電火花加工過程的控制和間隙放電狀態的鑒別

電火花放電加工時，放電須是短時間的脈沖放電。持續時間一般為10-6～10-3s。如放電時間等于或大于10-2s，則轉變為電弧放電，從而使加工不能正常進行。因此要實時地在微秒級或毫秒級對眾多復雜的變化因素進行檢測并加以控制。

電火花加工過程控制的目標是：(1) 確保避免電弧放電損傷工件，保持穩定的加工狀態；(2) 滿足加工表面粗糙度、精度等各種規格的參數；(3) 盡可能滿足高速加工的要求。因此首先遇到的問題就是要有高靈敏度的 edm 自動控制單元。

與其他傳統加工方法相比，電火花加工過程是一個較慢的過程，因此它的控制目標函數就是在保證表面質量和加工精度的條件下，以最短的加工時間(最快的加工速度)來實現。電火花加工控制系統結構框圖如圖1所示。
 

圖1 電火花加工控制系統結構框圖

實現電火花加工，必須使工具電極和工件間維持合理的距離，在該距離范圍內，既可滿足脈沖電壓不斷擊穿介質，產生火花放電，又可適應在火花通道熄滅后介質消電離(消除電離子影響)及排出蝕除產物的要求。這段距離稱之為“加工間隙”或“放電間隙”。間隙是否合理，受到脈沖電壓、火花通道的能量及介質的介電系數等因素的制約。一般情況下，電火花加工的放電間隙在數微米到數百微米范圍內。且在一定時間范圍內脈沖放電集中在某一區域；在另一段時間內，則應轉移到另一區域。只有如此，才能避免積碳現象，進而避免發生電弧和局部燒傷。因此，放電間隙是控制的主要對象。目前在許多機床上采用間隙電壓作為反映間隙大小的傳感信號，當間隙偏大時，由于短路和短的擊穿延時，u值也小。無論如何，隨著間隙電壓的增加，放電間隙也增大。這樣，加工過程中不可連續測量的放電間隙大小就可用連續測量加工間隙電壓的方法來獲得。但是，間隙電壓與其它控制參數之間的交互作用很大。因此準確檢測電火花放電間隙狀態已成為不可回避的問題。

研究電火花加工過程單個脈沖波形的“時態”有五種基本形態，即正常火花放電、過渡電弧(可恢復性不穩定電弧)、穩定電弧、短路、開路(空載)。它們的特點是：

(1) 正常火花放電：放電期間放電電壓波形上有高頻雜波分量出現，峰值大，有擊穿延時現象。而在形成火花放電過程中，電壓電流波形平直，規律性整齊。見圖2。
 

圖2 正常火花放電電壓、電流波形圖

(2) 過渡電弧：放電期間放電電壓波形上，高頻雜波分量幾乎沒有，擊穿延時也不明顯，波形無規律。這種波形可通過伺服控制恢復為正常火花放電，也可因間隙狀態變化而自行恢復為正常火花放電。因此它是作為理論研究提出的，實際加工控制過程中不需要專門測量(本文不考慮這一狀態)。

(3) 穩定電弧(不可恢復燒傷性穩定電弧)：在間隙放電條件惡劣的情況下，如深孔加工時，穩定電弧形成而燒傷工件，這時工具電極及工件表面都會形成局部凸包或凹坑，電壓及電流波形都很光滑，形成燒弧后，如不擦除黑斑，加工過程不可能自行恢復正常。見圖3。
 

圖3 穩定電弧放電電壓、電流波形圖

(4) 短路：電壓很低，電流波形光滑。雖然短路本身不蝕除工件，也不損傷電極，但在短路處造成了一個熱點，當短路消除時易引發拉弧。

(5) 開路：間隙加工介質沒有被擊穿。

為了清晰地描述放電間隙狀態，文中給出的間隙狀態圖是經過處理的。在實際電火花加工過程中，這五種類型都可能出現，甚至在一個脈沖單元中同時出現。短路、開路的情況好區別，本文不作詳細說明。正常火花放電和穩定電弧放電這兩種狀態的電壓、電流幅值特征較接近，如僅用電壓和電流的幅值來區分是較困難的，因為它們的間隙電壓和電流幅值差別小，而且隨著工藝規準的變化還在一定范圍內波動。