第1章精密电火花线切割加工 基本规律及特点
1.1 电火花线切割加工应用背景及原理
1.1.1 电火花线切割加工应用背景
2019 年我国制造业占国内生产总值的比重为27.2%，制造业增加值连续十年居于世界首位，数据显示我国为世界*大的制造业国家，部分产品的产值在世界上遥遥领先。然而，我国制造业也存在“大而不强”的问题，主要包括产能过剩、产品附加值低、自主创新能力不足、产业结构落后、过度依赖成本优势等。继美国强势回归制造业和德国提出工业4.0之后，李克强总理于2015年3 月首次提出“中国制造2025”作为振兴我国制造业的基本战略（周济，2015）。“质量为先”成为“中国制造2025”的基本方针之一。如何提高产品质量是制造业完成转型必须解决的问题之一。
同时，随着航空航天、船舶海洋、模具制造、医疗器械、核工业等各个领域的快速发展，一方面各种具有高强度、高硬度、强韧性、耐高温、抗腐蚀性等特点的难加工材料（硬质合金、钛合金、高强度合金钢）被大量地使用到各个领域中，这些难加工材料一般都难以进行传统机械加工，从而制约其应用；另一方面，由于航空航天、微电子机械等领域的一些特殊要求零部件如压气机叶片、螺旋微刀具等，具有尺寸微小、加工结构复杂等特征（Sun and Gong，2017），该类零部件的服役场景往往存在高梯度温差、高频率载荷、各种腐蚀性介质等恶劣工况，易造成由工件表面损伤导致的疲劳破坏，所以必须要求该类零部件具有极高的微观表面完整性，表面粗糙度（surface roughness，SR）0.1～0.8 μm，无重铸层或变形，以满足使用寿命及可靠性的需求。
近几十年来，电火花线切割加工（wire cut electrical discharge machining，WEDM）已成为现代制造业领域重要的加工方式之一（Ho et al.，2004）。电火花线切割加工工艺是一种基于电火花加工（electrical discharge machining，EDM ）原理，采用丝线形状的工具电极的先进精密制造加工技术，具有宏观力小、加工质量高、加工对象广泛等显著优点，因此有潜力解决上述问题，实现相关零部件的高效高质量制造。
1.1.2 电火花线切割加工放电机理
如图1.1 所示，与电火花加工相同，电火花线切割加工放电机理主要分为以下四个过程。
（1）介质击穿与放电通道的形成[图1.1（a）～（c）]。在工件（正极）与电极丝（负极）之间施加一定的电压（20～100 V），随着两个电极之间间隙电压的升高以及间距的减小，当电场强度增加到特定阈值（106～108 V/cm）时，大量的自由电子将从电极表面激发出来，当放电间隙（spark gap，SG）内的电子数量及密度达到一定数值时，将会击穿介质形成放电通道，能够使电子以较小阻尼到达工件（正极）。
（2）工件材料的熔化或气化过程[图1.1（d）～（f）]。由于外加强电场的作用，电子会以高速轰击工件表面，使电子的动能转化为热能。而后在放电间隙中产生大量的热能，一定体积的工件材料（数量级为μm3）通过熔化或气化的方式被蚀除。所以许多研究认为热蚀除是电火花线切割加工中材料蚀除的主要方式（Shahri et al.，2017）。
（3）材料的排出过程[图1.1（g）～（i）]。放电过程中产生了大量的热能，导致在很短的时间内就会产生热微爆炸，然后大部分气态和液态工件材料会喷入放电间隙中，而一部分工件材料会随着介质冲刷作用排出。
（4）消电离过程[图1.1（j）～（l）]。在放电脉冲间隔时间内，两个电极之间的电压变成0 V，而带电的排出材料残渣会再次变成中性粒子。此外，电极之间的介质将恢复绝缘，可以成功地产生下一次放电火花。
电火花线切割加工的物理过程非常剧烈、复杂，且具有高度随机性，同时还伴随着声、光、电磁等现象。其材料蚀除过程也非常复杂，涉及电解加工、火花放电、光子辐射、冲击爆炸、热腐蚀与爆炸等现象。结合上述放电过程分析，电火花线切割的间隙放电状态可通过间隙放电电压波形来表达，间隙脉冲放电电压波形主要分为开路、火花放电、电弧放电、过渡放电、短路五种，如图1.2所示。
（1）开路。当电极间隙较大、电介质难以被击穿或回退时，电极间隙中的电介质没有形成放电通道，电极之间处于开路状态；开路状态下电极之间的间隙电压达到*大值，没有脉冲电流；开路为无效放电，会降低工件材料去除率（material removal rate，MRR）。
（2）火花放电。当电极之间经过td放电击穿形成放电通道之后，存在一个稳定的火花放电过程，火花放电的电极之间的间隙电压和间隙电流为高频振荡波形；在火花放电过程中，工件材料由于放电腐蚀，离开工件表面进入电极间隙；火花放电过程为MRR *大的放电状态。
（3）电弧放电。当电极间隙过小且不发生短路、蚀除材料冲刷速度较低或脉冲放电时间较长时，电极间会发生稳定的电弧放电，间隙电压呈平滑的曲线状态；在电弧放电过程中，电极间隙的温度升高，容易使工件表面积碳或烧伤，并熔断电极丝；电弧放电过程中，工件MRR 很低。
（4）过渡放电。该过程为一个过渡过程，同时存在火花放电和电弧放电，电极之间的间隙电压呈稀疏的锯齿波形。
（5）短路。当电极间隙距离过小或被蚀除材料遗留在电极间隙过多时，电极丝与工件之间发生短路，间隙电压很低，但间隙电流很大；该过程浪费脉冲放电能量，且不发生材料蚀除；若电极之间发生短路，则自动进给系统会发生回退。
1.1.3 电火花线切割加工分类
按照电极丝运行方式和速度的不同，电火花线切割可分为快走丝、中走丝、慢走丝、微细四种，其基本特性如表1.1所示。
一般而言，精度在0.3～3.0μm（我国标准为5.0μm以下）、表面粗糙度在0.3μm以下为精密加工（Sch.fer et al.，2002）。慢走丝电火花线切割（wire cut electrical discharge machining-low speed，WEDM-LS）能达到这样的加工要求，因而WEDM-LS 为精密电火花线切割加工装备。另外，主流的中走丝电火花线切割（wire cut electrical discharge machining-middle speed，WEDM-MS）精度为10μm，表面粗糙度在0.8μm以下，虽然与WEDM-LS有一定的差距，但是随着技术的提升，它与WEDM-LS的差距正在缩小。本书将这两类装备统称为精密电火花线切割装备。
1.2 电火花线切割加工的主要参数
电火花线切割加工中的主要参数分为放电参数和非放电参数。放电参数主要包括放电能量参数和间隙电压；非放电参数主要包括电极丝参数、电介质参数和机床参数。
1.2.1 放电参数
电火花线切割的电极之间被施加持续的高频脉冲电压（周期数量级为μs），其放电参数主要包括以下几个。
（1）脉冲宽度（记为Ton）是指高频脉冲中单个脉冲的持续时间，其数量级为μs。放电通道的击穿、形成，以及材料的蚀除都主要发生在这个时间段。
（2）脉冲间隔（记为Toff）是指高频脉冲中每个脉冲之间的间隔时间，其数量级为μs。放电通道的消电离，以及材料的排出、重凝固主要发生在这个时间段。
（3）脉冲电流（记为I）是指每个脉冲的放电电流，单位为A。
（4）间隙电压（记为U）是指工件与电极丝之间的电压，单位为V。通常而言，当其他条件相同时，脉冲宽度越大，脉冲间隔越小，脉冲电流越大，间隙电压越大，则放电持续时间越长，放电总能量越大，单个脉冲放电能量为
（1.1）
1.2.2 非放电参数
电极丝参数主要包括电极丝材料、电极丝直径、电极丝张力、电极丝丝速。精密电火花线加工中电极丝材料主要为铜丝、镀锌铜丝、钼丝，电极丝直径通常为0.1～0.3 mm。
电极丝材料的熔点、导热性、导电性都会影响放电加工效果，电极丝直径越大，则其抗拉强度及承受电流极限越大。电极丝张力是指机床上、下导轮之间的电极丝张力，单位为N。该参数会影响电极丝挠曲变形和振动，从而对放电加工产生影响。电极丝丝速是指电极丝沿导轮间的移动速度，单位为m/s 。该参数也会影响电极丝挠曲变形和振动，同时还会影响残渣排除、放电能量分配等。
精密电火花线切割加工中的电介质常用去离子水，其电介质参数主要是指电阻率和冲刷压力，一般电阻率在5 .左右能够取得较好的加工效果，太高或太低会导致击穿电压太大或太小，影响切割速度（cutting speed，CS）和精度。冲刷压力常常是指在喷入式精密电火花线切割加工中，电介质的喷入压强会影响残渣排出和电极丝振动，从而影响加工效果。
机床参数主要是指机床进给控制、加工路径等。机床进给控制主要是指在伺服控制或自适应控制下，根据加工间隙的工况，不断地自动调整进给速度来保证加工稳定，从而获得较高的加工效率和质量。
1.3 电火花线切割加工间隙放电状态
1.3.1 间隙放电状态检测与辨识
随着制造业的飞速发展，人们对WEDM加工精度和质量要求越来越高，因此对电火花线切割加工的控制系统和控制策略提出了更高的要求。其中，电火花线切割加工间隙放电状态直接影响电火花加工质量和工艺效果，因此，有必要研究电火花线切割加工间隙放电状态检测与辨识。电火花线切割加工间隙放电状态主要通过间隙放电电压或电流波形来表达，电火花线切割加工间隙放电状态辨识方法可总结为三类：第一类是基于电压数值变化的传统检测方法；第二类是基于新工具的非典型检测方法；第三类是基于智能算法和数学处理工具的智能检测方法。
1.传统检测方法
传统检测方法包括门槛电压检测法和间隙平均脉冲宽度电压检测法。这类方法主要是通过检测间隙电压值来辨识放电状态。此外，其中一些检测方法通过考虑放电波形中是否存在高频信号、音频信号等特征来提高识别率。
（1）门槛电压检测法：预先设定门槛电压（阈值电压）Vu（上限电压）和Vd（下限电压），对比实际测量电压值与阈值电压，当V>Vu时为开路状态，当Vd<V<Vu时为火花放电状态，当V<Vd时为短路状态。这种方法简单易操作，但是放电状态分类很粗糙，无法区分电弧放电、过渡放电与火花放电状态。
（2）间隙平均脉冲宽度电压检测法：用平均值法检测出平均脉冲宽度电压，对脉冲间隔信号不检测。该方法门槛电压参考值设定简单，但无法区分电弧放电与正常放电状态。
2.非典型检测方法
（1）高频无线电辐射信号检测法：基于不同放电状态下的高频辐射信号有显著差异，利用此加工特性，通过检测WEDM加工时的高频辐射信号，对加工放电状态进行监控与优化。
（2）多传感器信息融合技术检测法：可对WEDM 加工的放电状态进行辨识与分类，明显改善加工状态。
3.智能检测方法
智能检测方法主要包括模糊逻辑法、神经网络法、击穿延时法、智能算法和数学处理方法[如傅里叶（Fourier）变换、小波变换]。下面主要介绍前3种。
（1）模糊逻辑法：将不同极间放电通道击穿延时时刻作为模糊输入识别信号，通过预先设置好的模糊逻辑控制器，采用模糊逻辑推理获得电火花线切割加工的方向和速度。基于模糊逻辑法的检测间隙放电状态的原理图如图1.3（a）所示。
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