混合制造的实验研究：基于 ANFIS 建模的 WAAM 制备不锈钢零件的线切割电火花加工（WEDM）

让大型金属部件更精确

从飞机机翼到医疗植入物，许多现代设备依赖既要坚固又要极为精确的大型金属部件。一种称为电弧线材增材制造（WAAM）的新型制造方式擅长快速构建大型不锈钢形状，但会留下粗糙的表面和细微的几何缺陷。本研究探讨了第二道工序——线电火花加工（WEDM）如何对这些增材制造的零件进行精细修整和平滑处理，同时借助智能计算模型帮助工程师找到在速度与质量之间权衡的最佳加工参数。

为何新的金属制造方法至关重要

传统加工以实心块为起点切削出所需形状，过程可能缓慢、浪费材料且受形状限制。电弧线材增材制造则通过电弧和金属线材逐层构建金属部件，近似于将零件“焊”出来。这种方法速度快、成本效益高，尤其适合大型不锈钢件，因此对航空航天、能源和工业设计领域具有吸引力。缺点是分层表面往往波纹化且粗糙，热影响还可能引入内部应力和微小尺寸误差，这在要求高公差和平滑表面的场合无法接受。

用火花而非刀具来精整

为修正这些缺陷，作者采用了线电火花加工——一种使用细线和微小电火花在无接触状态下蚀除金属的工艺。由常见合金 SS316L 通过电弧增材制造得到的不锈钢零件，随后由该火花切割方法成形和精加工。由于电极线不会接触工件，它可以精确切割硬材料和复杂形状，尤其适合进入常规切削工具难以够到的复杂几何区域。关键挑战在于，火花加工对放电时间（开时长）、停歇时间（关时长）和电流强度十分敏感，因此研究团队旨在测量这些参数如何影响材料去除率、表面光洁度和几何精度。

用智能统计测试多种参数组合

研究人员采用结构化试验设计，对增材制造的不锈钢在 27 种不同放电开时间、关时间和电流组合下进行了加工试验。他们测量了金属去除速度、最终表面粗糙度、尺寸偏离目标的程度以及墙体的垂直度和方正性。结果显示，放电开时间是金属去除速度的主要驱动因素，但当其过高时也是尺寸误差和形状畸变的主要来源。相比之下，放电关时间对应实现更细的表面和稳定几何至关重要，因为它允许电极线与工件间的流体恢复并冲洗掉碎屑。

教会数字助手预测质量

为了解决需同时满足多项质量指标的问题，团队结合了两种方法：一种将所有性能指标合并为单一评分的排序工具，以及一种自适应神经模糊推理系统（ANFIS），这是一类能从数据中学习复杂模式的智能模型。他们在试验结果上训练该模型，使其能够预测新参数组合下的综合性能得分。预测与实验结果高度一致，误差很小且相关性接近完美，表明该模型成功捕捉到了在该混合工艺中速度、表面光洁度与几何精度之间的关系。

这对未来金属零件意味着什么

简而言之，研究表明可以先用电弧线材快速构建不锈钢零件，再用火花切割精加工，从而获得适用于高要求用途的平滑、精确部件。研究还表明，通过精细调节放电开关时长，可在快速切削与良好表面质量及稳定形状之间取得平衡。所开发的智能模型可以在不需对每一种组合在实件上试验的情况下，引导工程师找到最佳参数组合。总体而言，这一路径与其数字化辅助工具为可扩展地生产大型精密金属部件（如航空航天、生物医疗器械和能源系统领域）指明了方向。

引用: Thejasree, P., Manikandan, N., Marimuthu, S. et al. Experimental investigations on hybrid manufacturing: WEDM of WAAM-fabricated stainless-steel components using ANFIS modelling. Sci Rep 16, 15169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45952-w

关键词: 电弧增材制造（线材）, 线电火花加工, 不锈钢 316L, 混合制造, ANFIS 建模