HSM去除，SEDM往往是從邊角開始，由點(diǎn)到線再到面。解決辦法有2種：一是用CAD/CAM技術(shù)，將預(yù)加工后型腔形狀和電極形狀數(shù)據(jù)引入，計(jì)算出加工深度和放電面積的關(guān)系，并自動編程，轉(zhuǎn)換加工能量，甚至改變進(jìn)給和抬刀參數(shù)。二是用所施加規(guī)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)蝕除速度除以實(shí)際進(jìn)給速度，即可得到相應(yīng)加工面積，以此為轉(zhuǎn)換加工能量的依據(jù)。顯然*種方法要可靠得多，標(biāo)準(zhǔn)蝕除速度在實(shí)際加工中很難體現(xiàn)，而且它是先測后改，慢一拍。這種能量匹配已經(jīng)可以做到連續(xù)匹配。
　　
　　（2）排屑和抬刀不匹配。因?yàn)榉烹婇g隙中介質(zhì)的流動會造成不均勻的損耗，故今天的SEDM除了穿孔和大型腔粗加工外，都采用抬刀排屑，但要排屑和放電產(chǎn)屑之間達(dá)到平衡不容易。放電開始時(shí)，由于僅蝕除前一檔放電凹坑的翻邊，容屑空間就大一些，故排屑速度會快一點(diǎn)，越接近坑底，排屑速度明顯變慢。抬刀參數(shù)很難適應(yīng)這種短時(shí)間的變化，所以一般都是抬刀過量，造成加工時(shí)間過長；且由于過量排屑，間隙內(nèi)屑子濃度過低，造成再次抬刀回升，又形成一個(gè)非常近距離的點(diǎn)火過程，產(chǎn)生了振蕩，這都會影響加工效率和電極損耗。因此要有排屑與抬刀參數(shù)的適應(yīng)控制，當(dāng)抬刀的起始點(diǎn)和抬刀返回*放電點(diǎn)坐標(biāo)差值過大，就可認(rèn)為是抬刀過量，適當(dāng)減少抬刀高度。
　　
　　（3）集中放電過渡到電弧只是局部間隙中的屑子濃度過高的問題。如果能將局部屑子及時(shí)擴(kuò)展到整個(gè)間隙中，即使沒有排出去，由于屑子濃度不高，也不會出現(xiàn)問題。過度的集中放電與放電點(diǎn)遷移不佳有關(guān)，如果間隙中屑子均勻，放電點(diǎn)遷移就會容易。均勻一致的集中放電亦可使加工面的平整度和表面粗糙度的一致性有保證。若每檔規(guī)準(zhǔn)加工面都非常平整，就可減少每檔規(guī)準(zhǔn)的加工量，這對提高精加工效率大有好處。
　　
　　要使屑子均勻填充在整個(gè)加工間隙內(nèi)，的辦法就是微抬刀技術(shù)，這和20世紀(jì)60年代的電磁振蕩器有相似之處，效果會*。但這種微抬刀和振動頭還不一樣，它會保證一段連續(xù)放電τon的時(shí)間，對加工效率是一種支撐。頻率和幅度還可以調(diào)整，使集中放電有了一個(gè)節(jié)制，與列車脈沖亦有類似的作用。屑子在間隙內(nèi)均勻化，就可以容納較多的屑子而不會造成過度污染。所以，2次高抬刀之間間隔就可以拉得長一點(diǎn)，加工效率就上去了。間隔的大小和加工面積有關(guān)，這些參數(shù)都會有一定的范圍變化。
　　
　　（4）平動技術(shù)和SEDM工藝配合不佳。平動技術(shù)是SEDM的重要環(huán)節(jié)，是側(cè)面精加工之必須。通過平動將整個(gè)型腔各面進(jìn)行分割，逐個(gè)加工。瞬間加工面積的減少對改善表面粗糙度有利，也對排屑有利。由于是在運(yùn)動中放電，因此也起了類似研磨網(wǎng)紋的拋光作用。但過去的平動只是用給定的速度對各面輪流放電，在各方向上的時(shí)間分配是均等的，實(shí)際上不同方向上的加工面積可以相差很大，如窄槽加工，長邊就往往因?yàn)闀r(shí)間不夠而加工不到尺寸。
　　
　　又如用圓軌跡平動加工方型腔，對4個(gè)大面的加工時(shí)間較短，大多數(shù)時(shí)間用在修4個(gè)角上，造成時(shí)間的浪費(fèi)。此外，WEDM有拐角策略，過角時(shí)有一系列參數(shù)調(diào)整，而SEDM的平動過角就沒有這一套。所以就需要用CAD/CAM技術(shù)對各個(gè)加工面面積和有否復(fù)雜型面來自動編程，而且平動的軌跡亦和型腔形狀要匹配，使平動少走空程。如有較多各種傾斜角度的側(cè)面，就要采用球面平動，使瞬間加工面分得更細(xì)，精加工余量更均勻，精度更好，效率更高。但平動對型腔各面的分割帶來其抬刀方向的多變，以及對各面尺寸控制的一致性要求，故使本來龐大的平動軟件會更加復(fù)雜。如何保證各向型面同時(shí)加工到尺寸、修光均勻是有難度的。
　　
　　目前，WEDM已向微米和亞微米進(jìn)軍了，它在精修時(shí)采用恒速進(jìn)給的。和常規(guī)加工一樣嚴(yán)格的以機(jī)床的運(yùn)動軌跡控制著加工尺寸，保證每毫米的加工表面放電的時(shí)間是一致的。而SEDM情況復(fù)雜得多，WEDM是線接觸，切向進(jìn)給，而SEDM是面接觸法向進(jìn)給（在三維平動中）。由于抬刀的*，電極會經(jīng)常越過正常的放電間隙去點(diǎn)火，所以SEDM的到尺寸控制會更困難一點(diǎn)。要同時(shí)檢測空載電壓，各向型面不再放電了才能轉(zhuǎn)規(guī)準(zhǔn)。到微精加工這樣控制都無法保證正常工作，必須用時(shí)間控制，具體規(guī)定這一檔加工每平方厘米需要多少時(shí)間，當(dāng)平動對型腔各面分割加工時(shí)，如何保證每平方厘米的表面給的時(shí)間一致，并且齊步走同時(shí)到達(dá)，這將是件非常困難的事。所以，SEDM要達(dá)到WEDM的尺寸精度還需要相當(dāng)長的時(shí)間。
　　
　　功能清晰的新伺服系統(tǒng)
　　
　　要解決中精加工穩(wěn)定性，伺服系統(tǒng)肯定不是主角，因?yàn)樵跁r(shí)間常數(shù)上不在一個(gè)數(shù)量級，根本來不及。但它是非常重要的基礎(chǔ)條件，而且是SEDM今天發(fā)展的熱門課題，其主要任務(wù)為：一是穩(wěn)定的、不振蕩的*放電；二是強(qiáng)有力的快速抬刀；三是走位要準(zhǔn)，即高精度的重復(fù)單位精度。這些都是很難掌握的動態(tài)性能。
　　
　　1SEDM對伺服系統(tǒng)的要求是如何演變的
　　
　　在20世紀(jì)50~60年代，SEDM主要是加工沖模的，非常強(qiáng)調(diào)沖油的作用，只要沖油調(diào)節(jié)好了，在開始加工時(shí)小心緩進(jìn)，逐漸打穩(wěn)，就可以平穩(wěn)地緩緩打透。整個(gè)加工是一個(gè)慢進(jìn)給的過程，所以當(dāng)時(shí)的伺服系統(tǒng)都有很大的減速比。后來的液壓伺服，速度高了點(diǎn)，也就是300mm/min左右。為了精加工能效果更好，在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)上下足功夫，由滾動到靜壓，以滿足平穩(wěn)的低速無爬行。但到今天，抬刀排屑在SEDM型腔加工中幾乎是一統(tǒng)天下，對伺服系統(tǒng)的要求就更高。抬刀排屑中每次都是先有*放電，你不可能去手動減速，而且在抬刀要強(qiáng)的思想指導(dǎo)下，速度大大提高，在15m/min以上，如此高速下*放電要不產(chǎn)生振蕩是很難的。在要求更好的表面粗糙度下的微能量放電，*放電點(diǎn)火間隙已進(jìn)入微米級，這就要求低速性能非常好。在如此復(fù)雜的平動、抬刀，不斷進(jìn)進(jìn)退退中還要求達(dá)到非常好的尺寸精度，對于伺服系統(tǒng)的要求就很高。為此第三代電火花成形機(jī)床進(jìn)給的脈沖當(dāng)量已達(dá)到50nm，與HSM的接刀可在±2μm以內(nèi)，這在HSM加工的中大型腔中協(xié)助加工局部復(fù)雜型面時(shí)很有用處。
　　
　　2強(qiáng)抬刀的關(guān)鍵在于高加速度
　　
　　抬刀的要求是在zui短的時(shí)間內(nèi)，完成間隙內(nèi)介質(zhì)的置換。有一定強(qiáng)度的干凈的油沖進(jìn)來，沖刷間隙，混合后再擠出去，其作用是達(dá)到整個(gè)型面，比較均勻。當(dāng)然，進(jìn)出都有阻力，如果是深窄槽加工就更費(fèi)勁一點(diǎn)。這和唧筒一樣，正負(fù)壓的形成決定于受力大小及其產(chǎn)生的加速度。過去一般的伺服系統(tǒng)有0.1g，而新的伺服系統(tǒng)可以達(dá)到0.5g以上，只有高加速度才能短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高速度。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律公式F=m×a，高加速的伺服系統(tǒng)出力更高，所以說第三代電火花成形機(jī)床的伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)就是電機(jī)的功率加大了。
　　
　　3微能量穩(wěn)定*放電的關(guān)鍵是采用前饋控制
　　
　　為保證微能量*放電的穩(wěn)定性，必須采用前饋控制。任何伺服系統(tǒng)既要高速又要定位，一定要先行減速，如等間隙信號來了再減速剎車、回退，一定會振蕩。只要記住抬刀的起始點(diǎn)坐標(biāo)，返回時(shí)*放電點(diǎn)火點(diǎn)一定在此位置后面，安排適當(dāng)?shù)臏p速程序即可以，而且，在控制抬刀高度后，保證間隙內(nèi)有一定的屑子濃度，使點(diǎn)火間隙不致過小，可能更加有效。在抬刀的提升、反向、接近工件3處的加速度都應(yīng)設(shè)置漸變過程，使整機(jī)工作更平穩(wěn)，無沖擊聲響。
　　
　　4伺服的高精度定位——重復(fù)定位精度
　　
　　雖然影響型腔尺寸精度的因素非常多，但伺服系統(tǒng)的重復(fù)定位精度確實(shí)是基礎(chǔ)，若型腔精度要求±5μm，那重復(fù)定位精度一定要壓縮到它的1/3~1/2。在SEDM中伺服系統(tǒng)的到位尺寸控制是：伺服軸到達(dá)程序終點(diǎn)位置時(shí)點(diǎn)火，然后回退至正常放電間隙，若此時(shí)加工電壓已為空載電壓的70%~80%，則終止程序，也即到達(dá)尺寸終點(diǎn)后，還需要完成zui后的蝕除才算完成。這和常規(guī)加工一樣，到尺寸后還要反復(fù)幾次才能真正達(dá)到尺寸。在NC行程控制的SEDM加工中，型腔尺寸基本上控制住了，僅留下*放電與正常放電的間隙差作為定時(shí)微精加工之拋光量。關(guān)鍵是這個(gè)過程對型腔的各個(gè)加工面要重復(fù)很多很多次，所以對伺服的重復(fù)定位精度要求就很高，甚至達(dá)到亞微米。
　　
　　第三代電火花成形機(jī)床的伺服系統(tǒng)電機(jī)功率有的已達(dá)到了千瓦級，絲杠更粗，進(jìn)給剛性更好，普遍采用閉環(huán)控制，更高精度、剛度的循環(huán)滾珠（柱）直線滾動導(dǎo)軌，現(xiàn)在交叉滾柱導(dǎo)軌很少用了，因?yàn)槠浒惭b面精度和裝配調(diào)節(jié)中稍有差錯(cuò)，對運(yùn)動直線性、靈敏度影響就比較大。
　　
　　*的元器件在伺服系統(tǒng)發(fā)展中起到關(guān)鍵作用，尤其隨著近年來伺服電機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展，其短時(shí)間內(nèi)高扭矩的輸出是達(dá)到高加工速度的必要條件，同樣短時(shí)間內(nèi)可以翻倍的高速度，對深窄槽加工電*速拉出型腔十分有利，而且大慣量中低速電機(jī)用在直拖驅(qū)動方式上可以充分發(fā)揮電機(jī)的性能，使用效果更好、更合理。
　　
　　高精度和信息化是第三代電火花成形機(jī)床的明顯特色
　　
　　SEDM一般被認(rèn)為是一種特種加工機(jī)床，需要量不大，而且高精度機(jī)床在車間里亦是*加工手段更少，但今天SEDM的第三代機(jī)床就開創(chuàng)了高精度機(jī)床大量應(yīng)用的先河。南方一個(gè)工廠一次引進(jìn)100臺EDM機(jī)床，其中大部分是高精度的SEDM機(jī)床。這是緣于大市場的手機(jī)、LED模具加工的需要，其中SEDM承擔(dān)zui大zui重要的工序。以它為中心利用信息網(wǎng)將HSM機(jī)外編程和模擬運(yùn)行、電極和工件的測量等設(shè)備組成一個(gè)大的加工體系。其生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)的共享非常密集，并因這種信息技術(shù)的介入，其生產(chǎn)有序，工時(shí)緊湊，交貨周期僅3~4周。
　　
　　SEDM信息化的基礎(chǔ)就是加工的表面質(zhì)量、尺寸精度、工時(shí)都給用戶明確數(shù)據(jù)，并都留有性能裕度，有工藝保證。今天WEDM的加工已經(jīng)可以做到免檢，SEDM的第三代機(jī)床亦可以做到。
　　
　　切削加工存在一個(gè)復(fù)映誤差（ResidualCopyingError），即加工余量的不均勻形成加工后的尺寸誤差，還有進(jìn)刀量和實(shí)際達(dá)到的加工尺寸之差。這與機(jī)床工藝系統(tǒng)的剛度及刀具的磨損有關(guān)。在SEDM中，剛度影響會小一些，但需擔(dān)心電極損耗的問題。而有了HSM，加工余量可以控制到很少和很均勻，電極做得很準(zhǔn)，使用粗精多個(gè)電極加工毫無問題。在中精加工穩(wěn)定性有很大改善的情況下，有質(zhì)量保證的石墨電極加工窄槽幾乎可以做到*，也即SEDM的工具和常規(guī)車刀的磨損相近，因此目前SEDM的工藝可以達(dá)到高精度，只要將高精度的結(jié)構(gòu)要素一一完善，SEDM高精度化的目標(biāo)就會實(shí)現(xiàn)。
　　
　　第三代電火花成形機(jī)床在小型模具的質(zhì)量和效率上有明顯的成效，表面粗糙度Ra<0.3μm，達(dá)到0.05μm，加工精度不大于±5μm，效率提高了30%~50%。它的研發(fā)體現(xiàn)在“細(xì)”和“綜合”，這是所有精品產(chǎn)出的必由之路，這個(gè)過程不會結(jié)束，還有相當(dāng)大的發(fā)展空間，期待未來更好的SEDM不斷滿足日新月異的市場需求。

　　（作者：北京市電加工研究所 沈洪 伏金娟）