物質-場分析法在電火花加工工藝中的應用研究

王占輝，馬蘇常，霍文國

（天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222）

物質-場分析法在電火花加工工藝中的應用研究

王占輝，馬蘇常，霍文國

（天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222）

本文提出了將物質-場分析法應用在電火花加工工藝優化中，建立了物質-場分析法在電火花加工工藝優化中的應用流程，對放電腐蝕系統中存在的問題進行分析，結合76個標準解，得到解決方案，與現存方案進行對比，說明了物質-場分析法在電火花加工優化中的有效應用及其優勢，為電火花加工工藝研究提供了一種新途徑。

TRIZ；物質-場分析；76個標準解；電火花加工；放電腐蝕系統

電火花加工是與機械加工完全不同的一種工藝方法，由于電火花加工有其獨特的優越性，再加上數控水平和工藝技術的不斷提高，其應用領域日益擴大，已經覆蓋到機械、航天、航空、電子、核能、儀器、輕工等部門，用以解決各種難加工材料、復雜形狀零件和有特殊要求的零件制造。

隨著零件質量要求的不斷提高，對電火花加工也提出更高的要求，因此，對電火花加工機床及加工工藝的優化也在不斷進行中。本文建立了物質-場分析法在電火花加工工藝優化中的應用流程，對材料放電腐蝕系統中存在的問題進行了分析，提出了解決方案，說明了物質-場分析法在電火花加工工藝優化中的有效應用及前景。

1 電火花加工工藝的優化方法

目前，國內外學者們對電火花加工的優化研究主要集中在兩個方面：

一是對電火花加工機床結構的優化。如：李艷[1]等人基于有限元分析的電火花加工機床變形研究，通過Z軸施加配重，在提高靈敏度的同時，減小了機床變形。

二是對電火花加工工藝的優化，尤其是對工藝參數的研究。如：Chen[2]等通過研究不同的加工放電電流、脈寬、脈間參數對加工效率和表面粗糙度的影響，對火花放電過程進行了系統分析，搭建了材料去除率和表面粗糙度的理論模型，得出的材料去除率公式說明：材料去除率與峰值電流、脈沖寬度呈正比，與脈沖間隔呈反比的趨勢。陳虎[3]等人研究了不同的電極材料對加工性能的影響；孔凡國[4]等提出了蟻群算法改進的模糊C均值聚類算法來選取工藝參數。該方法基于經驗，采用聚類分析技術尋找最能夠代表一類數據的聚類中心作為最優工藝參數，并通過仿真驗證了其有效性；四川大學的李翔龍[5]等根據電火花加工工藝規律，以加工速度和表面粗糙度為目標，運用經典遺傳算法優選加工參數并進行了仿真。

2 物質-場分析方法概述

物質-場分析法是TRIZ理論（發明問題解決理論）中重要的一種分析工具，可用于問題模型的建立、分析和轉換。若將其應用在電火花加工優化中，可以快速的得到有效的優化方案。在使用物質-場分析和解決問題的過程中，首先要建立系統功能模型，根據功能模型所描述的功能問題的類型來確定問題的性質，同時，結合76個標準解[6]找到相應的解決方案。

2.1 物質-場模型

將復雜系統分解為簡單系統是常用的分析方法。在TRIZ中，物質-場模型是可以將系統進行分解的工具。一個能夠工作的最小系統可以用物質-場模型表示，同時也代表了一種功能。通過物質-場模型及分析可以確定系統中的核心問題。最小的技術系統由兩種物質及一種場組成，其基本的物質-場模型如圖1所示。圖中F為場，S1及S2分別為物質。含義為：場F通過物質S2作用于物質S1并改變S1。

圖1 物質-場模型

2.2 物質-場分析法在電火花加工工藝優化中的應用流程

物質-場分析法在電火花加工工藝優化中的應用流程如圖2所示。

圖2 物質-場分析法在電火花加工工藝優化中的應用流程

放電腐蝕系統中的功能元件，用來描述系統的組成，包括技術系統元件、子系統元件，以及與系統之間存在輸入或輸出關系的超系統元件。

3 基于物質-場分析法的材料放電腐蝕系統的優化

電火花加工是在介質中，利用兩極（工具電極與工件電極）之間的脈沖性火花放電時的電腐蝕現象對材料進行加工，以使零件的尺寸、形狀和表面質量達到預定要求的加工方法。由于放電腐蝕系統中存在的各種問題，使得兩極之間的火花放電不穩定，不能得到理想的加工質量，因此，需要對材料放電腐蝕系統進行優化。

3.1 確定材料放電腐蝕系統的功能元件

材料放電腐蝕系統中的功能元件，如表1所示。

表1 材料放電腐蝕系統的功能元件

3.2 建立材料放電腐蝕系統的功能模型

功能模型是采用功能描述的方式來表述元件之間的相互作用關系，反應系統功能的實現機理。圖3列出了材料放電腐蝕系統的功能模型。

圖3 材料放電腐蝕系統的功能模型

3.3 對材料放電腐蝕系統問題的物質-場分析

從圖4功能模型中，可以看到有多個需改進的功能，如“電-機械式伺服控制系統”和“工具電極”、“工具電極”和“工件”、“工作液循環過濾系統”和“工作液”、“雜質”“拋出的電極材料”“電蝕產物”和“工作液”、“工件”和“電蝕產物”等多個物質-場模型，下面對其中幾個進行討論。

3.3.1 工具電極運動系統（靈敏度不夠）

為了維持適宜的放電條件，在加工過程中，電極與工件之間的間隙必須保持在很小的變化范圍內。如間隙過大，則不易擊穿，形成開路；如間隙過小，又會引起拉弧燒傷或短路。為保持恒定的間隙，必須采用伺服控制系統來控制工具電極的進給。

電-機械式伺服控制系統的傳動鏈采用旋轉電機驅動絲杠螺母的方式來實現，由于傳動鏈較長，因而存在滯后問題，使其剛性和響應速度不能達到理想狀態。

應用物質-場分析法建立的物質-場模型如圖4所示。

圖4 工具電極系統物質-場模型

要使用標準解理論體系必須先確定出問題的類別（基于物質－場模型），然后選定一系列標準解。由于自動調節進給系統靈敏度問題的物質-場模型是一個不足系統，應該在76個標準解的第1或第2類中選取。

結合電火花加工的實際，得到的改善方案建議如下：

應用76個標準解中的2.2.1，對于可控性差的場，用一個易控場代替，或增加一個易控場。得出解決方案：用容易控制的電磁力傳動來替代機械傳動，可用直線電機或電磁懸浮式代替旋轉電機，驅動主軸。

直線電機伺服控制系統簡化了電機和工具電極之間的傳動機構，消除了電機、編碼器、聯軸器、絲杠等環節，靈敏度和定位精度得到進一步的提高。改進后的物質-場模型如圖5所示。

圖5 工具電極運動系統改進物質-場模型

3.3.2 工具電極損耗

在電火花加工中，工具電極損耗直接影響加工精度、加工速度、加工質量，因此，降低工具電極的損耗具有重大意義。

應用物質-場分析法建立的工具電極損耗物質-場模型如圖6

圖6 工具電極損耗物質-場模型

模型中，脈沖電源S2作用于工具電極S1上，產生了有害功能，即損耗工具電極，拋出了電極材料。故該工具電極損耗系統是一個有害系統，應該在76個標準解的1.2類中選取。

結合電火花加工的實際，得到兩種改善方案建議如下：

1）應用76個標準解中的1.2.2，通過改變S1或S2消除有害效應。針對脈沖電源，可以改變電源連接工具電極的極性，同時調節脈沖電源的電參數組合，將工具電極的損耗降到最低；針對工具電極，可以改變工具電極的材料，根據所加工材料，選擇損耗最小的材料來制作工具電極。改進后的物質-場模型如圖7a）所示。

2）應用76個標準解中的1.2.3，有害效應是由一種場引起的，引入物質S3吸收有害效應。工具電極的損耗是由于離子在電場的作用下，向工具電極高速運動，對工具電極的碰撞產生的。因此，在工具電極表面增加一層保護膜，對碰撞產生的能量吸收隔離，即可起到減少工具電極損耗的目的。利用煤油之類的碳氫化合物，可發生熱分解，產生大量的游離碳微粒的特性，使用其作為工作液，在電火花放電過程中，游離的碳微粒還能與金屬結合形成帶負電荷的炭膠粒（S3），在電場作用下向正極移動，并吸附在正極表面，形成保護膜，減少工具電極損耗。改進后的物質-場模型如圖7b）所示。

圖7 工具電極損耗改進物質-場模型

3.4 與現存方案對比

將標準解解決方案與現有方案進行對比，見表2。通過對比發現，應用76個標準解得出的電火花加工中存在問題的解決方案，與實際應用中的方案相吻合，驗證了物質-場分析在電火花加工工藝優化中的有效應用。應用TRIZ理論可以有效的解決工程領域的創新問題，使產品設計人員迅速找出問題、快速獲得理想的解決方案，大大提高了創新的速度以及創新方式的多樣性。因此，應用物質-場分析對電火花加工進行優化，可以快速的發現問題，為優化指明方向，得到有效的解決方案。

表2 標準解解決方案和現存方案對比

4 結語

本文建立了物質-場分析法在電火花加工工藝優化中的應用流程，探討了其在電火花加工工藝優化中的應用，并與現存方案相佐證，驗證了物質-場分析法是一種有效地電火花加工工藝優化方法，能夠使設計人員快速的找到問題，為優化指明方向，快速獲得理想電火花加工工藝優化的解決方案。

［1］ 李艷，楊大勇，劉建勇，等.基于有限元分析的電火花加工機床變形研究[J].航天制造技術，2012，12（06）：38-41.

［2］ CHEN Y，MAHDIVIAN S M.Analysis of Electro-discharge Machining Process and Its Comparison with Experiments[J]. Journal of Materials Processing Technology，2000，104（1）：150-157.

［3］ 陳虎，張立新，喻俊志，王衛兵.電火花加工中電極材料對加工性能影響的試驗研究 [J].現代制造工程，2013（04）：79-84.

［4］ 孔凡國，黃偉．電火花加工工藝參數優化蟻群-模糊C均值算法的研究[J].機械制造，2006，44（502）：29-32.

［5］ 李翔龍，殷國富，高枝寶．基于遺傳算法的電火花加工參數優化[J]．現代機械，2001（3）：34-39.

［6］ 檀潤華.TRIZ及應用：技術創新過程與方法[M].北京：高等教育出版社，2010：107-143.

［7］ 劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].北京：機械工業出版社，2008：1-34.

［8］ 劉志東，高長水.電火花加工工藝及應用[M].北京：國防工業出版社，2011：7-9.

［9］ TERNINKO J.Su-Field Analysis[J/OL].TRIZ Journal，Feb.，2000.http：//www.triz-journal.com.

［10］SODERLIN P.Thoughts on substance-field models and 76 standards do we need all of the standards.TRIZ Journal，March，2003.http：//www.triz-journal.com.

Study on the application of su-field analysis method in the EDM process

WANG Zhan-hui，MA Su-chang
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin 300222，China）

This paper presents the Su-Field Analysis Method used in the optimization of EDM process technology，establishes the application of flow of Su-Field analysis method in the optimization of EDM process technology，then analyze the issues of the tool electrode movement system and the electrode wear，achieving the feasible solutions，comparison with existing solutions.Thus，verify the effective application of TRIZ methods in EDM technology，at the same time，provide a new way for the research of EDM process.

TRIZ；Su-Field Analysis；76 Standard Solutions；EDM；Discharge corrosion system

T

A

2095－0926（2014）04－0001－04

2014-00-00

國家自然科學基金（51305301）；天津市應用基礎與前沿計劃項目（14JCQNJC05100）；貴州省科學技術基金（黔科合J字[2014]2116號）.

王占輝（1988—），男，碩士研究生，研究方向為放電加工；馬蘇常（1968—），男，教授，博士，主要研究方向為產品創新設計、特種加工.