慢走丝研究现状

杨　林，谢建华，张　省

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)



慢走丝研究现状

杨林，谢建华，张省

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

摘要:根据慢走丝的技术特点，从以下6个方面对其研究现状、技术发展水平及目前存在的主要问题进行了分析：参数优化、仿真分析、加工过程的监测和控制、复合工艺、脉冲电源和轮廓精度控制。最后，结合慢走丝的研究现状和发展趋势对其未来发展进行了展望。

关键词：慢走丝；监测和控制；复合工艺；脉冲电源

目前市场上的线切割机床主要有三种：快走丝、中走丝和慢走丝。快走丝是我国生产和使用的主要机种，是我国独创的电火花线切割加工模式。中走丝是快走丝的升级产品，具备多次切割功能。快走丝与中走丝的电极丝都是往复运动，而慢走丝采用的是线电极连续供丝的方式，因此即使电极丝发生损耗也能连续地予以补充，故能提高零件加工精度。慢走丝加工的工件表面粗糙度可达到Ra=0.8 μm及以上，慢走丝加工的圆度误差、直线误差和尺寸误差都优于快走丝与中走丝，因此慢走丝已在模具、夹具和量具、航空和医疗零件以及砂轮成型工具等精密制造领域得到了广泛的应用[1]。

本文分析了慢走丝的加工原理，介绍了各个研究领域的发展现状，最后对慢走丝未来的发展进行了展望。

1　慢走丝加工原理

慢走丝加工是利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲放电蚀除金属、切割成型的一种特种加工工艺，如图1。慢走丝放电加工时，极间介质被击穿，形成一个由等离子体组成的放电通道，通道内的瞬时温度高达10 000 ℃，高温使得工件材料熔化、气化，在放电间隙时间内，压力电介质溶液能够将熔化的工件材料以微小碎片的形式冲离基体材料，从而实现了材料的去除。

图1 慢走丝加工示意图

2　慢走丝研究方向

近几年慢走丝的研究方向可以概括为以下6个方面：参数优化、仿真分析、加工过程的监测和控制、复合工艺、脉冲电源和几何精度控制。

2.1　参数优化

慢走丝加工过程极其复杂，30多种参数都会对加工质量产生影响，因此需要对加工参数进行优化以获得最佳加工表面质量。

慢走丝加工参数优化的研究主要是针对难加工材料，特别是金属基复合材料和陶瓷颗粒增强材料。V. Muthuraman等人[2]正交试验研究WC-Co金属基复合材料时考虑的参数包括Co的含量、脉冲宽度、电极丝进给速度、丝张力、放电电流和介质压力。Pragya Shandilya 等人[3]采用与[2]相同的方法研究了陶瓷颗粒增强的铝基金属复合材料的参数优化。Probir Saha等人[4]使用神经网络遗传算法研究了TiC颗粒增强复合材料的多目标参数优化。Ko-Ta Chiang等人[5]对Al2O3颗粒增强材料进行参数优化。

但是学者们在进行实验研究时通常只考虑了某几个参数，这对于影响变量多达30种的慢走丝来说，还有很长的一段路要走。

2.2　仿真分析

由于加工温度高，切缝窄，难以进行检测，因此国内外学者采用仿真分析对慢走丝加工过程进行了大量研究。

韩福柱等人[6]用Ansys进行了热应力耦合分析。P.Haas等人[7]对切缝中的流场进行仿真，设计了能提高清洗和冷却效率的新型喷嘴结构。Z.N.Guo等人[8]则仿真分析了连续放电情况下电极丝的波动以及该波动对放电点分布的影响。李健等人[9]模拟了单脉冲放电条件下单晶硅的温度场及热应力场。程刚等人[10]通过仿真分析得到电极丝在连续放电状态下的三维瞬态温度分布。

综合看来，仿真研究主要集中于温度场和应力场的分析，可预测实际加工的表面粗糙度，材料去除量及应力分布等。慢走丝加工时电极丝单次利用，电极丝的损耗对于加工的影响较小，因而相对来说对工件进行仿真分析意义更大。

2.3　加工过程的监控

慢走丝是一种精密加工工艺，除机床传动系统和脉冲电源要求较高之外，还需要一些实时监测和控制系统对工件厚度、电极丝恒速恒张力、放电状态和放电间隙等进行实时控制来提高加工质量。

Y-S.Liao等人[11]根据高度调整伺服电压来预防加工过程中断丝现象的产生。E.Portillo等人[12]使用人工神经网络来监测电火花线切割加工不同厚度的过程，提前诊断出放电变量的变化并及时做出调整来预防断丝现象的发生。Mu-Tian Yan等人[13]运用基于遗传算法的模糊逻辑控制器控制走丝系统的丝张力。Ulas Caydas等人[14]提出一个模糊神经推理系统模型来预测慢走丝表面白层的厚度以及表面粗糙度。许庆平等人[15]根据慢走丝机床走丝系统的特点，提出了微细丝运丝选用重锤机构产生的问题及解决方案。宋蒙蒙等人[16]则用模糊PID与BP网络PID智能算法分别控制电极丝的恒速与恒张力控制。

慢走丝加工时可控因素很多，实现多因素实时高效的闭环控制是慢走丝加工的重点也是难点。

2.4　复合工艺

慢走丝与其他工艺复合称为复合工艺，复合工艺一般同时拥有两种工艺的优点。

常见的一种复合工艺是用慢走丝加工旋转工件，即慢走丝磨削。Aminollah Mohammadi等人[17]在慢走丝加工的基础上赋予工件旋转运动，材料蚀除率随着相对运动速度的增加而增加[18,19]。另有一些复合工艺致力于提高电火花线切割加工的表面完整性和加工速度。如在电极丝上施加超声振动，不仅可以提高加工表面质量，而且能有效减少短路现象的发生[20,21]。H.Gotoh等人[22]研究了慢走丝与铣削的复合。I.Menzies等人[23]设计了一种嵌入非导电磨粒的电极丝，使用该特种电极丝加工时材料一方面是靠放电腐蚀，另一方面靠的是非导电磨粒的磨削进行去除，比一般慢走丝加工的材料去除率大得多，表面再铸层也较少，但该电极丝较难制备，且磨粒的大小也有严格的要求。

目前慢走丝复合工艺大多处于实验研究阶段，尚未实现大规模的工业应用。

2.5　脉冲电源

慢走丝加工利用放电所产生的热量来蚀除金属，所施加脉冲的性能是影响加工质量的关键因素，因此脉冲电源是慢走丝机床最关键的设备之一，机床加工质量的好坏在一定程度上主要取决于脉冲电源的性能[24,25]，因此改善脉冲电源的性能具有十分重要的意义。

最近几年，国内外学者对慢走丝脉冲电源也做了不少研究。Do Kwan Chung等人[26]基于双电层理论设计了一个防电解电源。与传统的RC脉冲电源相比，获得7倍材料去除率的同时却保持表面粗糙度Ra小于0.1 μm基本不变。韩超[27]研制出了窄脉宽、大电流的无阻脉冲电源。狄士春等人[28]研究出的并联谐振型脉冲电源能够降低开关器件的开关损耗，获得了很窄脉宽和很小的单个脉冲放电能量。

随着现代控制理论的不断丰富以及计算机智能控制技术、电子技术的进一步发展，涌现出诸多的新型脉冲电源：如智能脉冲电源，节能脉冲电源，防电解脉冲电源，超精加工、微细加工脉冲电源以及专用辅助脉冲电源等。针对不同加工场合开发专用脉冲电源成为该领域发展的一个显著特点。

2.6　轮廓精度控制

提高轮廓精度一直是慢走丝的几个主要研究方向之一，而轮廓精度又可细分为拐角精度和锥面精度。为更好的理解慢走丝加工工件轮廓误差产生的原因，需要对加工过程中的各种作用力进行分析，因为当电极丝受力时，会产生弯曲和振动，从而产生变形[29,30]。

提高几何精度的方法主要分为两大类：一是通过修改加工参数来减少电极丝的变形；另一种是通过在线修正电极丝的轨迹来减少几何误差[31]。Sanchez J.A等人[30]提出的分析模型使得在任一加工条件下都可以测得间隙力的大小和电极丝的滞后量。

加工时由于电极丝受力变形而产生的轮廓误差是影响慢走丝加工质量的一个重要因素，就目前的发展水平看还有待更深入的研究。

3　慢走丝研究展望

随着激光切割、水切割等新加工工艺的出现以及超强、超硬材料的出现，慢走丝必须不断地发展来满足越来越苛刻的工业需求。目前对慢走丝放电过程认识有限，需进一步探索不同参数的相互影响、制约规律。

今后慢走丝依然会寻求与其他加工工艺的复合来拓展应用范围和提高加工性能。脉冲电源的自动化和智能化是慢走丝脉冲电源研究的一个重要方向。慢走丝的发展也将遵循绿色制造战略，节能电源及绿色工作液的研发将会成为一个重要研究方向。

参考文献：

[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,刘志东,邱明波,田宗军,汪炜. 单晶硅放电蚀除机理研究及有限元分析[J]. 中国机械工程,2010,(7):847-851.

[10]程刚,韩福柱,冯之敬,曹凤国. 连续放电作用下电极丝的三维瞬态热分析[J]. 电加工与模具,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]许庆平,朱宁,陆晓淳,周明,李丹. 单向走丝电火花线切割机床微细丝运丝张力系统的研究[J]. 电加工与模具,2012,(5):37-40.

[16]宋萌萌,肖顺根. 慢走丝线切割机恒速恒张力的智能控制系统设计与研究[J]. 机电信息,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,邬学礼, 郭永丰,刘晋春. 微机数控智能化线切割加工脉冲电源的设计研究[J]. 航空制造工程,1994,(11):15-18.

[25]韩超. 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究[D].南京：南京航空航天大学,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]韩超. 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究[D]. 南京:南京航空航天大学,2010.

[28]狄士春,迟关心,张飞. 谐振型电火花加工脉冲电源的研究[J]. 电加工与模具, 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.

研制开发

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

中图分类号：TH16

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0032-03

作者简介：杨林(1989-)，江苏连云港人，在读研究生，主要研究方向为特种加工。

收稿日期：2014-12-25