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往複走絲電火花線切割多次（cì）切割工藝試驗

2017-2-10 來源：北京科技（jì）大學機械工程學院作者：賈誌新劉譯允高堅強（qiáng）黃磊（lěi）陽（yáng）

摘要：對“中走（zǒu）絲”電火花線切割加工機床的多次切割工藝參數（shù）進行了研（yán）究，圍繞脈寬（kuān）、占空比、峰（fēng）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（yōu）化出第二次切（qiē）割和第三次切割的工藝參數，並進行（háng）驗證。實驗結果能為“中走絲”電火花線切割加工工（gōng）藝提供參考。

關鍵詞：中走絲；電（diàn）火花線切割加工；多次切割；工藝試驗

隨著模具工業的（de）發展及市場形勢的需求，電（diàn）火花（huā）線切割加工不僅要求切割速度快，還要求具有（yǒu）良好的（de）加工表麵（miàn）質量。傳統的往複走絲電火花線切（qiē）割機床之所以沒有取得明顯（xiǎn）的突破（pò），究其原因是運絲係統（tǒng）沒（méi）有根本性改進，而近年來有所發展的“中走絲”線（xiàn）切割機床由於受到結構的限製，加工精度也未得到明顯（xiǎn）提高。縱觀我（wǒ）國的電火花線（xiàn）切割加工機床，並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（wéi）粗、中、細三檔，故加工（gōng）精度很難提高。“中走絲”線（xiàn）切割機床的多次切割工藝優勢很明顯，因此，本（běn）文對其（qí）進行試驗研究，通過實驗量化“中走絲”多次切（qiē）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並（bìng）進行驗證；再進行三次切割多因素（sù）正交試驗，得出三次切割優（yōu）化結果並進行驗證。電火花線切割工藝的好壞更多地是由設（shè）備性能決定的（de），如果零（líng）件的加工需通過多次切割（gē）來完成，則必須兼顧切割速度和表麵粗糙度這2 項工（gōng）藝指標，本文就以（yǐ）此來探究“中走絲”多次切割的工藝規律[2-3]。實驗采用綜（zōng）合評分法來評估各（gè）組合（hé）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（dù）的不（bú）同（tóng）來（lái）分配權重係數，然後對（duì）各組實驗進行相應的評分，評分公式為：

式中：Wi為各組（zǔ）對應的加權綜合評分；Mij為切割速度和表麵粗（cū）糙度（dù）2 個（gè）評價指標的各自得分；ωj為各指標權重。這樣，多指標問題（tí）就轉化成為以實驗綜合（hé）得分為（wéi）指標的單指標問題。

2.二次切（qiē）割實驗

2.1 實驗準備（bèi）

二次切（qiē）割實驗選用厚40 mm 的（de）Cr12 材（cái）料，在M332“中走絲”電火花線切割機床上進行，測量設備有表麵粗糙度儀、濃（nóng）度檢測儀、數顯千分尺等。采用正交試驗，因（yīn）素有4 個，分（fèn）別為：走絲速度（A）、峰值電流（B）、脈寬（C）及占空比（D）。由（yóu）於走絲速（sù）度的水平數為3 個（gè），其（qí）餘均為4 個，沒有合適的正交試驗表可選，故用擬（nǐ）水平法將認為（wéi）可能較合適的走（zǒu）絲速度2.2 m/s 重複一次，湊成四（sì）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（shuǐ）平表

在二次切割前，第一刀切（qiē）割選用單次切割正交優化所得的參數為：脈寬30 μs，占（zhàn）空（kōng）比1∶4，峰值電流（liú）45 A，走絲速度6.6 m/s。第二刀的（de）理論（lùn）修刀量為45 μm。

2.2 實驗數據分（fèn）析

第二次切割作為第一次切割和第三次切割之間的（de）一次過渡，其主要作用是修正，在提高加工精度的同時，保證較高的表麵（miàn）質量和加工速度。因此，第（dì）二次切割的優化工作可采用評分（fèn）法進（jìn）行較簡單的優選，得（dé）出一組加（jiā）工速度（dù）較（jiào）高、表麵粗糙度值較低的參數組合。

二（èr）次切（qiē）割正交試驗（yàn）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（yǐ）最（zuì）佳表麵粗糙度Ra1.791 μm 作為表麵粗糙度基準1，Mi1為各實驗結（jié）果的切割速度與切割速度基準1 的比值，Mi2為各（gè）實驗結（jié）果的表麵粗糙度值與表麵粗糙度基準1 的比值的相反數。由於越往後的刀次，其表權綜合評（píng）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（jiā）權（quán）計算公式為：

表2 二次切（qiē）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（zǔ），所以第（dì）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（huà）結果見表3。

表3 二次切割優（yōu）化電參數

對綜合評分法得出的優（yōu）化方（fāng）案（àn）進行3 次樣件切割驗證（zhèng）實驗，測量（liàng）結果為：二次切割的平均切割速（sù）度為318.60 mm2/min，加工表麵粗糙度的平均值為Ra2.000 μm；對該結果進行綜合評（píng）分為-0.406，高於表（biǎo）2 所（suǒ）示的其餘15 組方案，表明該優（yōu）化參數組合（hé）能穩定地實現較優的二次切割工（gōng）藝。同時，與第一次切（qiē）割（gē）所得的切割速度50.28 mm2/min、表麵粗糙度Ra2.79 μm 相（xiàng）比，明顯效率更高、表麵質量更好。

3.三次切割實驗

3.1 實驗準備

三次切割實驗（yàn）選（xuǎn）用厚20 mm 的Cr12 材料，在M332“中走絲”電火花線切割（gē）機床上進行（háng），測量設備有TR210 表麵粗糙度儀（yí）、濃度（dù）檢測儀及千分尺。本實驗的目的是建立相應的（de）修刀加工（gōng）工（gōng）藝數（shù）據庫，優化出（chū）一組或多組能保證較優表麵粗（cū）糙度的修刀參數。為此設計了正交試驗（yàn），其因素水平（píng）見表4。其中，占空比的（de）水平數為4 個，其餘因素的水平（píng）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（qiē）割（gē）正交試驗因素水（shuǐ）平表

按表3 所示的（de）參數進行第一次、第二次切割。因為第（dì）三次切割的主要作用是修光，使工件表麵粗糙度值（zhí）達到盡可能低的水平（píng），同時僅需保證能進行連續穩定的放電加工即可（kě），所以三次（cì）切割實驗選（xuǎn）用較小的理論修刀量（5 μm）和較小的（de）脈衝能量。

3.2 實驗數據分析

三次（cì）切（qiē）割正交試驗結果見（jiàn）表5，以最高切割（gē）速度300 mm2/min 作為切割速度基準1，以最佳表麵粗糙度Ra1.24 μm 作為表麵粗糙度基準1，Mi1為各實驗結果的切（qiē）割速度與切割速度基準（zhǔn）1 的比值，Mi2為各實驗（yàn）結果的表麵粗糙度與表（biǎo）麵粗糙度基準1的比值的相反數。由於第三次切割主要考慮表麵粗糙度，所以（yǐ）切割速度權重係數為30 %，表麵（miàn）粗糙度權（quán）重（chóng）係數為70 %，則（zé）所得加（jiā）權綜合評分Wi為：

式中：Wi為第三次切（qiē）割各組對應的加權綜合評分；vwi為（wéi）第三次切割的切割（gē）速度；Ra 為第三次切割的表麵粗（cū）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（zōng）合評分最高（gāo），切（qiē）割效（xiào）果最佳。三次切割的優化結（jié）果見表7。對其進行驗（yàn）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（即加工工件的表麵積與總時間的比值）為（wéi）55.08 mm2/min，加工表麵粗（cū）糙度的平均（jun1）值為Ra1.15 μm。該結果的綜合得分為-0.479，高於表5 所示的8 組方案，表（biǎo）明該參數組合能穩（wěn）定地實（shí）現較優的三次切割工藝（yì）。和之前所（suǒ）做的一（yī）次切割與（yǔ）二（èr）次切（qiē）割實驗相比，切割總（zǒng）效率有所提高，表麵（miàn）粗糙度Ra1.15 μm 已達到傳統機（jī）械精加工的精度（dù）範疇。

表5 三次切割正交試驗結果

表（biǎo）6 三次切割綜合（hé）得分極差分析表

表7 三次（cì）切割（gē）優化電參數

通過優化工藝參數來滿足“中走絲”電火花線切（qiē）割加（jiā）工需求，能極大地提高（gāo）機（jī）床加工精度，豐富線切割工藝數據庫[5]。

4.結論

（1）本文對（duì）“中走絲”電火花線（xiàn）切割多次切割工藝參數進行優化，運用（yòng）綜合（hé）分析法得出（chū）第二次切（qiē）割和第三次切割的較優工藝參數，並進行（háng）了驗證。

（2）二次切割最優方案中，第二刀切（qiē）割速度達（dá）到312.5 mm2/min，總體平均切割速度為78.49 mm2/min，表（biǎo）麵粗糙度的平均值達（dá）到Ra1.97 μm。

（3）三次切割最優方案中，第三刀切割速度（dù）達到170.5 mm2/min，總體平均切割速度為（wéi）55.08 mm2/min，表（biǎo）麵粗糙度可達Ra1.15 μm。

（4）通過多次（cì）切割工（gōng）藝參數的優化，得出既能保證（zhèng）表麵粗糙度（dù）、又能提高加（jiā）工速度的參（cān）數，為“中（zhōng）走絲”電火（huǒ）花線切割加工（gōng）工藝提供指導。

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