電火花線切割加工Crl2MoV的參數優化
2016-12-15 來源：太原理工大學機械工程學院 作者：殷靜凱，李文斌
摘要：利用電火花線切割加工Crl2MoV鋼這種重要的模具材料時，其材料去除率和表面粗糙度是衡量加工質量的重要性能指標。故通過正交實驗，利用極差分析和方差分析探索電火花線切割電參數(脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓)對其性能指標的影響，并應用灰關聯分析法，合理選擇參數，解決參數組合的優化問題。結果表明，利用經優化后的參數組合加工實驗試件，達到了預期的加工效果，這一方法可為實際生產中利用電火花線切割加工Crl2MoV鋼提供理論指導。
關鍵詞：Crl2MoV；電火花線切割加工；電參數；正交實驗；灰關聯度法
1.引言
電火花線切割加工(w№cut Electrical Discharge Machining，WEDM)作為一種重要的非傳統加工方式已經被廣泛的應用于加工復雜的形狀與外形Ⅲ，由于該加工不依靠切削力，故利用電火花線切割加工高硬度、高復雜度的模具具有獨特的優勢。Crl2MoV是一種重要的冷作模具鋼材料，為了提高其成型精度，避免熱加工對模具零件的影響，線切割加工往往安排在模具熱處理后進行罔。而Crl2MoV鋼經過熱處理后硬度，>60HRC，利用傳統切削加工很難進行，所以選擇利用電火花線切割加工Crl2MoV鋼。在加工過程中，影響加工效果的因素很多，其中，電參數是關鍵因素之一，因此電參數的選擇尤為重要。在生產中，雖然廠家針對各機床配有工藝數據表，但是操作者參考簡單的工藝表選擇電參數是遠遠不夠的，因此需要一種科學的分析方法合理地選擇電參數。基于上述思路，進行了電火花線切割加工Crl2MoV鋼的電參數的優化，通過正交實驗，以較少的實驗次數得出各電參數的影響作用，并且采用多目標優化方法：灰關聯分析法，將材料去除率和表面粗糙度進行關聯分析，合理選擇參數，獲得一組最佳的電參數組合，解決參數組合的優化問題。
2.實驗設備及方法
本實驗的平臺是北京阿奇夏米爾公司ACTSPARK FW-I型數控高速走絲電火花線切割機床，加工材料為經過高溫淬火的Crl2MoV鋼，加工厚度20 mill。采用正交實驗法，探討脈寬時間ON、脈間時間OFF、峰值電流IP和間隙電壓SV這四個電參數對線切割加工Crl2MoV鋼的材料去除率和表面粗糙度的影響，并進行極差分析和方差分析，通過灰關聯分析法，優化電參數組合，得到一組最佳的加工參數組合，從而為科學地設定電火花切割加工參數提供了指導。實驗中考察的加工性能指標，材料去除率為加工材料表面積與機床記錄JJn-r時間的比值，表面粗糙度值是利用TR200手持式粗糙度儀進行測量所得。
3.實驗過程及結果分析
3．1因素水平設置
大量研究表明，在電火花線切割加工中，脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓為影響其加工性能的主要因素H。脈寬時間和峰值電流是決定單個脈沖能量大小的重要因素四，它們對材料去除率和表面粗糙度的影響起決定性作用。隨著脈寬時間和峰值電流的增大，材料去除率隨之增大，同時表面粗糙度變差161。但是為了追求大的加工效率而不斷增大脈寬時間和峰值電流是不可取的，因為對于脈寬時間，太大的數值會使蝕除物來不及排除而引起斷絲；同樣，過大的峰值電流會使蝕除物顆粒變大，而導致絲損，甚至也可能造成斷絲。脈間時間作為影響線切割加工性能的重要電參數，它是兩個連續電壓脈沖之間的時間。故脈間時間不能太小，以免引起電弧和斷絲FI，相反脈間時間不能太大，這樣會造成短路，影響加工質量。間隙電壓也是不容忽視的電參數之一，其過小會造成排屑不暢，過大會影響加工效率。于此，依據各電參數對性能指標的影響規律，合理地選擇各因素的水平，采用正交實驗對加工參數的影響因素進行分析所使用的控制因素(即加工參數)包括脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓等四個因素。實驗中各因素水平設置，如表1所示。每個電參數選取四個水平，因此選擇L16(45)正交表。
表1控制因素與水平設置
3．2極差分析
各因素的水平的改變對實驗結果的影響是不同的，極差越大，說明該因素對實驗指標的影響越大同。16組試驗中，每個因素在每個水平下進行了4次試驗，極差表示的是任一列上各水平對應的試驗結果之和中最大值與最小值的差，其計算結果，如表2所示。對于材料去除率，Rc>R．>R挪文R表示極差)，因此各因素對該性能指標影響程度的大小依次是：C(峰值電流)，A(脈寬時間)，B(脈間時間)，D(間隙電壓)。對于表面粗糙度，Rc>R。姐痧如，故影響表面粗糙度的因素從強到弱依次是：c(峰值電流)，A(脈寬時間)，曰(脈聞時間)，D(間隙電壓)。
3．3方差分析
在極差分析中因為不能估計誤差的大小，故不能準確判斷各因素對實驗結果的影響程度。因此應用方差分析，通過先計算各因素的離差平方和，然后計算自由度，均方和，值，最后進行F檢驗的方法，不僅可以彌補極差分析的缺陷，而且可以判斷各因素影響的顯著性。材料去除率和表面粗糙度的方差分析表，如表3、表4所示。由表3可知對于材料去除率：玲R∞(3，3)，，k(3，3)>B>R。(3，3)，晶、Fo<FQ。(3，3)，所以峰值電流比脈沖寬度的顯著性高，脈間時間和間隙電壓對于材料去除率的影響小于峰值電流和脈沖寬度，實驗誤差對于材料去除率的影響遠小于實驗因素對它的影響。從表4可以看出，各個因素對表面粗糙度影響的顯著性與材料去除率中的結果是一樣的，實驗誤差同樣遠小于實驗因素的影響。
3．4灰關聯分析
灰關聯分析，目的是定量的表征各因素之間的關聯程度。利用方差和極差只能對其中—個指標進行分析，而后需要通過綜合推斷達到多指標的平衡。對于灰關聯分析，它能對多指標之間的關系進,15-tit化研究。在本實驗中，利用灰關聯分析定量地確定材料去除率和表面粗糙度的關系，從而更合理的選擇最優的加工參數組合。
表2 正交試驗結果與極差計算
3．4．1灰關聯度值的計算
表3材料去除率方差分析
表4表面粗糙度方差分析
表5材料去除率和表面粗糙度的
3．4．2最優加工電參數分析
材料去除率和表面粗糙度的關聯度分析結果，如表5所示。在電參數某一水平下，若灰關聯度值之和最大，則說明這一電參數在此水平下能使材料去除率和表面粗糙度關聯度達到最大，即這兩項加工性能指標同時達到最優I一21。表6列出了各因素在每一水平下灰關聯度值之和。從表中可知：脈寬時間在水平4(10斗s)，脈間時間在水平1(20斗s)，峰值電流在水平1(2A)，間隙電壓在水平2(3v)下，材料去除率和表面粗糙度關聯度值達到最大值，所以確定此組合為最優加工參數組合。
3．5實驗驗證
通過灰關聯分析，得出一組最佳參數組合，并利用此組合進行加工，進行實驗驗證。驗證實驗中，嚴格控制實驗因素之外的影響因素，使得同正交實驗過程保持一致。將加工獲得的(10×20)mm的試件進行測量計算，其材料去除率為26．1 3mm2／min，表面粗糙度為1．82 1 1xm。利用此材料去除率值和表面粗糙度值計算得到灰關聯度值為0．7435，相比于16組試驗(表5)中的灰關聯度值最大。實現了在材料去除率不低的情況下，表面粗糙度得到了很大的提升，加T效果達到了預期結果，驗證了利用灰關聯分析得出的參數組合是合理的。
表6在某一電參數水平下灰關聯度值
4.結束語
通過正交實驗，采用極差分析和方差分析，并利用灰關聯分析法，得出了電火花線切割加工Crl2MoV時，四個電參數(脈寬時間ON、脈間時間OFF、峰值電流IP、間隙電壓sv)對材料去除率與表面粗糙度的影響規律，并獲得最佳參數組合。即：(1)通過極差分析和方差分析，得出了峰值電流和脈寬時間在加工過程中對材料去除率和表面粗糙度作用最大，脈間時間和間隙電壓作用次之。在保證其他因素不變的情況下，可采用改變電參數的方法，根據實際要求對兩項性能指標進行合理取舍。(2)應用灰關聯分析，將材料去除率和表面粗糙度的值關聯后，進行量化比較，可以得到實驗之外的參數組合。依據實驗與分析推理出最佳參數組合，即：脈寬時間為10μs，脈間時間為20μs，峰值電流為2A，間隙電壓為3v。在此組合下，材料去除率和表面粗糙度灰關聯度值達到最大，兩項加工性能指標均達到預期的結果。
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