難加工材料精密電火花線切割工藝及表面質(zhì)量優(yōu)化研究.pdf

1、隨著航天航空、船舶海洋、模具制造、醫(yī)療器械等各個領(lǐng)域的快速發(fā)展，各種具有高強度、高硬度、強韌性、耐高溫、抗腐蝕性等特點的特殊材料（硬質(zhì)合金、鈦合金以及高強度合金鋼）得到大量使用。但是這些特殊材料在傳統(tǒng)機械加工領(lǐng)域里都屬于難加工材料，這些材料的難加工特性會嚴重制約其應用。精密電火花線切割加工技術(shù)具有非接觸式加工、無宏觀切削力、對加工材料硬度要求低、加工精度高以及可加工異型腔模等特點，因而成為航天航空、模具制造、以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域中的核心裝

2、備。但是精密電火花線切割加工難加工材料時，具有脈沖放電頻率高、剩余殘渣排出困難、電極絲易斷、加工微觀表面復雜以及加工參數(shù)眾多等特性，導致在脈沖放電控制精度不高、加工過程不穩(wěn)定、加工效率低，從而嚴重制約了電火花線切割技術(shù)的發(fā)展。因此，本文主要致力于突破電火花線切割加工難加工材料的工藝技術(shù)難關(guān)，在全面分析電火花線切割加工機理和技術(shù)特點的基礎上，針對兩種具有代表性的難加工材料硬質(zhì)合金鎢鋼YG15和鋁基復合材料Ti6Al4V（鈦合金）開展研究。

3、本論文的具體研究如下：
　　針對精密慢走絲線切割加工硬質(zhì)合金鎢鋼YG15的工藝參數(shù)眾多且復雜的問題，提出一種新型工藝優(yōu)化算法——神經(jīng)網(wǎng)絡-狼群混合算法，該算法結(jié)合BPNN神經(jīng)網(wǎng)絡和基于領(lǐng)導者策略的狼群算法，對精密慢走絲線切割工藝參數(shù)進行單目標和多目標優(yōu)化研究。其一，通過對多種優(yōu)化算法的單目標優(yōu)化結(jié)果進行對比，得知所提出的混合算法更具有尋優(yōu)高效性和準確性特點。其二，通過運用混合算法對加工工藝參數(shù)的單目標和多目標優(yōu)化，獲得材料去除率和

4、表面粗糙度的最優(yōu)值，為慢走絲線切割加工難加工材料的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫提供了實際加工數(shù)據(jù)參考。
　　針對精密慢走絲線切割加工YG15的微觀表面復雜特性，通過響應曲面法加工試驗，開展對慢走絲線切割加工YG15的表面質(zhì)量進行工藝參數(shù)單目標和多目標優(yōu)化研究。其一，采用神經(jīng)網(wǎng)絡-遺傳算法（BPNN-GA）分別對三維形貌特征評價下的表面粗糙度、白層厚度和表面裂紋密度進行單目標工藝優(yōu)化，得到單一最優(yōu)值。其二，采用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）

5、對以上三個表面質(zhì)量評價指標進行多目標工藝優(yōu)化，得到三目標工藝優(yōu)化的最優(yōu)Pareto前沿解。上述基于試驗數(shù)據(jù)建立的關(guān)于加工表面質(zhì)量的單、多目標工藝優(yōu)化研究，能進一步完善精密慢走絲線切割加工YG15的工藝優(yōu)化規(guī)律。
　　針對精密電火花線切割加工難加工材料過程中，加工狀態(tài)和放電狀態(tài)監(jiān)控的需求，將間隙放電電壓波形的辨識問題轉(zhuǎn)換為圖像識別問題，因此，采用圖像識別理論，對WEDM加工中的間隙放電狀態(tài)進行檢測、辨識。采用圖像矩、分形維數(shù)、小波描

6、述子和幾何特征等四種方法進行混合特征值提取，并且基于支持向量機和隨機森林樹兩級分類器，對加工過程中的五種放電狀態(tài)進行分類。在線切割機床上進行在線加工多種材料（銅、鎢鋼、模具鋼SKD11）試驗，從而驗證該研究的可靠性和實用性，進而實現(xiàn)精密電火花線切割加工過程中加工狀態(tài)和間隙放電狀態(tài)監(jiān)控。
　　針對電火花線切割加工鋁基復合材料Ti6Al4V（鈦合金）時，加工剩余殘渣排出困難、電極絲易斷以及加工效率低等問題，提出三種新型輔助復合加工方式

7、：超聲振動、磁場和超聲振動磁場復合分別應用于電火花線切割加工，用以改善加工環(huán)境，提高加工效果。通過對這三種加工方式進行理論分析、試驗驗證分析以及與傳統(tǒng)電火花線切割加工對比研究，發(fā)現(xiàn)輔助加載的超聲振動和磁場在一定的加工參數(shù)范圍內(nèi)，可以改善加工放電狀態(tài)、提升材料去除率、提高加工表面質(zhì)量、改善三維表面形貌、增強力學性能。進一步發(fā)現(xiàn)，這四種電火花線切割加工方式綜合效果如下：復合輔助加工>磁場輔助加工>超聲振動輔助加工>傳統(tǒng)加工；并且確定最佳的加

8、工參數(shù)范圍。該研究可以為實際難加工材料電火花線切割工藝方式提供新的思路，以及相應的理論證明和實際指導。
　　集成前面對難加工材料電火花線切割工藝的研究內(nèi)容，以Windows XP操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，采用Delphi和Matlab混合編程方法，實現(xiàn)外場輔助精密線切割加工參數(shù)智能優(yōu)化選擇系統(tǒng)的軟件開發(fā)。該軟件具有三種主要功能：不同材料加工工藝參數(shù)優(yōu)化選擇功能、在線間隙放電波形監(jiān)控功能和外場輔助加工的工藝參數(shù)優(yōu)化選擇功能。在傳統(tǒng)精密電火

9、花線切割和外場輔助電火花線切割加工試驗平臺上的驗證性實驗證明了該軟件的準確性和可靠性。
　　因此，本論文開展的難加工材料電火花線切割工藝以及表面質(zhì)量優(yōu)化工作，不僅有助于了解精密電火花線切割加工難加工材料時的一般工藝優(yōu)化和微觀表面質(zhì)量優(yōu)化規(guī)律，建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，而且提出了新的電火花線切割加工控制和檢測策略，以及新的電火花線切割加工工藝方法——外場輔助線切割復合加工方式，并且開發(fā)了外場輔助精密線切割加工參數(shù)智能優(yōu)化選擇系統(tǒng)軟件，從而