慢走絲研究現(xiàn)狀

楊　林，謝建華，張　省

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

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慢走絲研究現(xiàn)狀

楊林，謝建華，張省

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

摘要:根據(jù)慢走絲的技術特點，從以下6個方面對其研究現(xiàn)狀、技術發(fā)展水平及目前存在的主要問題進行了分析：參數(shù)優(yōu)化、仿真分析、加工過程的監(jiān)測和控制、復合工藝、脈沖電源和輪廓精度控制。最后，結合慢走絲的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢對其未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：慢走絲；監(jiān)測和控制；復合工藝；脈沖電源

目前市場上的線切割機床主要有三種：快走絲、中走絲和慢走絲。快走絲是我國生產和使用的主要機種，是我國獨創(chuàng)的電火花線切割加工模式。中走絲是快走絲的升級產品，具備多次切割功能。快走絲與中走絲的電極絲都是往復運動，而慢走絲采用的是線電極連續(xù)供絲的方式，因此即使電極絲發(fā)生損耗也能連續(xù)地予以補充，故能提高零件加工精度。慢走絲加工的工件表面粗糙度可達到Ra=0.8 μm及以上，慢走絲加工的圓度誤差、直線誤差和尺寸誤差都優(yōu)于快走絲與中走絲，因此慢走絲已在模具、夾具和量具、航空和醫(yī)療零件以及砂輪成型工具等精密制造領域得到了廣泛的應用[1]。

本文分析了慢走絲的加工原理，介紹了各個研究領域的發(fā)展現(xiàn)狀，最后對慢走絲未來的發(fā)展進行了展望。

1　慢走絲加工原理

慢走絲加工是利用連續(xù)移動的細金屬絲作電極，對工件進行脈沖放電蝕除金屬、切割成型的一種特種加工工藝，如圖1。慢走絲放電加工時，極間介質被擊穿，形成一個由等離子體組成的放電通道，通道內的瞬時溫度高達10 000 ℃，高溫使得工件材料熔化、氣化，在放電間隙時間內，壓力電介質溶液能夠將熔化的工件材料以微小碎片的形式沖離基體材料，從而實現(xiàn)了材料的去除。

圖1 慢走絲加工示意圖

2　慢走絲研究方向

近幾年慢走絲的研究方向可以概括為以下6個方面：參數(shù)優(yōu)化、仿真分析、加工過程的監(jiān)測和控制、復合工藝、脈沖電源和幾何精度控制。

2.1　參數(shù)優(yōu)化

慢走絲加工過程極其復雜，30多種參數(shù)都會對加工質量產生影響，因此需要對加工參數(shù)進行優(yōu)化以獲得最佳加工表面質量。

慢走絲加工參數(shù)優(yōu)化的研究主要是針對難加工材料，特別是金屬基復合材料和陶瓷顆粒增強材料。V. Muthuraman等人[2]正交試驗研究WC-Co金屬基復合材料時考慮的參數(shù)包括Co的含量、脈沖寬度、電極絲進給速度、絲張力、放電電流和介質壓力。Pragya Shandilya 等人[3]采用與[2]相同的方法研究了陶瓷顆粒增強的鋁基金屬復合材料的參數(shù)優(yōu)化。Probir Saha等人[4]使用神經網絡遺傳算法研究了TiC顆粒增強復合材料的多目標參數(shù)優(yōu)化。Ko-Ta Chiang等人[5]對Al2O3顆粒增強材料進行參數(shù)優(yōu)化。

但是學者們在進行實驗研究時通常只考慮了某幾個參數(shù)，這對于影響變量多達30種的慢走絲來說，還有很長的一段路要走。

2.2　仿真分析

由于加工溫度高，切縫窄，難以進行檢測，因此國內外學者采用仿真分析對慢走絲加工過程進行了大量研究。

韓福柱等人[6]用Ansys進行了熱應力耦合分析。P.Haas等人[7]對切縫中的流場進行仿真，設計了能提高清洗和冷卻效率的新型噴嘴結構。Z.N.Guo等人[8]則仿真分析了連續(xù)放電情況下電極絲的波動以及該波動對放電點分布的影響。李健等人[9]模擬了單脈沖放電條件下單晶硅的溫度場及熱應力場。程剛等人[10]通過仿真分析得到電極絲在連續(xù)放電狀態(tài)下的三維瞬態(tài)溫度分布。

綜合看來，仿真研究主要集中于溫度場和應力場的分析，可預測實際加工的表面粗糙度，材料去除量及應力分布等。慢走絲加工時電極絲單次利用，電極絲的損耗對于加工的影響較小，因而相對來說對工件進行仿真分析意義更大。

2.3　加工過程的監(jiān)控

慢走絲是一種精密加工工藝，除機床傳動系統(tǒng)和脈沖電源要求較高之外，還需要一些實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)對工件厚度、電極絲恒速恒張力、放電狀態(tài)和放電間隙等進行實時控制來提高加工質量。

Y-S.Liao等人[11]根據(jù)高度調整伺服電壓來預防加工過程中斷絲現(xiàn)象的產生。E.Portillo等人[12]使用人工神經網絡來監(jiān)測電火花線切割加工不同厚度的過程，提前診斷出放電變量的變化并及時做出調整來預防斷絲現(xiàn)象的發(fā)生。Mu-Tian Yan等人[13]運用基于遺傳算法的模糊邏輯控制器控制走絲系統(tǒng)的絲張力。Ulas Caydas等人[14]提出一個模糊神經推理系統(tǒng)模型來預測慢走絲表面白層的厚度以及表面粗糙度。許慶平等人[15]根據(jù)慢走絲機床走絲系統(tǒng)的特點，提出了微細絲運絲選用重錘機構產生的問題及解決方案。宋蒙蒙等人[16]則用模糊PID與BP網絡PID智能算法分別控制電極絲的恒速與恒張力控制。

慢走絲加工時可控因素很多，實現(xiàn)多因素實時高效的閉環(huán)控制是慢走絲加工的重點也是難點。

2.4　復合工藝

慢走絲與其他工藝復合稱為復合工藝，復合工藝一般同時擁有兩種工藝的優(yōu)點。

常見的一種復合工藝是用慢走絲加工旋轉工件，即慢走絲磨削。Aminollah Mohammadi等人[17]在慢走絲加工的基礎上賦予工件旋轉運動，材料蝕除率隨著相對運動速度的增加而增加[18,19]。另有一些復合工藝致力于提高電火花線切割加工的表面完整性和加工速度。如在電極絲上施加超聲振動，不僅可以提高加工表面質量，而且能有效減少短路現(xiàn)象的發(fā)生[20,21]。H.Gotoh等人[22]研究了慢走絲與銑削的復合。I.Menzies等人[23]設計了一種嵌入非導電磨粒的電極絲，使用該特種電極絲加工時材料一方面是靠放電腐蝕，另一方面靠的是非導電磨粒的磨削進行去除，比一般慢走絲加工的材料去除率大得多，表面再鑄層也較少，但該電極絲較難制備，且磨粒的大小也有嚴格的要求。

目前慢走絲復合工藝大多處于實驗研究階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應用。

2.5　脈沖電源

慢走絲加工利用放電所產生的熱量來蝕除金屬，所施加脈沖的性能是影響加工質量的關鍵因素，因此脈沖電源是慢走絲機床最關鍵的設備之一，機床加工質量的好壞在一定程度上主要取決于脈沖電源的性能[24,25]，因此改善脈沖電源的性能具有十分重要的意義。

最近幾年，國內外學者對慢走絲脈沖電源也做了不少研究。Do Kwan Chung等人[26]基于雙電層理論設計了一個防電解電源。與傳統(tǒng)的RC脈沖電源相比，獲得7倍材料去除率的同時卻保持表面粗糙度Ra小于0.1 μm基本不變。韓超[27]研制出了窄脈寬、大電流的無阻脈沖電源。狄士春等人[28]研究出的并聯(lián)諧振型脈沖電源能夠降低開關器件的開關損耗，獲得了很窄脈寬和很小的單個脈沖放電能量。

隨著現(xiàn)代控制理論的不斷豐富以及計算機智能控制技術、電子技術的進一步發(fā)展，涌現(xiàn)出諸多的新型脈沖電源：如智能脈沖電源，節(jié)能脈沖電源，防電解脈沖電源，超精加工、微細加工脈沖電源以及專用輔助脈沖電源等。針對不同加工場合開發(fā)專用脈沖電源成為該領域發(fā)展的一個顯著特點。

2.6　輪廓精度控制

提高輪廓精度一直是慢走絲的幾個主要研究方向之一，而輪廓精度又可細分為拐角精度和錐面精度。為更好的理解慢走絲加工工件輪廓誤差產生的原因，需要對加工過程中的各種作用力進行分析，因為當電極絲受力時，會產生彎曲和振動，從而產生變形[29,30]。

提高幾何精度的方法主要分為兩大類：一是通過修改加工參數(shù)來減少電極絲的變形；另一種是通過在線修正電極絲的軌跡來減少幾何誤差[31]。Sanchez J.A等人[30]提出的分析模型使得在任一加工條件下都可以測得間隙力的大小和電極絲的滯后量。

加工時由于電極絲受力變形而產生的輪廓誤差是影響慢走絲加工質量的一個重要因素，就目前的發(fā)展水平看還有待更深入的研究。

3　慢走絲研究展望

隨著激光切割、水切割等新加工工藝的出現(xiàn)以及超強、超硬材料的出現(xiàn)，慢走絲必須不斷地發(fā)展來滿足越來越苛刻的工業(yè)需求。目前對慢走絲放電過程認識有限，需進一步探索不同參數(shù)的相互影響、制約規(guī)律。

今后慢走絲依然會尋求與其他加工工藝的復合來拓展應用范圍和提高加工性能。脈沖電源的自動化和智能化是慢走絲脈沖電源研究的一個重要方向。慢走絲的發(fā)展也將遵循綠色制造戰(zhàn)略，節(jié)能電源及綠色工作液的研發(fā)將會成為一個重要研究方向。

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研制開發(fā)

State-of-Art of Research on Low Speed Wire Electrical Discharge Machining

YANG Lin, XIE Jian-hua, ZHANG Sheng

(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract:According to the technical features of low speed wire electrical discharge machining (LSWEDM), its current research situation, technical level and main problems are discussed in this article from six aspects, namely parameter optimization, simulation analysis, monitoring and control of the WEDM process, hybrid technique, pulse power supply and accuracy control of profile. Finally, future development of LSWEDM is outlined.

Key words:low speed wire electrical discharge machining (LSWEDM); monitoring and control; hybrid technique; pulse power supply

中圖分類號：TH16

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0032-03

作者簡介：楊林(1989-)，江蘇連云港人，在讀研究生，主要研究方向為特種加工。

收稿日期：2014-12-25