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1、全球电火花活动的有关研究曾经电火花加工被认为是非传统加工过程，但是电火花在世界范围内许多工业方面已经取代了钻孔、铣削、磨削和其它传统加工方法。尽管50年以前的早期它是“tapbusting”的方式，但是电火花已经发展成为最先进加工技术之一。现代电火花加工设备运用先进的计算机数字控制，可达六轴同时工作和不同的电源技术。这些能够作为一面镜子高精度完成加工。来自世界顶尖研究所和研究中心主要的电火花建设者和研究者雇佣的许多专业工程师通过共同努力实现了电火花技术的巨大先进性。这篇报道为学者、研究所的发展、专职社会和世界范围内对电火花的先进性不断做出贡献的其它组织提供了研究纲要。技术的改革根据联邦实验协会
2、调查，从政府、私人研究中心到工厂有许多带来技术转变的渠道。以下就是不同加工技术应用的抽样调查：1.工业和实验室之间合作性研究项目。2.车间、研究会和简报。3.独家的/非独家的许可。4.工厂为工作设备设立实验室进行赞助性研究。5.咨询实验室人员。6.实验室和工厂贸易为了相互的利益，职员交换任务。7.在一家具体的公司里，实验室设备使用能力不可获知。8.实验室参观、分享信息并讨论技术上的问题。9.出版社和其他的印刷文献。10.工业成员与那些和实验室相关的组织联合在一起。如项目 9 和 10 所定义的,电火花技术转变(EDMTT)的目的之一是从有关电火花项目的研究中心提供技术或信息源，而且使这些可得信
3、息有利于电火花过程的任何一个环节。由电火花转变技术出版的一个参考信息是电火花技术专栏系列，它包括由大学、电火花制造业者和其它世界各地技术研究中心提供的电火花技术报道。不久以前的目标电火花运行时，电极的低温处理的效果这个计划尝试研究电火花运行时，工具电极的低温处理效果。在俄亥俄州的公司，工件材料和电极的低温处理是由PRM碳化物完成的。在低温处理时候，材料在77K温度24小时冷却到周围环境的温度。已经完成了正确对待已处理的金属线和未处理的金属线的WEDM实验。实验时发现，低温处理金属线，使金属线破坏的危险性减小了30%。关于电火花沉淀和WEDM的实验性工作一直在继续。复晶体金刚石的电火花线切割(P
4、CD)已经实行的一项实验性研究决定了WED加工过程在运行时参数设置的效果。WEDM 运转在切削材料的不同层面时，在工作件中，像 PCD和WC这样的材料,是由实验和理论共同决定的。热应力的数学模型一直在继续，它理论上解释了基于Stefan数学问题的金刚石晶粒机械切削。铍铜合金的WEDM这个计划的主要目的是发展一个在 WEDM 的时候，为不同硬度的铍铜合金选择最佳加工参数设置的而设立的数据库。这个计划由Charmilles Robofil 100机器引导。机器设定和切削特点之间的关系如同加工速度、表面粗糙度、切削余量一样，都是由实验决定的。机器参数设定需要知道周期、当前状态、脉动持续时间、功率、金
5、属线速度、金属线拉力和金属材料。最佳化参数设定有两个目的,也就是取机制速度最大值和取表面光滑最大值。对于两者标准的输入参数数据库正在发展。使用分开电极放电方法排泄分布电火花沉淀的研究这个计划的主要目的是研究加工参数（峰值电流和瞬时脉动）和火花特征的闪烁方法的影响，如加工间隙之间的闪烁效率和几何分布。峰值电流和瞬时脉动使加工间隙的环境改变导致闪烁效率和几何分布。一种火花探视系统的新方法用于获得火花数据。完整的工具被分为许多小部分去识别不同间隙不同领域的每一个电火花。火花探视科技方法在不同的加工环境下，还能够有效地用于发现加工的效率。电火花沉淀模的自适应控制系统电火花沉淀过程的电弧损害减少了加工效
6、率、降低了加工表面质量和提高了加工成本。这个项目的主要目的是为电火花提高加工过程的稳定性、避免电弧损害和增加加工效率，开发自适应的控制系统。在这个项目中，已经发明了数字化电火花间隙监测，用于精确地探测间隙所隔时间效率，包括间隙开始、常态火花、短暂的电弧、稳态电弧和短路。图1所示为监视器的线路线图。这个系统的独有特征是高频率(HF)的监测技术，它不仅监测当前的电弧损害，而且也监测瞬时电弧视为电弧损害的预测信号。HF探测是所有EDM电弧损害探测技术中最容易实现的方法。一个自适应的控制系统和电火花自动调节管理的参考模型已经建立了。这些自适应的控制系统经过电火花间隙监视器和时实控制伺服来监测间隙参数。
7、拥有这些系统，在条件差的电火花加工环境下，生产率都能得到50%的提高。一个使用了PI自动调节方法的电火花自动调节监视器已经发展成为三菱 K35 ED 机器。这个系统能够根据电火花探测间隙参数自动地调节主轴周期缩进的周期时间。电弧损害能够完全地避免，而且与人工设置跳跃周期相比，生产率提高50%。先进电火花线切割控制系统在 WEDM 加工过程中，金属线破坏减少加工效率。这个问题由沿着金属线的密度高功率所引起的，这被视为电火花频率和工件高度决定的电火花分布长度的比例。在大多数WEDM设备里，电火花频率不能时实监视、控制和最佳脉冲时间，从而不能根据制造者提供的数据库，决定给定高度工件的电火花频率。这个
8、计划的主要目的是发展一个先进的WEDM监测和控制系统，它能够时实监测工件高度的变化和把电火花频率控制在一个最佳水平。最新发明的控制系统包括数字式电火花频率监视器和拥有电源和伺服系统控制的PC主控制器。PC时实监控电压、电火花频率和根据工件高度工作台自动进给。这个系统将工作台进给控制在最佳速率，并且根据工件高度时实调整脉冲将电火花频率控制在最佳水平。电火花频率总是根据安全性和高效率来进行调整，而且能够根据高度变化而变化，从而避免了金属线损害，维持了最佳切削速度。如图2所示为切削工件时，在这个系统的控制下，根据高度变化而时实记录的数据。高度识别误差为1mm，随高度变化的识别反应误差为1秒。拥有这个
9、控制系统使数控编程的生产者和机器操作员的工作简化，在切削多种高度的工件时，机器操作员不需要将工件高度数据输入到机器中，而且也不必将电源设置命令输入数控程序中。附属于先进材料的电火花磨削的内布拉斯加-林肯的大学的未来计划先进材料的机械磨削，包括可导电的陶器、烧结碳化物和多晶体金刚石（PCD），由于它们的高硬度和高韧性 ，机械效率非常低。电火花加工提供了一个有效的加工先进材料的方法。然而，由于电火花加工而造成的表面重铸层和微裂痕，表面质量非常低。这个计划的目的是发展电火花磨削加工（EDG），配有机械研磨作用的设备提高放电环境和切除加工先进材料时的损毁层。如图3所示的加工过程。这个加工方法是使用焊有
10、金刚石的金属磨轮作为电极。在加工时，磨轮电极高速旋转，电火花在工件与电极之间间隙释放，加工间隙由电火花伺服系统控制。初步的实验研究表明研磨作用不仅能够提高电火花的表面质量，而且能够通过有效地切除腐蚀层和微粒子和提供高速的常态放电比例与更好的加工稳定性来提高放电间隙的条件。先进的时实电火花沉淀的监测和控制系统因为石墨电极具有比较高的机械效率和容易制造，所以它在美国的电火花沉淀操作中应用比较广泛。在有石墨电极的电火花中，电弧损害经常发生，而且很难避免。这个计划的主要目的是电火花沉淀在使用石墨电极时，发展一个先进的监测和控制系统。在这个计划中,可获得先进的和商业化的数字式电火花监视器，它将被发展成为
11、监测间隙状态间的时间比。神经网络技术将会用来分析由电火花监测系统得来的间隙电压、当前信号和间隙状态的数据。神经网络和模糊逻辑的识别系统在石墨电极的电火花加工过程中，将会发展成能够预测电弧损害的系统。先进的控制系统将会发展为时实控制放电电源、电极工具的自动转换和伺服系统。先进材料的电火花电源当使用电火花加工耐高温材料时，包括钨碳化物、导电陶器、PCD和PCB等材料，放电波形很大程度地影响加工运转过程。大多数通过商业可获得的电火花电源仅仅提供方形放电电流脉冲。但是，使用方形放电脉冲，高温能量不能够高度集中，因此，许多先进材料包括钨碳化物和导电陶器的材料切除率非常低。这个计划被建议发展成为一个电火花
12、脉冲触发器，提供特殊的放电波形以适合先进材料的加工。所建议的脉冲电源标准将会发展成为比商业上的电火花电源拥有更广的峰值电流和电压变化范围，提供 RC脉冲控制的晶体管和多水平波形。计算机能够对放电波形编程和选择不同的脉冲参数。不同材料和加工设备有最佳的波形，将通过热模型的理论研究和对先进材料电火花过程的分析决定波形。加州/戴维斯大学一些电火花研究领域中,包括(但是不仅仅是)先进的电火花控制系统，目的在于增加生产，减少操作注意事项和WEDM上的金属线破坏的研究。德克萨斯A&M大学电火花的难点在于对加工材料的研究，如钨碳化物/钴合成、钛合金和其它陶器合成材料。 田纳西州科技大学电火花加工的陶瓷材料。
13、日本工业科学研究所,东京大学在教授T. Masuzawa的指导下，这个研究所被誉为日本领导级电火花研究所。它们的研究涵盖了所有的电火花领域，包括：高的表面质量、微加工的金属线电极放电磨削（WEDG）、摩尔电火花、电火花闪烁的研究、微孔电火花和其它范围的电火花研究。工业科学研究所、日本科技研究所和Toyama大学联合在一起研究和发展直接的或粘有金刚石的金属磨的电火花加工。这种方法生产与普通的磨轮方法相比，有较高效率的磨削和较低的磨削力。最近工业科学研究所出版的研究有一篇报导，是关于微孔电火花电极使用压电平移装置的发展。他们也发展了3轴数控微电火花，它能够生产出表面精度高达0.1毫秒。另外的最近报
14、告报道了在加工不同种类型的碳钢时，铜电极金属线的比例研究。据了解电极金属线比例很大程度上不仅受结构的影响，而且也受包围电极的碳层质量的影响。如果有电极表面产生足够厚度的碳层，较低金属线比例就能很容易实现。 科技大学Nagaoka最近一些研究工作(也和丰田技术学院连同日立生产公司一起研究)有一项关于绝缘体陶瓷的电火花模型的有趣报道。除了有限的电火花方法外，通常只有具有导电性能的陶瓷材料才能用电火花加工。因此，研究者正在研究最近已经发明的使用标准电火花加工的深孔加工和绝缘陶瓷的切削加工方法。日本技术研究所加工中心调查电火花沉淀运行的可能性以减少制造压铸模所需的加工时间。大阪县工业科技研究所 最近大
15、部分工作包括表面整体性研究，它帮助电火花表面实现高性能、抗腐蚀和抗磨损。早期的工作包括变压器联结线路的发展，用来稳住WEDM的电解效果。应用力学的研究所,Kyushu 大学陶瓷材料的加工和陶瓷金属合金的发展，使用电火花增加黏结强度，减少残留应力。丰田技术学院通过日本电火花制造业者的联合努力，他们过去的研究在电火花的电介流体中使用硅粉、铝粉和石墨粉，增强电火花表面光滑度，使其像一面镜子一样光洁，这是最早的彻底研究。通过悬浮粉末释放电流的分散，他们早期的研究使加工表面精度达到0.8微米甚至更高，但加工时间明显下降。现在一些电火花制造业者在电火花沉淀和线切割中提供一个粉状混合物电介体系统。最近丰田技
16、术学院的大部分工作包括微孔电火花、碳在电火花电极上沉淀的研究、绝缘陶瓷的电火花加工和电极磨损研究。Toyama县大学最近出版的研究中含一个报告，它是关于WEDM的金属线弯曲和它如何影响加工精度的研究。金属线变化是用光学纤维来测量，正在研究一项电火花脉冲对金属线的力学作用的调查。Toyama大学通过和三菱电力的联合努力,最近完成了另一项计划，它尝试对电火花线切割温度分布的测量。尽管WEDM由于加工过程中的金属线破坏，最大切削速度受到限制，然而知道金属线的真实温度对于WEDM加工速度的发展是很重要的。金属线温度分布是通过WEDM释放的电流和电压测量的。资讯科技发现释放浓度仅仅发生在金属线被破坏之前
17、，因此释放浓度可以作为金属线破裂的主要原因。结果也表明平均的金属线温度在100左右。冈山大学最近的旋转圆板电极研究为MRR提高深槽加工能力。钛、英高镍和铜合金材料等的其它研究。Yamagata 大学有关氧化物-超导体的陶瓷的电火花研究。欧洲技术转变公司(英国伯明罕)TransTec把车辆作为大学和其它工业制造业研究所来研究、发展和销售先进技术。科学和商业计划已经在TransTec与伯明罕、爱丁堡和诺丁汉之间建立。TransTec的研究和发展集中在下列三个有名的产品种类和控制技术领域内：1.电火花加工2.电化学加工3.电火花质地产品含:柔性加工单元拥有多轴电火花、电火花质地加工、电火花无线电电波
18、频率自适应控制、电火花数控自适应控制、Ram-type电火花和自适应控制系统的数控电火花钻孔加工。CUL最近的大多数电火花研究工作包括:电火花的计算机辅助加工计划和制造研究计划的目的是使CAD/CAM和电火花加工成为一个整体。整体包括特征模型单元的发展、CAPP（计算机辅助过程规划）单元的发展、CAM-EDM单元（计算机辅助制造业）和数控传递过程。在这项研究工作中，已经定义了新的特点去完全或部分地描述电火花加工工件。电火花加工热效应的金属结构学调查此研究是为了更好地理解HAZ的金属结构和微结构特征，从而提高加工表面质量。这个研究有两个主要的应用领域：1.暴露在外的工具的冲击、弯曲和拉力。当前的
19、研究尝试发展新的电火花电源，并定义最佳加工和触发设置，以便于完全去除电火花加工过程中的白色层。在 EDM 程序的时候。2.暴露在外的工具的磨料磨损和化学磨损。当前的研究尝试利用白层的优点（硬度、耐化学腐蚀）当作一层保护膜。这个研究需要Agie 和 Charmilles 技术的合作。加工刀具和生产工程学研究所与生产技术Fraunhofer研究所（德国）电火花加工的电抛光铸模和压铸模。水库电介质锻造模的研究。电火花加工后的陶瓷性能。半导体材料的电火花加工。超级先进的电火花加工和提高工具生产的涂料科技。电火花线切割抛光。Linkoping大学(瑞典)为了监视电火花加工过程中的放电位置，发明了一个系统
20、广泛地分析电火花加工过程。这个方法的使用是基于火花释放的能量转化为工件中的超声波脉冲这样一个猜想。Dundee大学(Dundee,苏格兰)早期在高频率AC源的使用上，和三菱电力公司的共同合作(日本名古屋)实现WEDM的亚微米表面光洁度。布加勒斯特工艺学院(罗马尼亚)为了实现较高性能的电火花加工，研究通过冷却含氟利昂和氮的电极来改变电极材料的性能。技术学会 (布达佩斯,匈牙利)电火花加工沉淀的计算机辅助规划。中央机械工程学会(保加利亚) WEDM自适应控制系统的研究。结论这些所列举大学的研究计划只是全世界电火花加工技术研究结果的一小部分。美国正在进行的电火花研究工作的数量被认为在其它国家之后，如
21、果工业和政府为研究和其它计划提供资金加入更多先进技术的积极兴趣，那么美国将会扩张研究数量。通过全世界的大学和研究所的电火花制造业者和研究者先进的研究和发展集体的共同努力，电火花加工将会朝更高水平的机器运转和能力方面继续发展。这些一直持续的计划将会产生更高机械性能、更高精密度和更高表面光洁度的电火花加工技术，为全世界加工刀具工业提供与其它加工方法无法相比的独一无二的加工。Worldwide Research and Activities in EDMAlthough once considered a “nontraditional” machining process, EDM has bee
22、n replacing drilling, milling, grinding and other traditional machining operations in many industries throughout the world. Since its early days as a “tap busting” method over 50 years ago, EDM has developed into one of the most advanced machining technologies. Todays EDM equipment uses advanced Com
23、puter Numerical Control (CNC) with up to six-axes simultaneous operation and state of-the-art power supply technology, which can produce a mirror surface finish and “split-tenth” accuracy.The tremendous advancements in EDM technology have been achieved through the collective efforts of many dedicate
24、d engineers employed by the major EDM builders and by researchers from some of the worlds leading institutions and research centers. This report provides an overview of the research studies and developments of these institutions and the activities of professional societies and other organizations th
25、roughout the world that are contributing to the continued advancements of Electrical Discharge Machining.Projects Conducted Over Past Two YearsEffect of cryogenic treatment of electrode on EDM performanceThis project attempts to study the effect of cryogenic treatment of work and tool electrodes on
26、EDM process performance. Cryogenic treatment of the work piece material and electrodes (for EDM and WEDM) was done by RPM Carbide, Inc. of Ohio. During cryogenic treatment, the material is cooled at 77 K for 24 hours and brought back to ambient temperature. Experiments on WEDM have been carried out
27、using treated wire and untreated wire. It was experimentally found that the risk of wire rupture was reduced by 30% when using cryogenically treated wire. Experimental work on Die-sinking EDM and WEDM is continuing. Wire EDMing of Polycrystalline Diamond (PCD)An experimental study has been carried o
28、ut to determine the effects of parameter settings in a state of the art WED machine on the machining performance. The WEDM performance in cutting different layers of materials, such as PCD and WC, in the workpiece have been experimentally and theoretically determined. The mathematical model(s) of th
29、ermal stress for a theoretical explanation of the removal mechanism of diamond grain based on the numerical solution of Stefan problem is continuing. WEDM of Beryllium Copper AlloysThe main objective of this project is to develop a database of optimal machine parameter settings for machining of Bery
30、llium copper alloys of different heights during WEDM. This project is conducted with a Charmilles Robofil 100 WED machine. The relationships between the machine settings and machining characteristics such as machining speed, surface roughness, and overcut are determined experimentally. The machine s
31、etting parameters are charge frequency, charge current, pulse duration, capacitance, wire speed, wire tension and wire material. The optimization of parameter settings consists of two objectives, i.e. to maximize the machining speed and to maximize surface finish. A database of input parameters for
32、both criteria is being developed.Study of discharge distributions in die-sinking EDM using divided electrode spark detection methodThe principal objective of this project is to study the influence of machining parameters (peak current and pulse on-time) and flushing methods on spark characteristics
33、such as sparking efficiency and geometrical distribution of sparks in the machining gap. Peak current and pulse on-time change the machining conditions in the gap leading to changes in the sparking efficiency and spark distribution. A new method of spark detection system is employed to obtain the sp
34、ark data. The solid tool is divided into number of smaller sections to identify each spark in different areas in the gap at different instants. This spark detection methodology can also be effectively used to find the efficiency of machining when subjected to different machining conditions.Adaptive
35、control systems for die-sinking EDMThe arc damage in the die-sinking EDM process reduces the machining productivity, decreases the machined surface quality, and increases the machining cost. The main objective of this project is to develop adaptive control systems for EDM to improve the process stab
36、ility, avoid arc damage, and increase the machining rate. In this project, a digital EDM gap monitor was developed to precisely detect the time ratios of gap states including gap open, normal spark, transient arc, stable arc and short circuit. The unique feature of this system is the high frequency
37、(HF) detecting technology that detects not only the occurrence of arc damage, but also the transient arc regarded as the forecasting signal of arc damage. The HF detection is the most reliable method in all EDM arc damage detecting technologies. A model reference adaptive control system and a self-t
38、uning regulating system for EDM have been developed. These adaptive control systems detect gap state parameters through the EDM gap monitor and control the servo feed in real-time. The productivity with these control systems has been shown to be improved by 50% when machining under poor flush condit
39、ions. An EDM auto jumping controller using the PI self-tuning approach has also been developed on a state-of-the-art Mitsubishi K35 ED machine. This system adaptively adjusts the cycle time of the periodical retraction of the main spindle according to the detected EDM gap parameters. The arcing dama
40、ge can be completely avoided, and the productivity is improved by 50% as compared to the manually set jumping cycle time.Advanced Wire-EDM control systemIn the WEDM process, wire rupture reduces the machining rate. This problem is caused by high power density along the wire, which is regarded as the
41、 ratio of sparking frequency to spark distribution length determined by the workpiece height. With most of the state-of-the-art WEDM equipment, the sparking frequency can not be on-line monitored and controlled, and an optimal pulse off-time to determine the sparking frequency for a given workpiece
42、height is selected in accordance with manufacturer supplied database. The main objective of this project is to develop an advanced WEDM monitoring and control system that monitors on-line the change of workpiece height and control the spark frequency at optimal levels. A recently developed control s
43、ystem consists of a digital spark frequency monitor and a PC used as the main controller with an interface for power generator and servo system control. The PC monitors on-line the gap voltage, spark frequency, and the table feed rate to identify the workpiece height. This system regulates the table
44、 feed at optimal rates and adjusts the pulse off-time in real-time to control the spark frequency at optimal levels determined by the identified workpiece height. The spark frequency is always adjusted at a safe and highly productive level, and is able to follow the change in workpiece height to avo
45、id wire rupture and to maintain an optimal cutting speed. The error of the workpiece height identification is 1 mm and the response of the identification to changes in workpiece height is 1 second. With this control system, procedures of NC programming and machine operations are simplified, and the
46、machine operator does not need to input the workpiece height data into the machine and insert the power generator setting commands into the CNC program when cutting a multiple height workpiece.Future Projects at the University of Nebraska Abrasive assisted Electrical Discharge Grinding for machining
47、 advanced materialsThe machining rate with mechanical grinding of advanced materials, including electrically conductive ceramics, sintered carbides, and polycrystalline diamonds (PCD), is very low due to their high hardness and toughness. The EDM process provides an effective alternative to machine
48、advanced materials. However, the surface quality generated by EDM is poor due to the recast layer and micro-cracks on the machined surface. The objective of this project is to develop an Electrical Discharge Grinding (EDG) process with an assistance of mechanical abrasive effects for improving the flushing condition and removing the damaged layer when machining advanced materials. During machining, the grinding electrode rotates in high speed, the spark discharges take place in the gap between the electrode and workpiece, and the machining gap is controlled by an EDM servo sy
