往復走絲電火花線切割多次切割工藝試驗
2017-2-10 來源：北京科技大學機械工程學院 作者：賈志新 劉譯允 高堅強 黃磊陽
摘要：對“中走絲”電火花線切割加工機床的多次切割工藝參數進行了研究，圍繞脈寬、占空比、峰值電流、走絲速度等因素進行實驗。采用綜合評分法對實驗數據進行處理，使多目標優化變為單目標優化。通過正交試驗法優化出第二次切割和第三次切割的工藝參數，并進行驗證。實驗結果能為“中走絲”電火花線切割加工工藝提供參考。
關鍵詞：中走絲；電火花線切割加工；多次切割；工藝試驗
隨著模具工業的發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量。傳統的往復走絲電火花線切割機床之所以沒有取得明顯的突破，究其原因是運絲系統沒有根本性改進，而近年來有所發展的“中走絲”線切割機床由于受到結構的限制，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床，并未按金屬加工的一般原則進行加工，即將整個加工過程分為粗、中、細三檔，故加工精度很難提高。“中走絲”線切割機床的多次切割工藝優勢很明顯，因此，本文對其進行試驗研究，通過實驗量化“中走絲”多次切割所能達到的工藝水平[1]。
1.實驗方案
先進行二次切割多因素正交試驗，得出二次切割優化結果并進行驗證；再進行三次切割多因素正交試驗，得出三次切割優化結果并進行驗證。電火花線切割工藝的好壞更多地是由設備性能決定的，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 項工藝指標，本文就以此來探究“中走絲”多次切割的工藝規律[2-3]。實驗采用綜合評分法來評估各組合的優劣，從中選出較優的切割參數組合。綜合評分法是根據每個實驗指標重要程度的不同來分配權重系數，然后對各組實驗進行相應的評分，評分公式為：
式中：Wi為各組對應的加權綜合評分；Mij為切割速度和表面粗糙度2 個評價指標的各自得分；ωj為各指標權重。這樣，多指標問題就轉化成為以實驗綜合得分為指標的單指標問題。
2.二次切割實驗
2.1 實驗準備
二次切割實驗選用厚40 mm 的Cr12 材料，在M332“中走絲”電火花線切割機床上進行，測量設備有表面粗糙度儀、濃度檢測儀、數顯千分尺等。采用正交試驗，因素有4 個，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為3 個，其余均為4 個，沒有合適的正交試驗表可選，故用擬水平法將認為可能較合適的走絲速度2.2 m/s 重復一次，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化所得的參數為：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 實驗數據分析
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，保證較高的表面質量和加工速度。因此，第二次切割的優化工作可采用評分法進行較簡單的優選，得出一組加工速度較高、表面粗糙度值較低的參數組合。
二次切割正交試驗結果見表2， 以最高切割速度481.93 mm2/min 作為切割速度基準1， 以最佳表面粗糙度Ra1.791 μm 作為表面粗糙度基準1，Mi1為各實驗結果的切割速度與切割速度基準1 的比值，Mi2為各實驗結果的表面粗糙度值與表面粗糙度基準1 的比值的相反數。由于越往后的刀次，其表權綜合評分記為Wi。因此，二次切割實驗各組的加工結果所對應的綜合加權計算公式為：
表2 二次切割正交試驗結果
由表2 所示的加權綜合評分可看出，得分最高的為第11 組， 所以第二刀切割應選用該組對應的參數設置，即走絲速度4.4 m/s，峰值電流15 A，脈寬5 μs，占空比1∶5。優化結果見表3。
表3 二次切割優化電參數
對綜合評分法得出的優化方案進行3 次樣件切割驗證實驗，測量結果為：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； 對該結果進行綜合評分為-0.406，高于表2 所示的其余15 組方案， 表明該優化參數組合能穩定地實現較優的二次切割工藝。同時，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、表面質量更好。
3.三次切割實驗
3.1 實驗準備
三次切割實驗選用厚20 mm 的Cr12 材料，在M332“中走絲”電火花線切割機床上進行，測量設備有TR210 表面粗糙度儀、濃度檢測儀及千分尺。本實驗的目的是建立相應的修刀加工工藝數據庫，優化出一組或多組能保證較優表面粗糙度的修刀參數。為此設計了正交試驗，其因素水平見表4。其中，占空比的水平數為4 個，其余因素的水平數為2 個，故選用正交表L8（4×24）進行正交試驗，第5 列不使用。
表4 三次切割正交試驗因素水平表
按表3 所示的參數進行第一次、第二次切割。因為第三次切割的主要作用是修光，使工件表面粗糙度值達到盡可能低的水平，同時僅需保證能進行連續穩定的放電加工即可，所以三次切割實驗選用較小的理論修刀量（5 μm）和較小的脈沖能量。
3.2 實驗數據分析
三次切割正交試驗結果見表5， 以最高切割速度300 mm2/min 作為切割速度基準1， 以最佳表面粗糙度Ra1.24 μm 作為表面粗糙度基準1，Mi1為各實驗結果的切割速度與切割速度基準1 的比值，Mi2為各實驗結果的表面粗糙度與表面粗糙度基準1的比值的相反數。由于第三次切割主要考慮表面粗糙度，所以切割速度權重系數為30 %，表面粗糙度權重系數為70 %，則所得加權綜合評分Wi為：
式中：Wi為第三次切割各組對應的加權綜合評分；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。對加權得分進行極差分析， 結果見表6。可看出，因素A 應取1 水平，因素B 應取1 水平，因素C應取1 水平， 因素D 應取2 水平， 即最優組合為A1B1C1D2。此時，綜合評分最高，切割效果最佳。三次切割的優化結果見表7。對其進行驗證發現，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，表明該參數組合能穩定地實現較優的三次切割工藝。和之前所做的一次切割與二次切割實驗相比，切割總效率有所提高，表面粗糙度Ra1.15 μm 已達到傳統機械精加工的精度范疇。
表5 三次切割正交試驗結果
表6 三次切割綜合得分極差分析表
表7 三次切割優化電參數
通過優化工藝參數來滿足“中走絲”電火花線切割加工需求，能極大地提高機床加工精度，豐富線切割工藝數據庫[5]。
4.結論
（1）本文對“中走絲”電火花線切割多次切割工藝參數進行優化，運用綜合分析法得出第二次切割和第三次切割的較優工藝參數，并進行了驗證。
（2）二次切割最優方案中，第二刀切割速度達到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到Ra1.97 μm。
（3）三次切割最優方案中，第三刀切割速度達到170.5 mm2/min，總體平均切割速度為55.08 mm2/min，表面粗糙度可達Ra1.15 μm。
（4）通過多次切割工藝參數的優化，得出既能保證表面粗糙度、又能提高加工速度的參數，為“中走絲”電火花線切割加工工藝提供指導。
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