图1 电火花线切割非常适用于在机加工难度很高的专有合金配合材料上制作出复杂的形状。当今的EDM功率发生器可以通过微调来优化这些材料的加工作业

当今的电火花线切割技术能够维持专有钛合金和其它耐高温材料的表面完整度，所以此工艺在航天航空业和医疗应用领域的使用量正在迅速增长。

在美国芝加哥国际制造技术展览会（IMTS 2010），GF AgieCharmilles公司美国分公司（伊利诺斯州Lincolnshire）的最高管理者对专业媒体谈到了电火花放电加工（EDM）的应用发展趋势，而EDM设备正是该公司的专门产品之一。这些趋势当中最为重要的一项是电火花线切割工艺正在越来越多地应用于曾经一度无法采用此加工工艺的航空航天和医疗行业零部件上。我们请这家公司告诉我们有关这种趋势的更多信息以及趋势背后的原因。以下就是对这些发现的汇总。

当今的耐高温合金正在用于制造航空航天、医疗和其它行业的新一代部件，但是常规的机加工方法在应对这些材料方面需要克服很多困难。这是因为许多制造厂商拥有一些此类合金的特殊、专有“配方材料”，这些配方材料是针对他们的具体应用按照自有规格进行开发的。这些合金具有非常重要的价值，其详细信息属于需要高度保守的机密，而有关具体应用的信息也极少透露。

但是，我们所知道的是这些特殊配方材料经常比市场常见的同等材料更加坚硬和坚韧，而且在许多情况下，采用常规机加工工艺对其进行切割是不可能或极其昂贵的。因此，许多正在加工这些材料的制造厂商一直在探索寻找其它非常规的机加工方法。而特别是电火花线切割工艺正在获得大家的重新注意。

在20世纪90年代末和21世纪初，镍铬合金Inconel、钛合金和其它耐高温合金的使用量得到了极大幅度的增长，特别是在航空航天和医疗行业。但是，电火花线切割从来没有作为一种可用于切割这些材料的入选工艺而受到广泛的接受，主要是因为对加工后部件表面缺陷的担心。除了形成一种称为白色层的物质以外，当时的EDM技术经常会导致表面出现烤蓝（一种氧化效应）、微裂纹和表面裂纹。

白色层物质在显微结构上由工件材料的一些亚表层构成，这些亚表层已经在冶金学上被EDM加工高度局部化但强烈的热量所改变了。处于这个“热影响区”内的材料通常发生了硬化而且有可能以一种几乎成为晶体的状态存在。而一旦这种部件投入使用，白色层很容易剥落，导致微裂纹形成并最终导致部件失效。

耐高温合金工件中的微裂纹还是EDM工艺所发出热量的结果。除了有可能降低部件表面完整度的微裂纹以外，EDM还可能导致表面裂纹（“裂纹线”）和其它影响表面美观的缺陷。尽管这种工艺仍然比当时正在使用的常规机加工方法拥有显著较高的精度，但对EDM加工表面的顾虑导致此工艺被拒绝在许多应用中使用。

图2 在（英国）伯明翰大学所进行的一项案例研究中，一件镍铬合金Inconel 718工件的横截面在莱卡显微镜下放大500倍观察时，其表面上没有显示出明显可见的白色层或“重铸物”

功率发生器伸出援手

在20世纪90年代末期发展出来的反电解功率发生器技术消除了人们对EDM切割部件表面美观度的顾虑，特别是对于烤蓝现象的固执反对。烤蓝现象是一种工件表面不好看的褪色现象，造成它的原因是一些特定金属离子与介质水在电流存在的条件下发生的化学反应。实质上，它是氧化物或锈的一种形式。尽管反电解功率发生器在事实上消灭了这个问题，但当这种技术遇到目前正在开发的特殊耐高温合金配方材料时也显示出缺点。幸运的是，数字式功率发生器的引入弥补了这一缺陷。

电火花线切割采用的数字式功率发生器最重要的特点之一就是能够针对包括耐高温合金专有配方材料在内的具体材料对发生器进行“精调”。例如，由GF AgieCharmilles公司开发的数字式功率发生器就称为“智能功率发生（IPG）”电源。其它EDM设备制造商也开发了数字式功率发生器。制造商们都在利用功率发生器电子电路内嵌微型芯片的高速数字化数据处理能力的进步所带来的优点。但是，这些系统的性能和能力各有不同。例如，在微处理器内用于执行运算的软件算法都属于专有算法。自然而然地，每家制造商都在竞争性地宣称自己系统的优越性。最终用户必须自行分辨哪一种宣称代表了最佳的价值。但是，对于航空航天行业和医疗行业制造厂商来说，关键要素是发生器如何有效地得到“精调”。

GF AgieCharmilles公司的IPG就是具备精调能力的功率发生器中的代表产品。这种电源从设计上可以配合范围宽广的电火花线切割系统并提供能达成完美表面质量的高精密度。这种数字式功率发生器能够控制每一个电火花的能量，产生精细至Ra0.05μm（2微英寸）的表面光洁度。在典型情况下，一旦发生器针对某一特定配方材料进行了精调，那么加工厂就会只用这一台电火花线切割机来加工这种材料。

对数字式功率发生器的精调有可能是一项高难度的挑战，因为当今的专有耐高温合金配方材料经常相互间具有非常高的相似度，但仍然要求进行不同的发生器调整以优化切割过程。GF AgieCharmilles公司已经组建了一个专家团队，这个团队能够执行试验切割、评估结果并确定精确的发生器设置参数，以实现最快速的切割加工且不会导致微裂纹或其它工件表面缺陷。

此项研究工作的最重要部分在于控制EDM过程所产生的热量。这种控制要求做出精微的平衡。实质上，EDM利用了电极与工件之间高度集中化的电能传输（即“电火花”）的热量来将工件材料的显微级少量材料沸腾蒸发掉。这种工艺让EDM能够比常规机加工工艺更有效的切割坚硬和坚韧的材料。但是，除非对热量做出了仔细的控制，热量就有可能升高到过高的程度，导致工件表面出现我们不想见到的状况。

采用数字式发生器精调方式，EDM制造商就能通过精密地改变线割EDM电火花的属性，即电火花如何发生、电火花的形状和波长，来达到最优化的平衡。这些发生器使得制造商能够缩短线切割EDM电火花的发生时间，同时保持切割所需的必要热量强度。

在典型情况下，这种结果是在电火花脉冲更加强烈以及开关周期更加缩短的条件下达成的。这些更强烈电火花的持续时间极短，以致于只会有极少量或根本没有任何热量会渗透工件去导致微裂纹或形成白色层。根据一项针对AgieCharmilles发生器的独立报告，即使在研究者执行了4次表面薄层去除加工后，耐高温合金试验部件表面也不存在白色层。

耐高温合金加工技巧

经过多年的经验积累，EDM制造商已经建立了有助于耐高温合金线切割的操作惯例和技巧。尽管还没有适用于切割特殊配方合金的已确立参数表，但针对标准耐高温合金推荐的设置值和操作规程是一个良好的出发点。其中包括对介质水、电极线类型和设备特色功能这些变量的选择。

在切割耐高温合金时，加工厂应当采用一些步骤来尽量减少传导到工件上的热量。一种达成这种效果的方式是保持设备所用的介质水处于冷冻水状态下。应当考虑将能够把水温保持在±1℃的冷冻机作为耐高温合金线割加工的要求条件之一。

但是，在测量完工部件时应当谨慎小心，因为在切割过程中降低部件温度有可能产生一些在部件返回加工厂环境温度下会发生显著改变的结果。对于某些耐高温合金，这些结果有可能成为严重的问题。

图3 电火花所产生的强烈但高度局部化的热量在工件表面下方形成了一种蒸气气泡。蒸气的迅速膨胀“撑破了气泡”并吹走了工件材料中显微级的少量物质。而留下的材料如图所示。上图所示为旧型功率发生器所产生的结果，而下图所示为数字式功率发生器（在本例中为GF AgieCharmilles IPG）所产生的结果。

为了进一步避免热量传导到工件，介质水的导热率应当调整至能够减少线电极与工件之间间距或间隙的水平。基本上，适用于切割金属碳化物级材料的导电率水平就是耐高温合金的一个良好出发点。以下对此做出简单解释：降低导电率意味着当电极与工件之间间隙非常小的情况下就能达成两者之间的最优电阻等级。在这些条件下，只需较少的能量就能克服电阻形成电火花。简而言之，更少的能量就意味着同样的加工作业所产生的热量更少。

由于耐高温合金的硬度极高，GF AgieCharmilles和其它EDM制造商都推荐采用涂层或甚至双层涂层的电极线。与普通黄铜相比，涂层导线能够更好地控制电火花的形成。这样就更容易形成更强烈的电火花，从而高效地切割耐高温合金，而且还不会渗透到材料的表面之内。

适合于切割耐高温合金的线电极示例是GF AgieCharmilles的AC SW-A电极；这种电极由被锌涂层所围绕的黄铜芯线构成。据这家公司表示，AC SW-A特别适用于机加工那些要求线电极能够在大于10度的角度下切割的复杂部件。

一般来说，诸如此电极的涂层电极能够从功率发生器输送出更高的电压，因为此类电极能够耐受电能以电火花形式释放出来时所产生的热量。这种涂层属于“牺牲性”涂层。设计此涂层的目的就在于让它们在相对较低的温度下熔融掉落，从而吸收并带走热量，否则这些热量会影响到黄铜芯线强度。（物理学家将这种效应称之为蒸发潜热）。这样就使得涂层电极线能够更高效地执行切割并同时能够耐断裂并保持工件温度较低。

而在耐高温合金加工中使用实心黄铜线存在另一项缺点：出现重新电镀现象的可能性。在切割期间，一些黄铜会熔融溅落并在工件表面重新固化。而从部件表面清除这层黄铜有可能必须要求采用成本高昂的清洗过程。而如果不去掉这层黄铜，则这层重新镀上的黄铜薄层有可能导致错误的部件尺寸测量结果。而在部件工作在高温条件下时，重新镀上的黄铜有可能熔融掉落，从而导致部件尺寸不足。

将要用于切割耐高温合金的线切割EDM设备必须拥有持久耐用的精密度和精确度。在诸如航空航天和医药这样的行业中，线切割机预计将全天24小时工作。超过50个小时的工作周期并非罕见。而工作在这些条件下的线切割机必须坚固耐用。推荐这些设备具备用于工艺监测或可靠性保证的远程通知能力。这种特色将让线切割机能够将消息以无线方式发送至手机或诸如电子邮件网络这样的基于因特网的即时消息系统。

线切割EDM不应得的负面评价

曾经一度线割EDM被认为是耐高温合金切割的禁用工艺。有人称，这一工艺得到这种“负面评价”的原因是对一种焊接工艺的不幸经验。

综合各方面的说法，这个故事说，在一次事故发生后，追踪到的事故原因是一个采用一种耐高温合金制造的喷气发动机部件上的错误焊缝。很明显，用于焊接过程的电能所产生的热量也在这条焊缝和这个耐高温合金部件内产生了微裂纹，并导致部件失效。

其后果是，该行业内的工程师们过度谨慎地避免使用各种涉及到电能使用的工艺，包括特定类型的焊接和线切割EDM。工程师们不会考虑一种涉及到电能的工艺来取代常规的接合和切割方法。这种不愿意采用线切割EDM的做法成为一种长期存在的政策，而有关EDM当前安全性和能力的新闻只是在目前才能推翻这种存在这些制造厂商之间的禁用做法。