電火花成形機床（SinkingElectro-DischargeMachines，SEDM）是電火花加工機床的主導產品。以信息化、智能化為代表的第三代電火花成形機床，其主要任務是開拓電火花中精加工、超精加工可量化的性能指標，這就需要在電火花成形機床的方方面面做深入細致的探索與研究工作。
　　
　　脈沖電源的關鍵技術
　　
　　1干凈脈沖
　　
　　首先要解決能量的度，即當進入中、精加工后，線路上形成的寄生參數所產生的能量相對該規準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，甚至出現黑斑和燒傷疤痕。這和研磨中磨料粒度的品質一樣，在精研磨時，若存在一顆大粒度的砂子就會劃傷已研磨好的表面。隨著新器件的出現和使用，線路大大精簡，走線大大縮短，大量的限流電阻、大風扇、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%；電壓采用數字細分化，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。機床還采用雙向絕緣，主軸接板和工作臺面都采用花崗巖進行絕緣，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，電火花加工亦如此。比如，電火花加工表面粗糙度Ra要達到0.1μm時，需要換13檔規準，如果電火花加工表面粗糙度Ra要達到0.05μm時，那就需要換17~18檔規準。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分成更窄的脈沖寬度，目的是達到更好的表面粗糙度質量要求，但是這種弛張式放電停歇極小，空載、短路頻發，有空載就會有能量疊加，這直接影響到表面質量的控制。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*的開關器件來實現更窄的脈沖寬度，盡可能在極短的時間內RC放電基本是穩定的。按目前器件水平可以做到納米級，如脈沖寬度≤80ns是可行的，此時頻率可達到500~1000kHz，表面質量就可提高了。
　　
　　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缺陷存在，這就是單位面積內的針孔數。這會嚴重影響脫模效果，可能會發生型腔內材料粘接，從而產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為到達工件表面的脈沖能量不一致。脈沖能量受寄生參數的影響在減少寄生參數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、中加工時差距要小一些），此時到達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床（WireElectro-DischargeMachines，WEDM）中有專門的切入程序來應對*放電，比如，采用圓弧切入、減能量、緩進給等措施，避免了斷絲及過深痕跡。這種現象在WEDM中出現較少，而在SEDM中出現較多。從點火放電至回退到正常放電間隙，zui快也得數毫秒，可以有成百上千個脈沖放電，為形成正常放電間隙產生必需的屑子。如有能量成階梯上升的脈沖串與之配套，情況會好一點。即隨著間隙逐步加大，才恢復到正常的脈沖能量。同時也需要控制抬刀高度，勿使間隙內的屑子排除太*，從而使點火間隙過小。甚至在一個抬刀周期內隨著間隙內的屑子濃度的增加，脈沖能量也能隨之微調減小，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律的調節應該是脈沖電源智能化的一個方向。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床脈沖電源并不僅僅是微精加工特性有較大改進，而是粗中精加工特性全面改進，只有逐級精細化，到微精加工才會有均勻合適的加工余量。當然，zui重要的還不是發脈沖，而是如何讓此類微能量脈沖發揮作用，達到穩定放電的目的。所以第三代電火花成形機床的研發重點在于技術的集成，而今大間隙放電控制技術的確是一大亮點。
　　
　　新理念指導下的間隙放電控制技術
　　
　　在WEDM出現前，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，僅依靠進給伺服的控制，加工穩定性還是可以保證的。之后有了低損耗脈沖電源，轉而加工型腔，仍繼續使用沖油。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施沖油，需采用抬刀進行排屑，穩定加工的目的達到了，但效率卻降低了。
　　
　　抬刀排屑下的SEDM是在靜止的介質中放電，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有強烈水介質沖刷或是在一個比較開放的空間精修，工具電極僅是一根細絲，故放電點是可以檢測的，放電點上集中放電時間過長亦是知道的。SEDM曾采用火花射頻測量放電點，但效果不佳。采用脈沖波形分類、統計、判斷取間隙狀態信息，一是干擾太大，二是速度太慢，反饋不足以防止狀況出現。所以，當時的適應控制只能偏空和過度反應，用降低效率的代價取得一定的穩定性。
　　
　　故障預兆檢測在實際應用中有一定困難，出現問題時就顯得非常突然。采取預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）加工規準脈沖能量和當前實際放電面積不匹配。要穩定加工，放電電流密度是必須控制的，在電極進給開始放電加工到整個面接觸，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，由點到線再到面。解決辦法有2種：一是用CAD/CAM技術，將預加工后型腔形狀和電極形狀數據引入，計算出加工深度和放電面積的關系，并自動編程，轉換加工能量，甚至改變進給和抬刀參數。二是用所施加規準的標準蝕除速度除以實際進給速度，即可得到相應加工面積，以此為轉換加工能量的依據。顯然*種方法要可靠得多，標準蝕除速度在實際加工中很難體現，而且它是先測后改，慢一拍。這種能量匹配已經可以做到連續匹配。
　　
　　（2）排屑和抬刀不匹配。因為放電間隙中介質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，但要排屑和放電產屑之間達到平衡不容易。放電開始時，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，越接近坑底，排屑速度明顯變慢。抬刀參數很難適應這種短時間的變化，所以一般都是抬刀過量，造成加工時間過長；且由于過量排屑，間隙內屑子濃度過低，造成再次抬刀回升，又形成一個非常近距離的點火過程，產生了振蕩，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的適應控制，當抬刀的起始點和抬刀返回*放電點坐標差值過大，就可認為是抬刀過量，適當減少抬刀高度。
　　
　　（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擴展到整個間隙中，即使沒有排出去，由于屑子濃度不高，也不會出現問題。過度的集中放電與放電點遷移不佳有關，如果間隙中屑子均勻，放電點遷移就會容易。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。若每檔規準加工面都非常平整，就可減少每檔規準的加工量，這對提高精加工效率大有好處。
　　
　　要使屑子均勻填充在整個加工間隙內，的辦法就是微抬刀技術，這和20世紀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，它會保證一段連續放電τon的時間，對加工效率是一種支撐。頻率和幅度還可以調整，使集中放電有了一個節制，與列車脈沖亦有類似的作用。屑子在間隙內均勻化，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，加工效率就上去了。間隔的大小和加工面積有關，這些參數都會有一定的范圍變化。
　　
　　（4）平動技術和SEDM工藝配合不佳。平動技術是SEDM的重要環節，是側面精加工之必須。通過平動將整個型腔各面進行分割，逐個加工。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。由于是在運動中放電，因此也起了類似研磨網紋的拋光作用。但過去的平動只是用給定的速度對各面輪流放電，在各方向上的時間分配是均等的，實際上不同方向上的加工面積可以相差很大，如窄槽加工，長邊就往往因為時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個大面的加工時間較短，大多數時間用在修4個角上，造成時間的浪費。此外，WEDM有拐角策略，過角時有一系列參數調整，而SEDM的平動過角就沒有這一套。所以就需要用CAD/CAM技術對各個加工面面積和有否復雜型面來自動編程，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面，就要采用球面平動，使瞬間加工面分得更細，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雜。如何保證各向型面同時加工到尺寸、修光均勻是有難度的。
　　
　　目前，WEDM已向微米和亞微米進軍了，它在精修時采用恒速進給的。和常規加工一樣嚴格的以機床的運動軌跡控制著加工尺寸，保證每毫米的加工表面放電的時間是一致的。而SEDM情況復雜得多，WEDM是線接觸，切向進給，而SEDM是面接觸法向進給（在三維平動中）。由于抬刀的*，電極會經常越過正常的放電間隙去點火，所以SEDM的到尺寸控制會更困難一點。要同時檢測空載電壓，各向型面不再放電了才能轉規準。到微精加工這樣控制都無法保證正常工作，必須用時間控制，具體規定這一檔加工每平方厘米需要多少時間，當平動對型腔各面分割加工時，如何保證每平方厘米的表面給的時間一致，并且齊步走同時到達，這將是件非常困難的事。所以，SEDM要達到WEDM的尺寸精度還需要相當長的時間。
　　
　　功能清晰的新伺服系統
　　
　　要解決中精加工穩定性，伺服系統肯定不是主角，因為在時間常數上不在一個數量級，根本來不及。但它是非常重要的基礎條件，而且是SEDM今天發展的熱門課題，其主要任務為：一是穩定的、不振蕩的*放電；二是強有力的快速抬刀；三是走位要準，即高精度的重復單位精度。這些都是很難掌握的動態性能。
　　
　　1SEDM對伺服系統的要求是如何演變的
　　
　　在20世紀50~60年代，SEDM主要是加工沖模的，非常強調沖油的作用，只要沖油調節好了，在開始加工時小心緩進，逐漸打穩，就可以平穩地緩緩打透。整個加工是一個慢進給的過程，所以當時的伺服系統都有很大的減速比。后來的液壓伺服，速度高了點，也就是300mm/min左右。為了精加工能效果更好，在導向結構上下足功夫，由滾動到靜壓，以滿足平穩的低速無爬行。但到今天，抬刀排屑在SEDM型腔加工中幾乎是一統天下，對伺服系統的要求就更高。抬刀排屑中每次都是先有*放電，你不可能去手動減速，而且在抬刀要強的思想指導下，速度大大提高，在15m/min以上，如此高速下*放電要不產生振蕩是很難的。在要求更好的表面粗糙度下的微能量放電，*放電點火間隙已進入微米級，這就要求低速性能非常好。在如此復雜的平動、抬刀，不斷進進退退中還要求達到非常好的尺寸精度，對于伺服系統的要求就很高。為此第三代電火花成形機床進給的脈沖當量已達到50nm，與HSM的接刀可在±2μm以內，這在HSM加工的中大型腔中協助加工局部復雜型面時很有用處。
　　
　　2強抬刀的關鍵在于高加速度
　　
　　抬刀的要求是在zui短的時間內，完成間隙內介質的置換。有一定強度的干凈的油沖進來，沖刷間隙，混合后再擠出去，其作用是達到整個型面，比較均勻。當然，進出都有阻力，如果是深窄槽加工就更費勁一點。這和唧筒一樣，正負壓的形成決定于受力大小及其產生的加速度。過去一般的伺服系統有0.1g，而新的伺服系統可以達到0.5g以上，只有高加速度才能短時間內達到高速度。根據牛頓第二運動定律公式F=m×a，高加速的伺服系統出力更高，所以說第三代電火花成形機床的伺服系統的特點就是電機的功率加大了。
　　
　　3微能量穩定*放電的關鍵是采用前饋控制
　　
　　為保證微能量*放電的穩定性，必須采用前饋控制。任何伺服系統既要高速又要定位，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坐標，返回時*放電點火點一定在此位置后面，安排適當的減速程序即可以，而且，在控制抬刀高度后，保證間隙內有一定的屑子濃度，使點火間隙不致過小，可能更加有效。在抬刀的提升、反向、接近工件3處的加速度都應設置漸變過程，使整機工作更平穩，無沖擊聲響。
　　
　　4伺服的高精度定位——重復定位精度
　　
　　雖然影響型腔尺寸精度的因素非常多，但伺服系統的重復定位精度確實是基礎，若型腔精度要求±5μm，那重復定位精度一定要壓縮到它的1/3~1/2。在SEDM中伺服系統的到位尺寸控制是：伺服軸到達程序終點位置時點火，然后回退至正常放電間隙，若此時加工電壓已為空載電壓的70%~80%，則終止程序，也即到達尺寸終點后，還需要完成zui后的蝕除才算完成。這和常規加工一樣，到尺寸后還要反復幾次才能真正達到尺寸。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微精加工之拋光量。關鍵是這個過程對型腔的各個加工面要重復很多很多次，所以對伺服的重復定位精度要求就很高，甚至達到亞微米。
　　
　　第三代電火花成形機床的伺服系統電機功率有的已達到了千瓦級，絲杠更粗，進給剛性更好，普遍采用閉環控制，更高精度、剛度的循環滾珠（柱）直線滾動導軌，現在交叉滾柱導軌很少用了，因為其安裝面精度和裝配調節中稍有差錯，對運動直線性、靈敏度影響就比較大。
　　
　　*的元器件在伺服系統發展中起到關鍵作用，尤其隨著近年來伺服電機技術的突飛猛進發展，其短時間內高扭矩的輸出是達到高加工速度的必要條件，同樣短時間內可以翻倍的高速度，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用在直拖驅動方式上可以充分發揮電機的性能，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床的明顯特色
　　
　　SEDM一般被認為是一種特種加工機床，需要量不大，而且高精度機床在車間里亦是*加工手段更少，但今天SEDM的第三代機床就開創了高精度機床大量應用的先河。南方一個工廠一次引進100臺EDM機床，其中大部分是高精度的SEDM機床。這是緣于大市場的手機、LED模具加工的需要，其中SEDM承擔zui大zui重要的工序。以它為中心利用信息網將HSM機外編程和模擬運行、電極和工件的測量等設備組成一個大的加工體系。其生產調度、數據的共享非常密集，并因這種信息技術的介入，其生產有序，工時緊湊，交貨周期僅3~4周。
　　
　　SEDM信息化的基礎就是加工的表面質量、尺寸精度、工時都給用戶明確數據，并都留有性能裕度，有工藝保證。今天WEDM的加工已經可以做到免檢，SEDM的第三代機床亦可以做到。
　　
　　切削加工存在一個復映誤差（ResidualCopyingError），即加工余量的不均勻形成加工后的尺寸誤差，還有進刀量和實際達到的加工尺寸之差。這與機床工藝系統的剛度及刀具的磨損有關。在SEDM中，剛度影響會小一些，但需擔心電極損耗的問題。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，使用粗精多個電極加工毫無問題。在中精加工穩定性有很大改善的情況下，有質量保證的石墨電極加工窄槽幾乎可以做到*，也即SEDM的工具和常規車刀的磨損相近，因此目前SEDM的工藝可以達到高精度，只要將高精度的結構要素一一完善，SEDM高精度化的目標就會實現。
　　
　　第三代電火花成形機床在小型模具的質量和效率上有明顯的成效，表面粗糙度Ra<0.3μm，達到0.05μm，加工精度不大于±5μm，效率提高了30%~50%。它的研發體現在“細”和“綜合”，這是所有精品產出的必由之路，這個過程不會結束，還有相當大的發展空間，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）