往復(fù)走絲電火花線切割多次切割工藝試驗(yàn)
2017-2-10 來(lái)源：北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：賈志新 劉譯允 高堅(jiān)強(qiáng) 黃磊陽(yáng)
摘要：對(duì)“中走絲”電火花線切割加工機(jī)床的多次切割工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，圍繞脈寬、占空比、峰值電流、走絲速度等因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用綜合評(píng)分法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使多目標(biāo)優(yōu)化變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化。通過(guò)正交試驗(yàn)法優(yōu)化出第二次切割和第三次切割的工藝參數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能為“中走絲”電火花線切割加工工藝提供參考。
關(guān)鍵詞：中走絲；電火花線切割加工；多次切割；工藝試驗(yàn)
隨著模具工業(yè)的發(fā)展及市場(chǎng)形勢(shì)的需求，電火花線切割加工不僅要求切割速度快，還要求具有良好的加工表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床之所以沒(méi)有取得明顯的突破，究其原因是運(yùn)絲系統(tǒng)沒(méi)有根本性改進(jìn)，而近年來(lái)有所發(fā)展的“中走絲”線切割機(jī)床由于受到結(jié)構(gòu)的限制，加工精度也未得到明顯提高。縱觀我國(guó)的電火花線切割加工機(jī)床，并未按金屬加工的一般原則進(jìn)行加工，即將整個(gè)加工過(guò)程分為粗、中、細(xì)三檔，故加工精度很難提高。“中走絲”線切割機(jī)床的多次切割工藝優(yōu)勢(shì)很明顯，因此，本文對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)量化“中走絲”多次切割所能達(dá)到的工藝水平[1]。
1.實(shí)驗(yàn)方案
先進(jìn)行二次切割多因素正交試驗(yàn)，得出二次切割優(yōu)化結(jié)果并進(jìn)行驗(yàn)證；再進(jìn)行三次切割多因素正交試驗(yàn)，得出三次切割優(yōu)化結(jié)果并進(jìn)行驗(yàn)證。電火花線切割工藝的好壞更多地是由設(shè)備性能決定的，如果零件的加工需通過(guò)多次切割來(lái)完成，則必須兼顧切割速度和表面粗糙度這2 項(xiàng)工藝指標(biāo)，本文就以此來(lái)探究“中走絲”多次切割的工藝規(guī)律[2-3]。實(shí)驗(yàn)采用綜合評(píng)分法來(lái)評(píng)估各組合的優(yōu)劣，從中選出較優(yōu)的切割參數(shù)組合。綜合評(píng)分法是根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)重要程度的不同來(lái)分配權(quán)重系數(shù)，然后對(duì)各組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)分，評(píng)分公式為：
式中：Wi為各組對(duì)應(yīng)的加權(quán)綜合評(píng)分；Mij為切割速度和表面粗糙度2 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的各自得分；ωj為各指標(biāo)權(quán)重。這樣，多指標(biāo)問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成為以實(shí)驗(yàn)綜合得分為指標(biāo)的單指標(biāo)問(wèn)題。
2.二次切割實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
二次切割實(shí)驗(yàn)選用厚40 mm 的Cr12 材料，在M332“中走絲”電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行，測(cè)量設(shè)備有表面粗糙度儀、濃度檢測(cè)儀、數(shù)顯千分尺等。采用正交試驗(yàn)，因素有4 個(gè)，分別為：走絲速度（A）、峰值電流（B）、脈寬（C）及占空比（D）。由于走絲速度的水平數(shù)為3 個(gè)，其余均為4 個(gè)，沒(méi)有合適的正交試驗(yàn)表可選，故用擬水平法將認(rèn)為可能較合適的走絲速度2.2 m/s 重復(fù)一次，湊成四水平，從而選用較合適的正交表L16（45），第5 列不使用（表1）。
表1 二次切割正交試驗(yàn)因素水平表
在二次切割前，第一刀切割選用單次切割正交優(yōu)化所得的參數(shù)為：脈寬30 μs，占空比1∶4，峰值電流45 A，走絲速度6.6 m/s。第二刀的理論修刀量為45 μm。
2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
第二次切割作為第一次切割和第三次切割之間的一次過(guò)渡，其主要作用是修正，在提高加工精度的同時(shí)，保證較高的表面質(zhì)量和加工速度。因此，第二次切割的優(yōu)化工作可采用評(píng)分法進(jìn)行較簡(jiǎn)單的優(yōu)選，得出一組加工速度較高、表面粗糙度值較低的參數(shù)組合。
二次切割正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2， 以最高切割速度481.93 mm2/min 作為切割速度基準(zhǔn)1， 以最佳表面粗糙度Ra1.791 μm 作為表面粗糙度基準(zhǔn)1，Mi1為各實(shí)驗(yàn)結(jié)果的切割速度與切割速度基準(zhǔn)1 的比值，Mi2為各實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表面粗糙度值與表面粗糙度基準(zhǔn)1 的比值的相反數(shù)。由于越往后的刀次，其表權(quán)綜合評(píng)分記為Wi。因此，二次切割實(shí)驗(yàn)各組的加工結(jié)果所對(duì)應(yīng)的綜合加權(quán)計(jì)算公式為：
表2 二次切割正交試驗(yàn)結(jié)果
由表2 所示的加權(quán)綜合評(píng)分可看出，得分最高的為第11 組， 所以第二刀切割應(yīng)選用該組對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，即走絲速度4.4 m/s，峰值電流15 A，脈寬5 μs，占空比1∶5。優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 二次切割優(yōu)化電參數(shù)
對(duì)綜合評(píng)分法得出的優(yōu)化方案進(jìn)行3 次樣件切割驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果為：二次切割的平均切割速度為318.60 mm2/min， 加工表面粗糙度的平均值為Ra2.000 μm； 對(duì)該結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)分為-0.406，高于表2 所示的其余15 組方案， 表明該優(yōu)化參數(shù)組合能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的二次切割工藝。同時(shí)，與第一次切割所得的切割速度50.28 mm2/min、表面粗糙度Ra2.79 μm 相比，明顯效率更高、表面質(zhì)量更好。
3.三次切割實(shí)驗(yàn)
3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
三次切割實(shí)驗(yàn)選用厚20 mm 的Cr12 材料，在M332“中走絲”電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行，測(cè)量設(shè)備有TR210 表面粗糙度儀、濃度檢測(cè)儀及千分尺。本實(shí)驗(yàn)的目的是建立相應(yīng)的修刀加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化出一組或多組能保證較優(yōu)表面粗糙度的修刀參數(shù)。為此設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，其因素水平見(jiàn)表4。其中，占空比的水平數(shù)為4 個(gè)，其余因素的水平數(shù)為2 個(gè)，故選用正交表L8（4×24）進(jìn)行正交試驗(yàn)，第5 列不使用。
表4 三次切割正交試驗(yàn)因素水平表
按表3 所示的參數(shù)進(jìn)行第一次、第二次切割。因?yàn)榈谌吻懈畹闹饕饔檬切薰猓构ぜ砻娲植诙戎颠_(dá)到盡可能低的水平，同時(shí)僅需保證能進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的放電加工即可，所以三次切割實(shí)驗(yàn)選用較小的理論修刀量（5 μm）和較小的脈沖能量。
3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
三次切割正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5， 以最高切割速度300 mm2/min 作為切割速度基準(zhǔn)1， 以最佳表面粗糙度Ra1.24 μm 作為表面粗糙度基準(zhǔn)1，Mi1為各實(shí)驗(yàn)結(jié)果的切割速度與切割速度基準(zhǔn)1 的比值，Mi2為各實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表面粗糙度與表面粗糙度基準(zhǔn)1的比值的相反數(shù)。由于第三次切割主要考慮表面粗糙度，所以切割速度權(quán)重系數(shù)為30 %，表面粗糙度權(quán)重系數(shù)為70 %，則所得加權(quán)綜合評(píng)分Wi為：
式中：Wi為第三次切割各組對(duì)應(yīng)的加權(quán)綜合評(píng)分；vwi為第三次切割的切割速度；Ra 為第三次切割的表面粗糙度。對(duì)加權(quán)得分進(jìn)行極差分析， 結(jié)果見(jiàn)表6。可看出，因素A 應(yīng)取1 水平，因素B 應(yīng)取1 水平，因素C應(yīng)取1 水平， 因素D 應(yīng)取2 水平， 即最優(yōu)組合為A1B1C1D2。此時(shí)，綜合評(píng)分最高，切割效果最佳。三次切割的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表7。對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，第三刀平均切割速度為170.5 mm2/min，加工工件總體平均切割速度（即加工工件的表面積與總時(shí)間的比值）為55.08 mm2/min，加工表面粗糙度的平均值為Ra1.15 μm。該結(jié)果的綜合得分為-0.479，高于表5 所示的8 組方案，表明該參數(shù)組合能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的三次切割工藝。和之前所做的一次切割與二次切割實(shí)驗(yàn)相比，切割總效率有所提高，表面粗糙度Ra1.15 μm 已達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)械精加工的精度范疇。
表5 三次切割正交試驗(yàn)結(jié)果
表6 三次切割綜合得分極差分析表
表7 三次切割優(yōu)化電參數(shù)
通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)滿足“中走絲”電火花線切割加工需求，能極大地提高機(jī)床加工精度，豐富線切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。
4.結(jié)論
（1）本文對(duì)“中走絲”電火花線切割多次切割工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用綜合分析法得出第二次切割和第三次切割的較優(yōu)工藝參數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。
（2）二次切割最優(yōu)方案中，第二刀切割速度達(dá)到312.5 mm2/min，總體平均切割速度為78.49 mm2/min，表面粗糙度的平均值達(dá)到Ra1.97 μm。
（3）三次切割最優(yōu)方案中，第三刀切割速度達(dá)到170.5 mm2/min，總體平均切割速度為55.08 mm2/min，表面粗糙度可達(dá)Ra1.15 μm。
（4）通過(guò)多次切割工藝參數(shù)的優(yōu)化，得出既能保證表面粗糙度、又能提高加工速度的參數(shù)，為“中走絲”電火花線切割加工工藝提供指導(dǎo)。
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