Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝參數（shù）研究
2016-9-5 來（lái）源： 太 原 理（lǐ） 工 作者： 啟（qǐ）靜凱（kǎi） 李 文 斌
摘要:隨著人們對工業產品的精（jīng）度、質量要（yào）求越來（lái）越高，相關模具的製造精度、表麵質量以及模（mó）具材料（liào）的硬度、耐腐蝕性和（hé）耐磨性等也得到不斷（duàn）提高。Cr12Mo V 滿足了模具材料在硬度、耐磨性、耐腐蝕性方麵的要求，作為一種廣泛使用的（de）冷（lěng）作模（mó）具鋼，應用於（yú）生產截麵麵積大、外形複雜的各種（zhǒng）冷衝模具。
Cr12Mo V 鋼具有高硬度性能，尤其為提高模具（jù）成型精度，經熱處理後的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用傳統（tǒng）切削方式很難加工。基於此，利用電火花線切割加工 Cr12Mo V 成為最佳選擇。電火花線切割加工是（shì）利用脈衝火花放電蝕除（chú）材料（liào），並通過數控係統對工（gōng）件切割成形（xíng），可解決這種模具（jù）材料的難加工問題，並能滿足製造精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝參數（本文主要以電參數為（wéi）主，包（bāo）括脈寬時間（jiān）、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓）對材料去除率和表麵粗糙度的（de）影響，以達到對（duì）電參（cān）數優化選取的目的，從而（ér）提高電火花線切割加工 Cr12Mo V 的加工效率和表麵質量。
利用單因素試驗法，通過改變（biàn）電火花線切割機床的電參數（shù），得出各個電參數（shù）對（duì）電火花線切割加（jiā）工Cr12Mo V的材料去除率與表麵粗糙度的影響規律。在此基（jī）礎上（shàng），利用有限元分析軟件 ANSYS，依據電火花線切割加（jiā）工的微觀機理，建立合理的物理模型（xíng）和數學模（mó）型，劃分網格，確定能量在放電通道內分布的形式（shì），施加荷載並求解，得到電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼 的溫（wēn）度場分布，來預測峰值（zhí）電流（liú）的改變對（duì）表麵粗（cū）糙度的影響。將白層厚度考慮在內並且（qiě）修正仿真凹坑深度值後，與實際加工的結果進行對比驗證，得出了更為吻合的修正凹坑深度曲線與（yǔ）表麵粗糙度曲線，表明可通過ANSYS 仿真電火花加工溫度場進行電參數的（de）合理選擇（zé）。
應用正交實驗法，通過合理設置考察因素水平，設計表頭，確定以 L16(45)正交表進行正交試驗，得到試驗結果。對試驗結果分別進（jìn）行極差分析（xī）和方差分析，探索電（diàn）火花線（xiàn）切割的脈寬時間（jiān）、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對材料去除率和表麵粗糙度影響的主次順（shùn）序和顯著（zhe）性。以正交試驗結（jié）果為基礎應用灰關聯分析法，將材料去除率和表麵粗糙度量綱歸一化後進行關聯分析，計算關聯度值，選取關聯（lián）值最大的一組電參數為最優參數組合，即（jí）：脈寬時間為 10 μs，脈間時間為 20 μs，峰值電流為（wéi） 2 A，間隙電壓為 3 V，並進行試驗驗證。結果表明，利用經優化後的參（cān）數組合切割加（jiā）工試（shì）件，達（dá）到（dào）了預期的加工效果，解決（jué）了（le）參數組合的優化問題。
總之（zhī），本文通（tōng）過一係列試驗和分析方法，研究（jiū）了（le）電火花線切割加工Cr12Mo V 的電參數的選取和優化問題，為實際生產提供理論指導。
關（guān）鍵（jiàn）詞（cí）：電火（huǒ）花線切割加工，Cr12Mo V，電（diàn）參數，材料去除率，表麵粗糙度，有限元分析
2、電火（huǒ）花線切割加工Cr12Mo V 試（shì）驗方案（àn）確定
2.1 電（diàn）火花線切割加工Cr12Mo V 的試驗設備和試驗材料的選（xuǎn）取
2.1.1 電火花線切割加（jiā）工 Cr12Mo V 的（de）試驗設備
北京阿奇夏米爾有限（xiàn）公司是一家合（hé）資的高（gāo）新技術企業，是國內電加工機床的領導者，其（qí）生產的機床種類齊全，性能優異。本課題研究以該公（gōng）司生產的 FW-1 型（xíng）高速走絲（sī）電火花線切割機床為（wéi）試驗平台，如圖（tú） 2-1 所示為該型號機床（chuáng）的外觀及主要部件。
圖 2-1 FW-1 型高速走絲電火花（huā）線切割機床（chuáng）
硬件方麵，FW-1 型電火花線切割（gē）機床采用大（dà）截麵式立柱結構、鑄鐵床身，結構緊湊，整（zhěng）機剛性好，且擁有精密級直線滾動導軌和滾珠絲杠副，運動精度高。為提高線切割工作液的使用周期，改善加工質量（liàng），減少環境汙染，該電火花線切割機床獨特設（shè）計了帶有濾芯的過濾（lǜ）係統。具有恒張力控製（zhì）的走（zǒu）絲（sī）機構，確保高的加工精度，而且設有如圖2-2 所示功能強大的（de）人機交互界（jiè）麵。
圖 2-2 FW-1 的人機交互界麵
在軟件方麵，FW-1 型（xíng）電火花線切割機床具備自動半徑補償功能，以提高零件加工精度。通過數（shù）控係統實現 X、Y、U、V 四軸聯動，進行錐度加工。還可以采用手動（dòng）編程和全中文的 CAD/CAM 自動編程，編程代碼既可用 ISO 代碼編程，亦可使用 3B/4B格式編程（chéng）。
FW-1 型高速走絲電火花線切割機床（chuáng）在硬件和軟件（jiàn）方麵都有其優越的性能，市場（chǎng）占有率高，表 2-1 列出了該機床的主要規格及參數。
表 2-1 FW-1 型高速走絲電火花線切割機床主要參數
2.1.2 電火花（huā）線切割加工 Cr12Mo V 的試驗材料的選取
Cr12Mo V 鋼中的 C 和 Cr 元素含量較高，是萊氏體鋼。其在淬火後耐磨性較高（gāo），表麵（miàn）能形成致密氧化膜，提高抗腐（fǔ）蝕能力和降低摩擦係數[12]。因此 Cr12Mo V 鋼被廣泛應用（yòng）於製造冷作模具，同時為了提高模具成（chéng）型（xíng）精度，防止熱加（jiā）工對零件的影響，一般是熱處理完成後再利用線切割加工（gōng）[13]。Cr12Mo V 經過熱處理後硬度≥60HRC，利用傳統加工方式很難進行，且對刀具損害較大，故利用電火花線切割適合加工難加工材料的優勢，選擇（zé）利用其加工 Cr12Mo V 鋼。
綜上所述，本研究采（cǎi）用的試（shì）驗材料為高溫淬火後的 Cr12Mo V 鋼。試驗（yàn）材料的尺寸大小為 120mm×20mm×10mm，如圖 2-3 所示。為提高此材料的利用率，切割（gē）的試（shì）件為1mm×20mm×10mm，其外形尺寸如（rú）圖 2-4 所示。
圖 2-3 試驗工件毛坯外形尺寸
圖 2-4 試件尺寸
2.2 電火（huǒ）花線切（qiē）割加工 Cr12Mo V 的工藝指標（biāo）及其影響因素
2.2.1 電火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 的工藝指標
工藝指（zhǐ）標是指一種加工方式加工完成後所滿足工藝要求的（de）指標。材料去除率、電極絲的損耗量、表麵粗糙（cāo）度和尺寸精度是電火花線（xiàn）切（qiē）割加工的四個工藝指標。其中材料去除率和表麵粗糙度是電火花線切割加工 Cr12Mo V 的兩項重要的工藝指標[14]。本（běn）課題主要是以這兩項指標為研究對象（xiàng）。
材料去除率即（jí）加工速度，是單位時間內的切割麵積（jī），單位為 mm2/min。材料去除率數值可以（yǐ）通（tōng）過機床係統記錄的（de）加工時（shí）間與加工表麵積比（bǐ）值計（jì）算。
表麵粗（cū）糙度是對加工質量的度量，采用輪廓算術平均偏差 Ra（μm）來表示。Ra 值可通（tōng）過 TR200 粗糙度測量儀測定。如圖 2-5 所示（shì）為 TR200 粗糙度（dù）測量儀。
圖2-5 TR200手持式表麵粗糙度測量儀（yí）
2.2.2 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的影響因素
1）被（bèi）加工材料的熱力學屬性對加工的影響
高溫熔化（huà）、氣（qì）化工件材料是電火花線切（qiē）割加工蝕除材料，達（dá）到工件成形目的的方式（shì），熱現象是整個加工過程的（de）最主要物理現象，因此被加（jiā）工材料自身的熱力學屬性對加（jiā）工速度和表麵質量（liàng）影響很大。這些熱力學屬性包括熔點、比熱（rè）容和熱導率等。
在一定熱能作用下，熔點和比熱容越低的材料就越容易加（jiā）工，反之則越難加工。對於熱導率，它（tā）的數值越高則（zé）導熱性越好。在相同的熱能作用下，導熱率越強（qiáng），能量（liàng）擴散越快，使得熱能不能集中到一塊迅速達到材料熔點、沸點，加工效率下降。
2）非電參數對加工的影響
電火花線切割（gē）加工（gōng）過程中（zhōng）除（chú）了受被加工材（cái）料本身（shēn）的屬性的影響，機床本身的參數對加工的作用是（shì）相當大的，包括電參數和（hé）非電參數。而工作液性質及噴（pēn）液的壓力、工件厚度和電極絲的張力都屬於（yú）對加工有影響的非電參數。
其中工作液的作用（yòng）在加（jiā）工過（guò）程中非常（cháng）重要。它在（zài）脈衝放電下（xià）形成放電通道，並在單次脈衝後使放電間（jiān）隙恢複（fù）絕緣狀態，幫助蝕除物排出，還能對（duì）工件和電極絲產生冷卻作用。壓縮（suō）放電通（tōng）道可以提高通道的能量密度，單位能量密（mì）度的增加有利於提高加工（gōng）效率，采用介電性能好（hǎo）、密度和粘度大的工作液能幫助達到（dào）這一目的。但粘度過高使蝕（shí）除（chú）物的排出困難，這時可以選擇通過調節噴液的壓力來提高排出速度（dù）。工件的厚度也會影響加工，加工較厚的工件，同（tóng）樣噴液壓力情況下，相比於薄工件其加工過程排屑困難，使得加工過程出現不穩定[15]。電（diàn）極（jí）絲張力的大小對表麵粗糙度的影響較大，增加張力可以減小表麵粗糙（cāo）度值[16]。這是由於增（zēng）大（dà）張力可以減小工作（zuò）液壓力和放電爆炸造成（chéng）的電極絲振動。
3）電參數對加工的影響
電火花線切割在加工過程中，對表麵粗（cū）糙度和材（cái）料去除率產生影響的主要電參數包（bāo）括脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間隙電壓 SV[17]。
本研究的所使用的電火花線切（qiē）割機床對（duì）上述四個（gè）參數的大小有相應的規定：
ON：設定脈寬（kuān）時間。值為（ON+1）μs，且 ? 32μs； OFF：設定脈間時間。值為（OFF+1）×5μs，且 ? 160μs； IP：設定峰值電流，範（fàn）圍為 0.5~9.5，小數點後的值（zhí）在 0~4 之間認為是 0，在 5~9 之（zhī）間則認為是 5。接觸感知時 IP 為（wéi） 0.5。
SV：設定間隙電壓，其值 7V。
依據（jù） FW-1 型電火花（huā）線切割機床（chuáng）對脈寬時間（jiān） ON、脈間（jiān）時間 OFF、峰值（zhí）電流 IP 和間隙電壓 SV 設置的規定來選擇單因素試驗和正交試驗中電參（cān）數數值尤為重要。
脈寬時間和峰值（zhí）電流是影響脈衝能（néng）量（liàng）的重要參數（shù）[18]。增大脈寬時間和峰值電流能夠提高單（dān）個脈衝的能量，但是（shì）提高能量加快切割（gē）速度的同時，電蝕坑（kēng）變大，這樣加工的表麵質量（liàng）就會下降。脈間時間為相鄰電壓脈衝之間的間隔（gé），脈間時間減小則（zé）平均電流就會增（zēng）大，這樣有利於提高加（jiā）工速度，但是過小的脈間時間也會造成來不及消電離而斷絲。間隙電（diàn）壓是電（diàn）極絲與工（gōng）件之間的加工電壓（yā），它的改變直接影響加工間隙的大小，從而改變（biàn）排屑的順暢程度。
2.3 電（diàn）火花線切割加（jiā）工 Cr12Mo V 的試（shì）驗方法
研究電火花線切割加工 Cr12Mo V 的加工工藝參數的影響，首先要（yào）確定的是這種（zhǒng）材料的加工工藝參（cān）數即電火花（huā）線切割的電參數，包括脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間隙電壓 SV。通過研究各電參數對材料去除（chú）率和表（biǎo）麵粗糙度的影（yǐng）響，從而優（yōu）化一組電參數組合，達到材（cái）料去除率和表麵粗（cū）糙度最優（yōu）的目的。因此本課題選用了單因素（sù）試驗法、ANSYS 仿真分析、正交試驗法及灰關聯（lián）分析法（fǎ）進行探（tàn）討（tǎo）。
2.3.1 單因素試驗法
控製其餘因素不變，隻變單個因素（sù）的試驗叫做單（dān）因素試驗。單因素試驗可以通過（guò）等分法、黃金分割法和分數（shù）法等來進行因（yīn）素的取值和範圍的確定。
其中等（děng）分（fèn）法適用於考察因（yīn）素已經清楚，需通過試驗來明（míng）確其對結果的影響；黃金分割法需（xū）要（yào）了解先驗信（xìn）息，來確定試驗（yàn）範圍[a，b]；分（fèn）數（shù）法不（bú）僅要清楚先驗信息，而且需提前了解試驗的總次數。實際情況是，我們（men）對電火花線切割加工 Cr12Mo V 過程中脈寬時間、脈間時間、峰值電（diàn）流、間隙電壓對加工速度以及表麵質（zhì）量的影響規律並不了解，也（yě）沒有先驗信息來確定試驗的範圍和試（shì）驗的總次數。
因此，本研（yán）究選用等分法。在做試驗之前我們通過已有的加工經驗以及廠商提供（gòng）的工藝參數（shù）表（biǎo）確定脈（mò）衝寬（kuān）度、脈衝間隙、峰值電流、間隙電壓的（de）範圍，利用均分法把這（zhè）些參數的數值放在等分點上，這樣試驗簡單，靈活性強。
2.3.2 ANSYS 仿真分析
ANSYS 作為廣泛使用的有限元分析軟件（jiàn），由於其卓越（yuè）的仿真功能，且操作（zuò）簡單方便，成世（shì）界上使用範圍最（zuì）廣的（de） CAE 軟件（jiàn）。它在（zài）各個學科都（dōu）有廣泛應（yīng）用，例如結構、熱、聲、流體以及電（diàn）磁場等學科。因此，使其（qí）涉及眾多領域，例如：核能、鐵路、航天、機械製（zhì）造、礦產、水利、國（guó）防軍工、土木建築、造船等。
一個完整的 ANSYS 分析大致包含 3 個環節：創建模型、加載求解、得出結果。其中定（dìng）義單元屬性，創建實體模型，劃分網格是第一（yī）步創建（jiàn）模型的主要（yào）內容也是影響（xiǎng）後麵求解與分析（xī）結果好壞的重要步驟。加（jiā）載可以根據分析的形式（shì）選擇載荷的（de）類型。利用軟件強大的後處理功能求解，根據需要提取分析結果。
ANSYS 的（de）熱（rè）分析是（shì）以熱平衡（héng）方程（chéng）為基礎，通過計算各節點的溫度，由此得出（chū）實體的溫度場分（fèn）布。其中穩（wěn）態傳熱、瞬態（tài）傳熱、熱耦合（hé）分析是熱（rè）分析主要的三種形式（shì）。
電火花線切割加工過程中，高溫使得材料熔化，熔化材料在各種作用力下從表麵被拋（pāo）出，形成電（diàn）蝕坑，材（cái）料被蝕除，工件（jiàn）加工成形[19]，電火花線切割加工的（de）過程就是一個熱作用的過程。因此，本次課題利用 ANSYS 仿真模擬（nǐ）放電加工 Cr12Mo V，其極間的溫（wēn）度（dù）隨時間而改變，屬於熱分析的瞬態（tài）傳熱過程。
2.3.3 正（zhèng）交試驗法（fǎ）與灰關聯分析（xī）法
1）正交試驗（yàn）法
正交試驗（yàn）法是根據考察（chá）因素與（yǔ）試驗目的使用正交（jiāo）表設計試驗的方法[20]。在實際生產與科研過程中，需要（yào）考慮的因素一般多於兩個（gè），如果對於每個因素都組合進行試驗，那（nà）樣所（suǒ）需的人力、物力都是驚人的，采用正交試驗可（kě）以很好地解決這個問題。同時相對於單因素試驗法，正交（jiāo）試（shì）驗法（fǎ）還可以（yǐ）利用（yòng）所得的數據進行極差分析與方差分析，可以直觀（guān）的了解各（gè）個因素影響的（de）主次順序和顯著性。
2）灰關聯分析法
灰色關（guān）聯分（fèn）析主要（yào）目的是明確各指標之間的關聯程度，進而確定指標之間內在關係。
數理統（tǒng）計中用來進行係統特征（zhēng）分析的方法包括回歸分析、方差分析等。但回歸分析、方差（chà）分析等方（fāng）法通常（cháng）要求大批的數據，且數據需要（yào）滿足（zú）一定的規律。灰關聯分析法彌補了上述方法在分析過程出現（xiàn）的缺陷。它不需要大量的樣本數據且樣本不需（xū）要服從一定的
規律。采用灰關聯分析法能夠（gòu）減小計算量，且量化分析與定性分析不矛盾。
2.4 本章小結
本章（zhāng）介紹了研究電火花線切割加工 Cr12Mo V 的工藝參數的試驗方案，包括試驗設備和試（shì）驗材料的選取，工藝指標、影響因素以及研（yán）究所采用的試驗方法的確定。具體有一下內容：
1）選擇 FW-1 型電火花線（xiàn）切割機（jī）床為（wéi）本課題研究的試驗平台（tái），試驗材料（liào）為經過熱處理的 Cr12Mo V 鋼，其毛坯外形尺寸（cùn）為（wéi） 120mm×20mm×10mm。加工所得的試件尺寸（cùn）為1mm×20mm×10mm。
2）確定本（běn）課題研究的工藝指標為（wéi）材料去除率（lǜ）和表麵粗糙度，而影響因素為線切割機床的電參數（shù），包括脈寬時間（jiān）、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓。
3）確定采用（yòng）單因素試驗法（fǎ）、ANSYS 仿真分析、正（zhèng）交試驗法以及灰關聯分析法這一係列試驗方法作為本課題研究電參數對工藝（yì）指標的影響，並優化一組電（diàn）參數組合，使得材料去除率和表麵粗糙度（dù）達到預期加工目的。
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