物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝中的應(yīng)用研究

王占輝，馬蘇常，霍文國

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222）

物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝中的應(yīng)用研究

王占輝，馬蘇常，霍文國

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222）

本文提出了將物質(zhì)-場分析法應(yīng)用在電火花加工工藝優(yōu)化中，建立了物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用流程，對放電腐蝕系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行分析，結(jié)合76個標(biāo)準(zhǔn)解，得到解決方案，與現(xiàn)存方案進(jìn)行對比，說明了物質(zhì)-場分析法在電火花加工優(yōu)化中的有效應(yīng)用及其優(yōu)勢，為電火花加工工藝研究提供了一種新途徑。

TRIZ；物質(zhì)-場分析；76個標(biāo)準(zhǔn)解；電火花加工；放電腐蝕系統(tǒng)

電火花加工是與機械加工完全不同的一種工藝方法，由于電火花加工有其獨特的優(yōu)越性，再加上數(shù)控水平和工藝技術(shù)的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，已經(jīng)覆蓋到機械、航天、航空、電子、核能、儀器、輕工等部門，用以解決各種難加工材料、復(fù)雜形狀零件和有特殊要求的零件制造。

隨著零件質(zhì)量要求的不斷提高，對電火花加工也提出更高的要求，因此，對電火花加工機床及加工工藝的優(yōu)化也在不斷進(jìn)行中。本文建立了物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用流程，對材料放電腐蝕系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行了分析，提出了解決方案，說明了物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝優(yōu)化中的有效應(yīng)用及前景。

1 電火花加工工藝的優(yōu)化方法

目前，國內(nèi)外學(xué)者們對電火花加工的優(yōu)化研究主要集中在兩個方面：

一是對電火花加工機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。如：李艷[1]等人基于有限元分析的電火花加工機床變形研究，通過Z軸施加配重，在提高靈敏度的同時，減小了機床變形。

二是對電火花加工工藝的優(yōu)化，尤其是對工藝參數(shù)的研究。如：Chen[2]等通過研究不同的加工放電電流、脈寬、脈間參數(shù)對加工效率和表面粗糙度的影響，對火花放電過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，搭建了材料去除率和表面粗糙度的理論模型，得出的材料去除率公式說明：材料去除率與峰值電流、脈沖寬度呈正比，與脈沖間隔呈反比的趨勢。陳虎[3]等人研究了不同的電極材料對加工性能的影響；孔凡國[4]等提出了蟻群算法改進(jìn)的模糊C均值聚類算法來選取工藝參數(shù)。該方法基于經(jīng)驗，采用聚類分析技術(shù)尋找最能夠代表一類數(shù)據(jù)的聚類中心作為最優(yōu)工藝參數(shù)，并通過仿真驗證了其有效性；四川大學(xué)的李翔龍[5]等根據(jù)電火花加工工藝規(guī)律，以加工速度和表面粗糙度為目標(biāo)，運用經(jīng)典遺傳算法優(yōu)選加工參數(shù)并進(jìn)行了仿真。

2 物質(zhì)-場分析方法概述

物質(zhì)-場分析法是TRIZ理論（發(fā)明問題解決理論）中重要的一種分析工具，可用于問題模型的建立、分析和轉(zhuǎn)換。若將其應(yīng)用在電火花加工優(yōu)化中，可以快速的得到有效的優(yōu)化方案。在使用物質(zhì)-場分析和解決問題的過程中，首先要建立系統(tǒng)功能模型，根據(jù)功能模型所描述的功能問題的類型來確定問題的性質(zhì)，同時，結(jié)合76個標(biāo)準(zhǔn)解[6]找到相應(yīng)的解決方案。

2.1 物質(zhì)-場模型

將復(fù)雜系統(tǒng)分解為簡單系統(tǒng)是常用的分析方法。在TRIZ中，物質(zhì)-場模型是可以將系統(tǒng)進(jìn)行分解的工具。一個能夠工作的最小系統(tǒng)可以用物質(zhì)-場模型表示，同時也代表了一種功能。通過物質(zhì)-場模型及分析可以確定系統(tǒng)中的核心問題。最小的技術(shù)系統(tǒng)由兩種物質(zhì)及一種場組成，其基本的物質(zhì)-場模型如圖1所示。圖中F為場，S1及S2分別為物質(zhì)。含義為：場F通過物質(zhì)S2作用于物質(zhì)S1并改變S1。

圖1 物質(zhì)-場模型

2.2 物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用流程

物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用流程

放電腐蝕系統(tǒng)中的功能元件，用來描述系統(tǒng)的組成，包括技術(shù)系統(tǒng)元件、子系統(tǒng)元件，以及與系統(tǒng)之間存在輸入或輸出關(guān)系的超系統(tǒng)元件。

3 基于物質(zhì)-場分析法的材料放電腐蝕系統(tǒng)的優(yōu)化

電火花加工是在介質(zhì)中，利用兩極（工具電極與工件電極）之間的脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象對材料進(jìn)行加工，以使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定要求的加工方法。由于放電腐蝕系統(tǒng)中存在的各種問題，使得兩極之間的火花放電不穩(wěn)定，不能得到理想的加工質(zhì)量，因此，需要對材料放電腐蝕系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 確定材料放電腐蝕系統(tǒng)的功能元件

材料放電腐蝕系統(tǒng)中的功能元件，如表1所示。

表1 材料放電腐蝕系統(tǒng)的功能元件

3.2 建立材料放電腐蝕系統(tǒng)的功能模型

功能模型是采用功能描述的方式來表述元件之間的相互作用關(guān)系，反應(yīng)系統(tǒng)功能的實現(xiàn)機理。圖3列出了材料放電腐蝕系統(tǒng)的功能模型。

圖3 材料放電腐蝕系統(tǒng)的功能模型

3.3 對材料放電腐蝕系統(tǒng)問題的物質(zhì)-場分析

從圖4功能模型中，可以看到有多個需改進(jìn)的功能，如“電-機械式伺服控制系統(tǒng)”和“工具電極”、“工具電極”和“工件”、“工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)”和“工作液”、“雜質(zhì)”“拋出的電極材料”“電蝕產(chǎn)物”和“工作液”、“工件”和“電蝕產(chǎn)物”等多個物質(zhì)-場模型，下面對其中幾個進(jìn)行討論。

3.3.1 工具電極運動系統(tǒng)（靈敏度不夠）

為了維持適宜的放電條件，在加工過程中，電極與工件之間的間隙必須保持在很小的變化范圍內(nèi)。如間隙過大，則不易擊穿，形成開路；如間隙過小，又會引起拉弧燒傷或短路。為保持恒定的間隙，必須采用伺服控制系統(tǒng)來控制工具電極的進(jìn)給。

電-機械式伺服控制系統(tǒng)的傳動鏈采用旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動絲杠螺母的方式來實現(xiàn)，由于傳動鏈較長，因而存在滯后問題，使其剛性和響應(yīng)速度不能達(dá)到理想狀態(tài)。

應(yīng)用物質(zhì)-場分析法建立的物質(zhì)-場模型如圖4所示。

圖4 工具電極系統(tǒng)物質(zhì)-場模型

要使用標(biāo)準(zhǔn)解理論體系必須先確定出問題的類別（基于物質(zhì)－場模型），然后選定一系列標(biāo)準(zhǔn)解。由于自動調(diào)節(jié)進(jìn)給系統(tǒng)靈敏度問題的物質(zhì)-場模型是一個不足系統(tǒng)，應(yīng)該在76個標(biāo)準(zhǔn)解的第1或第2類中選取。

結(jié)合電火花加工的實際，得到的改善方案建議如下：

應(yīng)用76個標(biāo)準(zhǔn)解中的2.2.1，對于可控性差的場，用一個易控場代替，或增加一個易控場。得出解決方案：用容易控制的電磁力傳動來替代機械傳動，可用直線電機或電磁懸浮式代替旋轉(zhuǎn)電機，驅(qū)動主軸。

直線電機伺服控制系統(tǒng)簡化了電機和工具電極之間的傳動機構(gòu)，消除了電機、編碼器、聯(lián)軸器、絲杠等環(huán)節(jié)，靈敏度和定位精度得到進(jìn)一步的提高。改進(jìn)后的物質(zhì)-場模型如圖5所示。

圖5 工具電極運動系統(tǒng)改進(jìn)物質(zhì)-場模型

3.3.2 工具電極損耗

在電火花加工中，工具電極損耗直接影響加工精度、加工速度、加工質(zhì)量，因此，降低工具電極的損耗具有重大意義。

應(yīng)用物質(zhì)-場分析法建立的工具電極損耗物質(zhì)-場模型如圖6

圖6 工具電極損耗物質(zhì)-場模型

模型中，脈沖電源S2作用于工具電極S1上，產(chǎn)生了有害功能，即損耗工具電極，拋出了電極材料。故該工具電極損耗系統(tǒng)是一個有害系統(tǒng)，應(yīng)該在76個標(biāo)準(zhǔn)解的1.2類中選取。

結(jié)合電火花加工的實際，得到兩種改善方案建議如下：

1）應(yīng)用76個標(biāo)準(zhǔn)解中的1.2.2，通過改變S1或S2消除有害效應(yīng)。針對脈沖電源，可以改變電源連接工具電極的極性，同時調(diào)節(jié)脈沖電源的電參數(shù)組合，將工具電極的損耗降到最低；針對工具電極，可以改變工具電極的材料，根據(jù)所加工材料，選擇損耗最小的材料來制作工具電極。改進(jìn)后的物質(zhì)-場模型如圖7a）所示。

2）應(yīng)用76個標(biāo)準(zhǔn)解中的1.2.3，有害效應(yīng)是由一種場引起的，引入物質(zhì)S3吸收有害效應(yīng)。工具電極的損耗是由于離子在電場的作用下，向工具電極高速運動，對工具電極的碰撞產(chǎn)生的。因此，在工具電極表面增加一層保護(hù)膜，對碰撞產(chǎn)生的能量吸收隔離，即可起到減少工具電極損耗的目的。利用煤油之類的碳?xì)浠衔?，可發(fā)生熱分解，產(chǎn)生大量的游離碳微粒的特性，使用其作為工作液，在電火花放電過程中，游離的碳微粒還能與金屬結(jié)合形成帶負(fù)電荷的炭膠粒（S3），在電場作用下向正極移動，并吸附在正極表面，形成保護(hù)膜，減少工具電極損耗。改進(jìn)后的物質(zhì)-場模型如圖7b）所示。

圖7 工具電極損耗改進(jìn)物質(zhì)-場模型

3.4 與現(xiàn)存方案對比

將標(biāo)準(zhǔn)解解決方案與現(xiàn)有方案進(jìn)行對比，見表2。通過對比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用76個標(biāo)準(zhǔn)解得出的電火花加工中存在問題的解決方案，與實際應(yīng)用中的方案相吻合，驗證了物質(zhì)-場分析在電火花加工工藝優(yōu)化中的有效應(yīng)用。應(yīng)用TRIZ理論可以有效的解決工程領(lǐng)域的創(chuàng)新問題，使產(chǎn)品設(shè)計人員迅速找出問題、快速獲得理想的解決方案，大大提高了創(chuàng)新的速度以及創(chuàng)新方式的多樣性。因此，應(yīng)用物質(zhì)-場分析對電火花加工進(jìn)行優(yōu)化，可以快速的發(fā)現(xiàn)問題，為優(yōu)化指明方向，得到有效的解決方案。

表2 標(biāo)準(zhǔn)解解決方案和現(xiàn)存方案對比

4 結(jié)語

本文建立了物質(zhì)-場分析法在電火花加工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用流程，探討了其在電火花加工工藝優(yōu)化中的應(yīng)用，并與現(xiàn)存方案相佐證，驗證了物質(zhì)-場分析法是一種有效地電火花加工工藝優(yōu)化方法，能夠使設(shè)計人員快速的找到問題，為優(yōu)化指明方向，快速獲得理想電火花加工工藝優(yōu)化的解決方案。

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Study on the application of su-field analysis method in the EDM process

WANG Zhan-hui，MA Su-chang
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin 300222，China）

This paper presents the Su-Field Analysis Method used in the optimization of EDM process technology，establishes the application of flow of Su-Field analysis method in the optimization of EDM process technology，then analyze the issues of the tool electrode movement system and the electrode wear，achieving the feasible solutions，comparison with existing solutions.Thus，verify the effective application of TRIZ methods in EDM technology，at the same time，provide a new way for the research of EDM process.

TRIZ；Su-Field Analysis；76 Standard Solutions；EDM；Discharge corrosion system

T

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

國家自然科學(xué)基金（51305301）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿計劃項目（14JCQNJC05100）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金（黔科合J字[2014]2116號）.

王占輝（1988—），男，碩士研究生，研究方向為放電加工；馬蘇常（1968—），男，教授，博士，主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、特種加工.