精密線切割加工關(guān)鍵理論研究進(jìn)展綜述*

明五一，郭建文，張 臻，陳 志，李 賀（1.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院//廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞 53808；.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

精密線切割加工關(guān)鍵理論研究進(jìn)展綜述*

明五一1,2，郭建文1,2，張 臻2，陳 志2，李 賀2
（1.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院//廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞 523808；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

宏觀力小、可控性好、加工質(zhì)量高是電火花加工的顯著優(yōu)點(diǎn)，特別是能加工各種復(fù)雜表面工具和高硬度、特殊性能的材料。因此，電加工在模具等精密零件加工中得到廣泛應(yīng)用。但是，模具精度要求越來(lái)越高，對(duì)應(yīng)的加工設(shè)備性能指標(biāo)要求也越來(lái)越苛刻。因此提高電火花線切割加工精度面臨十分迫切的需求，這其中主要涉及到電火花放點(diǎn)過程、電火花加工機(jī)理、電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化關(guān)鍵理論，這些都是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。

線切割；關(guān)鍵理論；研究進(jìn)展

0 引言

目前，隨著汽車、家電、信息、機(jī)電、建材等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)精密模具的需求也越來(lái)越高，例如汽車制造中保險(xiǎn)杠、儀表板、油箱、方向盤以及彩電、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)等家用電器服務(wù)中的大中型精密塑料模具；移動(dòng)通信設(shè)備、微機(jī)、顯示器、集成電路等產(chǎn)品配套的中小型精密模具；建材配套的異型材模具、塑料管路模具，汽車行業(yè)中子午線輪胎服務(wù)的子午線輪胎模具(特別是活絡(luò)模)等精密模具。

設(shè)備的加工精度對(duì)于模具的加工精度影響非常大，一般模具的精度為3～5 μm，隨著零件的進(jìn)一步精密化、復(fù)雜化，某些零件的模具精度已達(dá)到1～2 μm，甚至要求公差在1 μm以下。模具的精度要求越來(lái)越高，對(duì)應(yīng)的加工設(shè)備要求也越來(lái)越高，尤其體現(xiàn)在模具的精加工階段。由于模具精加工所耗費(fèi)的時(shí)間占了模具總加工的大部分時(shí)間，若能提高精加工的效率與精度，不僅能縮短總加工的時(shí)間，還可能減少或甚至無(wú)需以后的研磨工序，尤其體現(xiàn)在精密模具的大批量生產(chǎn)中，更能大大縮短交貨期，從而提高模具企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。根據(jù)國(guó)內(nèi)和國(guó)際模具市場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r，有關(guān)專家預(yù)測(cè)，未來(lái)我國(guó)的模具經(jīng)過行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后，模具的精度將提高到1 μm以下。

電火花線切割加工（Wire Cut EDM，簡(jiǎn)稱WEDM），是一種用線狀電極（鉬絲或銅絲）依靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割加工的一門現(xiàn)代制造技術(shù)。電火花加工每次放電時(shí)間一般都很短，數(shù)量級(jí)為μs，伴隨有電、磁、熱等復(fù)雜物理過程，它在短時(shí)間內(nèi)形成的局部、瞬態(tài)高溫蝕除加工工件表面材料，達(dá)到工藝要求的精度和表面質(zhì)量[1]。電火花線切割加工具有宏觀力小、可控性好、加工質(zhì)量高等顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在加工各種復(fù)雜表面零件和高硬度、特殊性能的材料[2]。隨著產(chǎn)品的復(fù)雜化及關(guān)鍵零部件的精密化，對(duì)模具加工精度與表面質(zhì)量等提出了更高的要求，一般精密模具的精度為3～5 μm，某些零件的模具精度已達(dá)到1～2 μm，甚至要求公差在1 μm以下。模具精度要求越來(lái)越高，對(duì)應(yīng)的加工設(shè)備要求也越來(lái)越高。因此提高電火花線切割加工精度對(duì)于整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步具有非常重大的意義，主要途徑包括電火花放電過程、電火花加工機(jī)理、電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化關(guān)鍵理論，其相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)展在下面小節(jié)中論述。

1 電火花放電過程分析

國(guó)際研究方面，Zimanyi[3]用高速攝影來(lái)觀察電火花加工的放電間隙，該實(shí)驗(yàn)用間隔5 mm的尖狀電極在煤油中完成加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出了相隔25 μs的極間等溫線。通過高速攝像，對(duì)放電過程的了解更加具體、客觀，對(duì)于推動(dòng)電火花加工技術(shù)的發(fā)展是有益的，但是，對(duì)于闡述加工機(jī)理還有待改進(jìn)。Obaciu[4]認(rèn)為，在放電加工的開始階段（局部融合之前），晶界之間會(huì)產(chǎn)生一些機(jī)械裂紋，從而導(dǎo)致這些表面固體與母體隔離開來(lái)，進(jìn)而加速加熱過程，同時(shí)熔化和汽化帶走大部分熱量。這項(xiàng)研究的放電熱學(xué)模型是將電極假設(shè)為半無(wú)限的同性固體來(lái)處理，模型的精度有待改進(jìn)，后期還需要相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其模型。

Rutberg與Zimany一樣，他也利用高速攝影等復(fù)雜工具，觀察研究放電過程中電極材料是如何蝕除工件。此外，Antoine Descoeudres、Hock?enberry等利用高速攝影和光學(xué)測(cè)量等手段對(duì)放電通道進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為放電的全過程中，每一次脈沖放電期間都處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。一些印度學(xué)者在這方面研究做作了大量的工作，Ajit Singh和Amitabha Ghosh通過大量的研究得出，在電火花加工過程中，材料去除的主要原因是材料的融合。

1989年到1993年期間，美國(guó)得克薩斯A&M大學(xué)的Philip T.Eubank和Daryl D.[5]等人提出了基于熱動(dòng)力學(xué)、流體機(jī)制和輻射的公式變質(zhì)量等離子體柱電加工模型，進(jìn)而分別建立陰、陽(yáng)兩極蝕除模型，并進(jìn)行了相關(guān)仿真計(jì)算。該模型可計(jì)算等離子體直徑、溫度、壓力、質(zhì)量等模型輸出與電流、間隙、能量輸入之間的關(guān)系，并通過計(jì)算，定量證明EDM蝕除的主要機(jī)制是過熱。對(duì)于電極材料的噴濺蝕除現(xiàn)象，Watson[6]建立了一個(gè)在強(qiáng)電流下，基于電磁流體動(dòng)力學(xué)的電極表面損耗去除的模型，對(duì)電極材料的噴射去除現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

國(guó)內(nèi)研究方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔景芝[7]闡述微細(xì)電火花加工的基本規(guī)律，并進(jìn)行仿真研究，建立了基于分子動(dòng)力學(xué)的針尖電極放電模型，模擬了鎢針尖電極單脈沖放電的形成過程。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊曉冬等對(duì)微細(xì)電火花加工放電凹坑的凸起成因首次應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行仿真，闡述放電蝕除機(jī)制；同時(shí)還對(duì)放電蝕除材料在極間的分布狀態(tài)以及電極材料微結(jié)構(gòu)對(duì)電火花加工的影響等進(jìn)行了仿真研究。

到目前為止，針對(duì)電火花放電過程分析所建立的模型還需要進(jìn)一步完善，從分子動(dòng)力學(xué)角度建立連續(xù)放電電火花加工過程模型還不多見，通過分子動(dòng)力學(xué)模型模擬電極的耗損以及研究拐角加工誤差還不是很多，因此預(yù)計(jì)通過對(duì)實(shí)際加工進(jìn)行模擬將有利于工程問題的解決，反過來(lái)也能更好的驗(yàn)證和修正模型。

2 電火花加工機(jī)理

鑒于微細(xì)電火花過程的復(fù)雜性、隨機(jī)性和微小化，加之觀測(cè)手段和新的試驗(yàn)理論及方法的缺乏，僅僅通過觀察現(xiàn)象、分析試驗(yàn)結(jié)果得出內(nèi)在機(jī)理的傳統(tǒng)研究方法在微細(xì)電火花機(jī)理的研究方面就顯得力不從心。近些年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也日新月異，在各個(gè)領(lǐng)域中均顯示出其相對(duì)于傳統(tǒng)試驗(yàn)研究方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，只要所建立模型合理，通常能解釋一些復(fù)雜的理論或預(yù)言一些極限條件下的現(xiàn)象；此外其低成本的特性更使其越來(lái)越受科研界的青睞。因此在微細(xì)電火花的機(jī)理研究方面，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

Marafona，Chousal[8]基于焦耳效應(yīng)建立電火花加工過程的有限元模型，通過仿真得出電極表面材料去除率和粗糙度[8]與電流密度的關(guān)系，并計(jì)算出放電通道中的溫度分布，這與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合。Vinod Yadav，Vijay等[9]通過建立有限元模型預(yù)測(cè)電火花加工高速鋼后其表面的熱應(yīng)力分布，闡明了熱應(yīng)力對(duì)表面微裂紋的影響。Kalyanasundaram[10]等人利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了納米電加工時(shí)放電介質(zhì)油的準(zhǔn)固化行為。結(jié)果顯示當(dāng)放電間隙為3 nm時(shí)，擊穿電壓-電流和絕緣恢復(fù)特性與放電介質(zhì)分子的尺度和凈電場(chǎng)力有關(guān)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于電火花加工的仿真研究多數(shù)也是基于有限元技術(shù)進(jìn)行材料溫度場(chǎng)建模，借此對(duì)凹坑形成過程以及材料蝕除機(jī)理進(jìn)行研究[11-14]。此外利用粒子模擬技術(shù)對(duì)等離子通道振蕩特性進(jìn)行的研究，利用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)放電沉積及針尖電極自銳現(xiàn)象進(jìn)行的研究出現(xiàn)在崔景芝博士的論文中[7]。

3 電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化

Rajurkar[15]等認(rèn)為最佳火花頻率對(duì)于不同厚度工件是不同，因此工件厚度的實(shí)時(shí)檢測(cè)是很有必要的。他建立一個(gè)多輸入?yún)?shù)模型實(shí)現(xiàn)工件厚度的在線識(shí)別，這使得在伺服進(jìn)給不穩(wěn)定時(shí)也能有很高的精確性，但該模型考慮的工藝參數(shù)過少，需要進(jìn)一步完善。英國(guó)伯明翰大學(xué)的Bayamglu、Duffin等[16]對(duì)電火花銑削加工工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，其研究?jī)?nèi)容包括主軸轉(zhuǎn)速、走刀路徑和進(jìn)給步距對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗以及表面粗糙度的影響，以及對(duì)加工后工件表面的微觀硬度、顯微特性、加工效率以及加工費(fèi)用等研究。但是上述電加工過程中，有關(guān)加工精度、加工質(zhì)量方面的工藝參數(shù)優(yōu)化還需要深入研究和進(jìn)一步完善。

將模糊邏輯控制理論運(yùn)用到電火花線切割加工系統(tǒng)中的比較有影響力的是Hsue，Liao[17]等人。隨著模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用，電火花加工的過程工藝參數(shù)優(yōu)化控制中也越來(lái)越多應(yīng)用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最新成果，與傳統(tǒng)的無(wú)模糊控制相比，加工效率可提高20%～30%，但有關(guān)提高加工精度、加工質(zhì)量的工藝參數(shù)優(yōu)化并不多見。

國(guó)內(nèi)研究方面，上海交通大學(xué)樓樂明[18]等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立電火花加工工藝模型，其輸入?yún)?shù)為峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔、抬刀時(shí)間和加工時(shí)間等，其輸出參數(shù)為材料去除率和表面粗糙度，該模型能實(shí)現(xiàn)加工工藝效果的預(yù)測(cè)。西安交通大學(xué)數(shù)控技術(shù)研究所的員敏、于源、王小椿[19]等人將混合八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)引入到電火花銑削加工的幾何仿真算法中，對(duì)電火花銑削加工的仿真進(jìn)行了研究，給出了一種電極損耗補(bǔ)償算法，該算法實(shí)用、簡(jiǎn)單，并在一種新型整體渦輪的加工制造中得到驗(yàn)證。針對(duì)微細(xì)電火花加工穩(wěn)定控制的放電狀態(tài)辨識(shí)，大連理工大學(xué)周明[20]提出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)加工過程中的放電狀態(tài)預(yù)測(cè)。

從以上的研究情況上看，在一些方面取得了一定研究成果，但是大部分沒有研究在真實(shí)加工環(huán)境下的工件精度、表面粗糙度的影響因素。從電火花加工機(jī)理方面進(jìn)行分析的不多，涉及到加工機(jī)理的相關(guān)研究主要集中在單脈沖電火花加工，沒有深入研究連續(xù)放電加工對(duì)加工精度、加工質(zhì)量的影響，而且目前大部分的電火花放電加工模型預(yù)測(cè)精度還不能滿足現(xiàn)在高精度加工的要求。

4 結(jié)論

總之，從上述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況來(lái)看，受建模方法、計(jì)算手段及驗(yàn)證技術(shù)等條件的限制，目前對(duì)電火花放電過程的模擬主要停留在單脈沖放電加工，沒有或者很少涉及到電火花連續(xù)放電過程模擬，其電火花放電過程的模擬精度還有待提高，仿真后的結(jié)果與實(shí)際加工有一定差距，因而難以準(zhǔn)確揭示其影響加工精度的規(guī)律，故而建立在其之上的工藝優(yōu)化算法也有其局限性，這必將制約精密線切割裝備水平的提升。故而，建立連續(xù)放電分子動(dòng)力學(xué)加工過程模型，模擬實(shí)際加工環(huán)境下的加工過程，提高模型模擬的精度，準(zhǔn)確揭示加工工藝參數(shù)與加工精度之間的定量關(guān)系會(huì)成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

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The Development of Critical Theory Research in Precision Wire Cutting

MING Wu-yi1,2，GUO Jian-wen1,2，ZHANG Zhen2，CHEN Zhi2，LI He2
（1.DG-HUST Manufacturing Engineering Institute，Guangdong Province Key Lab of Digital Manufacturing Equipment，Dongguan523808，China；2.College of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China）

EDM electrode and the workpiece with macroscopic force is small，good controllability，etc.，so that it can process a variety of special properties of materials and a variety of complex surface of the workpiece，such as precision machining parts in the mold has been widely used.However，more and more high precision molds，and the corresponding processing equipment requirements are also increasing.Thereby，increasing the accuracy of WEDM is a very pressing need，which mainly related to the spark discharge point process，EDM mechanism and optimization of process parameters.These are currently hot research issues.

wire cutting；key theory；research

TG66

A

1009－9492(2014)05－0010－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.002

明五一，男，1981年生，博士研究生，工程師。研究領(lǐng)域：數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)電一體化。

(編輯：阮 毅)

*廣東省省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（編號(hào)：2011A090200102）；廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：2011A060901026）

2013－08－30