放电加工（EDM）长期以来一直是传统金属切削很难或不可能完成的高精度高要求的机械加工应用解决方案。我们所熟知的电火花加工或电弧加工都是放电加工的不同叫法。放电加工在概念上非常简单：电流通过被电介质分离的电极和工件之间，介电液起到电绝缘体的作用，通过在两电极上施加脉冲电压将电介质击穿，产生火花放电侵蚀工件以形成所需的最终形状。

　　EDM机床的三种类型

　　虽然放电加工有许多特殊形式，但工业电火花加工通常归纳为三类：

　　一、成型放电加工

　　二、电火花线切割

　　三、电火花小孔加工

　　这三种类型的放电侵蚀原理都是相同的，由约瑟夫·普利斯特里Joseph Priestley在1770年发现，但是它们的方法和应用却有明显的不同。

　　成型放电加工

　　就像电报机和喷气式发动机一样，成型放电加工机床是也独立发明的，并且几乎同时不止一个人发明。1941年，前苏联科学家拉扎连科夫妇Boris and Natalya Lazarenko受命寻找一种延长钨极断路器寿命的方法。在研究过程中，他们发现可以通过将其浸入电介质液中来控制钨极电触头的腐蚀。到1943年，拉扎连科夫妇基于这一发现开发了电火花加工工艺，最终成为我们所熟知的EDM阻容回路。

　　几乎在同一时间，由哈罗德·斯塔克Harold Stark，维克多·哈丁Victor Harding和杰克·比弗Jack Beaver组成的美国工程团队正在研究如何去除破碎的钻头和丝锥。作为电气工程师的哈丁提出用火花把它们腐蚀掉。这个想法具有前瞻性，但直到水被添加作为冷却剂后，这种方法才变得可行。斯塔克、哈丁和比弗继续完善了他们的工艺，最终这个工艺成为真空管电火花加工的基础，从而使火花频率从每秒60次增加到超过1000次。由于它的存在，成型放电加工可以在工具和模具应用中制造复杂的型腔结构，如金属冲压模具和注塑模具。

　　电火花线切割

　　电火花线切割加工的历史并不像成型放电加工那么清晰，我们所知道的是，它是作为一种制造淬硬钢模具的新方法在20世纪60年代到70年代的十年间发展起来的。正如它的名字所暗示的，电火花线切割用一根细丝作为电极。细丝以精心控制的模式移动，大致类似于木工的线锯，在细丝和工件之间产生火花。由于细丝和工件被火花腐蚀，电火花线切割机就用一个线圈来不断提供新的放电电路。

　　电火花线切割方法效果虽然很好，但是它有一个重要的限制：细丝必须完全穿过工件，对三维工件的加工基本上是二维切割。现代线切割机床上控制丝线在XY平面上的运动与其他CNC驱动技术相似。

　　电火花小孔加工

　　EDM的主要优势在于其优异的表面光洁度、极小的热影响区以及切割硬化材料和高温合金的能力，这使其成为特定孔加工应用的理想选择。如果在工件上预先钻出一个小的导引孔，那么就可以将电线穿过这个孔并用电火花线切割完成加工。

　　但对于盲孔这样的应用就不可能实现，这需要一台专用的电火花小孔加工机。通常被称为“爆孔”，该机器用一个旋转的导电管作电极，并用连续的电介质流体（通常是去离子水）来冲洗切口进行加工。电火花小孔加工也可以用来预先加工导引孔。

　　即使在硬化或特殊材料中也可以生成准确而精密的孔，因此该工艺成为多项先进技术发展的关键，例如EDM可以在高温合金涡轮的叶片部分加工冷却孔。可实现“薄膜冷却”，从而使喷气式发动机能够在更高的温度下耐久性更强，而且运行更高效。

　　电介质

　　成型放电加工机床通常使用烃油作为电介质，工件和火花都浸入其中。相比之下，线切割机床通常使用去离子水，只有火花区域浸在里面。无论是油基还是水基，电火花加工机床中使用的电介质都具有三个关键功能：

　　一、控制电极和工件之间火花间隙的间距

　　二、对加热的材料冷却，形成EDM切屑

　　三、从火花区移除EDM切屑

　　虽然比铣削或车削切屑少得多，但电火花加工还是会生产切屑。这些细小的空心球体由电极和工件材料组成，就像任何其它切屑一样，需要从切削区域移除，这通过使电介质流过火花隙来实现。

　　随着电介质的分解，不管是寿命还是污染的原因，其不稳定放电的风险都会增加。电子控制设备可以在一定程度上进行补偿，但唯一真正的解决办法是持续地将干净的电介质送到切割区域不断冲洗。电介质中的导电颗粒越多，机器在火花隙内维持稳定的电气阈值就越困难。

　　由于电介质的使用寿命取决于多种因素，例如电介质类型、电火花流体过滤器的效率和质量，因此它没有明确的保质期。然而，根据经验，如果是油性液体，超过五年就应该更换。您也可以通过观察和闻气味的方法在用过的和未用的液体之间进行比较，但确定是否需要更换电介质的最好方法是使用折射计。

　　选择合适的EDM电介质并非想象的那么简单，有许多标准需要考虑在内。有些是显而易见的，比如金属去除率和电极磨损程度。而另一些则更为微妙，例如，颗粒悬浮液是加工效率的一个关键特性，因为电介质液要能够从切割区域中带走EDM切屑和其它废料颗粒。但是，如果颗粒悬浮液过高，那么在过滤过程中这些杂质就不会与液体分离。

　　放电加工的材料

　　很显然，任何要用电火花加工的工件都必须是导电的，但是对放电加工材料的限制不仅仅只是导电。首先，与标准工具钢相比，某些材料，如航空航天工业中使用的高镍合金以及硬质合金材料均对放电加工带来许多挑战。然而，在这些情况下，材料问题的解决方案在于电极材料的变化和放慢EDM周期时间。此外，由于没有直接的机械力施加到工件上，放电加工在技术上是一种无压力的加工工艺。尽管如此，它仍然是一种热工艺，因此有可能通过热影响区改变工件金相结构、重铸和微裂纹。

　　“得益于放电加工技术和自适应功率控制技术的进步，从2000年起大多数电火花加工机床都能够提供出色的冶金质量。”牧野电火花加工生产线经理Brian Pfluger表示。

　　当然，一些导电材料在放电加工方面仍然不能很好地发挥作用。“我曾被要求切割硅晶片材料，几乎像玻璃一样，”MC机械公司技术营销经理Greg Langenhorst说，“效果不理想，太脆了，甚至火花就能像打玻璃一样击碎它。有些是完全导电的，你可以削减一点，但不是很好。”

　　非均质材料，特别是那些含有杂质的材料，也会给放电加工带来问题，正如Langenhorst所解释的：“例如碳纤维复合材料，即使它们具有导电性，其中的粘合剂也会因为不导电而带来一些问题。甚至你购买的廉价工具钢也会遇到这种情况。当它含有很多微粒（通常是不导电的），如果碰到其中一个，就像打到石头一样，根本无法穿过它。”

　　为什么要使用EDM？

　　实际上，放电加工克服了接触加工中所遇到的一个主要问题：硬度。在传统加工工艺中，金属工件为了方便切削，一般是由特殊等级的可硬化工具钢以退火软态进行加工的。

　　当一个零件所需的形状被加工完成后，要通过一次甚至多次热处理使零件硬化。这不仅增加了时间和成本，而且还会改变已加工零件的尺寸，特别是如果热处理工艺没有得到适当的控制。放电加工的优势在于它可以切割淬硬材料和高温合金，此外，还能提供出色的表面光洁度，其结果往往是减少了后处理或表面处理的需求。

　　像所有的加工过程一样，放电加工需要在速度和表面光洁度之间找到平衡。例如，在电火花线切割中，通常先使用更快、更粗糙的切割，接着结合少量轮廓冲洗的精加工或撇渣切割来最大限度减小导线挠曲。电火花成型加工也有类似的模式，对于大多数工作都使用两个电极：一个用于粗加工，一个用于精加工。

　　Langenhorst说：“多年来，由于高速硬铣的出现，电火花成型加工的使用变得越来越少。随着高速硬铣工艺的不断改进，需要电火花成型加工完成的型腔工作量也在逐渐减少。但对于硬铣削不能做到的内部尖锐角落或是又薄又深的细肋加工，则必须由电火花成型加工来完成。”

　　放电加工的主要优点是过程准确、可重复、可预测。 Pfluger说：“所有的放电加工都是无人值守的，因此放电加工的直接劳动率和制造成本通常比其他工艺方法低。一般来说，放电加工工艺是为特征尺寸较小，精度要求较高（+/- 0.0005”或+ / - 0.012mm或精度更高）的零件预留的。”

　　“一旦你的车间里有了电火花线切割机床，你就可以做更多的事情，而不仅仅是购买时所想的用途，”Langenhorst说，“突然之间，你会意识到，它可以切割模具、刀片、滑块等各种零件。如果你需要进行模具试验，那么实际上可以切割金属板坯来测试模具。”

　　放电加工VS其他加工工艺

　　正如老话所讲，“条条大路通罗马”。同样，通常有不止一种方法来切割零件。与传统加工相比，从基本的CNC车削一直到五轴EDM都有一定的优势和劣势。因此，EDM是否是最佳选择，主要取决于特定应用。

　　然而，一般来说，放电加工的原理特征应该能够让您感觉到EDM是否适合您的应用。例如，放电加工通常比其他加工方法慢，但也往往更精确、可重复和可预测。以及如Pfluger所指出的其他好处：“所有的放电加工都是在无人值守的情况下进行的，所以直接劳动率和制造成本通常低于其他方法。”

　　可预测性、准确性和可重复性的结合，加之相对较慢的加工速度，解释了为什么放电加工大多用在一些小批量和精密操作的场合，如航空航天和医疗器械行业。

　　“利用线切割加工零件的最重要一点是，当你处理零件的细微结构并试图用切割锯、磨床，或任何类型的摩擦加工时，不可避免会在零件上留下毛刺。”Langenhorst说，“在这种情况下，你必须要有一个辅助的加工过程来去除毛刺，无论是用超声振动还是让一群工人用手工工具去刮擦毛刺。然而，当你从电火花机床上取下一个加工过的零件，则是没有毛刺、完美的。”

　　Pfluger指出，放电加工对于小的或复杂的零件还有另一个好处：“随着工件材料变得越来越硬，零件几何形状变得更小，型腔结构更深，放电加工工艺表现的越来越有吸引力。与传统铣削不同的是，随着工件厚度增加，内径变小，放电加工不会受到长径比的限制。如前文所讲，放电加工工艺是为特征尺寸较小，精度要求较高的零件准备的。

　　此外，由于放电加工是一种非接触式的加工工艺，因此与标准的数控铣床相比，对切削小型零件的夹具要求要低得多。 Langenhorst说：“没有任何切削压力，所以如果你正在加工一些非常小的工件，甚至不需要夹具来固定它们。但如果你试图对它们进行铣削加工，就需要有足够的加持力，以确保工件在加工过程不会移动或弯曲。例如，如果要加工模具的芯销，并试图进行磨削加工，它们就会到处移动。你可以在线切割机床上用一个90度的翻转夹具进行加工，而且效果很好。”

　　放电加工VS增材制造

　　在过去的十年里，任何关注制造技术的人大概都知道制造业将会有一些重大的变革。时常闪耀在工业4.0或第四次工业革命旗帜下的机器人、人工智能和工业物联网等各种技术以及它们的结合将不断改变制造业——从机床到质量控制。

　　增材制造是工业4.0技术中最经常被引用的例子之一，甚至具有取代所谓的减法制造工艺（如EDM）的潜质。有趣的是，Langenhorst和Pfluger都认为增材制造和放电加工比竞争对手更有价值，Langenhorst解释说：“金属增材制造最大的问题在于，你必须在一个底板上建造，然后将零件与之分离。根据附着层的复杂性，分离它们可能是一件痛苦的事情。人们已经尝试了用带锯、磨削、切割轮等各种各样的工具进行切割，而我们用线切割机床很好地切割了底板上的零件。”

　　Pfluger表示同意：“成型放电加工还常用于完成某些增材加工零件具体的特性，例如要求精度更高，表面光洁度要比增材制造后更精细的零件特性。”

　　Langenhorst补充说：“我们甚至正在尝试制造一种更便宜的线切割机床，专门用于从基板上分离已加工成型的工件，基本上就是一台电动带锯机。”

　　放电加工与自动化

　　一台或多台放电加工机床的自动化过程与其他传统机床相类似。“一般来说，工件被安装在托盘系统上，并在机床上自动进出。类似的，我们已经用六轴机器人做了一些工作，尽管这些机器人的载荷不是很大。”Langenhorst补充说，“但是我们已经在小零件上实现了一些应用，机器人可以拣起零件并把它们放到EDM机床自身的夹紧机构上。”

　　不过，放电加工自动化和其他加工工艺的自动化之间有一些关键的区别，正如Lagenhorst所解释的那样：“许多铣削应用不需要不锈钢或硬化的工具来夹持工件，因为在这些机床上用的是水溶性冷却液。而线切割加工是在离子水环境中工作的，因此除非用420不锈钢或类似的东西制造，否则机器人不会持续很长时间。”

　　与电火花线切割相比，成型放电加工自身条件更适合工业机器人，其加工电极工具和工件均可实现自动化。 Pfluger说：“立式加工中心通过机器人与成型放电加工机床实现自动化是很常见的，因此铣床可以生产EDM所需的电极工具，机器人则可以在不同的机床之间自动搬运零件。”

　　放电加工效率的瓶颈

　　与任何制造技术一样，EDM也面临着一些必须要克服的障碍，以确保用户从机器中获得最大收益，其中一些也是其他加工工艺共有的瓶颈。Pfluger解释说：“放电加工工艺要解决的最大瓶颈就是通过最大限度地提高无人值守操作和整体机器利用率来管理零件产量。工件夹持和所需的机床设置时间往往是许多车间遇到的难题。这个必要时间应该可以通过对工装夹具进行适当的投资以保持在最低限度，从而提供更快、更精确的设置。

　　有一点值得记住，放电加工过程的相对缓慢意味着高效的工件夹紧可能不像在铣削中那样成问题。在铣削加工中周期时间相当短，因此转换工作在加工时间上占据了更重要的成分。但无论如何，工件夹持对电火花线切割和成型放电加工都是一个问题，但并不是所有类型的放电加工都会遇到所有的问题。

　　“成型放电加工的瓶颈是电极制造：如果你的车间里没有石墨铣床，那么你将不得不外协加工电极，其形状越复杂，交货时间就拖得越长。”Langenhorst表示，“就电极磨损而言，新型机器的表现越来越好，但为了在电火花成型机床上精加工的零件获得更高的细节，通常至少需要两个电极：一个粗加工、一个精加工。这就是为什么大多数人将一台石墨铣与两台成型放电机配对组合。一般来说，一台石墨铣能够支持两到三台成型放电机。”

　　关于电火花线切割机床，Pfluger指出，这些机床比铣床需要更多的维护和保养。“根本的区别在于电火花线切割的维护必须作为一种主动和预防性的措施来执行，”他讲道，“其目的是确保长时间无故障的无人值守，这也是获得生产力和降低制造成本的地方。”

　　幸运的是，电火花线切割机床的维护相对较为简单，Langenhorst解释说：“电火花线切割机的所有耗材都非常简单：确保水箱里有干净的过滤器，并保持功率稳定，加上一卷新线，以及任何可以在CAM系统中编程的东西，然后你就可以切割了。”

　　电火花加工是否适合你？

　　如果您需要快速切割大量粗糙零件，电火花加工可能不适合您。然而，如果您正在寻找一个精确、精密和无接触压力（工件甚至都不需要夹持压力）的加工工艺，电火花加工可能正是您所需要的。（Ian Wright）