ARCHIVE 06电火花加工机的谱系

电火花加工的发现与日本研究的开端（1943–1952 年）

放电损伤金属的现象自 18 世纪起就为人所知，而一般认为，现在电火花加工的开端，是 1943 年苏联物理学家拉扎连科夫妇在论文中提出并申请专利的、把它用于加工的方法。两人从防止电气触点因放电而损耗的研究出发，反过来想到了利用这种损耗来去除金属^[2]。1955 年的技术书《精密仕上法》记载，夫妇二人于 1946 年因这项成果获得斯大林奖，英国从 1952 年前后开始推出商品^[1]。

战时消息也传到了日本。据同一本书，1942 年前后，作为海军航空方面的情报传来“美国在用火花或电弧打孔、切断”；据后来创办电火花加工机公司的井上洁说，三菱重工业水岛制作所也做过实验，但只达到熔断的程度^[1]。

东京大学的凤诚三郎与“放电加工法”

战后的 1947 年，夫妇二人的研究通过新闻纪录片和文献传到了东京大学的凤诚三郎教授。研究过电弧放电中电极损耗现象的凤教授立即理解了原理，1948 年开始研究，次年建成了实验设备。把这种加工方法命名为“放电加工法”的也是凤教授。1950 年代，东北大学、千叶大学、新潟大学等大学，铁道技术研究所等研究机构以及企业的研究所相继加入，1955 年成立了“电加工研究会”，后来发展为电加工学会（1967 年）^[2]。

最早的国产机与厂家的诞生（1953–1964 年）

1953 年，作为老牌机床厂家池贝铁工所的关联公司，日本放电加工研究所诞生了。创始人井上洁是在三菱重工业研究过电火花加工的技术人员，与当时池贝铁工所社长冈崎嘉平太意气相投，创办了这家公司^[2]。

1954 年：Japaxtron D3

次年 1954 年 3 月，该公司完成了国产第一台实用电火花加工机“Japaxtron D3”，交付东京工业大学。这是一台与欧美不同、构思独特的机床，也被称为火花放电穿孔机。现保存在日本工业大学工业技术博物馆，2024 年被认定为重要科学技术史资料（未来技术遗产，第 373 号）^[3][4]。同在 1954 年出版的凤诚三郎、仓藤尚雄所著《放电加工》（日本第一本学术专著）介绍了日本放电加工研究所、小池酸素工业、旭泵发动机制作所、大泽制作所 4 家国产厂家。不过小池酸素的业务十余年后就中断了，另外 2 家也极为短命^[2]。

三菱与西部电机工业的加入

1958 年，三菱造船与三菱电机联手，由三菱造船（广岛）负责机械部分、三菱电机负责电源等电气部分，开始生产电火花加工机 DM-101^[2]。1963 年的小型机 DM-50B 采用高频叠加电路电源，防止放电集中在一处，使加工稳定^[5]。1964 年业务归并到三菱电机，改在名古屋制作所生产^[2]。1962 年 10 月，福冈的西部电机工业（今天的西部电机）在 1953 年前后起研究电火花加工的安川电机的协助下开发了电火花成形机，在展会上展出了 E-304 型^[2][7]。

当时电火花加工机还是很少见的机床。1963 年的《世界的机床工业》介绍，在美国 1958 年的机床设备调查中电火花加工机有 578 台，只占全部的极小部分^[6]。即便如此，在日本也开始普及。1963 年的《模具加工技术》写道，有池贝·Japax、三菱造船·电机、小池酸素、西部电机、日立造船、牧野铣床等 10 家厂家，一千几百台在运转，并举出 Japax 的 D-104H 型为代表机型^[9]。1960 年，日本放电加工研究所已更名为Japax公司^[3]，在 1963 年的《国产机床综合目录》中，并列刊载了池贝铁工的“自动精密放电型雕床”D104H 型等 4 种机型和三菱造船的“三菱 Diax 电火花加工机”DM-50、DM-102 型^[8]。

电火花成形机在模具领域普及（1965–1971 年）

早期的电火花加工以在淬火钢上打“通孔”为主。由于电极本身也会损耗，不适合加工有底的复杂形状（模具的型腔）。1960 年代后半期，半导体电源问世，电极损耗大幅减少，可以用于模具的三维有底型腔，电火花加工机终于开始真正普及。这一时期，家电和汽车公司为追赶欧美而增加投资，模具公司也在扩充设备^[2]。

这个时代 Japax 与三菱电机被称为“两强”。Japax 的 D100M 是继承 D3 系谱的机型，累计销量为业内最多，1969 年增加了晶体管电源。三菱电机 1967 年推出的 DM-250 型用液压伺服驱动主轴，可安装 50kg 的大电极。这是为了加工锻模的有底型腔，成为畅销机型^[2]。在海外，1965 年苏联诞生了带数控的电火花线切割机，1969 年瑞士阿奇（Agie）公司诞生了数控电火花线切割机 DEM-15^[2]。

电火花线切割机的诞生与数控化（1972–1979 年）

成形之后是线切割。用细电极丝作电极，像钢丝锯一样切出轮廓，就能在淬火状态下直接切出冲裁模（冲压模）的凸模和凹模，无需制作电极。不过，要让电极丝按图纸移动需要数控，而当时数控很昂贵，因此从第一台国产机算起，约 20 年后才在日本实现产品化^[2][10]。

1972 年：DWC-50 与 EW-20

1972 年，三菱电机推出了国产第一台电火花线切割机DWC-50（DWC50S-LT1 型）。它不用昂贵的数控，而是用美国开发的光学式图纸仿形装置，以光追踪图纸上的线条，按缩小比例驱动工作台。这台机床率先满足了期待已久的市场，2024 年被认定为重要科学技术史资料（未来技术遗产，第 374 号）^[10][2][11]。不过，模拟仿形的精度有限，数字数控的必要性变得明确^[2]。

同在 1972 年 10 月，西部电机工业制造了以小型计算机数控驱动的EW-20 型，在第 6 届日本国际机床展览会上展出。这是国产第一台数控电火花线切割机，该公司称其为世界第一台 CNC 电火花线切割机。2025 年被认定为重要科学技术史资料（未来技术遗产，第 395 号）^{[12][2][7][13]}。电火花线切割需要根据加工速度进给、在即将短路时后退等计算量大的控制，因此需要的不是当时用继电器组成的数控，而是小型计算机或微型计算机数控^[2]。同年三菱电机还推出了用于电火花成形机的数控装置 DAC-10、20^[2]。

1974 年：3 家齐聚

1974 年在大阪举办的第 7 届日本国际机床展览会上，西部电机工业的 EW-30 型（微型计算机数控）、三菱电机的 DWC-50M-H（小型计算机数控）、Japax 的 L250A（小型计算机数控）同台亮相。当时主要 3 家厂家的数控电火花线切割机齐聚，这一年成为真正普及的开端^[2]。在成形加工方面，也出现了用晶体管把电极损耗降到 1% 以下的“电极无损耗电源”UF105C 等^[14]。

发那科、牧野、沙迪克的加入

1975 年，两家后来的有力厂家加入进来。富士通发那科（今天的发那科）于 7 月推出 TAPECUT MODEL A 等 3 种数控电火花线切割机，采取以低价抢占份额的策略（当时报纸的标题是“以不到其他公司一半的价格销售”）^[2][16]。1976 年的 TAPECUT SERIES D 可通过 CNC 使电极丝倾斜，切出冲裁模的斜度（锥度），数据库称其为世界首创^[18]。牧野铣床制作所于 1975 年与瑞士阿奇公司技术合作，1976 年开始国产化电火花线切割机 DEM-15^[2]。

1976 年 8 月，从 Japax 分出的沙迪克在横滨诞生^[2][19]。同年推出了日本第一台摇动加工装置 SIX-LORAN，让电极不仅上下、还在 XY 方向微量移动，把侧面加工得光洁；还与牧野铣床制作所合作，制造了日本第一台微型计算机数控电火花成形机（机床由牧野、电源和数控由沙迪克负责）^[2][17]。牧野后来解除了与两家公司的合作，从 1980 年起用自己的技术制造电火花加工机^[2]。

自动穿丝、高精度化与世界第一的份额（1980–1997 年）

电火花线切割机在加工中途电极丝断了就会停下。要把 φ0.2mm 左右的电极丝自动穿过间隙很窄的导向器和长达 1m 的弯曲路径很难，从 1980 年前后起，各公司开始推出自动穿丝装置。日本最早的装置是发那科从德国西门子公司引进技术制造的（1979 年），到 1980 年代中期主要厂家的装置都已齐备。即使在加工途中断丝，机床也能自己重新穿丝并从中断处继续加工，这个功能各公司的装置一开始就具备^[2]。

占世界产值的一半以上

在国内机电一体化的发展和急速增长的模具需求的支撑下，日本产品在性能上追上了欧美产品，价格上则占优势。1981 年日本电火花加工机的产值为 446 亿日元，约占世界推计 900 亿日元的 50%，1984 年达到 796 亿日元（5,600 台），占 55%^[2]。电火花线切割机的产量从 1975 年到 1985 年的 10 年间增加了约 10 倍，同一 10 年间模具的出货额也增长了约 5 倍^[2]。这一时期也多次遭到欧洲厂家发起的专利纠纷^[2]。

机床也变得更快、更精确。三菱电机于 1982 年推出世界上首次搭载 MOSFET 电源的 F 系列，把最大加工速度提高约 2 倍至 110mm²/min，1984 年的 DWC-90G 达到 200mm²/min^[22]。沙迪克于 1982 年推出日本第一台可使用油性工作液的电火花线切割机 330W，以防止硬质合金生锈^[23]。牧野铣床制作所 1980 年推出的电火花成形机 EDNC64，在日本率先采用加工槽三面可下降的结构，后来成为行业标准^[20]。西部电机工业的 EWP-300A（1984 年）是用龙门式立柱和光栅尺抑制热变形的高精度机^[24]。

从 Japax 到沙迪克

直到 1980 年前后一直是国内龙头的 Japax，在两次石油危机后陷入不振，1991 年 4 月接受沙迪克注资，归入其旗下。分出去的公司接手原来的公司，在当时成为热门话题^[2][19]。电火花加工机整体的国内产量在 1990 年前后达到最多，此后由于日元升值，各公司陆续在海外建厂^[2]。

微细加工与 10 秒穿丝

1990 年代是需要制造小而轻的电子设备用模具的时代。牧野铣床制作所的 UPH-1（1993 年）面向半导体引线框架等的模具，采用电极丝水平走丝的独特结构，在业内首次实现 φ0.03mm 电极丝的自动穿丝。2024 年被认定为重要科学技术史资料（未来技术遗产，第 376 号）^[25][26]。西部电机于 1995 年把平均约 90 秒的穿丝时间缩短到 10 秒，“10 秒穿丝”成为其他公司的目标^[2][7]。吸收熟练技术人员经验的模糊控制，也在 1991 年由三菱电机、1993 年由沙迪克引入^[2]。

★现在：直线电机、微细加工与新用途（1998 年起）

1998 年，沙迪克推出用直线电机驱动主轴（Z 轴）的电火花成形机（世界首创）。把此前每分钟数米的 Z 轴速度提高到 36m/min，通过快速上下移动电极排出加工屑来加快加工，成为整个行业转向开发高速 Z 轴的契机^[27][2]。2000 年代出现了测量机床温度、补偿热变形的功能（三菱电机 EA8PV ADVANCE，2008 年，保证精度 ±3μm），以及在板厚变化处自动改变电气条件以免出现条纹的控制（2001 年三菱电机、2005 年牧野铣床制作所、2009 年发那科的“AI 脉冲控制 2”）^[2]。

放电不仅用来去除金属，也用于堆积金属。三菱电机从 1998 年起销售放电表面处理，利用放电把电极材料附着在表面形成膜层；2013 年又发布了用多根电极丝把坚硬的 SiC（碳化硅）一次切成晶圆的加工机^[2]。2010 年代以来，通过网络进行运转管理和维护、故障诊断的服务已投入实用^[2]。

2023 年国立科学博物馆的调查总结说，中高端的世界市场由瑞士的 GF Machining Solutions（由原阿奇和原夏米尔合并而成）、西班牙的 ONA、德国的 EXERON 以及日本的 5 家（西部电机、沙迪克、发那科、牧野铣床制作所、三菱电机）瓜分。东欧、美国、英国、德国、法国的厂家大多已消失，台湾和中国有很多低价机床的厂家。日本厂家一半以上的生产已转到海外工厂，但调查认为其在世界上的份额依然很高^[2]。2024 年 Japaxtron D3、DWC-50、22-NC、UPH-1 这 4 台、2025 年 EW-20 被认定为重要科学技术史资料（未来技术遗产）^{[4][11][21][26][13]}。

在现场有什么用？选购二手电火花加工机时，看“成形还是线切割”“数控的世代（光学仿形、硬接线、小型计算机、微型计算机）”“电源的种类（RC 电路、晶体管、MOSFET）”“工作液是水还是油”“有没有自动穿丝、能穿的最细电极丝”，就能知道这台机床的世代，以及可以交给它加工什么样的模具和零件。