电火花加工过程的控制和间隙放电状态的鉴别

电火花放电加工时，放电须是短时间的脉冲放电。持续时间一般为10-6～10-3s。如放电时间等于或大于10-2s，则转变为电弧放电，从而使加工不能正常进行。因此要实时地在微秒级或毫秒级对众多复杂的变化因素进行检测并加以控制。

电火花加工过程控制的目标是：(1) 确保避免电弧放电损伤工件，保持稳定的加工状态；(2) 满足加工表面粗糙度、精度等各种规格的参数；(3) 尽可能满足高速加工的要求。因此首先遇到的问题就是要有高灵敏度的 edm 自动控制单元。

与其他传统加工方法相比，电火花加工过程是一个较慢的过程，因此它的控制目标函数就是在保证表面质量和加工精度的条件下，以最短的加工时间(最快的加工速度)来实现。电火花加工控制系统结构框图如图1所示。
 

图1 电火花加工控制系统结构框图

实现电火花加工，必须使工具电极和工件间维持合理的距离，在该距离范围内，既可满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电，又可适应在火花通道熄灭后介质消电离(消除电离子影响)及排出蚀除产物的要求。这段距离称之为“加工间隙”或“放电间隙”。间隙是否合理，受到脉冲电压、火花通道的能量及介质的介电系数等因素的制约。一般情况下，电火花加工的放电间隙在数微米到数百微米范围内。且在一定时间范围内脉冲放电集中在某一区域；在另一段时间内，则应转移到另一区域。只有如此，才能避免积碳现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。因此，放电间隙是控制的主要对象。目前在许多机床上采用间隙电压作为反映间隙大小的传感信号，当间隙偏大时，由于短路和短的击穿延时，u值也小。无论如何，随着间隙电压的增加，放电间隙也增大。这样，加工过程中不可连续测量的放电间隙大小就可用连续测量加工间隙电压的方法来获得。但是，间隙电压与其它控制参数之间的交互作用很大。因此准确检测电火花放电间隙状态已成为不可回避的问题。

研究电火花加工过程单个脉冲波形的“时态”有五种基本形态，即正常火花放电、过渡电弧(可恢复性不稳定电弧)、稳定电弧、短路、开路(空载)。它们的特点是：

(1) 正常火花放电：放电期间放电电压波形上有高频杂波分量出现，峰值大，有击穿延时现象。而在形成火花放电过程中，电压电流波形平直，规律性整齐。见图2。
 

图2 正常火花放电电压、电流波形图

(2) 过渡电弧：放电期间放电电压波形上，高频杂波分量几乎没有，击穿延时也不明显，波形无规律。这种波形可通过伺服控制恢复为正常火花放电，也可因间隙状态变化而自行恢复为正常火花放电。因此它是作为理论研究提出的，实际加工控制过程中不需要专门测量(本文不考虑这一状态)。

(3) 稳定电弧(不可恢复烧伤性稳定电弧)：在间隙放电条件恶劣的情况下，如深孔加工时，稳定电弧形成而烧伤工件，这时工具电极及工件表面都会形成局部凸包或凹坑，电压及电流波形都很光滑，形成烧弧后，如不擦除黑斑，加工过程不可能自行恢复正常。见图3。
 

图3 稳定电弧放电电压、电流波形图

(4) 短路：电压很低，电流波形光滑。虽然短路本身不蚀除工件，也不损伤电极，但在短路处造成了一个热点，当短路消除时易引发拉弧。

(5) 开路：间隙加工介质没有被击穿。

为了清晰地描述放电间隙状态，文中给出的间隙状态图是经过处理的。在实际电火花加工过程中，这五种类型都可能出现，甚至在一个脉冲单元中同时出现。短路、开路的情况好区别，本文不作详细说明。正常火花放电和稳定电弧放电这两种状态的电压、电流幅值特征较接近，如仅用电压和电流的幅值来区分是较困难的，因为它们的间隙电压和电流幅值差别小，而且随着工艺规准的变化还在一定范围内波动。