神奇的“火花”：絢麗的綻放

伏金娟　朱會穎

當人們提到火花的時候，自然會想到每年春節(jié)的火焰、國慶大典燃放的禮花，特別是2008年8月8日在北京舉辦的第28屆奧運會開幕式的禮花，它們的綻放，給人們的生活增加了快樂，給北京奧運會增添了無與倫比的喜慶。但是還有一種神奇的火花，在我們生活中經(jīng)常能夠接觸到，就是當我們在插拔開關(guān)的時候由于電腐蝕出現(xiàn)的放電火花。

這種火花放電引起觸點腐蝕現(xiàn)象被蘇聯(lián)偉大的學者拉扎連科夫婦所關(guān)注。在1943年5月，這對夫婦采用逆向思維方法，從克服、防護電腐蝕變?yōu)槔秒姼g進行加工，在第二次世界大戰(zhàn)的關(guān)鍵時刻，成功地利用這種加工方法解決了當時蘇聯(lián)坦克和武器裝備中經(jīng)常出現(xiàn)的一些問題，開創(chuàng)和發(fā)明了變有害的電腐蝕為有用的電火花加工方法。這項發(fā)明擺脫了傳統(tǒng)的切削加工方法，直接利用電能和熱能去除金屬，引起了世界巨大的轟動。66年過去了，星星之火，已成燎原之勢?，F(xiàn)在，放電加工的火花已經(jīng)“綻放”到世界各個角落，我們生活中處處離不開電火花加工，各個領(lǐng)域都印刻著火花放電加工的痕跡。

那么，什么是電火花加工呢?其實它是與機械加工性質(zhì)完全不同的一種新工藝、新技術(shù)。機械加工是通過機床部件的相對運動，用比工件材料硬的刀具切除工件上多余的部分來得到成品零件的，是由電能轉(zhuǎn)化為機械能進行加工的方法。而電火花加工是利用兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，直接利用電能對材料進行加工的方法。它已成為先進制造技術(shù)中最重要的部分之一。

電火花加工的原理，如圖1所示，加工時工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中或?qū)⒐ぷ饕撼淙朔烹婇g隙。通過伺服進給機構(gòu)控制工具電極向工件進給，當間隙小到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。在放電的微細通道中瞬時集中大量的熱能，溫度可高達1萬攝氏度以上，壓力也產(chǎn)生急劇變化，從而使這一點工作表面局部微量的金屬迅速熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡。連續(xù)不斷重復上述過程，雖然每一次放電蝕除的金屬量極少，但因每分鐘有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬(見電火花加工放電爆炸過程錄像)。在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進給，最后便加工出與工具電極形狀相對應(yīng)的工件來。工具電極常用導電性良好、熔點較高、易加工的耐電蝕材料，如銅、石墨、銅鎢合金和鉬等。工作液作為放電介質(zhì)，在加工過程中還起著冷卻、排屑等作用。常用的工作液是粘度較低、閃點較高、性能穩(wěn)定的介質(zhì)，如煤油、去離子水和乳化液等。

電火花加工最突出的三大特點：第一，“以柔克剛”。能用“軟”的工具電極加工“硬”的工件。如用石墨、紫銅電極(見圖2：可愛的小貓咪紫銅電極)，在淬火鋼或硬質(zhì)合金材料上加工模具，甚至用紫銅電極可加工世界上最硬的金剛石材料(見圖3：拉拔導線的各種規(guī)格聚晶金剛石拉絲模具)。第二，“精密微細”。由于放電能量密度可精確控制，又無宏觀機械作用力，因此可實現(xiàn)精密微細的加工。如加工比頭發(fā)絲還要細的窄縫、窄槽，微細小孔等模具和零件，加工精度可達微米級，甚至亞微米級(見圖4：銅電極粗線條寬701aM，細線條寬501uM)。第三，“仿形逼真”。電火花加工使用的工具電極可以做成各種各樣的形狀或復雜型面、精細圖案的三維型體，而機械加工只能用圓形柱狀或盤狀刀具、砂輪，因此，只要改變工具電極的外形和工具電極與工件之間的相對運動方式，就能加工出各種的仿形逼真工件，圖5是加工玩具飛天女娃的成形模具照片，照片的右邊是雕刻精細的紫銅電極，左邊是加工好的兩個型腔。

電火花加工的應(yīng)用：經(jīng)過半個多世紀的研究和開發(fā)，作為一種極其重要的加工手段，電火花加工技術(shù)在機械、宇航、航空、電子、儀器、輕工、汽車等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)，尤其是微電子、自動控制和計算機技術(shù)的不斷進步，電火花加工技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。現(xiàn)在電火花加工技術(shù)在中國已廣為應(yīng)用。目前，中國已擁有200多家電火花成形機床和電火花線切割機床的專業(yè)化制造廠，每年電火花加工機床產(chǎn)量以10％～20％的速度增長。全國已有一支20萬人以上的電加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)工人隊伍，在航天、航空、機械、電子、模具制造等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。圖6是北京市電加工研究所生產(chǎn)的高新技術(shù)產(chǎn)品——精密數(shù)控電火花成形加工機床，在該機床上集中體現(xiàn)了先進的精密機械技術(shù)、計算機技術(shù)，自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能化技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等現(xiàn)代科學技術(shù)，可加工出航空航天上的尖端復雜零件和像工藝品表面一樣的精密微細、高光亮度的零件。圖7是航空精鍛模具；圖8是加工的六棱錐鏡面零件，里面放的是紅櫻桃，六個面都映照出它鮮紅的影子；同樣圖9是鏡面加工樣品照片，其表面可清晰地像鏡子一樣映照出鋼板尺的形狀和顏色。

其實電火花加工技術(shù)的應(yīng)用與我們?nèi)粘５纳钍敲芮邢噙B的。

當我們開始使用著喜愛的電腦，開著舒適的汽車，帶上精美的眼鏡、手表，

82科技智囊2009午8月拿起造型各異的杯子喝水，打開電視欣賞著節(jié)目，打開音響聽著動人的音樂時，您可曾想到那其中很多零件都是通過電火花加工機床加工的模具生產(chǎn)出來的，處處滲透著電火花加工技術(shù)的完美杰作。請看，圖10a是手表指針凸、凹模具，圖10b是手表指針圖形，最小內(nèi)圓角R0.017mm，加工精度≤2um。圖11是現(xiàn)代仿生學的精密蜂窩眼鏡模具照片，照片的下面是雕刻精細的紫銅電極，上面是加工好的兩個模具。模具的尺寸精度、配合精度及曲線形細槽都是機械加工很難實現(xiàn)的。

當人們給親人、朋友、同事、客戶打電話或發(fā)傳真時，您手中拿的功能齊全、外形大方、手感舒適的手機、電話機以及使用的傳真機會使您感到賞心悅目、愛不釋手，感到心情愉悅、工作有干勁，效率更高、成績更大，這同樣是使用電火花加工技術(shù)的結(jié)果。圖12是手機前蓋模具，圖13是電話機機座模具。

當學生們拿著米老鼠或其他各種卡通造型的MP3欣賞著音樂、聽著外語，孩子們玩著永遠玩不夠的塑料環(huán)保安全玩具時，這些學生和孩子們在學到知識、享受著快樂的時候，也感受到了電火花加工技術(shù)的作用。圖14是電火花加工的一種造型的MP3外殼模具。圖15是電火花加工的一種潛水艇塑料玩具的上蓋模具。

這些神奇的火花不僅在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮作用，還在航空、航天、軍工、石油勘探、IT行業(yè)等等發(fā)揮巨大作用，展現(xiàn)出它的無窮魅力。

人們記憶猶新的我國首次載人太空船神舟五號上天，楊利偉在太空展示中國國旗和聯(lián)合國旗(見圖16)激動地呼出

“祖國萬歲”的時候，我們和祖國人民一樣由衷地自豪，因為，那里同樣有神奇的火花貢獻的一份力量，運載火箭發(fā)動機的很多關(guān)鍵件都有用電火花加工的。就連楊利偉榮獲的“航天功勛獎?wù)隆币彩潜本┦须娂庸ぱ芯克秒娀鸹庸ぜ夹g(shù)加工的模具制作的。也正如一位航天集團的資深專家在一次特種加工技術(shù)會議上說到：“沒有特種加工(電火花加工)，就沒有神五的上天，就沒有我國的航天、航空制造業(yè)”，由此可見電火花加工技術(shù)在先進制造技術(shù)中的重要位置。

新世紀，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，具有高熔點、高硬度、高強度、高脆性、高粘性、高韌性、高純度等性能的新材料不斷出現(xiàn)，具有各種復雜結(jié)構(gòu)與特殊工藝要求的工件越來越多，電火花加工技術(shù)的優(yōu)勢越來越突顯，發(fā)展和應(yīng)用越來越廣泛。殲十戰(zhàn)斗機(見圖17)，嫦娥一號(見圖18)，長征火箭(見圖19)，以及備受矚目的大飛機及先進殲擊機，里面都有一些共同的關(guān)鍵精密零部件，那就是航空發(fā)動機里的機匣蜂窩件、各類葉片和整體葉盤。這些零件的結(jié)構(gòu)特點是薄壁結(jié)構(gòu)，形狀復雜，外形變斜角變化大，外形多為雙曲面，要求成形精確，而且孔、空穴、溝槽、加強筋等多，工藝剛性較差。另外，為減輕飛機重量，大量采用鋁合金、鈦合金、耐高溫合金、高強度鋼、復合材料等，為提高零件強度和工作可靠性，增加飛機的機動性和增加有效載荷和航程，主要采用整體毛坯件和整體薄壁結(jié)構(gòu)。這些都是電火花加工技術(shù)大顯身手，發(fā)揮作用之處。

另外，在石油行業(yè)用的多頭聚晶金剛石石油地質(zhì)鉆頭、石油鉆井機上用的花瓣柔性聯(lián)軸器(見圖20)，摩托車發(fā)動機的后蓋(見圖21)，加工各種款式的門、家具使用的木工刀具(見圖22)，上百條腿的集成電路引線模具(見圖23)等等的加工，數(shù)不勝數(shù)，都是電火花加工技術(shù)在默默地耕耘，發(fā)揮神奇的作用。

當年的拉扎連科教授可能根本也想不到他發(fā)明的電火花加工技術(shù)現(xiàn)在已成為2l世紀引領(lǐng)潮流的絕妙發(fā)明。這電火花加工的火花是多么的神奇、多么的有魅力，給了我們從事電火花加工的科技工作者一個多么大的舞臺，吸引了多少有識之士傾盡畢生精力。它鼓舞我們用更高、更快、更強的精神勇攀高峰，讓神奇的火花在神州大地上更加絢麗地綻放吧!