1 前言
臺(tái)灣的模具工業(yè)，在全球的模具市場(chǎng)占有率已逐年增加，外銷的產(chǎn)值已直逼先進(jìn)國(guó)家，而一般在模具生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)上最不可缺少的工作母機(jī)，可稱得上是放電加工機(jī)了。近年來(lái)由于各方研究者的努力（特別是日本），放電的現(xiàn)像，及加工參數(shù)已逐漸明朗下，放電加工的技術(shù)更上一層樓，有些特別的加工特性并不輸給切削加工。
而在硬質(zhì)材料的加工方面，諸如SKD，超硬合金、碳化鎢的加工，放電加工是一門不可缺少的加工方法，在此將從簡(jiǎn)單的加工原理開始，敘述放電加工的應(yīng)用及最新的技術(shù)發(fā)展。
2 放電加工的原理
放電加工原理簡(jiǎn)單而言是利用電能轉(zhuǎn)換成工件熱能，使工件急速融熔的一種熱性加工方法。換言之，放電加工時(shí)，液中在電極與工作極微細(xì)的間隙中產(chǎn)生過(guò)渡電弧放電現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)工件產(chǎn)生熱作用，同時(shí)，加工中液體由于受到放電壓力及熱作用產(chǎn)生氣化爆發(fā)現(xiàn)象，此時(shí)工件的融熔部份，將伴隨液體氣化現(xiàn)象熔入加工液中，工件因放電的作用產(chǎn)生放電痕，如此反復(fù)進(jìn)行，我們所希望的形狀便可加工完成，由此可知放電加工與工件的硬度無(wú)關(guān)只要是可通電的材料均可加工，而像陶瓷、玻璃等非導(dǎo)體材料，在我們一般的印象中是無(wú)法利用放電來(lái)加工的，然而最近這幾年的研究發(fā)現(xiàn)，利用特殊的方式，利用放電亦可加工非導(dǎo)體材料，
基本的放電原理及理論，從微細(xì)觀的觀點(diǎn)來(lái)描述的話如圖（一）所示
圖（一）放電原理
由此可知加工液在放電加工中最主要扮演冷卻及迅速回復(fù)極間的絕緣狀態(tài)，當(dāng)然氣化脹壓力的作用也是加工液很重要的角色之一。
圖標(biāo)是單發(fā)放電后的放電痕跡。
從步驟(1)~(5)往覆式的１秒約數(shù)千次甚至數(shù)十萬(wàn)次的。
實(shí)際的放電加工是放電狀況發(fā)生，多數(shù)的放電痕逐漸累積而成的加工方式，就是放電加工去除的原理。
大←單發(fā)放電能量→小
粗←表面粗糙度→細(xì)
寬大←放電間隙→狹小
快←加工速度→慢
圖（二） 單發(fā)放電狀況
從以上的說(shuō)明中，我們知道放電加工是放電痕的累積，而單發(fā)的放電能量愈大，放電凹痕也愈大，加工速度，放電間隙，及加工面的粗糙度也相對(duì)增加，其關(guān)系如圖（二）所示。
在單發(fā)放電過(guò)程中，電壓及電流的關(guān)系如圖（三）所示。
圖（三）電壓、電流的關(guān)系
實(shí)際上在放電加工過(guò)程中，是連續(xù)放電的現(xiàn)象，如圖（四）所示
圖（四）電壓、電流的關(guān)系
其中ΓN，ΓP是放電加工中極為重要的參數(shù)，控制ΓN，ΓP等不同的值將影響加工速度，加工面的粗糙度及電極的消耗程度，目前市面上的放電加工機(jī)，特別是國(guó)產(chǎn)的，調(diào)整不同的ΓN及ΓP在加工的品質(zhì)已經(jīng)亞于日本等國(guó)家。
3 放電加工機(jī)的分類
基本上放電加工機(jī)可分為幾個(gè)類別，其加工原理如圖（五）所示
（圖五）雕模放電加工原理
利用電極的不同形狀，便可加工工件成我們所需要的形狀。雖然利用很簡(jiǎn)單的雕模機(jī)可加工出各種模具的形狀，但是雕模放電工機(jī)仍有以下幾個(gè)問(wèn)題：
(1)電極的消耗
放電雕模中，電極的消耗是一個(gè)極為棘手的問(wèn)題，比起切屑加工，電極工具的消耗率（量）相當(dāng)可觀，解決電極的消耗問(wèn)題，不管從電極材料的研發(fā)，放電電路的改良，目前日本各放電加工機(jī)廠相繼推出低消耗的放電加工母機(jī)，如何降低消耗或零消耗是目前從事放電加工研究重要的課題。
(2)電極的制作
在放電雕模加工中，電極的制作是極為重要的。有高精度的電極才有可能加工出高精度的模具。目前大部份的雕模加工機(jī)均使用銅電極，因?yàn)榧庸と菀祝姌O材料便宜等優(yōu)點(diǎn)，銅電極材料仍大量被使用。然而在須要加工復(fù)雜的微小的模具形狀時(shí)，電極的制作上仍有其困難。最近日本三菱電機(jī)推出利用單純的電極，藉由NC控制X Y軸做往覆式的掃描加工，再加上電極自動(dòng)補(bǔ)正，亦可加工極為復(fù)雜的形狀，如此一來(lái)便可解決電極的制作問(wèn)題。如圖（六）所示（相關(guān)論文請(qǐng)參閱“放電加工技術(shù)－日刊工業(yè)新聞一書”）
X-Y軸移動(dòng)由NC程控圖（六）NC程控加工
(3)加工精度
由于加工條件，加工參數(shù)及電極材料等都會(huì)影響加工的精度，尤其目前各種尺寸的精度要求日漸嚴(yán)格，借著各參數(shù)的調(diào)整，及加工液粉末的添加等，盡量避免集中放電等的相關(guān)研究，已經(jīng)逐漸有了成果，目前高精度的鏡面加工，已不成問(wèn)題。
4 線放電加工（俗稱線切割）
線放電加工機(jī)也是模具廠不可缺少的工作母機(jī)之一，其加工原理如圖（七）所示：
圖七 線放電加工原理
利用線材（通常指黃銅線）與工作物之間放電，此時(shí)線材就像是線鋸一般，然后借著XY軸方向，NC控制程序便可切割出我們所須的輪廓形狀。像齒輪、沖模等，其它比較復(fù)雜的形狀也可利用這種方法做切割加工。
目前大部份的線放電加工機(jī)都使用純水為加工液，有少部份的線放電加工機(jī)使用燈油當(dāng)加工液。使用純水為加工液時(shí)加工速度快，但容易發(fā)生電解現(xiàn)象，所以一般的線放電加工機(jī)，通常都有一套純水循環(huán)系統(tǒng)。為了防止電解現(xiàn)象，日本三菱電機(jī)最近發(fā)展了一套無(wú)電解現(xiàn)象的AE電源，目前已經(jīng)實(shí)用化了。相對(duì)的，如果使用燈油為加工液時(shí)，可做高精度的切割加工，但是相對(duì)的加工時(shí)間較長(zhǎng)，這也是極須改進(jìn)的地方。
雖然線放電加工機(jī)已經(jīng)是相當(dāng)普遍的工作母機(jī)之一，但是仍面臨以下的幾個(gè)問(wèn)題：
(1)斷線問(wèn)題
由于在切割加工時(shí)，加工液的流動(dòng)不良或是線材的過(guò)度振動(dòng)，都會(huì)造成線材斷裂的現(xiàn)象，一旦線材斷掉后，操作員通常必須重設(shè)，穿線等反復(fù)的動(dòng)作，不僅加工效率降低，加工精度也會(huì)受到影響。有鑒于此，瑞士的有名放電機(jī)廠及日本的各大廠已研發(fā)出自動(dòng)穿線的系統(tǒng)，不僅無(wú)須人工操，而且可以記憶斷線的位置，重新設(shè)定，大大提高加工效率及精度。
(2)切割直角時(shí)產(chǎn)生圓弧的問(wèn)題
在切割直角時(shí)，雖然線放電加工機(jī)XY軸可控制行走90°的轉(zhuǎn)角，但是在放電過(guò)程中，特別是轉(zhuǎn)角處通常都會(huì)產(chǎn)生圓弧的現(xiàn)象。控制放電狀況可盡量避免圓弧狀況發(fā)生，或是利用更微細(xì)線也有相同的效果，但是改善的程度仍有限。要做高精度的線切割加工時(shí)，轉(zhuǎn)角所產(chǎn)生的圓弧現(xiàn)象，是極待解決的問(wèn)題。
(3)超微細(xì)線切割加工
目前一般線切割放電加工機(jī)大部份使用ψ200μm的黃銅線，也有少部份的使用ψ150μm以下的細(xì)銅線。當(dāng)然使用的線愈細(xì)，斷線的機(jī)率就愈大，然而為了切割更微細(xì)的部品，目前也有不少?gòu)S家使用約ψ30μm的鎢線做微細(xì)切割加工，該種線材極為昂貴，非附加價(jià)值高的加工，較少使用，日后想必ψ30μm以下的細(xì)線如ψ20，ψ10等線材也會(huì)漸漸被采用。
(4)高厚度的線切割加工
線切割加工時(shí)，工件的厚度愈厚，線的振動(dòng)程度愈大，就愈容易斷線。目前有些廠家（瑞士，日本）已經(jīng)推出可切割厚度１公尺以上工件的線切割放電加工機(jī)，除了可以連續(xù)切割不斷線外，也可保證加工精度。在這方面上，臺(tái)灣的放電加工機(jī)目前正積極努力迎頭趕上
5 放電表面改質(zhì)及非金屬放電加工機(jī)
高精密度的模具，除了尺寸精度要求嚴(yán)格外，模具表面的粗糙度也相當(dāng)重要，傳統(tǒng)的放電加工后工件表面的粗糙度大則Rmax數(shù)10微米以上，精加工后，如果加工條件控制得宜，Rmax可縮小至數(shù)微米，但是仍達(dá)不到我們的需求，近年來(lái)，豐田工業(yè)大學(xué)齊藤長(zhǎng)男教授及東京大學(xué)毛利尚武教授利用粉末硅(Si)粉添加液，使得放電均勻散布，放電加工后，工件表面可達(dá)到鏡面的狀態(tài)。而且不僅如此，精加工的效率也相對(duì)提高很多。目前日本牧野及三菱電機(jī)也正嘗試各種粉末的添加來(lái)改善放電加工后，工件表面的粗糙度及硬度，這種在加工液中粉末混入的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化，深受模具業(yè)的青睞。目前臺(tái)灣在這一點(diǎn)上的研究及努力，稍顯不足，我們期待日后在這一方面能有新的本土化的機(jī)器出籠。
當(dāng)然，除了放電加工表面改質(zhì)外，毛利尚武教授等幾位放電加工的前輩，正嘗試另一種新手法利用放電來(lái)加工陶瓷、玻璃等非導(dǎo)體材料，其加工原理如圖（八）所示：
圖（八）非導(dǎo)體材料之放電加工
在陶瓷材料上接著金屬材料（亦稱補(bǔ)助電極）通常放電加工很容易可加工金屬，當(dāng)金屬加工完之后，陶瓷材料將附著加工粉末（主要是電極消耗之粉末）及加工液分解后的碳化物，形成導(dǎo)體膜，在金屬加工完后附著于陶瓷材料導(dǎo)電膜形成通電回路，當(dāng)然可以持續(xù)放電，由于放電現(xiàn)象產(chǎn)生的熱，沖擊等影響，所以陶瓷材料也可以加工。目前這個(gè)技術(shù)也漸漸實(shí)用化中。
6 微細(xì)放電加工
1985年日本東京大學(xué)，增尺隆久教授研發(fā)WEDG的加工方法后，奠定微細(xì)放電加工的基礎(chǔ)。在WEDG發(fā)明以前，微細(xì)電極的制作是一門相當(dāng)困難的工作，傳統(tǒng)的微細(xì)電極的加工方法如圖（九）所示
圖（九） 傳統(tǒng)微細(xì)電極加工法
利用高精度的金屬塊，設(shè)定為正極，塊狀金屬模具為負(fù)極，工具與金屬塊（電極）之間產(chǎn)生放電的加工方式來(lái)制作微細(xì)電極，但是因?yàn)榻饘倌＞叽嬖谥膯?wèn)題，放電間隙極難控制，非技術(shù)熟練者無(wú)法加工出數(shù)微米的電極工具。
為了解決上述的困難點(diǎn)，增尺教授發(fā)明WEDG的加工方式來(lái)制作微細(xì)電極其原理如圖（十）所示。
圖（十）WEDG 電極加工法
利用直徑約200μm的黃銅線，在銅線導(dǎo)溝緩慢移動(dòng)，工具為正極，銅線為負(fù)極，工具與銅線之間產(chǎn)生放電，如此一來(lái)，因?yàn)殂~線隨時(shí)都在移動(dòng)，已經(jīng)放電后的銅線，不再使用，因此只要銅線的直經(jīng)是均一的，那么銅線與工具之間的放電將維持一定。利用這種方式，直徑5μm的工具也可加工成形。加工后的電極如圖（十一）
圖（十一）直徑5μm電極
借著主軸的旋轉(zhuǎn)與否，斷面是三角形的電極，正方形或長(zhǎng)方形，甚至螺旋形狀的電極亦可加工。在此我們必須要注意的是，微細(xì)放電加工與一般大型的放電加工最大的不同點(diǎn)在于放電回路的差異，一般大型的放電回路使用晶體管回路，而微細(xì)放電加工則使用RC回路，如（十二）圖所示
圖（十二）RC回路
利用微細(xì)工具可加工微細(xì)孔，甚至三次元雕刻加工等，如圖（十三）所示
圖（十三）微細(xì)電極加工后之微孔
目前仍以微細(xì)孔加工的應(yīng)用最為廣泛，如汽車引擎的噴嘴，化學(xué)纖維的紡口等。WEDG的發(fā)明可說(shuō)是為微細(xì)加工開了一個(gè)新領(lǐng)域。
7 其它放電加工機(jī)
除了上述中幾類型的放電加工機(jī)外，目前特殊用途如放電被覆工件表面硬化處理，放電與超音波結(jié)合的加工機(jī)，電解與放電技術(shù)結(jié)合等加工機(jī)亦逐漸出爐，目前正在研究階段，未來(lái)極有可能實(shí)用化。
