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Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝參數研究

2016-9-6 來源：太原（yuán）理工大作者：啟靜凱李（lǐ）文斌

摘要:隨著人們對工業產品的精度（dù）、質量要求越來越高，相關模（mó）具的製造（zào）精度、表麵質量以及模（mó）具材料的硬度、耐（nài）腐蝕性和耐磨性等也得到不斷（duàn）提高。Cr12Mo V 滿足了模具（jù）材料在硬度、耐磨性（xìng）、耐腐蝕性方麵（miàn）的要求，作為一種廣泛使用的冷作模具鋼，應用於生產截麵麵積大、外形複雜的各種冷衝模具。

Cr12Mo V 鋼具有（yǒu）高硬度性（xìng）能，尤其為（wéi）提高模具成型（xíng）精度，經熱處理後的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用傳統切削方（fāng）式很難加工。基於此，利用電火花線切割加（jiā）工 Cr12Mo V 成為最佳選（xuǎn）擇（zé）。電火（huǒ）花線切（qiē）割加工是利用脈衝火花放電蝕除材料，並通過數控係統對工件切割成形，可解決這種模具材料的難加工問題，並能滿足製造（zào）精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的電火花線（xiàn）切割加（jiā）工工藝參數（本文主要以電參數為（wéi）主，包括（kuò）脈寬時（shí）間、脈（mò）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影響，以達到對電參（cān）數優化選取的目的，從而提高電火（huǒ）花線切割加工（gōng） Cr12Mo V 的加工效率和表麵質量。

利用單因素試驗法，通過改變電火花線（xiàn）切割機床的電參數，得出各個電參數對電火花線切割（gē）加工Cr12Mo V的材料去除率與表麵粗糙度（dù）的影響（xiǎng）規律。在（zài）此基礎上，利用（yòng）有限元分析軟件 ANSYS，依（yī）據（jù）電火（huǒ）花線切割加工的微觀機理，建立合（hé）理的物理模型和數學模型，劃分網格，確定能量在放電通道內分（fèn）布的（de）形式，施加荷載並求解，得到電火花線（xiàn）切（qiē）割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場分布，來預（yù）測峰值電（diàn）流的改變對表（biǎo）麵粗糙度的影響。將白層厚度考慮在內並且修正仿真凹坑深度值後，與（yǔ）實際加工的結果進行對比驗證，得出了更為吻合的修正凹（āo）坑深度曲線與表麵粗糙（cāo）度曲線，表（biǎo）明可通過ANSYS 仿真電火（huǒ）花加（jiā）工溫度場進行電參數的（de）合理選（xuǎn）擇。

應用（yòng）正交實驗（yàn）法，通過（guò）合理設置考察因素水平，設計表頭，確定以 L16(45)正交表進（jìn）行正交試驗，得到試驗結果。對試驗結果分別進（jìn）行極差分析和方差分析，探索電火花線切割的脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對材料（liào）去除率和表麵粗糙度影響的主次順序和顯著性。以正交試驗結（jié）果為（wéi）基礎應用灰關聯分析法（fǎ），將（jiāng）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，選取關聯值最大的一組電參數為（wéi）最優參數（shù）組合，即：脈寬時間為 10 μs，脈間時（shí）間為 20 μs，峰值電流為 2 A，間隙（xì）電壓為 3 V，並進行試驗驗證。結果表明，利用（yòng）經優化後的參數組合切割加工試件，達到了（le）預期的加工效果，解決了參數組合的（de）優化問題。

總之，本文通過一係列試驗和分析方法，研究了電（diàn）火花線切割（gē）加（jiā）工Cr12Mo V 的電參數的選取和優化（huà）問題，為實際生產提（tí）供理論指導。

關鍵詞：電火花線切割加工，Cr12Mo V，電（diàn）參數，材料去除率，表麵粗糙度，有限（xiàn）元分析

3、電火花線切割加工參（cān）數研究及分（fèn）析

3.1 引言

在電火花線切割加工Cr12Mo V的過程中，影響其表麵粗糙度和材料（liào）去除率的因包括非電參數（shù）和電參數。而非電參數的影響相對於（yú）電參數的影響很小，因此探究電參數的（de）影（yǐng）響規律很重要。在每個廠商的加工工藝參數表中都有針對某一材料，某一加（jiā）工厚度，某一（yī）加工（gōng）精度製定的參數組合，但是在實際加工（gōng）過程中，這些參考（kǎo）並沒有達到我們預期的效（xiào）果。對於某種材料，能（néng）得到一組材料去除率和表麵粗糙度兼顧的最優參數組合，大量（liàng）的實踐是必（bì）須的，除此之外利（lì）用單因素試驗掌握電參數（shù）對二者的影響規律是得到最優數組（zǔ）合的基（jī）礎。

本章通過單因素試驗探究脈寬時間、脈間時間、峰（fēng）值電流和間隙電壓對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的（de）材料去除率和表麵粗（cū）糙度（dù）的（de）影響，為正交試驗與灰關聯分析做基礎，得到一組最優加工工藝參數組合。本次單因素試驗的平台是（shì） FW-1 型電火花（huā）線切割機床，電極絲采用 Φ0.18 mm 的（de）鉬絲，試驗（yàn）材料為經過熱處理的 Cr12Mo V 鋼（gāng），厚度為 20 mm。

3.2 脈寬時間對加工 Cr12Mo V 的影響

試（shì）驗中要研（yán）究脈寬（kuān）時間對電火花線切割加（jiā）工 Cr12Mo V 的影響，采用（yòng）的方法是單因素試驗法，也（yě）就（jiù）是將脈寬時間作為單一變量，其（qí）他因素保（bǎo）持不變進行試驗。衡量影（yǐng）響的性能指標為材料去除率和表（biǎo）麵粗糙度值。具體（tǐ）的試驗操作是（shì）改變脈寬時間的機床加工參數值分別為 7μs、8μs、9μs、10 μs 來切割，並測量（liàng）加工得到的試驗試件的表麵粗糙度值和計算其材料去除率。表3-1 所示為不同（tóng）脈寬時間下試驗（yàn）結果。

為便於分析，將試驗結果繪製（zhì）成圖 3-1。觀察圖可得（dé）出，隨脈寬時間的增大，材料去（qù）除（chú）率加快。電火花線切割（gē）加工是使用金屬絲（sī）做電極，通過脈衝電源對工件進行脈衝放電來蝕除金屬，在數控係統的幫助下切割成形的。脈寬時間是決定脈衝能量大小的重要因素之一，脈寬時間增大則放電能量增強，提高了（le）加工速（sù）度。但脈衝能量增大會導致電蝕坑變大（dà），表麵質（zhì）量下降。加（jiā）工（gōng）時，需保證表麵質量的同時增大脈寬時間來提高加工速度，因為過大的脈（mò）寬時間會使電蝕產物排出不暢，最（zuì）終不僅不能提高（gāo）加工速（sù）度，甚至會造成斷絲。

表3-1 脈寬時間變化的影響（xiǎng）

圖 3-1 脈寬時間對表麵粗糙度-材料去除率的影響

3.3 脈間時間對加工 Cr12Mo V 的影響

研（yán）究脈間時間對電（diàn）火花線切割加工 Cr12Mo V 的影響，試驗（yàn）中將脈（mò）間時（shí）間作為單一變量（liàng），改變其機床加工參數值分別為 20μs、25μs、30μs、35 μs，並保持其他因素不變。材料去除率和表麵粗糙度為衡量（liàng）脈間時間（jiān）對加工影響的性能指標，將加工得到的試驗試件測量並計算其（qí）加（jiā）工（gōng）速度。表 3-2 所示為記錄的（de）試驗結果。

脈間時間是相鄰脈衝的間隙（xì）時間，它的大小影響電極絲與工件間的消電離。隨（suí）著脈間時間的（de）增大，平均電流減小則加工速度減（jiǎn）小。但是為了提高加工（gōng）效率不能盲目減小脈間時間，這樣會引起電弧（hú）和斷絲[21]。觀察圖3-2得出，表麵（miàn）粗糙度值的大小隨脈間時（shí）間的改（gǎi）變出現先降（jiàng）後升的現象，並且在25 μs時其達到最小。這是（shì）因為作為影響放電加工的重要參數，脈間（jiān）時間過大會造成頻繁短路，導致（zhì）表麵粗糙度變差，相反過小會（huì）造成間隙不完全消電離和蝕除物來不及排出，致使拉（lā）弧（hú）燒傷。

表3-2脈間時間變化的影響

圖3-2 脈間時間對表（biǎo）麵粗糙度-材料去除率的影響

3.4 峰值電流對加（jiā）工 Cr12Mo V 的影響

峰值電流是影響電火花線切割加工 Cr12Mo V 的重要因素。本研究將峰值電流作為（wéi）單一變量，其他因素（sù）保（bǎo）持不變，他們的取值範圍如表 3-3 所示。以材料去除率和表麵粗糙度為性能指標，將試驗結果也記錄於表 3-3。

表 3-3峰值電流變化的影（yǐng）響

峰值（zhí）電流的改變（biàn），對加（jiā）工速度和（hé）表（biǎo）麵質（zhì）量的影響尤為重要。從圖3-3可得出，隨著峰值電流增大（dà），表麵質量變差，而材料（liào）去除率呈現（xiàn）加快的趨勢。同脈寬時間相同，峰值（zhí）電流（liú）決定脈衝能量的大小。提高峰值電流使得加工速（sù）度（dù）變快而表麵質量（liàng）下（xià）降。單方麵通過提高（gāo）峰值電（diàn）流來加快加工速度會造成電蝕（shí）產物的顆粒大，表（biǎo）麵質（zhì）量急劇下降，嚴重（chóng）情況會造成斷絲。

圖3-3 峰（fēng）值電流（liú）對（duì）表麵粗糙度-材料去（qù）除率的影（yǐng）響

3.5 間隙電壓對加（jiā）工 Cr12Mo V 的影響

研究間隙（xì）電壓對電火花線切割加工Cr12Mo V的影響，將（jiāng）其他因素（sù）保（bǎo）持不變，改變間隙電壓的機床（chuáng）加工參數值分別為2 V、3 V、4 V、5 V。表3-4所示為記錄的材料（liào）去除（chú）率和表（biǎo）麵粗糙度的試驗（yàn）結果（guǒ）。

表3-4 間隙電壓變化的影響

將得到的（de）試驗結果繪製成圖3-4，可見（jiàn），隨著間隙電壓的改（gǎi）變，其對材（cái）料去除（chú）率和（hé）表麵粗糙度的影（yǐng）響有限。當間隙電壓為3V時，加工效率最大，而表（biǎo）麵粗（cū）糙度（dù）隨著它（tā）的增大（dà）而不斷減小。這是因為間隙電壓是兩極間的加工電壓，隨著間隙電壓增大，改（gǎi）善排屑條件，使加工趨於穩定。但是過大的間隙電壓會使空載脈衝（chōng）增多，影響加工速度。