A szikraforgácsolás alapjainak kidolgozása és az ipari hasznosítása a szovjet Lazarenko házaspár nevéhez fűződik, akik 1943-ban szabadalmaztatták eljárásukat.

Két évvel a szikraforgácsolás feltalálása után 1945-ben Perfilev és Bauer szabadalomként bejelentette azt a gondolatot, hogy szerszámelektródaként egy folyamatosan letekercselt huzalt alkalmazzanak.

Az első szerszám és gépgyártásban alkalmazható berendezést az Erosimat C gépet Magyarországon fejlesztették ki, ami 1958-ban elnyerte a Brüsszeli Világkiállítás Nagydíját.

A szikraforgácsolás gyors fejlődését hozták a 60-as évek elején az, un. független impulzusgenerátorok, majd 70-es évek elején a számjegyvezérlésű szikraforgácsológépek. Az első ilyen gépet 1969-ben az AGIE svájci cég mutatta be az ASTME Tool Exposition in Chicago kiállításon. Ez volt az AGIECUT DEM-15.
 

AGIECUT DEM-15 - 1976-ban	Ugyanaz a gép 2002-ben (amint épp javítom)

A pályavezérlést adatszalag alapján dolgozó, belső kör és lineáris interpolátorokkal működő NC rendszerrel valósították meg. (processzor nélkül csupán 74xx elemekből)

A gép generátora impulzus vezérlésű. Változtatható kapacitású kondenzátor telepet tölt, előre választható teljesítménnyel. A munkarésen átfolyó íváram feszültségét a számítógép által kibocsátott léptető frekvencia változtatásával szabályozza. Az ív gyújtáshoz szükséges kondenzátor feszültség folyamatosan rendelkezésre áll, az ívcsatornában áramló dielektrikum pedig gondoskodik arról, hogy a kialudt szikra ioncsatornája átlagban 1-2 us alatt összeomoljék. A szikrarés ionmentességéről illetve az elektróda-munkadarab helyzetéről szervorendszer az ívszünetekben kibocsátott, a szikra inpulzusokkal forditott polaritású, 33V feszültségű mérő impulzus segítségével szerez tudomást és ennek kiértékelése alapján kapcsolja az impulzus generátort, a számítógépet és a léptető motorokat.

A kondenzátor telep energiája végső soron egy, a szervórendszer által vezérelt elektronikus kapcsolón keresztül jut az elektródákra. Az impulzusok valamennyi paramétere szabályzott.

Az impulzus idő t=1-25 m sec. között, az impulzus szélleség a vezérlő impulzusnál 2-25 % között változik (az ismétlési időt ez a kettő határozza meg és a szükség szerint a szervorendszer letíltja). Az impulzus magasság a túlcsordulás beállítássával határolható le. A generátoron beállítható impulzus frekvencia a fentiek függvényében 2-20KHz közé esik.

Az alacsonyabb frekvenciák tartományában általában valamivel nagyobb a forgácsolási teljesítmény és rosszabb az átlagos felületi érdesség (Ra » 0.2m ) a 2kHz közelében csökken a teljesítmény, de lényegesen javul a felület simasága.

A fenti 1976-ban gyártott AGIE DEM-15 gép általam elvégzett vezérlő cseréjével (32bites processzor, színes grafikus kijelző) valamint a generátor korszerűsítésével a gép forgácsolási teljesítménye 400%-kal nőtt,  ugyanakkor a felület minősége is nagymértékben javult.

(Vezérlő csere és generátor fejújítás CHARMILLES gépeken is hasonló erdeménnyességel végezhető el.)

A szovjet fejlesztők első ízben, 1975-ben a Brnoi Nemzetközi Vásáron mutatták be NC vezérelt huzalelktródás szikraforgácsoló gépet, a 04-HK-2-t

A szikraforgácsolás szikraeróziós sűllyesztésre, huzalvágásra, csiszolásra és gravírozásra osztható.

Süllyesztés (süllyesztékes szikraforgácsolás, tömb szikra, SPARK):

A sűllyesztékes szikra forgácsolásnál két - szigetelő folyadékba, ún. dielektrikumba merített - elektróda között kisülés sorozatot hozunk létre és ennek eredményeként az egyik  elektródán - a munkadarabon - kialakul a másik elektróda az, un. szerszám elektróda képe.

Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy a hagyományos gépeknél a munkadarab lenyomatával megegyező elektródát kell készíteni, Amennyiben a munkadarab és szerszám elektróda egy megfelelő pályán egymáshoz képest elmozdul tetszőleges alakú munkadarab készíthető.

A folyamathoz szükséges dielektrikum petróleum, aromás szénhidrogén, transzformátor olaj lehet.

Huzalelktródás szikraforgácsolás (drótvágás)

Ennél az eljárásnál egy vékony (0.1-0.5mm) csupasz félkemény elektrolitréz huzal egy gyengén fékezet csévéről szálfeszítőkön, terelő görgőkön és zafír vezető fejeken át a felcsévélő orsóra jut. Az elektróda huzal folyamatos elektromos kapcsolatát keményfém csúszó érintkező biztosítja.

Az elektróda fogyást a huzal tengelyirányú, folyamatos mozgásával akadályozzák meg, illetve csökkentik megengedhető mértékűvé.

A folyamathoz szükséges dielektrikum ioncserélt víz, amely szűrön és ioncserélő gyantákon át folyamatosan kering.
 
 

Az elektródokra a gyújtófeszültséget kapcsolva, kialakul a villamos erőtér az elektródák között.

A dielektrikumban lévő szennyező anyagok a villamos erőtérnek megfelelően állnak be.

Az erőtér hatására a katódnál elektronok lépnek ki és megindulnak az anód irányába (un. hideg emisszió). Mozgásuk közben ütköznek a dielektrikum molekuláival, azt ionizálják. Így az ionizációk sorozata lökés ionizáció jelentkezik, felépül az ioncsatorna, a gyújtófeszültség összeomlik. Az ioncsatorna ellenállása kicsi, nagy áramot bocsát át igen rövid idő alatt. A munkadarabba becsapódó energianyaláb jól körülhatárolt helyen (kráterszerűen) megolvasztja a munkadarab anyagát. A megolvadt anyagrészek termikus, elektrodinamikus, hidrodinamikus erők hatására kifröccsennek, kivetődnek az elektródák közötti térbe, ahol a dielektrikumban elgőzölögtetés által gőzbuborékok keletkeznek.

A gőzbuborék felrobban, elősegítve a leválasztott anyag eltávozását. Az energia-utánpótlás megszűntével (megszüntetésével) a kisülési csatorna összeomlik, a vezetőrészecskék száma rohamosan csökken (dezionizálódás).

Az elektródák közötti térben regenerálódás utján létrejön az eredeti állapot. Nagyon fontos, hogy az energia-utánpótlást csak rövid ideig tartsuk fent, mert különben a szikrakisülés ívkisüléssé stabilizálódik.

A leválasztási folyamat anódirányban is létrejön ionbecsapódással. Ez a jelenség okozza az elektróda kopását. A szikraforgácsolás során felszabaduló energia 90 százaléka az elektródán, munkadarabon és dielektrikumban hővé alakul. A kisülési csatorna talppontjában igen erős a hőhatás, ami a munkadarab anyagának károsodását eredményezi.

Mind a munkadarab, mind a szerszám is erodálódik, melynél azonban ugyanazon anyagnál az anódként kapcsolt munkadarab jobban tönkremegy, mint a katódként bekapcsolt szerszám.

Gazdaságos vágás eléréséhez szükséges az időegységben bekövetkező szikraátütések számát lehetőleg növelni, mivel a tapasztalat mutatja, hogy az erózió erőssége arányos az elektróda-közbenső terén áthaladt impulzusok számával. A szikrázások gyakoriságát adott szikraenergia mellett nem lehet azonban tetszés szerint növelni, mert két kisülés között a szikrarés iontalanítandó.

A szikrakisülés feltételei:

• Az elektródok nem érintkezhetnek, de távolságok szikraköznyi kell, legyen, a közöttük lévő teret dielektrikum töltse ki,
• Az elektródákra nem állandó egyenfeszültséget, hanem feszültségimpulzusokat kell adni

A generátorok fejlődését ezért túlnyomó részben a vágásteljesítmény növelése és a szerszámelektróda kopásának csökkenése jellemzi.
 
 

A szikraeróziós folyamatok teljesítménye, a kráterképződés és az elektródakopás nagymértékben függ:

• az áramimpulzus alakjától
• az amplitúdójától
• szélességétől
• a dielektrikum anyagától
• áramlási tulajdonságaitól
• az elektróda anyagától, termikus tulajdonságaitól
• az elektróda polaritásától.

Az impulzus generátorok sokoldalúságukkal és jó teljesítményükkel felülmúlják a relaxációs generátorokat, bár sokkal drágábbak, mint azok. A négyszögletes impulzus generátor esetében minden szikra-paraméter, mint az impulzus szélesség, a “szikra" idő, a kialvási idő, az ívoltás stb. könnyen változtatható, hogy optimális forgácsolási feltételeket hozzunk létre.

Impulzus alakok:

• négyszögletes hullámok,
• változtatható energiájú és ívidejű impulzusok,
• négyszögletes, fésű és trapéz alakú, állandó amplitúdójú impulzusok,
• kicsi, mindössze 1 és 10 mikro joule közötti energiájú, trapéz alakú impulzusok

Az első szikraeróziós gépek RC-típusú vezérlés nélküli relaxációs generátorral “indító áramkörnek" is nevezve működtek. Ezen elv szerint működő generátorok, erősen leegyszerűsítve, Uo egyenáramforrásból (pl. egyirányú váltakozó feszültség), R töltésellenállásból, C kondenzátorból és folyékony dielektrikumban, munkadarab-elektróda elrendezésből állnak. Ha bekapcsolják az egyenáramforrást, úgy a C kondenzátor a = RC időállandók szerint exponenciálisan az R ellenálláson át feltöltődik. Meghatározott Uz kondenzátorfeszültség mellett (gyújtásfeszültség), mely az elektróda - munkadarab közti távolságtól és a dielektrikum átütésszilárdságától függ, az elektróda és munkadarab között szikra keletkezik, mely a kondenzátort kisüti. Az elkerülhetetlen vezetési induktivitások miatt a kisülés erősen csillapított rezgés formájában történik. Amennyiben az átütés alatt a töltőáramkörből továbbított egyenáram kisebb egy fényív fenntartás kritikus értéknél, és ennek megfelelően választják meg a töltőellenállást, akkor a kisülés rövid áramlökés után megszakad. A szikrakisülés megszűnése után a kondenzátor újból feltöltődik, és a ciklus újból kezdődik. A kondenzátoron eközben fellépő billenőrezgések adták a fenti eljárás nevét.

Ezen elrendezésnek azonban van egy nagy hátránya: Csupán kis, maximálisan 50 %-os hatásfokkal működik, mivel legalább a fele az egyenáramforrásból vett energiának a töltésellenállásban hőre átváltozik. Lényegesen jobb hatásfokot érnek el, ha a töltésellenállást töltésinduktivitással pótolják (LC-generátor). Ennél mindjárt két további előny adódik. Mivel a fojtás és a kondenzátor rezgőkört képez, így a feltöltés már nem exponenciálisan, hanem pulzálóan megy végbe. A fenti eljárást ezért “rezgőkör eljárásnak" is nevezik. A kondenzátoron maximálisan fellépő feszültség ennél a forrásfeszültség duplája. A feszültség eme kétszeresét vagy arra lehet felhasználni, hogy a bemenő feszültséget csökkentsék, vagy hogy a feltöltési időt megrövidítsék. Az LC-generátor második előnye a szikrarés iontalanításának javítása. Ez az alábbit jelenti: A szikratöltés befejeztével a szikra bizonyos ideig még ionizál, azaz vezető. Amennyiben közvetlenül a kisülés után megkísérelnénk a feszültséget a kondenzátoron nagyon gyorsan megnövelni, úgy - mivel a szikraszakasz még vezető - a feszültség azonnal összeomlana, és a szikra kisülése helyett fényívkisülést kapnánk, amely a megmunkálandó munkadarabot megkárosítaná.

A kondenzátor ismételt feltöltésével tehát bizonyos ideig várni kell, ill. a kondenzátoron lévő feszültségnek nem szabad túl gyorsan növekednie. Az RC-generátornál ezt az R-ellenállás megfelelő mérése által érik el.

Az LC generátornál az L induktivitás megfelelő választásánál a feszültség növekedése először lényegesen lassabb, mert a töltési periódus kezdetén az egész feszültség az induktivitáson fekszik és csak nagyon csekély áram áramlik. Csupán ha a fojtás erőterét felépítették, kerül sor erős töltőáramra. Így az első fázisban a feltöltés késedelmes és a második fázisban gyorsul fel.

A vezérelt relaxációs generátor

A fényívképzés elkerülésére a töltő áram egy kritikus érték alatt tartandó. Ez a töltőellenállás által és a töltő induktivitás által történik, ezáltal minimális töltési idő és ezzel maximális szikrasorozat-frekvencia adódik. A fenti okból célszerű, iontalanitási idő alatt az áramforrást a szikraköztől elválasztani. Ez történhet azáltal, hogy a töltési vagy kisülési körben kapcsolóról gondoskodnak. A feltöltési folyamat alatt a kondenzátor a szikraréstől elválasztott úgy, hogy a kondenzátoron egy meredek feszültség-növekedésnek semmi sem áll útjában, azaz a feltöltési idő erősen megrövidíthető és ezáltal a szikrasorozat frekvencia erősen megnövelhető.

A fenti generátorok a vezérlés nélküli relaxációs generátorokkal szemben képesek nagyobb mértékben érvényesülni.

Ennek két oka van:

Amennyiben elektroncsöveket alkalmaznak, úgy, mivel az egyes csövek csupán kis áramerősséget szolgáltatnak, nagyon sok cső kapcsolandó párhuzamosan, mégpedig 100-1000 darabos nagyságrendben. Ez nagy fűtésteljesítményt igényel, valamint nagy elektronikus ráfordítást, és mindenekelőtt növekszik a javítás gyakorisága.

Amennyiben tiratronokat vagy igritronokat alkalmaznak, úgy fennáll az a nehézség, hogy a csöveket újból lezárt állapotba vezessék át. Eme csövek általában először a feszültség zéróáthaladásánál zárnak újból. Ezt elérhetik azáltal, hogy egyenirányított váltakozó áramot alkalmaznak, melynél mindig 180° után zéróáthaladás áll be. Ahhoz, hogy más szikrasorozat frekvenciát állítsanak be, úgy a váltakozó áram frekvenciájának is, mivel ez a szikrasorozat frekvencia fele, változnia kell, azaz a frekvenciában tág határok között szabályozható rezgéskeltőre van szükség, ami azonban. nagy ráfordítást igényel.

A gépgenerátor

A szikraeróziós generátorok fejlesztésének következő lépése a gépgenerátorok voltak, melyeket túlnyomóan a Szovjetunióban gyártottak. A pólusok megfelelő kiképzése által a kisülési impulzusok számára görbealakot érnek el, mely a derékszögű görbét nagyon megközelíti. A fenti generátorok elt5nye, melyek töltéskondenzátorok nélkül működnek, a viszonylag nagy vágásteljesítmény volt és ama lehetőség, hogy szénelektródákat alkalmazzanak. Ezzel szemben hátrányos volt a vágásteljesítmény a simítási megmunkálásnál. Ez a szoros frekvenciától függ, mellyel a gépgenerátorok működnek. A frekvenciák ennél mintegy 1 kHz körül vannak. Mint már a relaxációs generátoroknál említettük, a simítás megmunkálásához lényegesen nagyobb frekvenciák szükségesek, hogy a vágásteljesítmény hulladékát elfogadható határok között tarthassák. Nehogy az előny a nagyoló megmunkálásnál megszűnjön, a generátorokat még a befejező megmunkáláshoz relaxációs generátorral kellett kombinálni.

Ugyanakkor még egy gépgenerátor vált ismertté, mely szinusz alakú váltakozó feszültséget szolgáltat. E váltakozó feszültséget egyenirányítják, úgy, hogy a fenti generátor félnullám-generátornak nevezhető. A relaxációs generátorokkal szembeni előnyei a vágásteljesítmény vonatkozásában csupán igen nagy megmunkálási felületeknél adódnak. Kisebb megmunkálási felületeknél a nagy vágásteljesítmény előnye az elektróda nagy kopása következtében megszűnik.

A fő ok, amiért a gépgenerátorok nem képesek érvényesülni, a szerkesztés által szigorúan előírt szikrasorozat frekvencia.

Az impulzus generátor

A szikraeróziós generátorok fejlődésének ideiglenes befejezését jelentheti az impulzus-generátor. Ahelyett, hogy egyszerűen “impulzus-generátornak" nevezzük, pontosabban “tárolásmentes, elektronikusan vezérelt impulzus-generátorról" kellene beszélni, mert a vezérelt relaxációs generátorok és a gépgenerátorok is impulzus-generátorok.

A vezérelt ill. vezérlés nélküli relaxációs generátoroktól az impulzus generátorok főleg az alábbi pontokban térnek el:

Hiányzik a kondenzátorelem, azaz kiesik a megkülönböztetés a feltöltési és kisülési körben.

Kapcsolókként félvezető elemeket (tranzisztorokat vagy vezérelt félvezető egyenirányítókat) használnak. A kapcsoló vezérlése saját derékszögű impulzus-generátor segítségével történik, mely általában frekvenciát meghatározó elemként multivibrátort tartalmaz.

A feszültségforrásnak kiadósabbnak kell lennie, mert a kisülési folyamat alatt a feszültségforrásnak folyamatosan kell a szükséges áramerősséget szolgáltatnia, a relaxációs generátorokkal ellentétesen, melyeknél a feltöltési áramerősség a kisülési áramerősségnél lényegesen alacsonyabb.

Az üresjárat-feszültség kisebb, mégpedig 100 Volt alatti. Ez egyrészt a tranzisztorok csekély zárófeszültségétől függ, másrészt gazdasági okokból kis feszültséget kell szorgalmazni. A szikrarésen lévő feszültség a kisülési folyamat alatt, az áramerősségtől függetlenül és a szikrarés nagyságától is gyakorlatilag függetlenül, 15 és 30 Volt közötti. Amennyiben a forrás nagyobb feszültséget szolgáltat, úgy ez pl. előzetes ellenállásban haszontalanul megsemsítendő vagy megfelelő készülékek által kiegyenlítendő.

A szikrarésen lévő feszültségnek derékszögű görbe alakja van, míg a relakszációs generátorok erősen tompított rezgésűek.

Az áramlás tartama és az áramlás szünete közötti arány (a relakszációs generátornál ez a kisülés tartama és a feltöltés tartama közötti aránynak felel meg, mely mintegy 1:10-1:100) az impulzusgenerátornál 9:1-ig emelkedhet. Ez a tényleges munkaidő növekedését jelenti a megmunkálási idő viszonylatában és ezzel a vágásteljesítmény növekedését.

A szikrasorozat frekvenciája valamint az áramlás tartama és az áramlás szünete közötti arány nagyon tág határok között megváltoztatható, csupán az elektronikus kapcsolók sajátosságai által és a vezérlőkészülék lehetőségei által korlátozottan. Így az impulzusgenerátor csekély ráfordítás mellett a megmunkálás számára mindenkor legelőnyösebb paraméterek beállítását teszi lehetővé. Ez különösen fontos, ha különböző szerkezeti anyagok, mint acél, keményfém, titán stb. ugyanazon gépen munkálandók meg. A relakszációs generátoroknál, optimális munkafeltételek biztosítása érdekében szükséges lenne, ha az említett összes szerkezeti anyag számára speciális generátort alkalmaznának.