精密线切割加工关键理论研究进展综述*

明五一，郭建文，张 臻，陈 志，李 贺（1.东莞华中科技大学制造工程研究院//广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞 53808；.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074）

精密线切割加工关键理论研究进展综述*

明五一1,2，郭建文1,2，张 臻2，陈 志2，李 贺2
（1.东莞华中科技大学制造工程研究院//广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞 523808；2.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074）

宏观力小、可控性好、加工质量高是电火花加工的显著优点，特别是能加工各种复杂表面工具和高硬度、特殊性能的材料。因此，电加工在模具等精密零件加工中得到广泛应用。但是，模具精度要求越来越高，对应的加工设备性能指标要求也越来越苛刻。因此提高电火花线切割加工精度面临十分迫切的需求，这其中主要涉及到电火花放点过程、电火花加工机理、电火花加工工艺参数优化关键理论，这些都是目前国内外研究的热点问题。

线切割；关键理论；研究进展

0 引言

目前，随着汽车、家电、信息、机电、建材等行业的快速发展，对精密模具的需求也越来越高，例如汽车制造中保险杠、仪表板、油箱、方向盘以及彩电、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器服务中的大中型精密塑料模具；移动通信设备、微机、显示器、集成电路等产品配套的中小型精密模具；建材配套的异型材模具、塑料管路模具，汽车行业中子午线轮胎服务的子午线轮胎模具(特别是活络模)等精密模具。

设备的加工精度对于模具的加工精度影响非常大，一般模具的精度为3～5 μm，随着零件的进一步精密化、复杂化，某些零件的模具精度已达到1～2 μm，甚至要求公差在1 μm以下。模具的精度要求越来越高，对应的加工设备要求也越来越高，尤其体现在模具的精加工阶段。由于模具精加工所耗费的时间占了模具总加工的大部分时间，若能提高精加工的效率与精度，不仅能缩短总加工的时间，还可能减少或甚至无需以后的研磨工序，尤其体现在精密模具的大批量生产中，更能大大缩短交货期，从而提高模具企业的竞争能力。根据国内和国际模具市场的发展状况，有关专家预测，未来我国的模具经过行业结构调整后，模具的精度将提高到1 μm以下。

电火花线切割加工（Wire Cut EDM，简称WEDM），是一种用线状电极（钼丝或铜丝）依靠火花放电对工件进行切割加工的一门现代制造技术。电火花加工每次放电时间一般都很短，数量级为μs，伴随有电、磁、热等复杂物理过程，它在短时间内形成的局部、瞬态高温蚀除加工工件表面材料，达到工艺要求的精度和表面质量[1]。电火花线切割加工具有宏观力小、可控性好、加工质量高等显著优点，尤其体现在加工各种复杂表面零件和高硬度、特殊性能的材料[2]。随着产品的复杂化及关键零部件的精密化，对模具加工精度与表面质量等提出了更高的要求，一般精密模具的精度为3～5 μm，某些零件的模具精度已达到1～2 μm，甚至要求公差在1 μm以下。模具精度要求越来越高，对应的加工设备要求也越来越高。因此提高电火花线切割加工精度对于整个行业的进步具有非常重大的意义，主要途径包括电火花放电过程、电火花加工机理、电火花加工工艺参数优化关键理论，其相应的技术进展在下面小节中论述。

1 电火花放电过程分析

国际研究方面，Zimanyi[3]用高速摄影来观察电火花加工的放电间隙，该实验用间隔5 mm的尖状电极在煤油中完成加工，实验结果绘制出了相隔25 μs的极间等温线。通过高速摄像，对放电过程的了解更加具体、客观，对于推动电火花加工技术的发展是有益的，但是，对于阐述加工机理还有待改进。Obaciu[4]认为，在放电加工的开始阶段（局部融合之前），晶界之间会产生一些机械裂纹，从而导致这些表面固体与母体隔离开来，进而加速加热过程，同时熔化和汽化带走大部分热量。这项研究的放电热学模型是将电极假设为半无限的同性固体来处理，模型的精度有待改进，后期还需要相关实验验证其模型。

Rutberg与Zimany一样，他也利用高速摄影等复杂工具，观察研究放电过程中电极材料是如何蚀除工件。此外，Antoine Descoeudres、Hock⁃enberry等利用高速摄影和光学测量等手段对放电通道进行了研究，他们认为放电的全过程中，每一次脉冲放电期间都处于一种不稳定状态。一些印度学者在这方面研究做作了大量的工作，Ajit Singh和Amitabha Ghosh通过大量的研究得出，在电火花加工过程中，材料去除的主要原因是材料的融合。

1989年到1993年期间，美国得克萨斯A&M大学的Philip T.Eubank和Daryl D.[5]等人提出了基于热动力学、流体机制和辐射的公式变质量等离子体柱电加工模型，进而分别建立阴、阳两极蚀除模型，并进行了相关仿真计算。该模型可计算等离子体直径、温度、压力、质量等模型输出与电流、间隙、能量输入之间的关系，并通过计算，定量证明EDM蚀除的主要机制是过热。对于电极材料的喷溅蚀除现象，Watson[6]建立了一个在强电流下，基于电磁流体动力学的电极表面损耗去除的模型，对电极材料的喷射去除现象进行了分析。

国内研究方面，哈尔滨工业大学崔景芝[7]阐述微细电火花加工的基本规律，并进行仿真研究，建立了基于分子动力学的针尖电极放电模型，模拟了钨针尖电极单脉冲放电的形成过程。哈尔滨工业大学的杨晓冬等对微细电火花加工放电凹坑的凸起成因首次应用分子动力学方法进行仿真，阐述放电蚀除机制；同时还对放电蚀除材料在极间的分布状态以及电极材料微结构对电火花加工的影响等进行了仿真研究。

到目前为止，针对电火花放电过程分析所建立的模型还需要进一步完善，从分子动力学角度建立连续放电电火花加工过程模型还不多见，通过分子动力学模型模拟电极的耗损以及研究拐角加工误差还不是很多，因此预计通过对实际加工进行模拟将有利于工程问题的解决，反过来也能更好的验证和修正模型。

2 电火花加工机理

鉴于微细电火花过程的复杂性、随机性和微小化，加之观测手段和新的试验理论及方法的缺乏，仅仅通过观察现象、分析试验结果得出内在机理的传统研究方法在微细电火花机理的研究方面就显得力不从心。近些年来随着计算机技术的飞速发展，计算机模拟技术也日新月异，在各个领域中均显示出其相对于传统试验研究方法无法比拟的优点，只要所建立模型合理，通常能解释一些复杂的理论或预言一些极限条件下的现象；此外其低成本的特性更使其越来越受科研界的青睐。因此在微细电火花的机理研究方面，计算机模拟技术也发挥着越来越重要的作用。

Marafona，Chousal[8]基于焦耳效应建立电火花加工过程的有限元模型，通过仿真得出电极表面材料去除率和粗糙度[8]与电流密度的关系，并计算出放电通道中的温度分布，这与相关实验数据比较吻合。Vinod Yadav，Vijay等[9]通过建立有限元模型预测电火花加工高速钢后其表面的热应力分布，阐明了热应力对表面微裂纹的影响。Kalyanasundaram[10]等人利用分子动力学方法研究了纳米电加工时放电介质油的准固化行为。结果显示当放电间隙为3 nm时，击穿电压-电流和绝缘恢复特性与放电介质分子的尺度和净电场力有关。

国内对于电火花加工的仿真研究多数也是基于有限元技术进行材料温度场建模，借此对凹坑形成过程以及材料蚀除机理进行研究[11-14]。此外利用粒子模拟技术对等离子通道振荡特性进行的研究，利用分子动力学方法对放电沉积及针尖电极自锐现象进行的研究出现在崔景芝博士的论文中[7]。

3 电火花加工工艺参数优化

Rajurkar[15]等认为最佳火花频率对于不同厚度工件是不同，因此工件厚度的实时检测是很有必要的。他建立一个多输入参数模型实现工件厚度的在线识别，这使得在伺服进给不稳定时也能有很高的精确性，但该模型考虑的工艺参数过少，需要进一步完善。英国伯明翰大学的Bayamglu、Duffin等[16]对电火花铣削加工工艺进行了系统的研究，其研究内容包括主轴转速、走刀路径和进给步距对材料去除率、电极相对损耗以及表面粗糙度的影响，以及对加工后工件表面的微观硬度、显微特性、加工效率以及加工费用等研究。但是上述电加工过程中，有关加工精度、加工质量方面的工艺参数优化还需要深入研究和进一步完善。

将模糊逻辑控制理论运用到电火花线切割加工系统中的比较有影响力的是Hsue，Liao[17]等人。随着模糊控制和神经网络等智能控制在其他领域的成功应用，电火花加工的过程工艺参数优化控制中也越来越多应用模糊控制和神经网络的最新成果，与传统的无模糊控制相比，加工效率可提高20%～30%，但有关提高加工精度、加工质量的工艺参数优化并不多见。

国内研究方面，上海交通大学楼乐明[18]等基于BP神经网络技术建立电火花加工工艺模型，其输入参数为峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔、抬刀时间和加工时间等，其输出参数为材料去除率和表面粗糙度，该模型能实现加工工艺效果的预测。西安交通大学数控技术研究所的员敏、于源、王小椿[19]等人将混合八叉树数据结构引入到电火花铣削加工的几何仿真算法中，对电火花铣削加工的仿真进行了研究，给出了一种电极损耗补偿算法，该算法实用、简单，并在一种新型整体涡轮的加工制造中得到验证。针对微细电火花加工稳定控制的放电状态辨识，大连理工大学周明[20]提出模糊神经网络智能检测算法，实现加工过程中的放电状态预测。

从以上的研究情况上看，在一些方面取得了一定研究成果，但是大部分没有研究在真实加工环境下的工件精度、表面粗糙度的影响因素。从电火花加工机理方面进行分析的不多，涉及到加工机理的相关研究主要集中在单脉冲电火花加工，没有深入研究连续放电加工对加工精度、加工质量的影响，而且目前大部分的电火花放电加工模型预测精度还不能满足现在高精度加工的要求。

4 结论

总之，从上述国内外相关研究情况来看，受建模方法、计算手段及验证技术等条件的限制，目前对电火花放电过程的模拟主要停留在单脉冲放电加工，没有或者很少涉及到电火花连续放电过程模拟，其电火花放电过程的模拟精度还有待提高，仿真后的结果与实际加工有一定差距，因而难以准确揭示其影响加工精度的规律，故而建立在其之上的工艺优化算法也有其局限性，这必将制约精密线切割装备水平的提升。故而，建立连续放电分子动力学加工过程模型，模拟实际加工环境下的加工过程，提高模型模拟的精度，准确揭示加工工艺参数与加工精度之间的定量关系会成为未来研究的热点。

参考文献：

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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，工程师。研究领域：数控系统、机电一体化。

(编辑：阮 毅)

*广东省省部产学研结合项目（编号：2011A090200102）；广东省重点实验室建设项目（编号：2011A060901026）

2013－08－30