電火花成形加工技術發展趨勢概覽
1．引言
作為先進制造技術的一個重要分支，特種加工技術，尤其是電火花加工技術，自20世紀40年代開創以來，歷經半個多世紀的發展，已成為先進制造技術領域不可或缺的重要組成部分。尤其是進人20世紀90年代后，隨著信息技術、網絡技術、航空和航天技術、材料科學技術等高新技術的發展，電火花成形加工技術也朝著更深層次、更高水平的方向發展。雖然一些傳統加工技術通過自身的不斷更新發展以及與其它相關技術的融合，在一些難加工材料加工領域(尤其在模具加工領域)表現出了加工效率高等優勢，但這些技術的應用沒有也不可能完全取代電火花成形加工技術在難加工材料、復雜型面、模具等加工領域中的地位。相反，電火花成形加工技術通過借鑒其它加工技術的發展經驗，正不斷向微細化、高效化、精密化、自動化、智能化等方向發展。
2．電火花成形加工技術的發展現狀
目前，在電火花加工基礎理論研究領域，由于放電過程本身的復雜性、隨機性以及研究手段缺乏創新性，迄今尚未取得突破性進展。但在加工工藝和控制理論研究領域，由于研究成果可直接應用于生產實踐，因此已成為目前電火花成形加工技術研究中較為活躍的領域，其研究熱點主要集中在高效加工技術、高精密加工技術(如鏡面加工技術)、低損耗加工技術、微細加工技術、非導電材料加工技術、電火花表面處理技術、智能控制技術(如人工神經網絡技術、模糊控制技術、專家系統等)以及操作安全、環境保護等方面。在工藝設備開發方面，目前的新型電火花成形加工機床在加工功能、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，已不再是傳統意義上的特種加工機床，而更像切削加工中的數控機床甚至加工中心。
3．電火花成形加工技術的發展趨勢
先進制造技術的快速發展和制造業市場競爭的加劇對電火花成形加工技術提出了更高要求，同時也為電火花成形加工技術加工理論的研究和工藝開發、設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主要面向傳統切削加工不易實現的難加工材料、復雜型面等加工，其中精細加工、精密加工、窄槽加工、深腔加工等將成為發展重點。同時，還應注意與其它特種加工技術或傳統切削加工技術的復合應用，充分發揮各種加工方法在難加工材料加工中的優勢，取得聯合增值效應。相對于切削加工技術而言，電火花成形加工技術仍是一門較年輕的技術，因此在今后的發展中，應借鑒切削加工技術發展過程中取得的經驗與成果，根據電火花成形加工自身的技術特點，選用適當的加工理論、控制原理和工藝方法，并在己有成果的基礎上不斷完善、創新。電火花成形加工機床向數控化方向發展的趨勢已不可逆轉，但應注意不可盲目追求“大而全”，應以市場為導向，建立具有開放性的數控體系。總體而言，電火花成形加工技術今后的發展趨勢應是高效率、高精度、低損耗、微細化、自動化、安全、環保等。
3.l電火花成形加工理論的發展趨勢
近年來，電火花成形加工的基礎理論研究尚未取得實質性進展，雖然一些學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，但在電火花加工機理研究方面并未取得重大突破。較為活躍的研究領域主要集中在加工工藝理論和控制理論方面。
在加工工藝理論研究方面，研究熱點主要是如何提高電火花成形加工的表面質量和加工速度，降低損耗，拓展電火花加工的范圍，以及探索復雜、微細結構的加工方法等。通過將研究成果應用于生產實踐，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。國內外生產的新型電火花成形加工機床大多采用了智能控制技術，此項技術的應用使機床操作更容易，對操作人員要求更低。同時，智能控制系統具有自學習能力，可在線自動監測、調整加工過程，以實現加工過程的最優化控制。
雖然電火花成形加工的理論研究在基礎理論、加工工藝理論、控制理論等方面都有一定發展和提高，但加工工藝理論、控制理論要得到更進一步全面發展，就必須在整個放電過程機理的研究上有所突破。因此，電火花成形加工理論研究的發展趨勢將是在進一步探討加工工藝理論和控制理論，提高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，重點研究放電過程的機理。
電火花成形加工機理研究未取得突破性進展的主要原因除放電過程本身的復雜性、隨機性外，還由于研究方法及手段缺乏創新性。因此，有必要借鑒其它研究領域的成功經驗，引人先進的研究方法和試驗技術，克服傳統研究方法的局限性、深人剖析和揭示整個放電過程的內在本質，建立可客觀反映放電過程規律的理論模型，以指導電火花成形加工工藝理論和控制理論的研究，而計算機仿真技術可能是實現這一過程的有效工具。
3.2電火花成形加工設備結構的改進
借鑒現代切削加工機床的發展經驗，電火花成形加工設備向數控化方向發展是一個不可逆轉的趨勢。一方面應以高精度、高速度、自動化為追求目標，以技術優勢占領市場；另一方面應充分考慮設備的性能價格比，通過對機床功能的合理定位，進行結構改進和模塊化設計，采用開放性的數控系統，提高機床設計的合理性，以最低的價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床。
受現代切削加工技術發展的沖擊，以前適合采用電火花加工的一部分加工領域已逐步為切削加工方式所替代。但是，現代科技的發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用日益廣泛，同時，一些零件結構趨于復雜化、微型化、薄型化，這都使切削加工技術在某些加工領域的應用受到限制，而這些恰好是電火花成形加工的技術優勢，也是其具有生存空間和發展潛力的現實依據。
為全面推動電火花成形加工設備的技術進步，在采用先進控制系統的同時，機床結構的設計也需要進一步完善，其主要發展方向表現在以下兩方面：
(1)直線伺服系統的應用
電火花成形加工設備采用直線電機伺服系統可使加工性能獲得明顯改善，具體表現為:①可實現軸的直接直線運動，省去絲杠一螺母傳動環節，從而保證軸的高速運動；②采用直線電機與滑板一體化結構，可消除滑板與電機之間因存在中間環節而引起的機械響應滯后現象，提高系統的靈敏度，縮短動態響應時間，保證加工過程的穩定性；③直線電機伺服系統的運動方式決定了其位置檢測環節必須采用直線位置反饋元件，實現無中間環節的直接位置檢測，從而構成一個全閉環系統，保證加工過程的高精度及精度保持性。目前，直線伺服系統的應用在深窄、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優勢。但是，這些技術優勢要真正實現，除需結合電火花成形加工放電過程特性，解決直線伺服系統本身的技術難題外，還必須解決一系列與直線伺服系統配套的相關技術，如直線運動系統的動力平衡、工作臺的結構改進等。
(2)機床運動方式的改進
突破現有電火花成形加工機床運動方式的局限性，是發揮其技術優勢、推動其產業發展的另一重要途徑。借鑒現代切削加工技術的發展經驗，可在機床主要的加工成形運動基礎上引人圓周運動，特別是采用多軸回轉系統與多種直線運動協調組合成多種復合運動方式，以適應不同種類工件的加工要求，擴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勢和技術效益。目前，國內外許多電火花成形加工機床在運動方式上作了一些改進，如瑞士阿奇公司生產的AGIFMONDOSTAR20(50)機床擁有EQUIMODE功能，能實現空間任何方向的半球平動，這種平動功能在實際加工中具有很高實用價值。但目前電火花成形加工機床增設的運動方式還較為單一，應用范圍有限。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，一個重要的發展方向就是對機床成形運動方式的創新和多樣化。最近，日本東京大學余組元博士、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劃，可使電極損耗處于等損耗狀態，從而使電極損耗的補償變得極為簡單。這一概念的提出為電火花成形加工運動方式的改進提供了必要的理論依據。當然，由此產生的機床結構改變及其相關技術理論的研究還需進一步深人與完善，甚至有可能發展出一種全新的加工理論。
此外，機床的整體結構設計必須充分考慮環境保護以及人一機協調性，借助先進的設計方法和手段(如CAD、有限元分析等)對機床結構進行全面優化設計，充分提高機床結構的先進性和合理性。
3.3電火花成形加工工藝的發展趨勢
通過對電火花成形加工機理的研究，進一步揭示放電過程的內在規律，并以此為指導，推動電火花成形加工工藝向高效率、高精度、低損耗方向發展，同時還應注意微細化加工方面的發展。
(1)加工過程的高效化
加工過程的高效化不僅體現在通過改進電火花加工伺服系統、控制系統、工作液系統、機床結構等，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)，這就需要增強機床的自動編程功能，擴展機床的在線后臺編程能力，改進和開發適用的電極與工件定位裝置;在機床維護方面，應增強機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計算機提示實現故障排除，同時這也有利于增強機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加工技術和工藝方法，目前電火花成形加工精度已有全面提高，有的已可達到鏡面加工水平。但從總體來看，先進技術在實際生產中的應用還不夠成熟和廣泛，因此有必要全面推動已有先進技術的進一步完善及向產業化方向發展。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一步提高，使電火花成形加工成為一些主要零件、關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，還應包括型面的幾何精度、變質層厚度以及微觀裂紋、氧化、銹蝕等。
(3)加工過程的微細化
電火花成形加工的一個重要應用領域是窄槽、深腔、微細零件的加工，因此加工過程的微細化是今后一個重要的發展方向。電火花微細加工機理與常規電火花成形加工相同，但有自身的工藝特點：每個脈沖的放電能量很小，工作液循環困難，穩定的放電間隙范圍小等。基于這些工藝特點，微細電火花成形加工的加工裝置、工作液循環系統、電極制備等必然與常規電火花成形加工有很大區別。因此，需要重點研究非機械作用力及其干擾對加工過程的影響等，進一步提高加工效率、加工精度及加工過程的穩定性。
(4)應用范圍的擴大
目前，電火花成形加工不僅可加工各種導電金屬材料和復雜型腔，還能實現對半導體材料、非導電材料的加工，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。這方面的主要發展趨勢為：進一步研究半導體材料、非導電材料的放電加工機理，促進其加工效率、加工精度、加工過程穩定性的提高，擴大可加工材料的范圍；除加工復雜型腔外，進一步實現對三維型腔、復雜型面的加工；研制性能優越的新型電極材料。
3.4電火花成形加工數控系統的發展趨勢
數控系統是數控機床的核心部分，其性能的提高不僅可直接改善加工效率、加工精度和加工穩定性，同時也是擴大加工范圍、實現復雜精密加工的重要途徑。先進數控系統的應用可為電火花成形加工帶來顯著的經濟效益和廣闊的發展前景，已成為衡量電火花成形加工技術水平的重要標志。電火花成形加工在數控系統方面的發展趨勢主要表現在以下幾方面：
(1)建立基于PC機的開放式數控體系
具有開放性的數控體系是當前數控系統的發展主流，而PC機自身的特點決定了它是一種標準的開放性結構系統。PC機技術的迅速發展及性能價格比的不斷提高為數控系統提供了優越的軟硬件平臺、更友好的人機接口和在線實時控制功能。與以前的數控系統相比，基于PC機的數控系統具有以下優點：①系統具有更高的集成度和可靠性；②資源豐富，適于產品開發；③控制功能強大，形式多樣，可實現多機控制、多目標控制；④系統具有更高柔性。目前應用于數控機床的基于PC機的數控系統多為專用型結構，雖具有結構較簡單、技術較成熟、開發成本較低等優點，但隨著技術的進一步發展，其軟、硬件具有封閉性的缺點愈益明顯。例如，這種結構的數控系統很難及時應用計算機技術的最新成果；不同系統之間很難相互兼容；用戶不易增設或改進適合自身實際的專用功能；PC機資源利用率低，難以完全發揮PC機的優勢；控制系統功能不完善等。針對上述缺陷，建立基于PC機的電火花成形加工數控系統應將重點放在以下幾方面：
①模塊化系統
應根據開放性數控體系的統一規則建立模塊化的系統結構，通過對電火花成形加工的系統研究，精選必要的功能，擴充可選功能，剔除不必要的功能。同時各模塊應具有標準化的應用程序接口，不同的模塊可運行于不同的系統平臺，相互之間應具有協調工作的能力。
②縮放性用戶可根據自己的加工要求，通過增添、剔除特定的功能模塊，實現用戶的“專用系統”。
③互換性具有相似功能及可靠性水平的模塊之間可以相互替換。
充分利用PC機資源來開發性能優異的數控系統將是電火花成形加工的一個重要發展趨勢。
(2)實現加工過程控制的智能化
提高電火花成形加工過程的自動化是該加工技術發展的必然趨勢。由于電火花成形加工是在復雜環境下基于復雜任務對復雜對象的控制，傳統的控制系統已不能滿足自動化加工的要求，因此需要建立多輸入、多輸出的控制系統，智能控制將是解決此類復雜問題的有效途徑。智能控制系統具有自學習和自適應功能，能自主調節系統的控制結構、參數和方法，進行決策規劃和廣義問題求解。它就如同一個有經驗的操作者，可通過對加工信息的定性刻劃，模擬熟練操作者的思維方式，根據當前的加工狀態調整加工參數，進而實現提高加工效率、加工精度、加工過程穩定性以及簡化操作過程，拓寬加工范圍的目的。加工過程的智能控制主要包括三方面內容：①人工神經網絡技術；②模糊控制；③專家系統。
雖然智能控制系統在電火花成形加工中得到了大量應用，但仍有許多不完善之處，主要需解決以下問題：①根據不同加工要求確定工具電極與工件加工表面之間的合理間隙和合理加工參數；②開發能根據加工過程中間隙狀態的改變而自適應變化的脈沖電源；③工作液的合理選用及其對加工過程的影響；④降低各種干擾對加工過程的影響。針對以上問題，電火花成形加工智能控制系統應重點研究和應用以下技術：
①專家系統的應用
由于電火花成形加工的復雜性，操作人員需要熟練掌握數控編程技術、加工規準選擇、電極損耗補償等技術和相關知識，其中任何一個環節的欠缺都將造成加工過程的缺陷或失敗。采用專家系統可以較好解決這一問題。專家系統的建立及功能的完善需要根據電火花成形加工的特點，結合多年來的試驗研究成果及實際操作經驗，不斷充實、改進專家系統知識庫，細化推理過程，建立良好的人機接口，從而根據不同的加工要求，實現加工參數優化及加工過程中的在線實時調整，達到降低操作難度、實現高效率、高精度和穩定加工的目的。
②人工神經網絡技術的應用
雖然專家系統可使計算機控制系統具有類似人類專家的解決間題的能力，但其在知識的獲取方面存在困難，自學能力差。人工神經網絡是一種通過利用計算機對人類大腦功能進行抽象、簡化和模擬而建立的高度非線性系統，它具有自組織、自學習、容錯性和并行處理信息的能力，特別適合處理復雜問題，是對專家系統的有力補充。目前，人工神經網絡技術已有多種不同的結構模型，今后應將多種結構模型合理結合，充分發揮人工神經網絡技術的自身優勢，與專家系統、模糊控制技術互相取長補短，提高對放電狀態、加工效率、放電位置等的預測精度，提高在線實時控制效果，推動電火花成形加工過程控制向更高層次發展。
③模糊控制技術的應用
模糊控制技術是在模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理技術的基礎上發展起來的先進計算機控制技術，通過輸入少量參數，模糊控制系統即可自動選擇最優參數，自動監控加工過程，實現自動化、最優化控制。此外，將自適應和學習能力引人模糊控制系統，可實現對模糊控制規則、隸屬函數和模糊量化在控制中的自動調整和完善。由于電火花成形加工機理尚未得到充分認識，因此模糊控制技術在電火花成形加工中的應用還存在許多不完善之處，需要進一步深人研究，如：模糊集合隸屬函數的求取、模糊控制參數調整的優化方法、用模糊方法對加工狀態建模、模糊預測的設計、運算速度的提高等。有必要進一步完善模糊控制與自適應控制、人工神經網絡、專家系統的結合，充分發揮各種控制方法的優勢，以解決上述難題，實現高效率、高精度、低損耗、穩定的加工過程控制。
為了緊跟先進制造技術的發展步伐，應將最先進的人工智能技術引人電火花成形加工過程控制中，利用各種控制技術的特點與優勢，研制智能化、模塊化的電火花成形加工機床的控制部件和執行機構，促進電加工產業的全面技術進步。
3.5操作安全與環境保護
隨著科技進步和人類文明的發展，人們對工作條件的改善和環境保護的要求越來越高。電火花成形加工由于其自身特點，在加工過程中不可避免地會產生工作液飛濺、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境的危害不可忽視。因此，為保證電加工產業的可持續發展，必須根據“綠色制造”原則，實現資源的最有效利用和廢棄物的最低限度產生與排放。具體應采取以下措施：①封閉的機床工作區。這有利于改善工作液、煙霧、電磁輻射等對人體、機床、工作環境的污染，有利于操作過程中防止觸電危險以及對有害氣體的集中處理排放；②替代性技術的運用。例如，為減少使用工作液所造成的環境污染，可在保證加工效率、加工精度、加工成本以及加工過程穩定性的前提下，盡量選用污染較小的工作液，同時應大力研究、開發不使用工作液的成形加工技術；③廢棄物的后處理。對于加工中產生的廢液、廢氣必須經過處理后才能排放。需要特別指出，對加工過程產生的污染物的合理處理，不僅有利于提高工作的安全性、減少環境污染，還有利于改善操作者的工作環境，使操作者工作時心情愉快，這對于提高電加工產業的社會形象和市場競爭力也是十分有益的。
4．結語
電火花成形加工技術在制造業領域占有重要地位，是實現難加工材料、復雜零件精密加工的有效手段。研究人員應借鑒其它加工技術發展的成功經驗，揚長避短，充分利用現代科技發展的相關成果，在深人研究電火花放電機理的基礎上，指導電火花成形加工工藝理論和控制理論的研究，改善機床結構和設計方法，建立基于PC機的開放性數控體系，實現智能控制技術與電火花成形加工技術的有機結合，同時高度重視操作安全和環境保護，全面推動電火花成形加工技術更快發展。