基於正交試驗的混粉電火花加工的研究（jiū）
2017-6-13 來源：陝西工業（yè）職業技術學院 機械工程學院 作者（zhě）：蘇宏（hóng）誌，王顯方（fāng）
摘要：利用正交（jiāo）試驗法，對比分析了峰值（zhí）電流、脈衝寬度、伺服電壓以及空載電壓等４個參數在常規電火花加工和混粉電火花加工中對（duì）表麵粗糙度影響的差異（yì），結果表眀，在混粉電火花加工（gōng）中，粉末（mò）的（de）加入使得電火花加工參數對（duì）表麵粗糙度的影響（xiǎng）顯著增（zēng）大，尤其在（zài）混矽粉電火花加工中，參（cān）數對表麵粗糙度的影響更為明顯。研究結論為（wéi）混粉電火花加工的研究提供了參考。
關（guān）鍵詞：混粉電火花加工；正交試驗；表麵粗（cū）糙度
混粉電火花加工是通過在電火花工作液中（zhōng）混入一定比例的矽（guī）、鋁（lǚ）等微細粉末導電顆粒，來改善放電狀態，從而克服普通電火花加工的某些缺點（diǎn），降低表（biǎo）麵粗糙度，減小白硬層的厚度（dù），消除微觀裂紋，使加工後的表（biǎo）麵（miàn）達到類似鏡麵的效果。其可實現大麵積穩定加工，也可直接用於（yú）精密模具型腔表（biǎo）麵的最終加工。加工（gōng）後（hòu）的表麵（miàn）耐磨性（xìng）和耐（nài）蝕（shí）性均得（dé）到提（tí）高。混粉電火（huǒ）花加工（gōng）在模具製造（zào）中的大麵積（jī）精加工中表（biǎo）現出優越的潛在能力，特（tè）別是加工（gōng）效（xiào）率高，表麵均勻性好，有效降（jiàng）低（dī）表麵粗糙度（dù）的能力越來越受到模具（jù）製造行業的重視。
本文通過正交試驗法（fǎ），以常規電火花加工（gōng）的表麵（miàn）質量為參照，對混粉電火花加工的表麵粗糙（cāo）度進行研究，深入探討混粉電火花加工中不同工（gōng）藝參數以及不同混（hún）粉工作液對表（biǎo）麵粗（cū）糙度的影響大小。
１.混粉電（diàn）火（huǒ）花加工正交試驗
正交試驗是研究（jiū）多（duō）因素、多水平試驗的主要方法，它是根據正交性（xìng）原則在所有的試驗（yàn）中挑選部分有代表的 點 進（jìn） 行 試 驗，尋 找 出 一 組 最 優 的 水 平 組合［１］。混粉電火花加（jiā）工中（zhōng）影響因素較多，且每一個不同水平因素都會對（duì）加工（gōng）零件表麵粗糙度產生不同影（yǐng）響結果。
１．１ 主要影響因素的選取
影響混粉電火花加工中表麵加工質量的主要因（yīn）素有脈衝（chōng）寬度、峰值（zhí）電（diàn）流、伺服電壓、空載（zǎi）電壓、電極材料和放電麵積等［２］。考慮到試驗加工條件等實際因素，本文以脈衝寬度、峰值電流、伺服電壓以及空載電壓變化為主要研究對象，分析這４個參數變化對加工表麵粗糙度的影響（xiǎng）程度，利用正交試驗仿（fǎng）真，尋求４個參（cān）數變化水平的最佳組合。
１．２ 試驗設計（jì）
為了深入研究上述４個參數變（biàn）化在電火花加工中對表麵粗糙（cāo）度的影響大小，試驗設計對同一組參數分別在常規工作（zuò）液、混鋁粉工作液和混矽粉工（gōng）作液等３種工作（zuò）液中完成電火花加工。加（jiā）工設定深度為５０μｍ，並借助精度（dù）為１ｎｍ 的ＳＥ—３Ｈ 表麵測量儀完成表麵粗糙度數值測定。試驗目的是以常規工作液（yè）加工為參照，分析（xī）對比得（dé）到混鋁粉工作液、混矽粉（fěn）工作液的電火花加（jiā）工時的最佳參數和其他影響因素。
１．３ 試驗條件的確定
試驗在 Ａ３５Ｒ 電火花加（jiā）工機床上完成，依據機床加工性能（néng），對脈衝寬度、峰值電流和伺服電壓等３個因素（sù）分別取３個（gè）水平數值（zhí），由於機床性能限製空載電壓選取２個水平數值，組成 Ｌ１６（３４×２１）的正交表格。試驗（yàn）因素以（yǐ）及所取的（de）水平數值見表 １，正交表格見表 ２。試驗中采 用 的銅棒電 極直（zhí）徑為 １０ｍｍ，工件為 ＮＡＫ８０模具鋼。常規電（diàn）火花加工中工作液為煤油，混粉電火花加工的工作液是在煤（méi）油（yóu）中混（hún）入（rù）矽（guī）粉（直徑約５μｍ，濃度為６ｇ／Ｌ）、鋁粉（直徑約５μｍ，濃度為６ｇ／Ｌ）微細（xì）粉末分別構成的混矽粉工（gōng）作（zuò）液和混鋁粉工作液。
表１ 試驗因素以及（jí）所（suǒ）取的水平數值
表２ 試驗條（tiáo）件
２.試驗數據處理及分（fèn）析
２．１ 數據處理（lǐ）
在ＳＰＳＳ軟件中完成試驗數據的方差（chà）分析，根據控製變量（liàng）的個數，可以分成單因素方差分析和多因素方差分析。多因素方差分析（xī）是指控製變量有多（duō）個（gè），測試多個因素不同水平變化對觀察變量綜合影響；單因素（sù）方差分析是指控製變量隻（zhī）有１個（但１個控（kòng）製變量可以有多個觀察水平），其主要測試某（mǒu）一個控製變量的不同（tóng）水平對觀察變量造成的顯著差異和變動。在方差分析中，極差是不同水平各因素（sù）評價的均值，它的大小反映了同一控製變量取不同水（shuǐ）平時，指（zhǐ）標變化的幅（fú）度（dù）。極差越大說明該因素的水平變化對觀察變量的影響越大，該因（yīn）素（sù）對觀察變（biàn）量（liàng）影響居主（zhǔ）要地位（wèi）；反之，則說明（míng）該因素居次要地（dì）［３］。采用（yòng）單因素方差分析，脈衝寬度、峰值電流、伺服電壓和空載電壓等（děng）４個（gè）因素不同水平時，對觀察變量即表麵粗糙度的影響程度見表３。
表３ 不同水平的控製變量對表（biǎo）麵質量的影響程（chéng）度
２．２ 數據分（fèn）析
從表３可知，在常規工（gōng）作液、混（hún）矽粉工作液和混鋁粉工作液（yè）等３種工作液中進行電火花加工，峰值電流、空載電壓、伺服電壓和脈衝寬度等４個因素對表麵粗糙度（dù）的影響（xiǎng）規律基本一致，即觀察變量表麵粗糙度都是隨著峰值電流、空載電壓、伺服電壓和脈衝寬度這４個因素增加而增（zēng）加。首先，峰值電流的變化給（gěi）表 麵 質 量 帶 來 的 影 響 最（zuì） 大，當（dāng） 峰 值（zhí） 電 流 從１．０Ａ 增大到６．０Ａ 時，表麵粗糙度從 Ｒａ０．７９１ ８、Ｒａ０．８２０ ５ 和 Ｒａ０．７４２ ５μｍ 猛 增 到 Ｒａ１．８７７ ５、Ｒａ２．０２和 Ｒａ１．７８５μｍ；其次，隨著脈衝寬 度的增加，表麵粗糙度值也越來越大（dà）。在常規（guī）電火花加工液中，脈衝寬度對表麵粗糙度的影響尤（yóu）為（wéi）明顯，分析（xī）其原因是由於脈衝寬度（dù）跟放電能量成正比關係（xì），放電能量的積累以及放電時間（jiān）的長短對加工表麵（miàn）粗糙度影響（xiǎng）更為劇烈；而在混粉電火花加工中，放（fàng）電通道快速生長，放電通道較為分散，放電斑點大，擊穿時間小，脈寬中能量積累占的比重大，因此脈（mò）衝寬度影響相對較小［４］。
脈衝寬度、峰值電流、空載電壓和伺服電壓這４個參數在３種不同工作液中（zhōng）對零件加工表麵粗糙度的影響顯著度對比圖如圖１所（suǒ）示。從圖１中可以看出，峰值電流、伺服電壓和（hé）空載電壓的變（biàn）化對常（cháng）規電火花加工液、混鋁粉電火花加工液和混矽粉（fěn）電火花加工液影響顯著度都是從大（dà）到小變化，而脈衝寬度（dù）對工作（zuò）液（yè）的改變基本上沒（méi）有變化；因此（cǐ），粉末加入有效（xiào）改變了工作（zuò）液的工作狀態，特別是（shì）使峰值（zhí）電流、伺服電壓和空載電壓的變化對零件加工表麵粗糙度的影響顯著降低。
圖１ 不（bú）同條件下控（kòng）製變量對表麵質量的（de）影響顯著度對比圖
粉末的加入顯著（zhe）提升了電火花加工表麵的質量（liàng），分析其原因是粉末的（de）加入顯著提高了工作（zuò）液的極化電離分解和運送電荷能力，進而極大地促進了放電擊穿作用；同時，粉末顆粒之（zhī）間的互相影響，導致放（fàng）電電場最大位置出（chū）現在粉末周圍，電子發射不是從（cóng）一個電極向另（lìng）一個電極擴展，而是粉末（mò）之間、粉末與電極之間同時作用。因此，在同（tóng）樣的條件下，混粉電火花加工的擊穿（chuān）速度比（bǐ）常規電火花快，能（néng）量累積相對（duì）較（jiào）少，在放電通道（dào）一定的情況下，單位（wèi）麵積上（shàng）的能量密（mì）度小，放電蝕坑小，表麵質量好［５］。常規電火花加工與混（hún）粉電（diàn）火花加工工件表麵的照片對比圖如（rú）圖２所示。從圖２可以看出，混粉電火花加工（混矽粉（fěn）工作液）放電凹坑分布較均勻，形狀規則而平（píng）坦（tǎn），而常規工（gōng）作液中（zhōng）加工（gōng）出的表麵（miàn），放電凹坑深且不規則（zé）。
圖２ 常規電火花與混粉（fěn）電火花（huā）加工表麵顯微對比
粉末的加入對改善工件表麵粗糙度具有很好的作用，但由於鋁、矽粉末之（zhī）間電子親和力、熔點（diǎn）沸點、電阻（zǔ）率和熱導率存在的差（chà）異，使得混鋁粉和混矽粉電火花加工表麵質量有明顯的不同。鋁的介電常（cháng）數比矽高（gāo），其放（fàng）電能力較強，放電路徑（jìng）擴展過程中形成的末梢分枝較少，消耗能量小，放電通道在較短的時間內產生，從而使擊穿後的放（fàng）電能量增加，因此（cǐ），導致（zhì）試驗表麵粗（cū）糙度較高［６］；另外，鋁的極化程度較高（gāo），其周圍電場變形較為嚴重，需要的外加電場強度減小，加（jiā）工速度較快（kuài），但放電間隙較大，穩定性較差，導致混鋁粉工（gōng）作液（yè）的電火花加工質量比混矽粉工作液的電火花加工質量較差。
３.結語
對於混粉電火花加工，由於工作液中粉末的加入，使放（fàng）電間隙和工作液的複合介電常數都有所增大，特別是放電（diàn）間隙增大（dà）的變化（huà）程度更為明顯，這就保證了小脈衝能量下的正常（cháng）放電（diàn），從而減小了放（fàng）電凹坑（kēng）的尺（chǐ） 寸和深度，使 加工表（biǎo）麵 質 量得 以 改 善［７］。此外，與常（cháng）規電（diàn）火花加工相比，在相（xiàng）同的放電參數條件下，混粉（fěn）電火花加工由於放電間隙（xì）較大，放電通道擴展更充分，陽極 放 電（diàn）點麵積較大，而放（fàng）電 凹坑更淺，同（tóng）時也因為放電點分散（sàn）性良好，放（fàng）電凹坑分布更均勻，使（shǐ）加（jiā）工表麵（miàn）會（huì）更平整。對比（bǐ）常規工作液、混矽粉工作液和（hé）混鋁（lǚ）粉工作液這３種電（diàn）火花加工，參數對表麵粗糙度的影響規律基（jī）本一致，但粉末加入使得各參數影響作用加大，尤其是混矽粉工作液電火花加工對加工質量的提高更為明顯。
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