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往複走絲電火花線（xiàn）切割多次切割工藝（yì）試驗（yàn）

2017-8-10 來源：北京科技機械工程學院蘇（sū）州（zhōu）新火花（huā）機床公司作（zuò）者：賈誌新劉譯允高堅強（qiáng）黃磊陽

摘要：對“中走絲”電火花線切割加工機（jī）床的（de）多次切割工（gōng）藝參數進行了研究，圍繞脈寬、占（zhàn）空比、峰值電（diàn）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（jìn）行處理，使多目標優化變為單目標優化（huà）。通過正交試驗法優化出第二次（cì）切割和第（dì）三次切割的工藝參數，並進行驗證。實驗結果能為（wéi）“中走絲”電火花線切割加工工藝（yì）提供參考。

關鍵詞：中走絲；電火花線切割加工；多次切割；工（gōng）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（gōng）表麵（miàn）質（zhì）量。傳統的往複走絲電火花線切割機床之所以沒有（yǒu）取（qǔ）得明顯的突破，究其原因（yīn）是運絲（sī）係統沒有（yǒu）根本性改進，而近年來有所發展的“中走絲”線切割機床由於受到（dào）結構的限製，加工精度也未得到明顯提高。縱觀我（wǒ）國的電火花線切割加工機床（chuáng），並（bìng）未按金屬加（jiā）工的一般（bān）原則進行加工（gōng），即將整個加工過（guò）程分為粗、中、細三檔，故加工精（jīng）度很難（nán）提高。 “中走絲”線切割機床的多次切割工藝優勢（shì）很明顯，因此，本文對其（qí）進行（háng）試驗研究，通（tōng）過實驗量化“中（zhōng）走絲”多次切割所（suǒ）能達到的工藝水平。

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（huà）結果並（bìng）進行驗證；再進行三次切割多因素正（zhèng）交試驗，得出三次切割優化結果並進行驗證。電火花（huā）線切割工藝的好（hǎo）壞更多（duō）地是由設備性能決定的，如果零件的加（jiā）工（gōng）需通過多次切割（gē）來完成，則必須兼顧切割速度和表麵（miàn）粗糙度（dù）這 2 項工藝指標（biāo），本文就以此來（lái）探究“中走絲”多次切割的（de）工（gōng）藝規律（lǜ）。

實驗采（cǎi）用綜合評（píng）分法來評估（gū）各組合的（de）優劣，從（cóng）中選出較優的切割（gē）參數組（zǔ）合。綜（zōng）合評（píng）分法是根據每個實驗指標（biāo）重要程度的不同來分配權重係數，然後對各（gè）組實驗進行相應的評分，評分公式為：

式中：Wi為各組對應（yīng）的加權綜合評分；Mij為切割速度和表麵粗糙度 2 個評價指標的各自（zì）得分；ωj為各（gè）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（qiē）割實（shí）驗選用厚 40 mm 的 Cr12 材料，在M332“中走絲”電火花線切割（gē）機床上進行，測量設備有表麵粗糙度儀、濃度（dù）檢測儀、數顯（xiǎn）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（zhí）電流（B）、脈寬（C）及占空比（bǐ）（D）。由於走絲速度的水平數為 3 個，其餘均為 4 個，沒有合適的正交試驗表可選，故用擬水（shuǐ）平法將認為可能較合適的走（zǒu）絲速度（dù） 2.2 m/s 重複一次，湊成四水平，從而（ér）選用較（jiào）合適的正交表 L16（45），第 5 列不使用（表 1）。

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（wéi）：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（dāo）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（yào）作（zuò）用是修正，在提高加工精度的同（tóng）時，保證較高的表麵質量和加工速度。因此（cǐ），第二（èr）次切割的優化工作可采用評分法進行較簡單的優（yōu）選，得出一組加工速度較高、表麵粗糙（cāo）度值較低的參數組（zǔ）合。

二（èr）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（wéi）切割（gē）速（sù）度基準 1，以最佳表麵（miàn）粗糙度 Ra1.791 μm 作為（wéi）表麵粗糙度基準 1，Mi1為各實（shí）驗（yàn）結果的切割速度與切割速度基（jī）準 1 的比值，Mi2為各實（shí）驗結果的表麵粗糙度值與表麵粗糙度基（jī）準 1 的比值的相反數。由於（yú）越往後（hòu）的刀次（cì），其表麵粗糙度的權重越（yuè）高，故多次切割的第二次（cì）切割權重分配為（wéi）切割速度（dù） 40 %、表麵粗糙度（dù） 60 %，所得加權綜合評分記為（wéi） Wi。因此（cǐ），二次切割實（shí）驗各組的加工結果所對應的綜合加（jiā）權計算公（gōng）式為：

式中：Wi為第二次切割（gē）各組對應的加權綜合評分；vwi為第二次切割的切割速度；Ra 為第（dì）二次切割的表麵粗糙（cāo）度。

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（dāo）切割應選用該組對應的參數設置，即走絲速度 4.4 m/s，峰（fēng）值電流 15 A，脈寬（kuān） 5 μs，占空比（bǐ） 1∶5。優化結果見表（biǎo） 3。

對綜合評分法得出的優化方案進行 3 次樣件切割驗（yàn）證實驗，測量（liàng）結果為：二次切割的平均切割速（sù）度為（wéi） 318.60 mm2/min，加工表麵粗糙度的平均（jun1）值為 Ra2.000 μm；對（duì）該結果進行綜合評分為（wéi）-0.406，

高於表（biǎo） 2 所（suǒ）示的其餘 15 組方案，表明該優（yōu）化參（cān）數組合能穩（wěn）定（dìng）地（dì）實現較優的二次切割工藝。同時，與（yǔ）第一次切割所得的切割速度 50.28 mm2/min、表麵粗糙度 Ra2.79 μm 相比，明顯效（xiào）率更高、表麵質量更（gèng）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（zhōng）走絲”電火花線切割機床上進行，測量設備有 TR210 表麵粗（cū）糙度儀、濃度（dù）檢測儀及千分（fèn）尺。

本實驗的目的是建立相應的修（xiū）刀加工工藝數據庫，優化出一組或多組能保證（zhèng）較優表麵粗糙度的修（xiū）刀參數。為（wéi）此設（shè）計了正交試驗，其因素水（shuǐ）平見表4。其（qí）中，占空比的水平數為 4 個，其（qí）餘因素的水平數為（wéi） 2 個，故選用正交表 L8（4×24）進行正交試驗，第5 列不使用。

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（zhǔ）要作用是修光，使工件表麵粗糙度值達到盡可能低的水平，同時僅需（xū）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）和較小的脈衝能量。

3.2 實驗數據分析

三次切割正（zhèng）交試（shì）驗結（jié）果見表 5，以最高切割速度 300 mm2/min 作為切割（gē）速（sù）度（dù）基準 1，以最佳表麵（miàn）粗糙度 Ra1.24 μm 作為表麵粗糙度基準 1，Mi1為各實驗結果的（de）切（qiē）割速度與切割速度基準 1 的比值（zhí），Mi2為各實驗結果的表麵粗糙度與表麵粗糙度基準 1的比值的相反數。由於第三次切割主（zhǔ）要（yào）考慮表麵粗糙度，所以切割速度權重係（xì）數為 30 %，表麵粗糙度權重（chóng）係數（shù）為 70 %，則所得加權綜合評分（fèn） Wi為：

式中：Wi為第三次切割各組對（duì）應的（de）加權綜合評分；vwi為第三次切割的切割速度；Ra 為第三次切割的表麵（miàn）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（yīn）素 C應取 1 水平，因素 D 應（yīng）取 2 水平（píng），即最優組合為A1B1C1D2。此（cǐ）時（shí），綜合評分最高，切割效果最佳。

三次切割的（de）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（jiàn）總體平均切割速度（即加工（gōng）工（gōng）件的表麵積與（yǔ）總時間的比值（zhí））為 55.08 mm2/min，加（jiā）工表麵粗糙度的平均（jun1）值為 Ra1.15 μm。該結（jié）果的綜合得分為-0.479，高於表 5 所示的 8 組方案，表明該參數（shù）組合能穩（wěn）定地實現（xiàn）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，表麵粗糙度 Ra1.15 μm 已達到（dào）傳統機械精加工的精度（dù）範疇。