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(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，各種具有高強(qiáng)度、高硬度、強(qiáng)韌性、耐高溫、抗腐蝕性等特點(diǎn)的特殊材料（硬質(zhì)合金、鈦合金以及高強(qiáng)度合金鋼）得到大量使用。但是這些特殊材料在傳統(tǒng)機(jī)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(huì)嚴(yán)重制約其應(yīng)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(diǎn)，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(shí)，具有脈沖放電頻率高、剩余殘?jiān)懦隼щy、電極絲易斷、加工微觀表面復(fù)雜以及加工參數(shù)眾多等特性，導(dǎo)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(yán)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(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)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(fù)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(fù)雜的問題，提出一種新型工藝優(yōu)化算法——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-狼群混合算法，該算法結(jié)合BPNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于領(lǐng)導(dǎo)者策略的狼群算法，對精密慢走絲線切割工藝參數(shù)進(jìn)行單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化研究。其一，通過對多種優(yōu)化算法的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比，得知所提出的混合算法更具有尋優(yōu)高效性和準(zhǔn)確性特點(diǎn)。其二，通過運(yùn)用混合算法對加工工藝參數(shù)的單目標(biāo)和多目標(biāo)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(shí)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(fù)雜特性，通過響應(yīng)曲面法加工試驗(yàn)，開展對慢走絲線切割加工YG15的表面質(zhì)量進(jìn)行工藝參數(shù)單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化研究。其一，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法（BPNN-GA）分別對三維形貌特征評價(jià)下的表面粗糙度、白層厚度和表面裂紋密度進(jìn)行單目標(biāo)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(gè)表面質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)工藝優(yōu)化，得到三目標(biāo)工藝優(yōu)化的最優(yōu)Pareto前沿解。上述基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的關(guān)于加工表面質(zhì)量的單、多目標(biāo)工藝優(yōu)化研究，能進(jìn)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(shí)問題轉(zhuǎn)換為圖像識(shí)別問題，因此，采用圖像識(shí)別理論，對WEDM加工中的間隙放電狀態(tài)進(jìn)行檢測、辨識(shí)。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(jìn)行混合特征值提取，并且基于支持向量機(jī)和隨機(jī)森林樹兩級分類器，對加工過程中的五種放電狀態(tài)進(jìn)行分類。在線切割機(jī)床上進(jìn)行在線加工多種材料（銅、鎢鋼、模具鋼SKD11）試驗(yàn)，從而驗(yàn)證該研究的可靠性和實(shí)用性，進(jìn)而實(shí)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(fù)合材料Ti6Al4V（鈦合金）時(shí)，加工剩余殘?jiān)懦隼щy、電極絲易斷以及加工效率低等問題，提出三種新型輔助復(fù)合加工方式

7、：超聲振動(dòng)、磁場和超聲振動(dòng)磁場復(fù)合分別應(yīng)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(jìn)行理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(qiáng)力學(xué)性能。進(jìn)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(fù)合輔助加工>磁場輔助加工>超聲振動(dòng)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(shí)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(yīng)的理論證明和實(shí)際指導(dǎo)。
　　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(tái)，采用Delphi和Matlab混合編程方法，實(shí)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(yàn)平臺(tái)上的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)證明了該軟件的準(zhǔn)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(shí)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(fù)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