精密線切割加工關鍵理論研究進展綜述*

明五一，郭建文，張 臻，陳 志，李 賀（1.東莞華中科技大學制造工程研究院//廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞 53808；.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074）

精密線切割加工關鍵理論研究進展綜述*

明五一1,2，郭建文1,2，張 臻2，陳 志2，李 賀2
（1.東莞華中科技大學制造工程研究院//廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞 523808；2.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074）

宏觀力小、可控性好、加工質量高是電火花加工的顯著優點，特別是能加工各種復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用。但是，模具精度要求越來越高，對應的加工設備性能指標要求也越來越苛刻。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過程、電火花加工機理、電火花加工工藝參數優化關鍵理論，這些都是目前國內外研究的熱點問題。

線切割；關鍵理論；研究進展

0 引言

目前，隨著汽車、家電、信息、機電、建材等行業的快速發展，對精密模具的需求也越來越高，例如汽車制造中保險杠、儀表板、油箱、方向盤以及彩電、洗衣機、電冰箱、空調等家用電器服務中的大中型精密塑料模具；移動通信設備、微機、顯示器、集成電路等產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，汽車行業中子午線輪胎服務的子午線輪胎模具(特別是活絡模)等精密模具。

設備的加工精度對于模具的加工精度影響非常大，一般模具的精度為3～5 μm，隨著零件的進一步精密化、復雜化，某些零件的模具精度已達到1～2 μm，甚至要求公差在1 μm以下。模具的精度要求越來越高，對應的加工設備要求也越來越高，尤其體現在模具的精加工階段。由于模具精加工所耗費的時間占了模具總加工的大部分時間，若能提高精加工的效率與精度，不僅能縮短總加工的時間，還可能減少或甚至無需以后的研磨工序，尤其體現在精密模具的大批量生產中，更能大大縮短交貨期，從而提高模具企業的競爭能力。根據國內和國際模具市場的發展狀況，有關專家預測，未來我國的模具經過行業結構調整后，模具的精度將提高到1 μm以下。

電火花線切割加工（Wire Cut EDM，簡稱WEDM），是一種用線狀電極（鉬絲或銅絲）依靠火花放電對工件進行切割加工的一門現代制造技術。電火花加工每次放電時間一般都很短，數量級為μs，伴隨有電、磁、熱等復雜物理過程，它在短時間內形成的局部、瞬態高溫蝕除加工工件表面材料，達到工藝要求的精度和表面質量[1]。電火花線切割加工具有宏觀力小、可控性好、加工質量高等顯著優點，尤其體現在加工各種復雜表面零件和高硬度、特殊性能的材料[2]。隨著產品的復雜化及關鍵零部件的精密化，對模具加工精度與表面質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到1～2 μm，甚至要求公差在1 μm以下。模具精度要求越來越高，對應的加工設備要求也越來越高。因此提高電火花線切割加工精度對于整個行業的進步具有非常重大的意義，主要途徑包括電火花放電過程、電火花加工機理、電火花加工工藝參數優化關鍵理論，其相應的技術進展在下面小節中論述。

1 電火花放電過程分析

國際研究方面，Zimanyi[3]用高速攝影來觀察電火花加工的放電間隙，該實驗用間隔5 mm的尖狀電極在煤油中完成加工，實驗結果繪制出了相隔25 μs的極間等溫線。通過高速攝像，對放電過程的了解更加具體、客觀，對于推動電火花加工技術的發展是有益的，但是，對于闡述加工機理還有待改進。Obaciu[4]認為，在放電加工的開始階段（局部融合之前），晶界之間會產生一些機械裂紋，從而導致這些表面固體與母體隔離開來，進而加速加熱過程，同時熔化和汽化帶走大部分熱量。這項研究的放電熱學模型是將電極假設為半無限的同性固體來處理，模型的精度有待改進，后期還需要相關實驗驗證其模型。

Rutberg與Zimany一樣，他也利用高速攝影等復雜工具，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測量等手段對放電通道進行了研究，他們認為放電的全過程中，每一次脈沖放電期間都處于一種不穩定狀態。一些印度學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，美國得克薩斯A&M大學的Philip T.Eubank和Daryl D.[5]等人提出了基于熱動力學、流體機制和輻射的公式變質量等離子體柱電加工模型，進而分別建立陰、陽兩極蝕除模型，并進行了相關仿真計算。該模型可計算等離子體直徑、溫度、壓力、質量等模型輸出與電流、間隙、能量輸入之間的關系，并通過計算，定量證明EDM蝕除的主要機制是過熱。對于電極材料的噴濺蝕除現象，Watson[6]建立了一個在強電流下，基于電磁流體動力學的電極表面損耗去除的模型，對電極材料的噴射去除現象進行了分析。

國內研究方面，哈爾濱工業大學崔景芝[7]闡述微細電火花加工的基本規律，并進行仿真研究，建立了基于分子動力學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。哈爾濱工業大學的楊曉冬等對微細電火花加工放電凹坑的凸起成因首次應用分子動力學方法進行仿真，闡述放電蝕除機制；同時還對放電蝕除材料在極間的分布狀態以及電極材料微結構對電火花加工的影響等進行了仿真研究。

到目前為止，針對電火花放電過程分析所建立的模型還需要進一步完善，從分子動力學角度建立連續放電電火花加工過程模型還不多見，通過分子動力學模型模擬電極的耗損以及研究拐角加工誤差還不是很多，因此預計通過對實際加工進行模擬將有利于工程問題的解決，反過來也能更好的驗證和修正模型。

2 電火花加工機理

鑒于微細電火花過程的復雜性、隨機性和微小化，加之觀測手段和新的試驗理論及方法的缺乏，僅僅通過觀察現象、分析試驗結果得出內在機理的傳統研究方法在微細電火花機理的研究方面就顯得力不從心。近些年來隨著計算機技術的飛速發展，計算機模擬技術也日新月異，在各個領域中均顯示出其相對于傳統試驗研究方法無法比擬的優點，只要所建立模型合理，通常能解釋一些復雜的理論或預言一些極限條件下的現象；此外其低成本的特性更使其越來越受科研界的青睞。因此在微細電火花的機理研究方面，計算機模擬技術也發揮著越來越重要的作用。

Marafona，Chousal[8]基于焦耳效應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]與電流密度的關系，并計算出放電通道中的溫度分布，這與相關實驗數據比較吻合。Vinod Yadav，Vijay等[9]通過建立有限元模型預測電火花加工高速鋼后其表面的熱應力分布，闡明了熱應力對表面微裂紋的影響。Kalyanasundaram[10]等人利用分子動力學方法研究了納米電加工時放電介質油的準固化行為。結果顯示當放電間隙為3 nm時，擊穿電壓-電流和絕緣恢復特性與放電介質分子的尺度和凈電場力有關。

國內對于電火花加工的仿真研究多數也是基于有限元技術進行材料溫度場建模，借此對凹坑形成過程以及材料蝕除機理進行研究[11-14]。此外利用粒子模擬技術對等離子通道振蕩特性進行的研究，利用分子動力學方法對放電沉積及針尖電極自銳現象進行的研究出現在崔景芝博士的論文中[7]。

3 電火花加工工藝參數優化

Rajurkar[15]等認為最佳火花頻率對于不同厚度工件是不同，因此工件厚度的實時檢測是很有必要的。他建立一個多輸入參數模型實現工件厚度的在線識別，這使得在伺服進給不穩定時也能有很高的精確性，但該模型考慮的工藝參數過少，需要進一步完善。英國伯明翰大學的Bayamglu、Duffin等[16]對電火花銑削加工工藝進行了系統的研究，其研究內容包括主軸轉速、走刀路徑和進給步距對材料去除率、電極相對損耗以及表面粗糙度的影響，以及對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用等研究。但是上述電加工過程中，有關加工精度、加工質量方面的工藝參數優化還需要深入研究和進一步完善。

將模糊邏輯控制理論運用到電火花線切割加工系統中的比較有影響力的是Hsue，Liao[17]等人。隨著模糊控制和神經網絡等智能控制在其他領域的成功應用，電火花加工的過程工藝參數優化控制中也越來越多應用模糊控制和神經網絡的最新成果，與傳統的無模糊控制相比，加工效率可提高20%～30%，但有關提高加工精度、加工質量的工藝參數優化并不多見。

國內研究方面，上海交通大學樓樂明[18]等基于BP神經網絡技術建立電火花加工工藝模型，其輸入參數為峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔、抬刀時間和加工時間等，其輸出參數為材料去除率和表面粗糙度，該模型能實現加工工藝效果的預測。西安交通大學數控技術研究所的員敏、于源、王小椿[19]等人將混合八叉樹數據結構引入到電火花銑削加工的幾何仿真算法中，對電火花銑削加工的仿真進行了研究，給出了一種電極損耗補償算法，該算法實用、簡單，并在一種新型整體渦輪的加工制造中得到驗證。針對微細電火花加工穩定控制的放電狀態辨識，大連理工大學周明[20]提出模糊神經網絡智能檢測算法，實現加工過程中的放電狀態預測。

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加工環境下的工件精度、表面粗糙度的影響因素。從電火花加工機理方面進行分析的不多，涉及到加工機理的相關研究主要集中在單脈沖電火花加工，沒有深入研究連續放電加工對加工精度、加工質量的影響，而且目前大部分的電火花放電加工模型預測精度還不能滿足現在高精度加工的要求。

4 結論

總之，從上述國內外相關研究情況來看，受建模方法、計算手段及驗證技術等條件的限制，目前對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，仿真后的結果與實際加工有一定差距，因而難以準確揭示其影響加工精度的規律，故而建立在其之上的工藝優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，建立連續放電分子動力學加工過程模型，模擬實際加工環境下的加工過程，提高模型模擬的精度，準確揭示加工工藝參數與加工精度之間的定量關系會成為未來研究的熱點。

參考文獻：

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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。研究領域：數控系統、機電一體化。

(編輯：阮 毅)

*廣東省省部產學研結合項目（編號：2011A090200102）；廣東省重點實驗室建設項目（編號：2011A060901026）

2013－08－30