慢走絲研究現(xiàn)狀

楊　林，謝建華，張　省

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

摘要:根據(jù)慢走絲的技術(shù)特點，從以下6個方面對其研究現(xiàn)狀、技術(shù)發(fā)展水平及目前存在的主要問題進(jìn)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(fù)合工藝、脈沖電源和輪廓精度控制。最后，結(jié)合慢走絲的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：慢走絲；監(jiān)測和控制；復(fù)合工藝；脈沖電源

目前市場上的線切割機(jī)床主要有三種：快走絲、中走絲和慢走絲。快走絲是我國生產(chǎn)和使用的主要機(jī)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(chǎn)品，具備多次切割功能。快走絲與中走絲的電極絲都是往復(fù)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(bǔ)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(dá)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

本文分析了慢走絲的加工原理，介紹了各個研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，最后對慢走絲未來的發(fā)展進(jìn)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(xì)金屬絲作電極，對工件進(jìn)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(zhì)被擊穿，形成一個由等離子體組成的放電通道，通道內(nèi)的瞬時溫度高達(dá)10 000 ℃，高溫使得工件材料熔化、氣化，在放電間隙時間內(nèi)，壓力電介質(zhì)溶液能夠?qū)⑷刍墓ぜ牧弦晕⑿∷槠男问經(jīng)_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(fù)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(fù)雜，30多種參數(shù)都會對加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此需要對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以獲得最佳加工表面質(zhì)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(fù)合材料和陶瓷顆粒增強(qiáng)材料。V. Muthuraman等人[2]正交試驗研究WC-Co金屬基復(fù)合材料時考慮的參數(shù)包括Co的含量、脈沖寬度、電極絲進(jìn)給速度、絲張力、放電電流和介質(zhì)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(qiáng)的鋁基金屬復(fù)合材料的參數(shù)優(yōu)化。Probir Saha等人[4]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法研究了TiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化。Ko-Ta Chiang等人[5]對Al2O3顆粒增強(qiáng)材料進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

但是學(xué)者們在進(jìn)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(dá)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(jìn)行檢測，因此國內(nèi)外學(xué)者采用仿真分析對慢走絲加工過程進(jìn)行了大量研究。

韓福柱等人[6]用Ansys進(jìn)行了熱應(yīng)力耦合分析。P.Haas等人[7]對切縫中的流場進(jìn)行仿真，設(shè)計了能提高清洗和冷卻效率的新型噴嘴結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(yīng)力場的分析，可預(yù)測實際加工的表面粗糙度，材料去除量及應(yīng)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(jìn)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(jī)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(jìn)行實時控制來提高加工質(zhì)量。

Y-S.Liao等人[11]根據(jù)高度調(diào)整伺服電壓來預(yù)防加工過程中斷絲現(xiàn)象的產(chǎn)生。E.Portillo等人[12]使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(diào)整來預(yù)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(jīng)推理系統(tǒng)模型來預(yù)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(jī)床走絲系統(tǒng)的特點，提出了微細(xì)絲運絲選用重錘機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的問題及解決方案。宋蒙蒙等人[16]則用模糊PID與BP網(wǎng)絡(luò)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(fù)合工藝

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

常見的一種復(fù)合工藝是用慢走絲加工旋轉(zhuǎn)工件，即慢走絲磨削。Aminollah Mohammadi等人[17]在慢走絲加工的基礎(chǔ)上賦予工件旋轉(zhuǎn)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(fù)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(zhì)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(fù)合。I.Menzies等人[23]設(shè)計了一種嵌入非導(dǎo)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(dǎo)電磨粒的磨削進(jìn)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(yán)格的要求。

目前慢走絲復(fù)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(yīng)用。

2.5　脈沖電源

慢走絲加工利用放電所產(chǎn)生的熱量來蝕除金屬，所施加脈沖的性能是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此脈沖電源是慢走絲機(jī)床最關(guān)鍵的設(shè)備之一，機(jī)床加工質(zhì)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(nèi)外學(xué)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(shè)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(guān)器件的開關(guān)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(jī)智能控制技術(shù)、電子技術(shù)的進(jìn)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(xì)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(lǐng)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(xì)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(chǎn)生的原因，需要對加工過程中的各種作用力進(jìn)行分析，因為當(dāng)電極絲受力時，會產(chǎn)生彎曲和振動，從而產(chǎn)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(chǎn)生的輪廓誤差是影響慢走絲加工質(zhì)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(qiáng)、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(rèn)識有限，需進(jìn)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(fù)合來拓展應(yīng)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]K H Ho, S T Newman, S Rahimifard, R D Allen.State of the art in wire electrical discharge machining(WEDM)[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture ,2004,(44): 1247-1259.

[2]Muthuraman V,Ramakrishnan R. Multi Parametric Optimization of WC-Co composites using Desirability Approach[J].Procidia Engineering,(2012),(38):3381-3390.

[3]Pragya Shandilya,P K Jain, N K Jain. Parametric optimization during wire electrical discharge machining using response surface methodology[J].Procedia Engineering ,2012, (38): 2371-2377.

[4]Probir Saha, Debashis Tarafdar, Surjya K Pal, Partha Saha, Ashok K Srivastava, Karabi Das. Multi-objective optimization in wire electrical discharge machining of TiC reinforced composite through Neuro-Genetic technique[J].Applied soft Computing ,2013,( 13) :2065-2074.

[5]Ko-Ta Chiang, Fu-Ping Chang, Optimization of the WEDM process of particle reinforced material with multiple performance characteristics using grey relational analysis[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,(180):96-101.

[6]Fuzhu Han,Gang Cheng,Zhijing Feng,Soichiro Isago. Thermo-mechanical analysis and optimal tension control of micro wire electrode[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2008：487.

[7]P Haas, P Pontelandolfo, R Perez.Particle hydrodynamics of the electrical discharge machining process[J]. Part 1:Physical considerations and wire EDM process improvement, Procedia CIRP ,2013, (6) :41-46.

[8]Z N Guo,T M Yue,T C Lee,W S Lau. Computer simulation and characteristic analysis of electrode fluctuation in wire electric discharge machining[J]. Journal of Materials Processing Tech.,2003,(4):1422.

[9]李健,劉志東,邱明波,田宗軍,汪煒. 單晶硅放電蝕除機(jī)理研究及有限元分析[J]. 中國機(jī)械工程,2010,(7):847-851.

[10]程剛,韓福柱,馮之敬,曹鳳國. 連續(xù)放電作用下電極絲的三維瞬態(tài)熱分析[J]. 電加工與模具,2007,(4):15-19.

[11]Y-S Liao, T-J Chuang, Y-P Yu. On-line workpiece height estimation and its application in serve feed control of WEDM process[J]. Peocedia CIRP ,2013,(6): 227-232.

[12]E Portillo,M Marcos,I Cabanes,A Zubizarreta. Recurrent ANN for monitoring degraded behaviours in a range of workpiece thicknesses[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence,2009,(4):228.

[13]Mu-Tian Yan,Chi-Cheng Fang. Application of genetic algorithm-based fuzzy logic control in wire transport system of wire-EDM machine[J]. Journal of Materials Processing Tech. 2007,(6):2051.

[14]Ulas Caydas,Ahmet Hascal1k,Sami Ekici. An adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) model for wire-EDM[J]. Expert Systems With Applications, 2008,(5):363.

[15]許慶平,朱寧,陸曉淳,周明,李丹. 單向走絲電火花線切割機(jī)床微細(xì)絲運絲張力系統(tǒng)的研究[J]. 電加工與模具,2012,(5):37-40.

[16]宋萌萌,肖順根. 慢走絲線切割機(jī)恒速恒張力的智能控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 機(jī)電信息,2011,(12):147-149.

[17]Aminollah Mohammadi, Alireza Fadaei Tehrani, Ehsan Emanian, Davoud Karimi. Statistical analysis of wire electrical discharge turning on material removal rate[J]. Journal of Materials Processing Tech. ,2008,(6): 2051.

[19]E Weingartner,K Wegener,F Kuster. Influence of workpiece circumferential speed in wire electrical discharge machining. Procedia CIRP ,2013,(6): 239-244.

[20]K T Hoang,S H Yang. A study on the effect of different vibration assisted methods in micro-WEDM[J]. Journal of Materials Processing Tech. 2013, (6):2139.

[21]Z N Guo, T C Lee, T M Yue, W S Lau.A study of ultrasonic-aided wire electrical discharge machining[J].Mater.Process. Technol,1997, 63 (1-3):823-828.

[22]H Gotoh, T Tani, M Okada, A Goto,T Masuzawa, N Mohri. Wire electrical discharge milling using a wire guide with reciprocating rotation[J]. Procedia CIRP,2013,( 6) :199-202.

[23]I Menzies, P Koshy. Assessment of abrasion-assisted material removal in wire EDM[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology,2008,(5):571.

[24]周正干,朱波,鄔學(xué)禮, 郭永豐,劉晉春. 微機(jī)數(shù)控智能化線切割加工脈沖電源的設(shè)計研究[J]. 航空制造工程,1994,(11):15-18.

[25]韓超. 電火花線切割無阻脈沖電源的性能研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2010.

[26]Do Kwan Chung, Hong Shik Shin, Bo Hyun Kim and Chong Nam Chu. High Frequency Micro Wire EDM for Electrolytic Corrosion Prevention[J]. INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING ,2011,12 (6):1125-1128.

[27]韓超. 電火花線切割無阻脈沖電源的性能研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué),2010.

[28]狄士春,遲關(guān)心,張飛. 諧振型電火花加工脈沖電源的研究[J]. 電加工與模具, 2004, (02): 10-13.

[29]H Obara,T Ishizu,T Ohsumi,Y Iwata. Simulation of wire EDM[J]. Int.Symp.ElectroMach. XII,1998,(5) :99-108.

[30]F Han,M Kunieda,T Sendai,Y Imai. Simulation on influence of electrostatic force on machining characteristics in WEDM[J]. Int. JElectr.Mach, 2002,(7) :31-36.

[31]S Sarkar,M Aekh,S Mitra,B Bhattacharyya. A novel method of determination of wire lag for enhanced profile accuracy in WEDM[J]. Precision Engineering ,2011,(35):339-347.

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(xiàn)標(biāo)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