往復(fù)走絲電火花線切割多次切割工藝試驗(yàn)
2017-8-10 來源： 北京科技機(jī)械工程學(xué)院蘇州新火花機(jī)床公司 作者：賈志新 劉譯允 高堅(jiān)強(qiáng) 黃磊陽
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)展及市場形勢的需求，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)床之所以沒有取得明顯的突破，究其原因是運(yùn)絲系統(tǒng)沒有根本性改進(jìn)，而近年來有所發(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)勢很明顯，因此，本文對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)量化“中走絲”多次切割所能達(dá)到的工藝水平。
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多次切割來完成，則必須兼顧切割速度和表面粗糙度這 2 項(xiàng)工藝指標(biāo)，本文就以此來探究“中走絲”多次切割的工藝規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)采用綜合評(píng)分法來評(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，測量設(shè)備有表面粗糙度儀、濃度檢測儀、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）。
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，其表面粗糙度的權(quán)重越高，故多次切割的第二次切割權(quán)重分配為切割速度 40 %、表面粗糙度 60 %，所得加權(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：
式中：Wi為第二次切割各組對(duì)應(yīng)的加權(quán)綜合評(píng)分；vwi為第二次切割的切割速度；Ra 為第二次切割的表面粗糙度。
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)果見表 3。
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，測量設(shè)備有 TR210 表面粗糙度儀、濃度檢測儀及千分尺。
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，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。
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 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)
通過優(yōu)化工藝參數(shù)來滿足“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，豐富線切割工藝數(shù)據(jù)庫。
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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