精密线切割加工连续脉冲放电过程分子动力学建模及多工艺参数优化

电火花线切割是实现模具等零部件精密加工的重要手段之一。脉冲放电过程是影响线切割加工精度的关键环节。受建模方法、计算手段及验证技术等条件的限制，目前对电火花放电过程的模拟主要集中在单脉冲放电，与实际加工环境有一定差距，因而难以准确揭示其影响加工精度的机理，严重制约了精密线切割装备水平的提升。.本项目拟建立精密线切割加工连续脉冲放电过程分子动力学模型，模拟实际加工环境下连续放电过程中工件电极分子微观的运动与沉积过程，以并行计算和优化技术解决连续脉冲模拟过程中的高效计算难题，并通过仿真分析揭示不同放电参数对工件电极精度与表面粗糙度形成过程的影响；将高斯过程回归方法应用于多工艺参数优化模型中，采用一种改进优化算法来实现电火花加工工艺系统优化控制。将上述模型和方法在自主研发的慢走丝线切割机床进行测试和加工实验，并在工程开发中用于工艺参数优化及装备性能改进。

电火花线切割是一种重要的特种加工工艺，在航空航天、模具等领域中有着广泛的应用。不过由于电加工过程脉冲时间短、过程复杂、随机性强，所以目前电加工蚀除机理尚未形成统一的结论。现有的机理研究大多是根据温度或应力等假定的蚀除条件对电加工蚀除过程进行模拟，而未考虑材料的动力学行为，从本质上来说并没有真正给出材料的蚀除机理。由于现有的理论与模型难以准确揭示电加工机理，这严重制约了精密电火花线切割工艺的进一步发展。. 为了解决以上精密电火花加工机理研究所存在的问题，本项目采用双温模型-分子动力学混合建模方法构建了精密电火花加工过程仿真模型以研究精密电火花加工中材料的蚀除机理。此模型兼具基于传热学理论的数值仿真模型以及基于分子动力学方法的原子尺度仿真模型的优点，能够正确描述微观尺度的金属热传导过程（包括电子系统与晶格系统的热不平衡现象）以及材料在受到外界作用后的动力学行为和微观结构演变过程，因而能够描述电极材料受到放电通道作用后的蚀除过程。以此为基础，本项目针对阴极与阳极材料在电加工过程中受到不同场的影响，分别对其蚀除机理开展了研究，从动力学角度解释了电火花加工过程，全面地揭示了电加工机理。在电加工机理研究的基础上，本项目构建了描述电加工参数与加工效果之间的多目标工艺优化模型。本项目提出了一种基于高斯过程回归模型用来研究电加工参数优化规律，并通过实验验证模型的有效性。高斯过程回归模型中研究了电加工的工艺参数关于MRR和Ra的主效应及其交互作用，通过实验验证，所建立的回归模型预测MRR和Ra的平均相对误差分别为14.75％和20.74％；进一步，利用该建模方法，建立了精密WEDM-LS的工艺参数优化模型并得到了验证，可为实际加工提供参考。在此基础上，为解决在线工艺优化中间隙放电状态辨识的难题，本项目创新地将放电电压波形的识别问题转换为图像处理领域的模式识别问题。提出一种基于图像矩、分形维数和几何特征多角度的特征值计算算法和构建放电波形图像的相关算法，利用人工神经网络对间隙放电状态进行分类，进而成功地完成间隙放电状态的辨识，辨识准确率高达98.7%。本项目开展的精密线切割加工连续脉冲放电过程。分子动力学建模及多工艺参数优化研究在电加工机理研究方面实现了突破，并且从表面完整性、加工效率、形位误差等方面提高了电加工工艺水平，为我国电加工领域的理论研究和工程应用做出了贡献。